王飛 阮志堅(jiān) 周飛 張峻瑞

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403024

摘 要 化工生產(chǎn)過程中，工業(yè)設(shè)備類型眾多，設(shè)備對(duì)接和協(xié)議轉(zhuǎn)換適配難度大，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)不完整，設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)隔離不安全，數(shù)據(jù)生成頻度高、量級(jí)大，這些都給管理帶來了巨大的壓力，嚴(yán)重制約了化工企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。為了解決企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問題，設(shè)計(jì)X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可支持西門子、三菱、歐姆龍、中控、ABB機(jī)器人等工業(yè)設(shè)備，兼顧PLC、Modbus、Profibus、EtherCAT、OPC等協(xié)議，具有數(shù)據(jù)采集、傳輸和可視化功能。實(shí)際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)的應(yīng)用幫助企業(yè)提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 化工 X?Collector 斷點(diǎn)續(xù)傳 可視化展示 邊緣計(jì)算 supOS工業(yè)操作系統(tǒng)

大數(shù)據(jù) 物聯(lián)

中圖分類號(hào) TP277?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B?? 文章編號(hào) 1000?3932（2024）03?0535?06

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目——智能產(chǎn)線OPC UA信息建模與多元數(shù)據(jù)封裝（批準(zhǔn)號(hào)：2021YFB3301302）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：王飛（1988-），碩士研究生，從事智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化咨詢、企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型等方向的研究，ictedu l? 168@163.com。

引用本文：王飛，阮志堅(jiān)，周飛，等.X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2024，51（3）：535-540.

在“智能制造2025”的大背景下，推進(jìn)化工生產(chǎn)制造升級(jí)改進(jìn)是個(gè)持續(xù)的過程，特別是企業(yè)設(shè)備IoT、MES重構(gòu)、管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，都需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)層的接入[1]。數(shù)據(jù)已成為提升制造業(yè)生產(chǎn)力、競(jìng)爭(zhēng)力、創(chuàng)新力的關(guān)鍵要素，是驅(qū)動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的重要引擎。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)增長(zhǎng)迅速、體量龐大，其重要性日益凸顯[2]。因此，只有解決設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問題和各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)“孤島”問題，才能實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)的數(shù)字化和智能化發(fā)展。

筆者提出一種快速、實(shí)時(shí)的X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，功能主要包括對(duì)工業(yè)主機(jī)、控制設(shè)備、工業(yè)軟件、工業(yè)通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等軟硬件的狀態(tài)、告警等信息的采集，以及將數(shù)據(jù)上傳到supOS工業(yè)操作系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在化工企業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用，目前數(shù)據(jù)采集存在諸多問題：

a. 企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)協(xié)議類型眾多，設(shè)備對(duì)接和協(xié)議轉(zhuǎn)換適配難度大;

b. 企業(yè)老舊設(shè)備協(xié)議不開放，不具備數(shù)據(jù)接口;

c. 安全規(guī)則造成產(chǎn)線、設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)隔離，系統(tǒng)難以統(tǒng)一部署;

d. 企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)生成頻度高、量級(jí)大，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理存在巨大壓力;

e. 企業(yè)生產(chǎn)過程中存在多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、文檔、圖片、視頻等，存儲(chǔ)復(fù)雜，管理難度大。

數(shù)據(jù)采集是工業(yè)物聯(lián)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，也是企業(yè)轉(zhuǎn)型的難點(diǎn)問題。因此，在化工企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成、處理、歸檔及生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)等任務(wù)，需要支持多種工業(yè)協(xié)議和多元數(shù)據(jù)，支持自動(dòng)傳輸、斷點(diǎn)續(xù)傳、多服務(wù)器冗余等功能[3]，支持?jǐn)?shù)據(jù)安全，滿足高并發(fā)、高性能等要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

筆者研究的X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效解決了數(shù)據(jù)采集的各種弊端，滿足化工企業(yè)信息化集成與數(shù)據(jù)管理的需求，實(shí)時(shí)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、設(shè)備預(yù)測(cè)分析等多種業(yè)務(wù)需求。系統(tǒng)可提供 OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC104 等協(xié)議接入，支持國(guó)內(nèi)外主流廠家的 PLC、DCS、SCADA 等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入。支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并傳輸給supOS 平臺(tái)。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括豐富的驅(qū)動(dòng)協(xié)議、斷點(diǎn)續(xù)傳、冗余配置、數(shù)據(jù)安全、高可用、高并發(fā)等。

2.1.1 支持豐富的驅(qū)動(dòng)協(xié)議

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要滿足工業(yè)企業(yè)信息化集成、數(shù)據(jù)管理的需求，系統(tǒng)能夠提供多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議接入，支持國(guó)內(nèi)外主流廠家設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接入;支持關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的接入;支持發(fā)那科、三菱、西門子、歐姆龍、兄弟、羅克韋爾、中控等主流工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的接入。

2.1.2 支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集器具有斷點(diǎn)續(xù)傳功能。對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)的通信中斷情況，需要保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性，數(shù)據(jù)暫時(shí)緩存在采集器中，每百萬(wàn)個(gè)位號(hào)存儲(chǔ)一次值所占用磁盤空間約4 MB，采集器不會(huì)限制緩存時(shí)間的長(zhǎng)度，當(dāng)通信恢復(fù)正常后，可對(duì)緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳到supOS工業(yè)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過故障檢測(cè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳功能，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛿?shù)據(jù)的連續(xù)性[4]。

2.1.3 支持冗余配置

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持兩個(gè)以上的采集器與supOS工業(yè)操作系統(tǒng)通信，盡可能保證采集器與supOS工業(yè)操作系統(tǒng)之間的連接，多個(gè)服務(wù)器能夠一起分擔(dān)負(fù)荷，當(dāng)某個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，其他服務(wù)器繼續(xù)工作，由此達(dá)到負(fù)載均衡的效果，提高了采集器與supOS工業(yè)操作系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的可靠性。

2.1.4 支持?jǐn)?shù)據(jù)安全性

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以配置采集器與supOS之間的單向通信模式，可在采集器和supOS之間部署網(wǎng)閘，在該模式下數(shù)據(jù)只支持從采集器到supOS的通信，從supOS到采集器的通信切斷，徹底保證采集器端的網(wǎng)絡(luò)安全性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在supOS之間可配套防火墻進(jìn)行端口設(shè)置，保證底層數(shù)據(jù)源的安全性。

2.1.5 支持高可用、高并發(fā)

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式緩存，從而減少磁盤I/O的訪問次數(shù)，加快數(shù)據(jù)的讀取速度[5]。該系統(tǒng)的單個(gè)采集器支持50 000點(diǎn)位通信，支持多個(gè)采集器向supOS工業(yè)操作系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的性能。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于B/S模型的架構(gòu)。系統(tǒng)基于工業(yè)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場(chǎng)景，規(guī)劃設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景的數(shù)采方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為4層，具體如下：

a. 設(shè)備以及控制系統(tǒng)層?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制器主要包括PLC、智能儀表，品牌覆蓋西門子、三菱等，接口包含RS485、以太網(wǎng)、I/O，協(xié)議包含各品牌PLC協(xié)議、Modbus協(xié)議等。

b. 數(shù)采工具。X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足工業(yè)企業(yè)信息化集成、數(shù)據(jù)管理的需求，系統(tǒng)支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議接入，支持OPC、RS232、RS485、CAN等多種接口的通信，支持SCADA、DCS、PCS、PLC和其他軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入。supGW?200系列物聯(lián)網(wǎng)關(guān)具備邊緣計(jì)算、本地存儲(chǔ)、斷點(diǎn)續(xù)傳功能，可覆蓋現(xiàn)場(chǎng)所有生產(chǎn)設(shè)備接口，匹配各類控制器協(xié)議，數(shù)據(jù)可以通過X?Collector上傳至supOS系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)解決了現(xiàn)場(chǎng)很多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)未完成或者不完整，設(shè)備和產(chǎn)線“孤島”嚴(yán)重的問題。異構(gòu)資源X?Collector平臺(tái)自帶的功能，實(shí)現(xiàn)了化工企業(yè)的PI和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)外掛，用于采集企業(yè)既有工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)。

c. 傳輸層。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸，將各車間數(shù)據(jù)匯總上傳到supOS工業(yè)操作系統(tǒng)平臺(tái)中，經(jīng)平臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化后存入supOS工業(yè)操作系統(tǒng)中的“天湖”系統(tǒng)中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

d. supOS應(yīng)用層。用supOS工業(yè)操作系統(tǒng)的supIDE進(jìn)行相應(yīng)的功能開發(fā)，將海量生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，按照用戶需求的各類報(bào)表應(yīng)用顯示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。用戶通過訪問supOS工業(yè)操作系統(tǒng)上的報(bào)表應(yīng)用，調(diào)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，查看所需的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的戰(zhàn)略決策。

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示，設(shè)備連接X?Collector數(shù)據(jù)采集軟件，數(shù)據(jù)傳輸至supOS服務(wù)器，通過supOS工業(yè)操作系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)在多個(gè)網(wǎng)段上進(jìn)行Web發(fā)布，用戶可以在公司辦公網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)上通過PC、手機(jī)或pad等移動(dòng)端進(jìn)行訪問。

2.4 數(shù)據(jù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)器支持關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)、文件數(shù)據(jù)庫(kù)、視頻等資源的動(dòng)態(tài)分配、彈性擴(kuò)容、集群和分布式存儲(chǔ)，如圖3所示。

數(shù)據(jù)服務(wù)器支持分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、對(duì)象化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問，支持復(fù)雜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)分區(qū)安全管理和多樣化數(shù)據(jù)開放。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部署在supOS工業(yè)操作系統(tǒng)上，提供可視化的應(yīng)用服務(wù)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主界面包含登錄、系統(tǒng)信息管理、個(gè)人信息管理、時(shí)序數(shù)據(jù)采集管理、報(bào)警數(shù)據(jù)采集管理、視頻數(shù)據(jù)采集管理6部分（圖4）。

3.2 工業(yè)不同場(chǎng)景數(shù)采應(yīng)用方式

X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以支持多種數(shù)據(jù)采集方式，主要包括API接口采集方式、通信接口被占用采集方式、無(wú)通信接口的采集方式、設(shè)備自帶通信接口采集方式和攝像頭數(shù)據(jù)采集方式這5種。

3.2.1 API接口采集方式

企業(yè)很多儀表自帶NB?IoT無(wú)線遠(yuǎn)傳模塊，儀表可以通過NB?IoT無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到該設(shè)備廠商的云管理平臺(tái)，X?Collector通過云管理平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)API接口讀取數(shù)據(jù)并上傳給supOS工業(yè)操作系統(tǒng)，如圖5所示。

3.2.2 通信接口被占用采集方式

企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，很多通信接口被西門子、永宏和三菱PLC占用。本次方案基于保障設(shè)備不改動(dòng)的原則，在原通信接口上增加通信模塊，采用數(shù)采網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集，X?Collector通過數(shù)采網(wǎng)關(guān)接口讀取數(shù)據(jù)并上傳至supOS工業(yè)操作系統(tǒng)（圖6）。

3.2.3 無(wú)通信接口的采集方式

企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)存在很多老舊設(shè)備，往往這些設(shè)備沒有控制器，需要通過采集設(shè)備的I/O信號(hào)，數(shù)采網(wǎng)關(guān)通過對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行邊緣處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行、停機(jī)狀態(tài)的采集，X?Collector通過數(shù)采網(wǎng)關(guān)接口讀取數(shù)據(jù)并上傳給supOS工業(yè)操作系統(tǒng)（圖7）。

3.2.4 設(shè)備自帶通信接口采集方式

數(shù)采網(wǎng)關(guān)可通過設(shè)備開放的接口協(xié)議直接讀取設(shè)備數(shù)據(jù)，X?Collector通過數(shù)采網(wǎng)關(guān)接口讀取用數(shù)據(jù)并上傳至supOS工業(yè)操作系統(tǒng)（圖8）。

3.2.5 攝像頭數(shù)據(jù)采集方式

視頻采集是通過X?Collector采集監(jiān)控視頻，經(jīng)數(shù)采網(wǎng)關(guān)邊緣處理后，數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?/p>

supOS平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)傳輸速度和鏈路穩(wěn)定（圖9）。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，數(shù)字化、智能化要求進(jìn)一步提高，化工企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的任務(wù)緊迫而艱巨。針對(duì)目前生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的問題與不足，利用supOS工業(yè)操作系統(tǒng)作為基座，融合大數(shù)據(jù)與物聯(lián)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

該系統(tǒng)支持化工行業(yè)工控系統(tǒng)PLC、DCS、SCADA等的接入，支持OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC104等協(xié)議，可以接入?？低?、大華視頻等主流視頻驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入、異構(gòu)源接入，具備設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障異常預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析等可視化的數(shù)據(jù)服務(wù)，并滿足不同場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集服務(wù)，為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和安全性提供了保證，為實(shí)現(xiàn)集控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、經(jīng)營(yíng)于一體的新模式應(yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，為化工企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了參考，該系統(tǒng)具有復(fù)用和推廣價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-12-28）