工业互联网平台综合应用课件：工业设备数据采集

工业设备数据采集《工业互联网平台综合应用》/《工业互联网平台综合应用》/知识准备任务实施目录0102本地设备：口数控系统口工业机器人口

PLC口扫码枪等

云端系统：口工业互联网平台口MES系统等工业物联网关是一款采用嵌入式硬件的计算机设备，具有多个用于连接设备的下行通信接口，一个或者多个用于连接工业互联网平台或采集系统的上行网络接口；工业物联网关能实现本地设备与云端系统之间的通信。工业物联网关介绍工业互联网平台综合应用常见的标准工控协议有：口Modbus口ProfiBus口OPCUA口BACnet工业生产设备使用的控制器有传感器、PLC、工业机器人、数控系统，扫码枪等，一般都采用私有或专用的工控协议工业物联网关与设备连接时，需要对这些协议进行解析。工业物联网关介绍工业互联网平台综合应用工业物联采集总览包含执行机构(工业设备)、控制系统、接口/连接方式、工业协议、边缘采集设备、物联网协议、联网方式、工业互联网平台。工业物联采集总览工业互联网平台综合应用常见工业设备：数控机床是以指令的形式记载各种加工信息；注塑机又名注射成型机或注射机，很多工厂叫啤机。工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业物联采集总览工业机器人数控机床注塑机工业互联网平台综合应用PLC：◆PLC就是一个可编程逻辑控制器。◆PLC组成结构一般由电源模块、

CPU模块、输

入模块、输出模块、通讯模块几大部分组成。◆PLC的控制原理是输入模块收集外部的信息，CPU根据收集到的信息，执行内部的程序逻辑，并将结果通过输出模块传送到外部输出端口。◆PLC可以根据项目的需要自由的扩展相应的模

块。工业物联采集总览控制系统：PLC、电气控制元件和变频器。工业互联网平台综合应用口低压断路器可手动开关，又能用来分配电能、不频繁启

动异步电机

，对电源线、电机等实行保护。口接触器由电磁机构和触头系统两部分组成。口热继电器是利用电流通过元件所产生的热效应原理而反

时限动作的继电器。口中间继电器的原理是将一个输入信号变成多个输出信号

或将信号放大的继电器。口按钮在实际应用中通常根据所需要的触头数量、使用的

场合及颜色来选择按钮。口万能转化开关由操作机构、面板、手柄和数个触头座等

部件组成。口行程开关，位置开关是一种常用的小电流主令电器。口指示灯的作用：指示设备的运行或停止状态。监视控制电器的电源是否正常。利用红灯监控跳闸

回路是否正常，用绿灯监控合闸回路是否正常。电气控制元件：断路器、接触器、中间继电器、热继电器、按钮、指示灯、万能转换开关和行程开关是电气控制回路中最常见的八种元件。工业物联采集总览工业互联网平台综合应用

变频器的保护功能口过流保护口过压保护口过载保护等变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器的组成口整流(交流变直流)口滤波口逆变(直流变交流)口制动单元口驱动单元口检测单元微处理单元工业物联采集总览工业互联网平台综合应用端口选项说明网口网络适配器又称网卡或网络接口卡(NIC),英文名NetworkInterfaceCard.它是使计算机联网的设备.平常所说的网卡就是将PC机和LAN连接的网络适配器。串口串行接口是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。工业USB接口通用串行总线(英语：Universal

Serial

Bus，缩写：USB)是一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用

于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。互感器互感器又称为仪用变压器，是电流互感器和电压互感器的统称。能将高电压变成低电压、大电流变成小电流，用于量测或保护系统。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V

)或标准小电流(5A或1A

，均指额定值)，以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。传感器传感器(英文名称：transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。继电器继电器(英文名称：relay)是一种电控制器件，是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。CAN接口一种现场总线接口。供高达1Mbit/s的数据传输速。工业物联采集总览

端口选项说明表工业互联网平台综合应用协议名称说明Modbus协议MODBUS协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC

，DCS

，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。S7协议S7以太网通信协议，主要用于将PLC连接到(i)pc站(PG/PC-PLC通信)。Profibus-DPPROFIBUS–DP的DP即Decentralized

Periphery，是一种计算机电子元件。它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它与PROFIBUS－PA

(Process

Automation

)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus

Message

Specification)共同组成了PROFIBUS标准。DeviceNetDeviceNet是一种用在自动化技术的现场总线标准，由美国的Allen-Bradley公司在1994年开发。DeviceNet使用控制器局域网络 (CAN

)为其底层的通讯协定，其应用层有针对不同设备所定义的行规(profile)。主要的应用包括资讯交换、安全设备及大型控制系统。在美国的市场占有率较高。OPCOPC(OLE

for

Process

Control),用于过程控制的OLE

，是一个工业标准，管理这个标准的国际组织是OPC基金会，OPC基金会现有会员已超过220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。基于微软的OLE(现在的Active

X)、COM

(部件对象模型)和DCOM

(分布式部件对象模型)技术。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。CAN总线协议控制器局域网总线(CAN

，Controller

Area

Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。ProfibusPROFIBUS是一个用在自动化技术的现场总线标准，在1987年由德国西门子公司等十四家公司及五个研究机构所推动，

PROFIBUS是程序总线网络(PROcess

FIeld

BUS

)的简称。PROFIBUS和用在工业以太网的PROFINET是二种不同的通信协议。ProfinetPROFINET

由PROFIBUS国际组织(PROFIBUS

International

，PI)推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)

技术，保护现有投资。工业物联采集总览

常用工业协议表工业互联网平台综合应用➢TCP/IP传输协议，即传输控制/网络协议，也叫作网

络通讯协议。➢TCP/IP传输协议是保证网络数据信息及时、完整传输

的两个重要的协议。➢TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构，

应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含其中。➢TCP/IP协议是Internet最基本的协议,其中应用层的主要协议有Telnet、

FTP、SMTP等，是用来接收来

自传输层的数据或者按不同应用要求与方式将数据传输至传输层。物联网应用层协议：TCP/IP协议、UDP协议、HTTP协议、MQTT协议、CoAP协议。工业物联采集总览工业互联网平台综合应用口UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包

，

在OSI模型中，两者都位于传输层，处于IP

协议的上一层。口UDP有不提供数据包分组、组装和不能对

数据包进行排序的缺点。口UDP用来支持那些需要在计算机之间传输

数据的网络应用。UDP

是用户数据报协议，是OSI(开放式系统互联)参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETFRFC768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。工业物联采集总览工业互联网平台综合应用请求和响应消息的头以ASCII形式给出；而消息内容则具有一个类似MIME的格式。这个简单模型是早期Web成功的有功之臣，因为它使开发和部署非常地直截了当。HTTP协议：

超文本传输协议是一个简单的请求-响应协议，它通常运行在TCP之上。它指定了客户端可能发送给服务器什么样的消息以及得到什么样的响应。工业物联采集总览工业互联网平台综合应用MQTT协议是一种消息列队传输协议，采用订阅、发布机制，订阅者只接收自己已经订阅的数据，非订阅数据则不接收，既保证了必要的数据的交换，又避免了无效数据造成的储存与处理。在众多的网络协议当中，最流行是MQTT协议，已经成为物联网系统的网络协议事实上的标准。工业物联采集总览工业互联网平台综合应用CoAP协议的特点⚫CoAP协议网络传输层当前主要支持UDP。⚫CoAP是二进制的，CoAP比HTTP更加紧凑。⚫轻量化

，CoAP协议最小长度仅4个字节。⚫支持可靠传输、数据重传、块传输。⚫支持IP多播，即可以同时向多个设备发送请求。⚫非长连接通信

，适用于低速率、低功耗物联网场景。⚫CoAP基于REST，服务器的资源地址和互联网一样也有类似URI的格式，客户端同样有POST、

GET、

PUT、

DELETE方法来访问服务端，相对HTTP简化实现降低复杂度。

值得注意的是，CoAP并不能替代HTTP协议，但是对于那些小设备，如256KB

Flash32KB20MHz主频，CoAP的确是一个更好的解决方案。CoAP是受限制的应用协议，对于那些物联网的设备而言接入互联网困难。对于物联网小型设备而言，实现TCP和HTTP协议显然是一个过分的要求，而CoAP这种轻量级协议可以更好的适配。工业物联采集总览工业互联网平台综合应用WiFi：无线协议，手机上的无线技术，也叫做WIFI或是WLAN功能。NB-IoT：IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接

，也被叫作低功耗广域网。1G/2G/3G/4G/5G：1G、2G、3G是第一、二、三代移动通讯技术

，4G、5G是第四、第五代移动通信网络制式技术。LoRa：是基于Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，目的是解决功耗与传输难覆盖距离的矛盾问题。物联网物理层协议：WiFi、

NB-IoT协议、

1G/2G/3G/4G/5G通信协议和LoRa协议。工业物联采集总览工业互联网平台综合应用工业设备常用的数据采集方式有四种，分别是通过IO采集，通过工业网关进行采集，现场上位机采集和直接通信采集。实际工业场景中，需要根据不同的应用场景需求、设备具备的条件、以及工业现场环境

综合选择最合适的工业数据采集方式。常见数据采集方式工业互联网平台综合应用点类型描述模拟量模拟量是指变量在一定范围连续变化的量；也就是在一定范围(定义域)内可以取任意值。数字量数字量是分立量不是连续变化量只能取几个分立值二进制数字变量只能取两个值。信号量信号量是一个非负整数(车位数)，所有通过它的线程/进程(车辆)都会将该整数减一(通过它当然是为了使用资源)，当该整数值为零时，所有试图通过它的线程都将处于等待状态。电能量累积量的一种具体表现形式。字符量用来存储字符的一种变量遥控量数据下置的一种点类型数据块是一组按顺序连续排列在一起的几组记录。数据块的大小可以是固定的或是可变的，块与块之间有间隙。事件点存储设备事件信息的一种点类型设备点存储设备状态信息的一种点类型指通过对设备电气系统的分析

，确定需要的采集信号，连接入采集设备，由采集设备将电气

系统的开关量(数字信号)、模拟量信号，通过采集终端上传到公有云或私有云。IO采集适用的设备口没有控制系统的设备(统称哑设备)口不具备拓展功能的老旧设备口IO采集主要特点针对协议对接难度大、

接口不开放、成本高的自动化设备。IO采集常见数据采集方式IO点的点类型说明表工业互联网平台综合应用上即工业互联网云平台、制造执行系统(MES)

等。下即数据采集与监控系统(SCADA)

、可编程逻辑控制器(PLC)

、数控机床

(CNC)

、仪表、传感器等。绝大多数工业设备，都不具备直接联网的基础，这些无法直接联网的设备要实现设备接入工

业互联网平台

，就需要借助工业网关。工业网关一端与设备连接，一端通过网络与系统连接，起到承“上”启“下”的桥梁作用。工业网关是实现工业互联的基础设备。工业网关采集常见数据采集方式工业互联网平台综合应用通常所说的上位机系统一般是设备自带的控制系统，这样的设备往往自动化程度和信息化程

度都比较高。从广义上来说，上位机指的就是SCADA/MES/ERP，从狭义上来说，上位机

指的就是SCADA等。上位机采集常见数据采集方式工业互联网平台综合应用设备直接通信采集是指借助设备自身的通信协议、通信网口，不添加任何硬件，直接和采集

设备进行通信数据采集。

主要适用设备为设备内部本身集成了计算机、

IO、

PLC的相关功能。直接通信采集常见数据采集方式工业互联网平台综合应用《工业互联网平台综合应用》/知识准备任务实施目录0102指示灯标识说明PWR电源指示灯，绿色常亮表示正常通电RUN运行指示灯，绿色闪烁表示正常运行TX1COM1发送灯，绿色闪烁表示数据传输RX1COM1接收灯，绿色闪烁表示数据接收TX2COM2发送灯，绿色闪烁表示数据传输RX2COM2接收灯，绿色闪烁表示数据接收网口2指示灯灯灭表示无连接，下方绿灯亮表示连接正常，上方的黄灯闪烁表示有数据传输网口1指示灯灯灭表示无连接，下方绿灯亮表示连接正常，上方的黄灯闪烁表示有数据传输信号强度灯，灯亮表示信号强度大于10信号强度灯，灯亮表示信号强度大于174G个↓4G模块状态，灯灭表示4G模块不可用，灯亮表示4G模块启用正常云平台状态灯，灯灭表示无法连接云平台，灯亮表示连接成功根云GBox系列是一款基于工业物联网架构设计的工业级嵌入式软硬一体设备，具备高性能的运算处理能力，丰富的协议对接能力，可以实现如通信规约转换、远程调度、智能监测管理等多种应用。GBox网关介绍GBox网关正面指示灯说明表GBox网关的外观工业互联网平台综合应用GBox网关顶部

GBox网关介绍GBox网关要与设备进行通信，可通过网口或串口建立物理连接。

GBox网关正面

工业互联网平台综合应用接口-RS232实物图RS232接口为电平信号，逻辑“1”为-3V到-15V，逻辑“0”为+3V至+5V，噪声容限为2V。电平信

号传输过程中有衰减，所以RS232的传输距离有限，最大传输距离15米左右。串口连接：GBox网关具备2个串口，其中COM1是可复用RS232/485模式，

COM2是RS485模式。

接口-RS232说明表GBox网关介绍工业互联网平台综合应用RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态。RS-485采用主从式结构来构成的多机通信系统

，主机控制多个从机，从机不主动发送命令或数据，是主机一问一答的形式通信，每台从机均分配一个从机地址，同一总线中，从机地址是唯一的。接口-RS485实物图GBox网关介绍工业互联网平台综合应用网口连接：GBox网关具备2个10M/100M自适应网口，位于网关前面板。当网线连接正确，系统供电正常后，网口下方的绿灯亮；当有数据传输时，网口上方的黄灯闪烁。注意：通信线缆推荐使用剥线或线鼻子长度为5mm，刚性或柔性导线截面为0.5㎜2或0.75㎜2。GBox网关介绍工业互联网平台综合应用任务准备：首先要确保GBox网关已经安装完成，学生只需要将网线分别接入PC机网线口与GBox网关中网口1，并且把工业互联网数字孪生应用实训系统通电即可。修改工业网关地址工业互联网平台综合应用设置电脑与工业网关通信：GBox默认网口1的IP地址是45

；网口2的IP地址是192.168.1.245，是不同网段的IP。GBox网关的初始配置可查看网关的左面板获取。修改网口1的IP地址与PC同一个网段。修改工业网关地址工业互联网平台综合应用修改电脑IP地址：打开控制面板的网络和Internet，在网络和Internet窗口中，打开更改适配器选项。在网络连接窗口中，双击打开对应的以太网网络，为电脑设置静态IP地址，要与GBox网关的网口1在同一个网段。修改工业网关地址工业互联网平台综合应用测试电脑与网关连通：测试电脑与网关是否已经连通。通过“win+R”打开运行，输入“cmd”命令，单击“确定”按钮。在弹窗中，输入“ping

45”测试电脑与GBox网关的网络通信是否正常。修改工业网关地址表示网络通信正常工业互联网平台综合应用登陆网关管理后台：在浏览器地址栏中输入GBox网关初始配置地址145

，在登录页面中输入初始用户名和密码分别为user、

user123

，单击登录按钮，在跳转出来的页面中，选择网络→接口标签。

说明：工业互联网数字孪生实训系统中，由于PLC与网关的网口2已经设置为同一个网段，无需修改，本步骤仅提供示例。如果在实际使用中，需要修改网口1或者网口2的地址。修改工业网关地址工业互联网平台综合应用

说明：此IPv4地址非固定，是根据客户的工业现场的局域网给网关分配的地址而定，需要采集数据的设备(本书示例为PLC)的地址保持在同一个网段。登陆网关管理后台：在跳转出来的接口界面，单击LAN后的编辑标签，在该界面中，网口1对应接口LAN，网口2对应接口NET1。进入网口1的配置界面，可修改其IPv4地址为所需连接设备的同一个网段地址，其他配置无需更改，完成之后单击保持按钮完成修改。修改工业网关地址工业互联网平台综合应用创建项目：在工程管理窗口中点击鼠标右键，选择右键列表的新建项目；弹出来项目对话框，输入自定义名称为工业数据综合应用，选择安装路径，单击确定按钮；完成项目的创建。配置网关采集信息工业互联网平台综合应用新建工程：选中工业数据综合应用项目，点击右键，在列表中选择新建工程；弹出来工程-新建对话框中，输入自定义名称为工业机器人，其他内容不需更改，单击OK按钮完成工程的创建。配置网关采集信息工业互联网平台综合应用采集服务-创建通道：展开工业机器人工程的列表，选中采集服务，点击右键，选中右键菜单中的新建通道。

在弹出来的通道对话框中，输入自定义名称S7-1200PLC，描述为通道，单击规约后的

…标签。配置网关采集信息工业互联网平台综合应用在弹出来的请选择驱动对话框中，选择PLC列表下的SIEME

NS

S7(PLC:200\300\400\1200\1500)，单击确定按钮；完成通道配置的界面，端口选择虚拟通道

，其他配置无需更改。配置网关采集信息工业互联网平台综合应用采集服务-新建设备：选中通道S7-1200PLC，点击右键，在右键列表中选择新建设备选项。在弹出的设备对话框中，输入自定义名称

PLC001，描述为设备，其他设置无需更改，单击确定完成设备的创建。配置网关采集信息工业互联网平台综合应用采集服务-新建设备：创建完成设备后，单击设备，需在设备的高级参数中配置地址、端口、槽号信息。本示例使用的设备地址为；槽号为1；其他信息无需更改。配置网关采集信息工业互联网平台综合应用连接变量描述数据

类型地

址work_light采集设备工作状态，0：作业灯不亮，1：作业灯亮。I0wait_light采集设备待机状态，0：待机灯不亮，1：待机灯亮。I0alarm_light采集设备报警状态，0：报警灯不亮，1：报警灯亮。I0close_light采集设备停机状态，0：停机灯不亮，1：停机灯亮。I0Emg急停