《智能制造实训》课件7-车间生产数据采集实训

第七章车间生产数据采集实训实训项目按层次可以分为设备层、采集层、传输层、适配层及应用层：设备层:设备固有信息与生产活动中的各种实时数据，包括电流、电压、位移、速度与加速度等物理量。采集层:分为内部采集区与外部采集区。内采包括设备内部的控制系统与设备提供的外接数据通信传输接口，便于生产数据的直接传输。外部采集主要依靠各类传感器完成。传输层：数据依靠传输层进行信息传递，各数据源通信接口与方式：面向物理设备采集（通过串口通信、TCP/IP、RFID等）和面向信息系统集成（通过数据库、消息中间件、文件系统、ETL工具等）两种，通过通信协议统一采集至上层系统并进行管理。此外，底层数据也能通过SCADA、DCS等工控系统对底层数据进行间接集成；产线执行、车间管理等业务数据则通过适配MES、ERP、PDM等信息系统提供的数据接口来获取。适配层：基于通信适配层技术，数据传输至客户端接口（Kafka、MySQL、Oracle、Hbase等）进行适配。适配层根据数据接口类别对其共性业务流程进行抽象，可抽象为通信协议、数据库、消息中间件与文件系统四类，根据不同的通信开发包再派生出不同通信协议的适配器，通过对多种数据接口的适配和管理，实现对设备、产线、车间多层次数据的增量集成。应用层：对采集数据进行清洗、整理与分析，对生产运行状况、设备利用率等进行监测，及设备寿命管理活故障分析与排除等。7.1车间数据采集基础知识车间生产数据采集实训7制造系统数据采集与应用体系7.1.1制造系统数据采集与应用体系（1）内部测量系统数据感知与传输：许多设备控制系统内部都配备有测量系统，能够实时检测设备的各项参数，如设备的位置、速度、加速度、温度、压力、转速等，并将数据传输到控制系统中。

例如，CNC机床的测量系统可以检测机床的位置、速度、加速度等参数，并将数据传输到控制系统中。其数据传输步骤如下：①

设备内置传感器测量：②

数据采集模块接收数据：③

数据数字化处理：④

数据存储：⑤

数据传输：（2）数字化设备接口数据感知与传输：许多设备控制系统可以通过数字化接口与计算机、工控机等数字化设备进行通信。通过数字化设备接口，可以实现设备的状态监测和数据采集。例如，PLC控制系统可以通过以太网或RS485接口与计算机进行通信，将设备状态和数据传输到计算机中。（3）外加传感器数据感知与传输：制造车间通常会外加传感器以感知控制系统中缺失的数据，如温度传感器、压力传感器、速度传感器、加速度传感器等。这些传感器可以实时监测设备的状态和环境参数，将采集到的数据传输到采集设备中。7.1车间数据采集基础知识车间生产数据采集实训77.1.2采集层数据采集方法（一）TCP与UDPTCP/IP实现计算机网络中的数据包传输和路由等功能，主要包含了传输层和网络层。TCP协议可以保证接收端毫无差错地接收到发送端发出的字节流，为应用程序提供可靠的通信服务。对可靠性要求高的通信系统往往使用TCP传输数据；UDP用户数据报协议是OSI参考模型中面向无连接的传输层协议，UDP协议主要应用在强调传输性能，而不是传输完整性的场合以及数据传输时间短且速度要求高的场合；（二）Modbus通信协议Modbus传输包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型，ModbusRTU与ModbusTCP设备使用Modbus协议的方式分别为直连和非直连两种方式，组网方案如图7.1车间数据采集基础知识车间生产数据采集实训77.1.3传输层数据传输方法Modbus-RTUOSI模型Modbus采集形式IOS/OSI参考模型中的TCP/IP接入方式方案说明适用场景直连Modbus设备直接与数据采集平台连接，通过TCP协议通信。数据采集平台作为客户端，Modbus设备作为服务端进行连接。该方式中，在传输通道绑定设备时，数据采集平台与Modbus设备之间的通道只能绑定一个设备Modbus设备具备TCP能力，但如果IP资源比较受限，无法为每一个Modbus设备分配一个IP地址，也可采用非直连方式连接组网非直连Modbus设备通过RTU串口与网关进行连接，然后数据采集平台通过TCP协议与网关进行通信。网关作为Master节点，Modbus设备作为Slave节点进行连接。该方式中，在传输通道（数据采集平台与网关之间的TCP传输通道）绑定设备时，需要将该网关下的Modbus设备绑定到指定的通道，并且在同一个传输通道中，通过“从站号”区分不同的Modbus设备Modbus设备不具备TCP通信能力，只能通过RTU（串口）方式进行通信Modbus接入方式（三）OPC通信协议基于微软的OLE/COM技术，采用C/S架构，OPC通信包括两个部分：OPC服务器和OPC客户端。OPCUA：OPCUA（统一架构）是工业网络中数据传输的现代标准。它提供设备之间安全可靠的通信，同时独立于硬件和平台，允许不同操作系统的设备之间进行通信，是一种基于服务的、跨越平台的高度柔软性的接口标准。OPCUA的技术特性如下：（1）所有基于COM的OPC规范中的功能都映射到了OPCUA中。（2）支持从嵌入式的微控制器到基于云的分散式控制架构。（3）信息加密、互访认证以及安全监听。（4）定义了统一的数据和服务模型，使数据组织更为灵活。（5）可定义复杂的信息，而不再是单一的数据。（6）在新功能的支持还体现在：①

网络发现：自动查询本PC机与当前网络中可用的OPCServer。②

地址空间优化：所有的数据都可以分级结构定义，使得OPCClient不仅能够读取并利用简单数据，也能访问复杂的结构体。③

数据订阅：针对OPCClient不同的配置与标准，提供数据/消息的监控，以及数值变化时的变化报告。（四）HTTP通信协议超文本传输协议（HyperTextTransferProtocol，HTTP）是一个简单的请求-响应协议，运行在TCP之上。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。HTTP基于客户端和服务器进行通信，客户端发送请求消息（如GET、POST），而服务端则响应客户端的消息7.1车间数据采集基础知识车间生产数据采集实训77.1.3传输层数据传输方法OPC参与的数据传输体系OPC运行原理异构设备数据适配器基本原理如图所示。数据适配的本质是基于面向对象思想对通信协议基本业务流程进行抽象，建立数据通信基类，封装基本的通信功能，如创建数据连接、读取数据、通信日志、断开数据连接等。而具体的数据通信协议类则继承自该基类，基于各类不同通信协议提供的通信开发包、动态库、API等对具体方法进行实现，派生出不同通信协议的适配器，如OPC适配器、FOCAS适配器等。上层应用调用基类的抽象接口，基于多态原理实现了子类方法的自动调用，从而实现了上层应用与底层数据的分离。7.1车间数据采集基础知识车间生产数据采集实训77.1.4车间异构协议适配与数据存储方法

数据适配原理图数据适配器设计与实现

选用“Redis-MongoDB-HDFS”数据存储架构以满足不同类型数据的存储需求。基于数据适配获取异构设备数据，并转换成统一的格式，存入实时数据库Redis，同时同步迁入文件数据库MongoDB，构建设备历史数据库；基于Hadoop及其组件，如HDFS、HBase等，集成异构系统（如MES、SCADA、仿真系统等）信息，进行数据分析与应用。

该数据存储架构包含集群环境、实时数据存储、历史数据存储和文件存储4个模块，将数据适配层集成得到的数据按照一定的组织关系进行分类存储，为上层应用，如状态监控、运动同步、过程复现、数据分析等，提供数据支持。7.1车间数据采集基础知识车间生产数据采集实训77.1.4车间异构协议适配与数据存储方法数据库类

型特

点适应场景Redis非关系型、键-值数据库高性能、读写速度快实时数据存储与读写MongoDB非关系型、文件数据库高性能、易部署、易使用半结构化数据存储与读写HDFSHadoop分布式文件系统高吞吐量、高容错性非结构化大规模数据存储MySQL关系型数据库支持多线程、多处理器结构化、业务数据存储基于“Redis-MongoDB-HDFS”的数据存储框架不同类型数据库特点及适应场景7.2车间数据采集实训项目设计车间生产数据采集实训7车间数据采集实训：基于生产车间数据采集软件aDMiS-Courier，对示范线设备进行通信协议参数配置，设置数据通道，接入数据并能对数据进行对象关联、存储，培养学生对工业场景数据采集工具的使用能力。

主要针对基础技能型人才培养、专业技术型人才培养、创新研究型人才培养，分为基础认知型、专业技能型、创新研究型三层次阶梯式的实训。实训项目名称车间数据采集实训项目实训层次类型■基础技能型□专业技术型□创新研究型实训对象基础技能型人才：高职院校专科生、企业技术人员实训目标（1）掌握制造系统中各类通信协议的功能、特点和原理；（2）掌握制造系统的数据体系、采集过程和存储原理；（3）掌握车间数据采集软件的使用，能利用采集软件实现实时数据的采集实训时长3课时实训基础先修课程：制造系统及自动化、现代制造系统、先进制造系统、计算机集成制造系统、工业总线与物联网、工业大数据导论、大数据采集与预处理等实训内容（1）了解制造系统中各类通信协议的功能、特点和原理；（2）了解制造系统的数据体系、采集过程和存储原理；（3）利用车间数据采集软件，对车间中的OPC、ModbusTCP等协议进行解析和数据采集评分标准根据学生实训中的操作规范程度、实训过程情况、实训任务完成情况和实训报告进行综合评分实训设备及工具硬件资源：计算机与图形工作站、小型立式三轴加工中心、小型五轴数控加工中心、视觉检测台、激光打标机、智能立体库、堆垛机、仓储管理系统、AGV小车、协作机器人、上下料机器人等硬件设备，以及采集网关、车间局域网。软件资源：采集软件Courier、网关控制软件等附录无7.2车间数据采集实训项目设计车间生产数据采集实训7车间数据采集实训：基于生产车间数据采集软件aDMiS-Courier，对示范线设备进行通信协议参数配置，设置数据通道，接入数据并能对数据进行对象关联、存储，培养学生对工业场景数据采集工具的使用能力。

主要针对基础技能型人才培养、专业技术型人才培养、创新研究型人才培养，分为基础认知型、专业技能型、创新研究型三层次阶梯式的实训。实训项目名称生产过程仿真实训项目实训层次类型□基础技能型■专业技术型□创新研究型实训对象专业技术型人才：高等院校本科生实训目标（1）掌握制造系统中各类通信协议的功能、特点和原理；（2）掌握制造系统的数据体系、采集过程和存储原理；（3）掌握车间数据采集软件的使用，能利用采集软件实现实时数据的采集和存储；（4）掌握车间大数据平台的使用，能够将数据发送至大数据平台进行解析存储实训时长8课时实训基础先修课程：制造系统及自动化、现代制造系统、先进制造系统、计算机集成制造系统、工业总线与物联网、工业大数据导论、大数据采集与预处理等实训内容（1）了解制造系统中各类通信协议的功能、特点和原理；（2）了解制造系统的数据体系、采集过程和存储原理；（3）利用车间数据采集软件，对车间中的OPC、ModbusTCP等协议进行解析和数据采集，对本地保存数据进行分析；（4）利用车间大数据平台的中间件，将实时采集的数据进行存储，并对数据进行分类、标记评分标准根据学生对通信协议的认知熟悉程度、对车间大数据体系的了解程度、对采集软件和大数据平台的掌握程度、实时数据的采集综合进行评价打分实训设备及工具硬件资源：计算机与图形工作站、小型立式三轴加工中心、小型五轴数控加工中心、视觉检测台、激光打标机、智能立体库、堆垛机、仓储管理系统、AGV小车、协作机器人、上下料机器人等硬件设备，以及采集网关、车间局域网。软件资源：采集软件Courier、网关控制软件、大数据平台等附录无7.2车间数据采集实训项目设计车间生产数据采集实训7车间数据采集实训：基于生产车间数据采集软件aDMiS-Courier，对示范线设备进行通信协议参数配置，设置数据通道，接入数据并能对数据进行对象关联、存储，培养学生对工业场景数据采集工具的使用能力。

主要针对基础技能型人才培养、专业技术型人才培养、创新研究型人才培养，分为基础认知型、专业技能型、创新研究型三层次阶梯式的实训。实训项目名称生产过程仿真实训项目实训层次类型□基础技能型□专业技术型■创新研究型实训对象创新研究型人才：高等院校硕士、博士研究生实训目标（1）掌握制造系统中各类通信协议的功能、特点和原理；（2）掌握制造系统的数据体系、采集过程和存储原理；（3）掌握车间数据采集软件的使用，能利用采集软件实现实时数据的采集和存储；（4）掌握车间大数据平台的使用，能够将数据发送至大数据平台进行解析存储；（5）掌握大数据预处理方法，能够对数据进行清洗、降重、去噪，提取数据关键信息实训时长16课时实训基础先修课程：制造系统及自动化、现代制造系统、先进制造系统、计算机集成制造系统、工业总线与物联网、工业大数据导论、大数据采集与预处理等实训内容（1）根据各类数据的特点建立制造系统中的大数据体系；（2）利用车间数据采集软件，对车间中的OPC、ModbusTCP等协议进行解析和数据采集，对软件进行二次开发以适应更多协议；（3）利用车间大数据平台的中间件，将实时采集的数据进行预处理，开发数据预处理算法并注册，实现数据的优化评分标准根据研究生实训中的仿真理论和实操的掌握熟练深度与深入程度、实际制造系统的仿真逼真程度、仿真优化方案、仿真模块开发能力、智能仿真优化算法的实现效果等进行综合评分。根据研究生实训中的车间大数据采集理论和实操的掌握程度与深入程度、实际采集过程的采集速度、集成协议的数量、预处理算法的效果等进行综合评分实训设备及工具硬件资源：计算机与图形工作站、小型立式三轴加工中心、小型五轴数控加工中心、视觉检测台、激光打标机、智能立体库、堆垛机、仓储管理系统、AGV小车、协作机器人、上下料机器人等硬件设备，以及采集网关、车间局域网。软件资源：采集软件Courier、网关控制软件、大数据平台、二次开发接口、C++或JAVA等开发工具附录无7.3车间数据采集实训项目过程车间生产数据采集实训77.3.1实训案例描述智能制造示范线包括凯恩帝数控机床、六自由度机械手、堆垛机、AGV、视觉监测设备。上述设备的组网场景如图7-15所示，各设备通信协议类型如表7-8所示，需要对相关协议进行解析以实现设备数据采集。设备通信协议KND数控机床HTTP工业机器人ModbusTCP堆垛机OPCDAAGVSocketCCD视觉检测设备Socket设备通信协议类型组网场景7.3.2实训设备与工具aDMiS-Courier软件、

各类采集接口与转换模块等；7.3车间数据采集实训项目过程车间生产数据采集实训77.3.3实训过程与方法1.创建一个本地场景，场景层次结构为：车间-单元-设备-传感器-属性。在车间、单元或设备节点上，创建一个传感器并添加属性，输入属性名称、语义、数据类型、数据最大值、最小值、所述传感器，形成一个数据模板。2.创建数据通道，数据通道定义为数据来源、传输协议、包含数据项。创建一个数据源接口，根据场景分析，该数据源可能是某个具体的传感器、设备、网关、数据库。创建的同时，绑定TCP/UDP地址和端口号，建立连接。创建完成后，进行连通性测试。如图7-17所示，打开数据通道管理模块，点击【创建数据通道】。创建本地场景创建数据通道7.3车间数据采集实训项目过程车间生产数据采集实训77.3.3实训过程与方法输入通信参数3.选择协议类型，输入相应的通信参数4.点击数据项组右边的【新建组】按钮，进行连接测试；点击【获取数据】，检查是否正确获取到设备的数据内容，获取成功后，点击【保存】，存为一个数据项组。5.然后回到“监控树配置”界面，将刚才定义的属性进行通道配置，选择通道内的数据项进行匹配，完成数据的采集配置，如图所示。6.打开上传Kafka界面，输