齊越

（北京和利時(shí)智能技術(shù)有限公司 北京 100176）

引言

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)企業(yè)面臨著信息化升級(jí)的需求，解決生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)“孤島”問(wèn)題就變成尤為重要。2020年5月，工信部出臺(tái)《關(guān)于工業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提到“推動(dòng)工業(yè)數(shù)據(jù)全面采集，加快工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通……深化數(shù)據(jù)應(yīng)用，完善數(shù)據(jù)治理”。企業(yè)加快信息化升級(jí)節(jié)奏，積極推動(dòng)打通產(chǎn)、供、銷等各環(huán)節(jié)，形成有價(jià)值信息流、數(shù)據(jù)流，從而更好地優(yōu)化管理水平、提高生產(chǎn)效率。本文基于工業(yè)大數(shù)據(jù)管理的需求提出一種新型的數(shù)據(jù)采集單元，（Data Acquisition Unit，以下簡(jiǎn)稱：DAU），完成現(xiàn)場(chǎng)采集、計(jì)算、控制與傳遞，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建規(guī)范的、協(xié)同的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

1 工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)采集

1.1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元常規(guī)做法是通過(guò)設(shè)備控制器（PLC/DCS）、自成系統(tǒng)的輔助或?qū)Ｓ迷O(shè)備、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、采集及應(yīng)用軟件等不同領(lǐng)域功能的產(chǎn)品提取數(shù)據(jù)，這種集成方式會(huì)造成架構(gòu)復(fù)雜、協(xié)議及通訊無(wú)法統(tǒng)一、運(yùn)算能力差、維護(hù)成本高、安全隱患大等情況，這種采集方式限制了企業(yè)升級(jí)發(fā)展。

1.2 企業(yè)信息化升級(jí)存在的問(wèn)題

（1）信息系統(tǒng)多，協(xié)同管控少。企業(yè)在發(fā)展中會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)需要陸續(xù)投入很多信息系統(tǒng)，例如在投入財(cái)務(wù)系統(tǒng)后，陸續(xù)再投入倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)等，因?yàn)闆](méi)有整體規(guī)劃，導(dǎo)致各系統(tǒng)獨(dú)立存在，無(wú)法建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成信息“孤島”，系統(tǒng)利用率不高，造成數(shù)據(jù)資源大量浪費(fèi)。

（2）運(yùn)營(yíng)成本高，降維手段少。近年來(lái)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，企業(yè)為了利用低價(jià)占據(jù)市場(chǎng)份額降低產(chǎn)品硬成本，但這樣會(huì)犧牲產(chǎn)品質(zhì)量，再受制于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施整體狀況，能夠延長(zhǎng)設(shè)備設(shè)施使用壽命的辦法不多，可維護(hù)可檢修的水平有限，出了問(wèn)題只能“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”。

（3）電氣設(shè)備多，車間集成少。為了降低采購(gòu)成本，企業(yè)易出現(xiàn)“誰(shuí)便宜買誰(shuí)家”，造成設(shè)備品牌雜亂、獨(dú)立運(yùn)行，兼容擴(kuò)展功能差，同時(shí)沒(méi)有通訊預(yù)留增大了系統(tǒng)集成難度，當(dāng)企業(yè)升級(jí)時(shí)，提高了改造成本[1]。

（4）員工梯隊(duì)培養(yǎng)弱，技術(shù)人員少。很多企業(yè)只顧眼前的訂單，盲目短期招募大量操作人員，反而忽視了技術(shù)人員的培養(yǎng)與儲(chǔ)備，造成企業(yè)有升級(jí)需求，但人員跟不上、短時(shí)間又招聘不著等人才斷層風(fēng)險(xiǎn)。

2 新型數(shù)據(jù)采集單元在信息化網(wǎng)絡(luò)中的作用

2.1 企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

工業(yè)大數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)是建設(shè)信息化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常由執(zhí)行層、采集層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層四層組成。

（1）執(zhí)行層。執(zhí)行層定義為企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)系統(tǒng)中能夠獨(dú)立工作、具備已有或可改造傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，經(jīng)過(guò)新型DAU接入，在傳輸網(wǎng)絡(luò)中采用以太網(wǎng)接口方式與上層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（2）采集層。由新型DAU及企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具備采集功能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)組成，通過(guò)開(kāi)放的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的使用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部設(shè)備和外部系統(tǒng)之間的接口，也能夠提供定制開(kāi)發(fā)模板和應(yīng)用接口與專用自定義通訊接口設(shè)備接入。

（3）網(wǎng)絡(luò)層。根據(jù)企業(yè)整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，新型DAU接入與生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)全部設(shè)備、儀器儀表等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換路由等設(shè)備與服務(wù)器機(jī)群形成通訊鏈接，具備互聯(lián)能力。

（4）應(yīng)用層。通常應(yīng)用為展演系統(tǒng)，即結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、2D/3D動(dòng)畫(huà)、三維建模、引擎圖、柱狀圖、儀表盤(pán)等多種展現(xiàn)方式，將生產(chǎn)車間內(nèi)各個(gè)工段、設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)以直觀的形式進(jìn)行展現(xiàn)。

2.2 新型數(shù)據(jù)采集單元的作用

本設(shè)計(jì)提出的新型數(shù)據(jù)采集單元位于第二層采集層，起到承上啟下作用。在上層信息化系統(tǒng)要求下，新型數(shù)據(jù)采集單元可以根據(jù)企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)流程要求，通過(guò)自定義協(xié)同控制邏輯與運(yùn)算，可以將來(lái)自MES/OA/SAP/EPR/WMS等系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)請(qǐng)求分解為邏輯運(yùn)算參與項(xiàng)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型、專家?guī)礻P(guān)聯(lián)運(yùn)算等，并將所需的參數(shù)和配置發(fā)送到對(duì)應(yīng)的執(zhí)行層，供相關(guān)主管人員提示與參考，從而實(shí)現(xiàn)信息化與執(zhí)行協(xié)同工作[2]。

3 新型數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)展現(xiàn)

3.1 新型數(shù)據(jù)采集單元的構(gòu)成

新型數(shù)據(jù)采集單元的組成如圖1。

（1）中央處理模塊，進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的交互，并對(duì)接收到的指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以先進(jìn)CPU為核心，擁有強(qiáng)大的控制、運(yùn)算、存儲(chǔ)能力；

（2）邊緣計(jì)算模塊，與所述中央處理器連接，計(jì)算處理并生成控制指令，采用分散式運(yùn)算的架構(gòu)，具有將應(yīng)用程序、歷史數(shù)據(jù)、專家?guī)?、定制服?wù)、業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)等整合并高性能運(yùn)算能力，通過(guò)動(dòng)態(tài)采集、參數(shù)預(yù)置、智能控制等，建立專業(yè)數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確二次計(jì)算；

（3）路由模塊，與所述中央處理器連接，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，可實(shí)現(xiàn)智能限速、地址轉(zhuǎn)換、專用地址分配等功能；

（4）I/O模塊，與所述中央處理器連接，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制指令的傳遞，提供了無(wú)源節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出采集、模擬量輸入/輸出采集、高速脈沖等功能；開(kāi)關(guān)量輸出采集，輸出類型為繼電器輸出；模擬量輸入采集；

（5）定制采集模塊，與所述中央處理器連接，對(duì)從外界獲得的負(fù)載信號(hào)進(jìn)行采集，可提供有源（交流220V）開(kāi)關(guān)量輸入采集、繼電器輸出采集等功能；

（6）主通訊模塊，與所述中央處理器連接，對(duì)外以太網(wǎng)接口，與上層/同級(jí)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，支持OPC可用于采集工控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，支持WEBSERVIES可用于WEB容器之間請(qǐng)求應(yīng)答、跨系統(tǒng)跨平臺(tái)，支持ODBC/JDBC可用于直接對(duì)接數(shù)據(jù)庫(kù)連接，支持MQTT可用于單元上傳云平臺(tái)發(fā)布、訂閱消息傳輸[3]；

（7）冗余電源，與所述中央處理器連接，對(duì)從外界獲得的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為整個(gè)數(shù)據(jù)采集單元供電，雙獨(dú)立交流電源輸入自動(dòng)切換，雙電源單元互為冗余，支持熱插拔；

（8）定制開(kāi)發(fā)模組，與所述中央處理器連接，根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展電器件組，選配具有5G/4G/NB-DTU、 LORA/RFID透?jìng)?、環(huán)境檢測(cè)、串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)透?jìng)鞯饶K。

3.2 新型數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)展現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)采集。從受控設(shè)備/系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)類模塊、數(shù)控系統(tǒng)/機(jī)器人/產(chǎn)線等采集，對(duì)接數(shù)據(jù)平臺(tái)SCADA/云平臺(tái)，為透明化管控提供數(shù)據(jù)，改善過(guò)程、提高質(zhì)量和效率。

（2）通訊整合。在生產(chǎn)過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)有效等方面進(jìn)行資源整合，采用數(shù)據(jù)交換專用通訊接口組件，提高上下行傳輸成功率，避免通訊失敗、垃圾包、異常信息等網(wǎng)絡(luò)擁堵風(fēng)險(xiǎn)[4]。

（3）可視化/追溯/設(shè)備管理等數(shù)據(jù)支撐。對(duì)接入原始數(shù)據(jù)做二次運(yùn)算處理，對(duì)接各類展示端、看板、大屏幕、過(guò)程監(jiān)控設(shè)備、人機(jī)界面、報(bào)表、歷史庫(kù)、事件庫(kù)、設(shè)備檔案等有需求各類系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各場(chǎng)景傳遞業(yè)務(wù)信息，直觀感受重要信息，為更快捷、精準(zhǔn)的商業(yè)決策提供支持，并能更好地控制質(zhì)量與成本，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高客戶滿意度，為企業(yè)帶來(lái)利潤(rùn)。

（4）系統(tǒng)集成中間件。對(duì)接弱電系統(tǒng)、MES/WMS/EMS/ERP/SAP/OA/GIS等，通過(guò)各種技術(shù)手段將分離要素集成到統(tǒng)一平臺(tái)里，實(shí)現(xiàn)資源集中、共享、高效、便利管控。

（5）移動(dòng)應(yīng)用本地化部署。將用戶需求部署在數(shù)據(jù)采集單元，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端、網(wǎng)頁(yè)、短信提醒等，使企業(yè)信息化應(yīng)用場(chǎng)景完善、擴(kuò)展，降低風(fēng)險(xiǎn)延伸的作用。

（6）定制報(bào)警反饋：對(duì)接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源，根據(jù)自定義報(bào)警規(guī)則，提供超限、異常、警報(bào)等反饋，可進(jìn)行聲音、燈光、人機(jī)界面等硬件連接[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

如何處理執(zhí)行側(cè)設(shè)備和軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞、信息共享等并滿足用戶需要，已經(jīng)成為企業(yè)信息化建設(shè)中的一大難題。新型數(shù)據(jù)采集單元在信息化與執(zhí)行側(cè)起到的承上啟下作用為解開(kāi)難題提供一條解題思路。

而隨著IT技術(shù)的發(fā)展，新型數(shù)據(jù)采集單元不但可以作為生產(chǎn)控制、操作和運(yùn)行的工具，還可以通過(guò)它的普遍應(yīng)用使制造、過(guò)程控制、信息流乃至企業(yè)整個(gè)管理信息集成在一個(gè)整體解決方案中。新型數(shù)據(jù)采集單元作為全集成的系統(tǒng)架構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源的核心位置，將各種制造裝備和工業(yè)軟件服務(wù)進(jìn)行連接和交互，不但為基本的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警功能提供數(shù)據(jù)，而且也為協(xié)同控制和聯(lián)動(dòng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐，從而為企業(yè)在安全、高效、綠色前提下全面實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)提供信息整合解決方案。