4.2 设备安全数据聚合计算

边缘计算技术与应用项目四·任务4生产设备安全数据采集与边缘计算安全数据———设备安全数据聚合计算EDGECOMPUTINGTECHNOLOGYANDAPPLICATION目录CONTENTS01任务准备02知识准备03任务实施04问题研讨05任务小结04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算随着工业自动化和工业互联网技术的不断发展，对设备安全运行状态的实时监控已成为提高生产效率、保障设备安全、降低维护成本的重要手段。本任务是设计并实现一个设备实时运行状态监控系统，获取监测电动机温升和设备运行电压等关键参数，经过边缘聚合计算，及时发现设备潜在故障，并提前进行预警和维护。【任务目标】能够完成边缘计算网关对设备运行安全数据的实时采集。能够完成无线通信模块LoRa的数据实时采集。能够完成边缘计算网关中边缘计算函数代码的编写，实现对设备安全状态的实时聚合计算。支持将状态信息输出或显示在界面上，便于监控人员实时查看。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算1、任务准备

1.任务相关硬件清单

本任务所需相关硬件清单如表4-12所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算1、任务准备

2、任务硬件设备组网

本任务硬件设备网络架构如图4-2所示。3、任务中关键实物清单

任务中关键设备实物清单如表4-13所示。本次任务实施需深刻理解每个设备的IP地址，并灵活运用，本书示例设备的IP地址如表4-4所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算2、知识准备

4.2.1设备安全运行监控1.电动机运行温度电动机在运行过程中，由于摩擦、电流等因素会产生热量。如果电动机运行温度过高，会导致电动机内部零部件磨损加剧，降低电动机寿命，甚至引发电动机烧毁、短路等安全事故；而温度过低则可能意味着电动机运行不稳定，进而影响生产效率。实时监测电动机温度能够及时发现异常情况，并采取相应的措施，如降低负载、停机检修等，确保电动机在安全的状态下运行。这不仅可以避免安全事故的发生，还可以保护生产设备和生产线的整体安全，提升生产线的整体产能和产品质量。因此，对于电动机温度的实时监测就显得尤为重要，传统方法依赖云计算，但存在数据传输延迟和带宽占用的问题；而边缘计算的特点是在数据源附近处理，这样能实时响应，减少数据传输延迟。将边缘计算设备（如嵌入式系统边缘计算网关或边缘服务器）部署在电动机附近，不仅可以实时处理温度数据，还可以实时监测与预警、数据处理与分析、协同控制，以及资源优化。例如，利用温度变送器收集温度数据，在边缘节点进行实时分析，如果超过阈值就立即报警，同时可调整电动机的运行参数。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算2、知识准备

本任务采用壁挂分体型工业温度变送器采集电动机运行温度数据，如图4-23所示。在使用时，将外延精装探头放置在电动机测温点实时监测电动机运行温度，该温度变送器具有高精度、性能稳定、抗干扰强等优点，其主要参数如表4-14所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算2、知识准备

2.设备运行电压数据在工业环境中，各种机电设备和生产线往往需要持续、稳定地运行。电压数据监控能够实时监测电压的变化，确保设备在规定的电压范围内工作。当电压过高或过低时，监控系统会及时发出警报或采取保护措施，如自动复位或关闭系统，防止设备因电压异常而被损坏。这不仅保证了生产的连续性，还可以延长设备的使用寿命。边缘计算允许物联网设备生成的数据在更接近创建的位置处理，而不是通过长路径发送到数据中心或云端，从而大大降低了数据传输延迟。对于电压数据监控而言，这意味着可以实时监测电压变化，并在异常情况下迅速采取措施。例如，在生产过程中，电压的波动可能影响到设备的正常运行，可以通过边缘计算进行实时监控，一旦发现电压异常，立即触发警报并采取保护措施，可有效防止设备损坏或生产中断。本任务采用标准导轨安装电压变送器采集设备监测电压数据，如图4-24所示。该电压变送器具有高精度、性能稳定、抗干扰强的特点，其主要参数如表4-15所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算2、知识准备

4.2.2LoRa无线通信技术随着物联网的快速发展，低功耗广域网（LPWAN）技术在无线通信领域的重要性日益凸显。其中，远距离无线电（LongRangeRadio，LoRa）技术凭借其独特的扩频调制机制和超远距离的覆盖范围，在智能城市、农业监测、工业自动化等领域取得了显著成效。1.LoRa技术简介LoRa是Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其目的是为了解决功耗与传输距离的矛盾问题。一般情况下，低功耗则传输距离近，高功耗则传输距离远，LoRa技术解决了在同样的功耗条件下比其他无线方式传播距离更远的技术难题，实现了低功耗和远距离传输兼顾。LoRa网络提供了广泛的覆盖范围，不仅覆盖城市地区，也能较好地穿透障碍物，提供室内覆盖和地下覆盖，适用于各种不同环境下的物联网应用。LoRa技术采用了频率扩散调制技术，使其在频繁干扰的环境中依然能够保持稳定的通信连接，从而提高了其在复杂电磁环境下的可靠性。2.LoRa无线通信技术在边缘计算中的应用(1)实时监控与管理工业互联网设备结合LoRa技术与边缘计算，可以实现对工业互联网设备的实时监控和管理。边缘节点可以实时收集和处理来自LoRa终端设备的数据，并根据数据结果进行相应的控制和管理操作。如在石油化工行业中，LoRa技术可以用于监测大型设备的运行状态，如泵、压缩机等。边缘节点实时收集设备状态数据，并进行初步处理和分析，能够及时发现潜在故障并进行预警，降低设备维护成本，提高生产安全性。(2)优化数据传输与降低能耗LoRa技术的低功耗特性使得LoRa设备在进行数据传输时能够最大程度地减少能量消耗。同时，边缘计算因为在本地处理数据，可以减少需要传输的数据量，进一步降低能耗。如在制造业中，LoRa技术可以用于生产线上的设备监控和维护，通过连接各种传感器和设备，边缘节点实时收集生产线上的数据，并进行初步处理和分析。(3)远程控制与调度通过LoRa技术，工业物联网设备可以实现远程控制。边缘节点可以接收来自中央控制中心的指令，并通过LoRa网络传输给相应的设备执行。这种远程控制与调度能力使得工业生产更加灵活高效，特别是在需要快速响应和实时控制的场景中优势明显。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算2、知识准备

3.LoRa硬件1）LoRa数据采集模块在本次任务中，采用LORA-MODBUS-IO8R-A作为无线数据采集模块进行数据采集。该设备是一款集数字量采集输入、模拟量采集输出、模块RTU，以及LORA无线通信功能于一体的模块。模块包含8路数字量输入、8路数字量输出、6路模拟量输入、2路模拟量输出。支持MODBUSRTU主站通过RS-485串口直接连接访问本模块，其产品外观如图4-25所示。LORA-MODBUS-IO8R-A模块的应用范围很广，如PLC控制、工业自动化、楼宇自控、电力监控、门禁系统、医疗系统、考勤系统、自助银行系统、电信机房监控、信息家电、LED信息显示设备、测量仪表及环境动力监控系统等含RS485串口的设备或系统。LoRa数据采集模块寄存器地址如表4-16所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算2、知识准备

(2)LoRa无线串口透传模块RS232/485-LORA-T无线串口透传模块（简称“LORA模块”）提供RS-232、RS-485透明的数据接口，能适应大多标准或非标准的用户协议。在数据传输状态下，进行透明数据传输。在此状态下，LORA模块将从RS-232（或RS-485）串口收到的设备数据，都直接从空中发送出去；把从空中收到的数据，都从RS-232（或RS-485）串口直接发送给设备，实现所发即所得。产品外观如图4-26所示。4.2.3边缘计算网关召读测点API接口边缘计算网关IG502提供了一组功能丰富的内部PythonAPI接口，用户能够通过编写Python脚本代码来实现对网关的各种操作和数据的处理与计算。在本任务中，需要使用特定的API接口recall来召回测点数据，该接口为同步方式的召读接口，调用后会等到响应消息后再返回。API原型：04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算2、知识准备

04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

4.2.4LoRa数据采集1.配置LoRa模块具体实施操作步骤如下。1）使用USB转RS-485转换器将LoRa数据采集模块（从站）与计算机连接通信，示意图如图4-27所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

2）打开配置工具对LoRa数据采集模块进行配置，配置界面如图4-28所示。3）将串口参数按表4-17进行配置，然后单击“开始扫描”按钮，成功连接后按钮文字变为停止扫描，其通信状态图标颜色将由蓝色变为红色，并提示“已连接”，如图4-29所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

4）无线参数配置窗口如图4-30所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

5）使用USB转RS-485转换器将LoRa无线收发模块（主站）与计算机连接通信，示意图如图4-31所示。6）打开配置工具对LoRa无线收发模块进行配置，通信参数配置如表4-18。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

7）单击“打开串口”按钮，单击“进入命令模式”按钮，进入命令模式后，按钮的文字变为退出命令模式，通信状态图标颜色将由蓝色变为红色，无线收发模块参数配置界面如图4-32所示。至此，LoRa模块的配置工作已全部完成04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

2.用边缘计算网关采集LoRa数据具体实施操作步骤如下。1）、进入边缘网关系统中，选择“边缘计算”选项，在左侧导航栏选择“设备监控”→“测点监控”选项，在弹出的“测点监控”界面选择“分组”选项，单击“⊕”按钮，进入“添加分组”标签页窗口，在其中进行参数配置，如图4-33所示04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

2）在左侧导航栏选择“设备监控”→“测点监控”选项，在“测点监控”界面选择“监控列表”选项，在控制器列表下，单击“⊕”按钮，在弹出的“添加控制器”窗口中，填写控制器相关连接信息，包含控制器协议、地址等，如图4-34所示，其具体参数如表4-19所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

3）在控制器列表下出现名为“LoRa数据采集”的控制器，此时控制器图标显示灰色，表示该控制器尚未连接，如图4-35所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

4）在控制器列表中选择LoRa数据采集控制器，在“测点列表”区域，单击“⊕”按钮，在弹出的“添加测点”窗口中，填写测点相关信息，如图4-36所示，具体参数如表4-20所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

5）成功添加测点后在“测点列表”下方出现一个名为“Temp”的测点监控行，同时控制器列表中“LoRa数据采集”的小圆形图标由灰色变为绿色，即表示边缘计算网关已成功读取到LoRa模块的数据，如图4-37所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

6）在步骤5）中，虽然边缘计算网关已经可以采集到LoRa中的数据，但根据观察，发现数据明显是错误的。这是因为，本次任务所用到的温度变送器是电流型，输出电流范围在4~20mA，因此，需要对其进行比例换算，在测点列表中该测点的右边单击“操作”下的编辑图标按钮，可正确配置测点参数，如图4-38所示，其具体参数正确配置如表4-21所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

7）测点参数正确配置后电动机温度数据显示正常，说明边缘计算网关正确工作，如图4-39所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

8）继续添加测点，在弹出的“添加测点”界面中，填写测点相关信息，包含测点名称、地址、数据类型等，如图4-40所示，具体参数如表4-22所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

9）电压数据显示正常，测点列表数据正确显示界面如图4-41所示。至此，已完成边缘计算网关采集LoRa数据的全部工作。3.边缘网关采集PLC数据详见4.1.5小节的实施操作步骤，此处不再赘述。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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4.2.5边缘计算网关数据聚合计算在本任务中，对设备运行安全监测系统中的数据进行边缘计算。相关边缘计算属性说明如表4-23所列。在边缘计算网关中进行数据聚合计算，具体实施操作步骤如下。1）进入边缘网关系统中，选择“边缘计算”，在左侧导航栏选择“设备监控”→“测点监控”选项，在“测点监控”界面中选择“分组”选项，单击“⊕”按钮，在弹出的“添加分组”界面进行设置，如图4-42所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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2）在左侧导航栏选择“设备监控”→“测点监控”选项，在“测点监控”界面中选择“监控列表”选项，在控制器列表下，单击“操作”旁边的“⊕”按钮，在弹出的“添加控制器”界面中，配置控制器信息，如图4-43所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

3）“边缘计算”虚拟控制器添加完成，此时，控制器的状态显示图标为灰色，如图4-44所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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4）选择“边缘计算”虚拟控制器，单击“⊕”按钮，在弹出的“添加测点”界面中，填写测点相关信息，包含测点名称、数据类型等，如图4-45所示，其具体参数如表4-24所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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5）进入边缘网关系统中，选择“边缘计算”，在左侧导航栏选择“设备监控”→“自定义快函数”选项，在快函数管理界面的“快函数列表”下，单击“⊕”按钮，进入“添加快函数”界面，填写快函数相关信息，包含名称、模式、周期等，如图4-46所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

6）在函数代码编写窗口，进行脚本代码的编写，具体示例代码如下。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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