边缘计算技术及应用 课件 第四章 生产设备安全数据采集与边缘计算

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———安全门状态检测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———安全门状态检测安全门通常配备门锁和开关装置，只有当门完全关闭并锁定时，设备才能正常工作。一些高级的安全门还配备传感器和控制系统，能够实时监测安全门的状态，并在门被非法打开或未正确锁定时发出警报。本任务中详细介绍使用边缘计算网关的自定义快函数功能配合传感器完成对安全门的状态检测、设备智能启停功能的数据计算和代码编写，并在边缘计算网关端完成MQTT协议配置和数据上云脚本代码的编写，完成设备安全数据上云功能的验证。【任务目标】可针对不同的数据类型和需求在边缘计算网关进行数据预处理。能够完成边缘计算网关中边缘计算函数代码的编写。能够利用边缘计算网关完成安全门的自动启停与状态反馈功能。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测1、任务准备

04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测2、知识准备

4.1.1ModbusTCP协议ModbusTCP是一种基于TCP/IP的Modbus通信方式，它将Modbus协议应用于以太网环境，实现了设备之间的远程通信和数据交换。在边缘计算架构中，ModbusTCP通常用于设备层与边缘计算节点之间的数据通信。边缘计算节点位于网络边缘，靠近数据源，具有数据处理、存储和转发的能力。通过ModbusTCP协议，边缘计算节点可以实时采集来自工业现场各类传感器和执行器的数据，并进行处理和分析。4.1.2更新控制器测点值API接口write边缘计算网关中用于更新控制器测点值的API接口write，是专门用于向控制器发送更新测点值指令的接口。该接口采用同步方式进行写值操作，调用后会等待写值响应消息返回后再执行后续操作。通过该接口，外部应用程序可以指定要更新的测点、新的测点值，以及可能的附加参数（如时间戳、数据质量等）。控制器接收到这些指令后，会根据内部逻辑进行相应的处理，并更新相应的测点值。在本任务中，需要利用该API接口实现对PLC的控制指令下发操作。在边缘计算网关中，API接口原型如下所示：defwrite(message,timeout=60,cloudName=None)04生产设备安全数据采集与边缘计算

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4.1.3数据类型在工业环境中，数据类型通常用于描述和存储与工业设备和过程相关的各种数据。这些数据类型涵盖了基本的二进制状态、复杂的浮点数，以及字符串等多种类型，以满足不同数据和操作的需求。本任务中用到的数据类型说明如表4-5所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测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———安全门状态检测3、任务实施

4.1.4边缘计算网关网络传输配置首先完成边缘计算网关、PLC、路由器和交换机等硬件设备的网络传输配置，以确保边缘计算网关能够与设备进行高效、稳定的数据传输。为方便统一部署，本任务实施各个设备的IP地址设置如表4-4所列。本任务通过边缘计算网关，实现对工业生产设备的安全门的状态检测和智能启停，具体实施步骤分解为4个小任务，如图4-3所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

4.1.5边缘计算网关采集PLC数据边缘计算网关网络传输配置完成后，现利用边缘计算网关采集西门子S7-1200PLC数据，具体实施操作步骤如下。1）进入边缘网关系统，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，选择“分组”选项，单击“⊕”按钮，如图4-5所示。2）在弹出的“编辑分组”窗口进行设置，名称为PLC数据采集，其余参数如图4-6所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

3）在左侧导航栏选择“设备监控”→“测点监控”，弹出测点监控的界面选择“监控列表”选项，在控制器列表右侧，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，包含设备协议、IP地址等，如图4-7所示，其具体参数如表4-6所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

4）在控制器列表下出现名为“PLC1200”的控制器，此时控制器图标为灰色，表示该控制器尚未连接。选择“PLC1200”控制器，在测点列表(PLC1200)右侧，单击“⊕”按钮，如图4-8所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

5）在弹出的“添加测点”窗口中，填写测点相关信息，包含测点名称、地址、数据类型等，如图4-9所示，其具体参数如表4-7所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

6）成功添加测点后，在测点列表（PLC1200）下方出现一个名为“Device_Start”的测点监控行，测点名称前的小圆图标为绿色，同时控制器列表“PLC1200”的小圆图标由灰色变为绿色，表示边缘计算网关已成功读取到PLC的数据，如图4-10所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

7）按照表4-8安全门状态监测系统的采集点位数据表中给出的测点信息，重复按照步骤4）和5），依次进行测点添加，部分测点列表如图4-11所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

4.1.6边缘计算网关数据计算——设备智能启停根据项目要求，本任务要对设备安全门产生的数据进行边缘计算。根据调研，边缘计算属性如表4-9所列。接下来开始边缘计算脚本代码的编写配置，具体实施操作步骤如下。1）进入边缘网关系统，选择“边缘计算”选项，在左侧导航栏选择“设备监控”→“自定义快函数”选项，弹出快函数管理界面，在快函数列表下，单击“⊕”按钮，在弹出的“添加快函数”窗口中，填写快函数相关信息，如图4-12所示，名称为智能控制安全门，模式选择“周期触发”，周期为1s，入口函数为main，单击函数代码黑色区域右上角的放大图标，进入函数代码编辑界面。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

3）确保边缘计算网关组网正确，在工业边缘计算应用实训平台上进行实机验证，当安全门监测传感器的值为true时，安全门中间继电器产生输出控制信号，使设备停止运行，如图4-13所示。至此，使用边缘计算网关内置边缘计算功能实现设备智能启停的脚本代码开发全部结束。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

4.1.7边缘计算网关数据计算——安全门状态检测本任务中，对安全门监测系统产生的数据进行边缘计算，相关的边缘计算逻辑说明如表4-10所列。1）进入边缘网关系统，选择“边缘计算”，在左侧导航栏选择“设备监控”→“测点监控”选项，弹出测点监控的界面，选择“分组”选项，单击“⊕”按钮，在弹出的“编辑分组”窗口进行参数设置，如图4-14所示。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”窗口中，设置控制器相关信息，如图4-15所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

4.1.7边缘计算网关数据计算——安全门状态检测3）“边缘计算”虚拟控制器添加完成，此时，该控制器的状态显示的小圆图标为灰色，如图4-16所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

4）选中名为“边缘计算”的虚拟控制器，单击“⊕”按钮，在弹出的“添加测点”窗口中，填写测点相关信息，包含测点名称、地址、数据类型等，如图4-17所示，其具体参数如表4-11所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

5）进入边缘网关系统，选择“边缘计算”，在左侧导航栏选择“设备监控”→“自定义快函数”，在快函数管理界面的“快函数列表”下，单击“⊕”按钮，在弹出的“添加快函数”窗口中，填写快函数相关信息，如图4-18所示。6）在函数代码编写窗口进行脚本代码的编写，具体代码如下。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

7）脚本代码编写完毕之后，单击“确认”按钮，此时“边缘计算”控制器的状态显示小圆图标由灰色变为绿色，同时，测点列表中测点名前方的小圆图标也变为绿色，这就表示边缘计算代码已正常运行，如图4-19所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测3、任务实施

8）为确保边缘计算网关组网正确，在工业边缘计算应用实训平台上进行实机验证，当1号安全门状态为“1”，即未关闭时，如图4-20所示。经过边缘脚本计算，此时安全门状态为“1”，如图4-21所示。至此，已完成边缘计算网关数据计算之安全门状态反馈任务。经过验证，基于边缘计算网关内部的数据计算功能，通过编写脚本代码实现了设备安全门状态的反馈功能。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测4、问题研讨

【问题研讨】1）简单叙述边缘计算网关是如何采集PLC数据的。2）在工业环境中，有哪些常见的数据类型？04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———安全门状态检测5、任务小结

【任务小结】本任务中介绍了边缘计算网关在工业自动化系统中的应用。首先，边缘计算网关通过ModbusTCP与PLC实现了高效的数据通信，为后续的数据处理与逻辑控制提供了坚实的基础。其次，介绍了如何使用API接口write功能来更新控制器的测点值，该功能可动态地调整PLC中相关测点的数据，从而实现了远程监控与控制。在任务实施过程中，详细阐述了边缘计算网关所需的网络传输参数配置，这是其连接外部网络、实现数据通信的基础。还介绍了边缘计算网关在数据计算方面的应用，包括设备智能启停控制和安全门状态反馈，使边缘计算网关根据实时数据自动调整设备的运行状态，在提高生产效率的同时，确保了生产环境的安全。Q&A感谢聆听THANKSFORLISTENING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

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

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

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

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

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

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

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

安全数据———设备安全数据聚合计算3、任务实施

7）代码脚本编写完毕之后，单击“确认”按钮，此时“边缘计算”控制器前面的状态显示小圆图标由灰色变为绿色，同时，测点列表中测点前方的状态小圆图标也变为绿色，这就表示边缘计算代码已正常运行，如图4-47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）若PLC发生报警，如图4-48所示，则设备总停状态触发，如图4-49所示。至此，已完成设备运行数据的聚合计算任务，整个计算过程均是在边缘计算网关中完成的，在后续的数据上云过程中，只需要把设备必要的运行状态数据上传即可。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4、问题研讨

1）简单叙述LoRa传输模块的配置过程，并指出哪些地方是需要特别注意的。2）简单叙述在边缘计算中数据聚合计算的优势和实施过程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5、任务小结

本任务介绍了设备安全运行监控、LoRa无线通信技术及其在边缘计算中的具体应用。首先，在设备安全运行监控方面，重点介绍了电动机运行温度和电压数据等关键参数的监测，这些参数对于确保设备的稳定运行而言至关重要。然后，介绍了LoRa无线通信技术在边缘计算中的应用，LoRa无线通信技术作为一种低功耗、远距离的无线通信技术，在工业互联网领域具有广泛的应用前景，能够实现数据的实时处理和分析，降低数据传输的延迟和成本。最后，通过边缘计算网关的数据聚合计算，聚合来自不同设备源的数据，进行必要的计算和处理，能够生成更有价值的信息和洞察，为实际工厂设备的运维和管理提供有力支持。Q&A感谢聆听THANKSFORLISTENING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边缘计算之云边端协同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----云边端协同随着大数据、人工智能、物联网、智能制造等技术的迅速发展，工业现场终端设备往往会产生大量需要处理的数据。这些数据如果全部上传至云端，一方面会对网络传输和云端计算有很大考验，另一方面很难满足某些设备的精确时延要求。本任务将利用云边端协同方式赋能工业生产，首先边缘节点可以完成初步计算、存储和转发功能，然后有选择地向云端反馈信息；云端借助丰富的云网资源，实现协同式的搜集、处理、计算、更新等工作，然后再向边端发布指令。【任务目标】理解和掌握云边端协同技术和架构。能够完成云边端协同项目整体方案设计。能够使用根云平台和边缘计算网关完成云边端协同。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———云边端协同1、任务准备

1.任务相关硬件清单

本任务所需相关软硬件清单如表4-25所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———云边端协同1、任务准备

3.任务中关键实物清单本任务中需要用到的关键设备实物清单如表4-13所列。本任务中每个设备的IP地址如表4-4所列。2.任务硬件设备组网本任务硬件设备网络架构如右图4-2所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———云边端协同1、任务准备

【任务分解】本任务使用根云平台与边缘计算网关，实现多个生产设备的云边端协同功能，具体实施步骤分解为4个小任务，如图4-50所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———云边端协同2、知识准备

4.3.1云边协同参考架构云边协同是指边缘计算与云计算之间的紧密合作。云计算擅长全局性、非实时、长周期的大数据处理与分析，而边缘计算则更适用于局部性、实时、短周期的数据处理与分析。云边协同旨在结合两者的优势，以更好地满足各种需求场景。在实际应用中，边缘计算节点可以负责其覆盖范围内的数据计算和存储工作，从而减轻云计算中心的压力。同时，边缘计算节点处理后的的数据仍然需要上传到云计算中心进行进一步的分析和挖掘。此外，云计算中心还可以将升级后的算法推送到边缘计算节点，使前端设备能够更新和升级，从而完成自主学习闭环。为了支撑云边协同的应用和实现，需要相应的参考架构与关键技术。参考架构需要考虑连接能力、信息特征、资源约束性，以及资源、应用与业务的管理与编排等因素；关键技术包括迁移学习、神经网络拆分、神经网络压缩、边缘服务迁移策略、边缘服务放置机制等。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———云边端协同2、知识准备

云边协同的总体参考架构如图4-51所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

安全数据———云边端协同2、知识准备

1.边缘侧边缘侧能力分为如下4种：1）基础设施能力包含计算、存储、网络、加速器（如AI加速器），以及虚拟化。同时对于嵌入式功能在对时延、处理能力等方面的特殊要求也得考虑到，这种情况下需要直接与硬件通信，而非借助虚拟化资源。2）边缘平台能力包含数据协议模块、数据分析与处理模块。为支撑各类复杂的行业通信协议，数据协议模块需要良好的可扩展性；数据分析与处理模块需要涵盖时序数据库、数据预处理、流分析、函数计算、人工智能推理等方面的能力。3）管理与安全能力，其中管理包括边缘节点设备运行状态的管理、基础设施资源管理、边缘应用和业务的生命周期管理，以及边缘节点南向通信所连接的终端管理和连接管理等。安全需要考虑包括芯片级、模组级、终端级、操作系统级、平台级、应用级在内的多层次安全。4）应用与服务能力需要考虑两类场景。一类场景是具备部分特征或能力的应用与服务部署在边缘侧，部分部署在云端，云边协同共同为客户提供一站式应用与服务，如实时控制类应用部署在边缘侧，非实时控制类应用部署在云侧；另一类场景是同一应用服务，其划分后的模块与能力分别部署在边缘侧和云侧，云边协同共同为客户提供整体的应用与服务能力。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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2.云端平台能力包括边缘接入、数据分析与处理、边缘管理与业务编排。数据分析与处理需要时序数据库、数据整形、筛选、大数据分析、流分析、函数计算、人工智能模型集中训练与推理等方面的能力；边缘管理与业务编排需要边缘节点设备、基础设施资源、终端、应用、业务等生命周期管理，以及各类增值应用、网络应用的业务编排。边缘开发测试云用于提供云边协同的应用及服务开发和测试的环境和支撑。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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4.3.2云边端协同参考架构1.边端联动边端联动是指边缘计算节点与终端设备之间的协同工作机制。边缘计算节点通常部署在靠近终端设备的网络边缘，因此可以更快地响应终端设备的请求并处理相关数据。在工业互联网场景中，边缘计算节点可以接收来自终端设备的数据，并进行实时处理和分析。这种处理方式可以显著降低数据传输的延迟，并提高系统的实时性。同时，边缘计算节点还可以根据处理结果向终端设备发送控制指令，以实现对终端设备的智能控制。2.云边端协同云边端协同是云计算、边缘计算与终端设备之间的全面协同工作。它结合了云边协同和边端联动的优势，旨在实现更加高效、智能和实时的数据处理和分析。在云边端协同架构中，云计算中心作为控制平面，负责全局的数据分析和算法模型的训练与升级；边缘计算节点作为计算平台，负责局部数据的处理和存储工作；而终端设备则作为数据采集和执行的终端，负责数据的采集和指令的执行。通过云边端协同，可以实现数据的快速传输和处理，同时提高系统的实时性和智能化水平。此外，云边端协同还可以实现资源的优化配置和高效利用，从而降低系统的整体成本。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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3.云边端协同参考架构某企业根据实际需要设计了工业互联网边缘计算场景下的云边端架构。在工业现场部署摄像头、机械臂、机器人、智能仪表、传感器等终端设备，这些设备会产生海量数据，且有实时处理需求。该架构采用边缘网关和MEC服务器作为两级边缘节点：第一级边缘节点部署在工业现场的边缘网关中，又称边缘网关层。它在传统路由转发功能的基础上对海量数据进行初步处理，以此降低海量数据带来的网络压力和计算压力；第二级边缘节点部署在5G网络基础设施架构中的MEC（MobileEdgeComputing，移动边缘计算）服务器中，又称边缘云层。它对边缘网关初步处理后的数据进行智能分析，并将分析结果通过边缘网关反馈给终端设备，保证对终端设备精准控制的时延要求。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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在上述两级边缘节点的基础上部署云中心层作为云边端架构中的云端，与边缘节点在资源协同、服务协同、应用协同等方面进行全面协同。云边端架构项目整体方案设计如图4-52所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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4.3.3工业云边协同场景从细分价值市场的维度来看，边缘计算可以分为电信运营商边缘计算、企业与物联网边缘计算、工业边缘计算三类。在工业生产领域，各大厂商根据自身的资源优势纷纷构建相关的能力，布局边缘计算，形成了物联网边缘计算、工业边缘计算、智慧家庭边缘计算、广域接入网络边缘计算、边缘云和多接入边缘计算六种边缘计算的业务形态。在实际案例的应用部署中，上述六种业务形态可以独立存在，也可以多种形态互补共存。云边协同的内涵会因边缘计算的业务形态、面向客户的场景不同而具有较大差异，可以根据业务形态将云边协同划分成六大类，如表4-26所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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1.设备优化子场景设备优化是设备生命周期管理中的核心应用场景，主要包括设备的状态优化和性能优化。设备状态优化主要是通过对设备进行状态监测及预测性维护，使设备始终保持在良好的运行状态，避免非计划性停机；设备性能优化通过与现场运行的同类型设备性能监测情况进行对比，寻找限制设备性能的瓶颈，制定改进方案，优化设备性能，提升生产效率。设备优化子场景涉及低延时类应用与非低延时类应用，主要通过对采集到的设备数据进行智能分析，从而优化设备运行状态与性能。其云边协同主要包括数据协同、智能协同和应用管理协同，如图4-53所示。在工业云边协同场景里，云边协同的解决方案能够支撑商业模式与业务模式的创新，工业云边协同主要包括三大子场景：设备优化子场景、工艺过程优化子场景及工厂全价值链优化子场景。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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2.工艺过程优化子场景工艺过程优化主要面向制造过程中工艺的参数优化需求，其涵盖范围既包括流程制造领域（如火力发电、炼钢、汽车等生产过程中的部分或全部工艺段），也包括离散制造场景。(如制药包装一体化生产线等)。通过云边协同实现工艺过程中的参数优化，可以帮助客户提高生产效率、提高产品质量、节能降耗。工艺过程优化子场景主要是工艺段或者生产线级别的应用，按需灵活弹性部署和调度调整应用是该场景的核心需求，其云边协同主要包括数据协同、智能协同、业务管理协同和应用管理协同，如图4-54所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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3.工厂全价值链优化子场景工厂若能打通价值链上采购、生产、仓储、物流、服务等各个环节，就可以解决当前各环节业务相对独立、数据分散且无法有效利用的局面，进而应对产品快速交付、大规模定制、柔性生产等诸多方面的挑战。工厂全价值链优化子场景通过收集和掌握上下游全价值链的全局信息与资源，结合人工智能技术实现资源的智能优化调度与配置，该场景的云边协同主要包括数据协同和应用管理协同，如图4-55所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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4.3.4云边协同本任务需要利用云边协同功能，进行设备数据的分析及控制，使用云平台发布指令，通过云边服务器进行相应的动作控制，具体实施操作步骤如下。1)登录根云平台，创建物模型与物实例，具体步骤详见3.3.5小节。2)在“设备工厂设备物模型”界面中，单击“手动添加”按钮，如图4-56所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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(3)在弹出的“编辑属性”界面，填写配置信息，如图4-57~图4-59所示，其具体参数如表4-27所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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4)单击“更新发布”按钮，得到的界面如图4-60所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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5)边缘端(边缘计算网关)的数据已经成功上传到云端，如图4-61所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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6)为了确保边缘计算网关组网正确，可在工业边缘计算应用实训平台上进行实机验证。当2#安全门的数值为“1”时，如图4-62所示04生产设备安全数据采集与边缘计算

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边缘计算控制器中设备安全门运行状态数值为“2”，如图4-63所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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此时，云平台中对应的点位信息显示“2#安全门关闭”，如图4-64所示。至此，已完成云边协同的验证工作。通过验证，可以看出边缘计算网关和根云平台的数据交互能够实现实时的数据同步与处理。在云边协同过程中，边缘计算网关作为连接物理世界和数字世界的桥梁，成功地将现场设备产生的数据实时采集并上传至根云平台。同时，根云平台也能够迅速响应边缘计算网关的请求，提供必要的计算资源和数据分析服务，实现了数据的快速处理和决策支持。云边协同系统能够有效提升数据处理效率和响应速度，降低数据传输延迟和带宽占用，从而为用户提供更加优质、高效的服务。此外，该系统还具备良好的可扩展性和灵活性，能够适应不同场景和需求的变化，为用户提供更加个性化的解决方案。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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4.3.5边端场景联动接下来实施边端场景联动任务，以实现多设备的本地管理、联动及控制，具体实施操作步骤如下。1）

选择LoRa数据采集控制器，在“测点列表（LoRa数据采集）”区域，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、地址、数据类型等，如图4-65所示，具体参数如表4-28所列。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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2）

在测点列表中Relay信息表的“数值”这一列中，单击“编辑”按钮，输入“1”，单击“确认”按钮以提交，如图4-66所示。04生产设备安全数据采集与边缘计算

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（3)可以观察到LoRa数据采集模块上面的Q0.0实时产生动作，输出指示灯被点