鑄造行業底層設備物聯與數采若干疑難問題解決辦法

劉亞賓，賀 偉，白仲花，糟舒婷，劉 樂

（共享能智鑄造產業創新中心有限公司，寧夏銀川 750011）

關鍵字：鑄造行業；設備物聯；數據采集；技術難點；高性價比

鑄造行業設備互聯互通現場實施時，常見以下疑難問題：現場數據傳輸距離較遠且不便拉線布網，部分設備僅具備串口且需聯網，現場無線信號覆蓋面或信號強度不足，個別設備IP 不按統一分配且不便修改，國外冗余交換機限制較多且價格高昂，小眾PLC 無通用數采通信協議，遠程或異地運維、排故、監控困難，軟件系統間數據交互不暢，大屏看板數據流中間過程繁瑣等。

對于硬件工程師而言，上述類似問題的主流解決方法為一網到底與OPC 互操作[1-2]：即通過各種軟硬件，將不同接口的設備或裝置，最終轉換為網口通信；在綜合考慮可靠性、實時性、Qos、工控安全、異地或遠程運維及工況運行等限制因素條件下，通過各種接口和網關轉換模塊，基于OPC 統一數采與交互平臺，解決設備互聯、數據互通及人機交互等問題。

1 設備互聯

設備互聯無定式，對于任何一種設備，其主要關注因素均可抽象為接口、協議和參數，在人身安全與設備安全的前提下，進行功能實現與參數優化?，F場設備之間除以DI、DO、AI、AO 方式直接互聯外，常見的問題大致還有如下幾種情況：接口轉換、串口組網、有線無線互轉、網絡耦合、環網冗余、5G 與Wi-Fi 6 應用、遠程訪問等。

1.1 接口轉換

工業用串口設備的接口多為RS232 與RS485，連接工控機時，常通過增加串口PCI 板卡、RS485 轉RS232 模塊，實現接口拓展與匹配。但此種方式易受熱插拔、強電磁干擾、閃電感應、靜電等影響，燒串口PCI 板卡接口。

可采用深圳宇泰UT-2127 無源光電隔離防雷轉換器，或UT-2112 九線制RS-232 全信號光電隔離器進行隔離，或研華ADAM-4561 一端口隔離USB 到串口轉換器、有人物聯網USR-N510 工業級串口服務器、MOXA NPort5150 串口設備聯網服務器，就近接入工控機或交換機，同時實現接口隔離與轉換。

此外，還有各種串口轉換網關，如上海泗博PM-160 通用串口/PROFIBUS DP 通信網關、TS-181 通用串口/PROFINET 網關，實現通用串口與現場總線的接口與協議轉換；以及普聯TL-UG310 USB 3.0 轉1000M 以太網適配器，支持免驅動或自動安裝，及Windows/Mac/Linux 等操作系統，進行工控機網口拓展。

1.2 串口組網

設備具有串口，設備分布點多且比較散，部署點附近網絡不易布線，又不需上PLC 控制器，或接口與網關轉換模塊的，如老工廠邊界環境傳感數據采集場景。

可采用思為無線的SV6xx 系列無線透傳模塊，或SV-MESH 超遠距離無線組網數傳模塊，或Lo-RaStar 系列星型網絡串口無線傳輸模塊。其中，SV6xx 系列無線透傳模塊可應對老式儀表，支持7、9 位數據位，奇校驗、偶校驗、無校驗可設；SV-MESH 四字節網絡ID，可工作于節點和自動中繼兩種模式，可形成無盲區、無距離限制、多頻段多信道的組網傳輸；LoRaStar 通過切換中心或節點模式組成星型MESH 自動路由無線網絡，解決傳統星型網絡下某些處在盲區或偏遠節點無法與中心通訊的問題。

1.3 有線無線互轉

移動設備如天車、軌道車、混砂機等聯網時，工廠內無線覆蓋面不全，或距離AP 較遠時信號較弱，工業現場常采用西門子SCALANCE W7xx 系列接入點與客戶端，或MOXA 的AWK-3131A 系列工業無線AP/Bridge/Client，當訪問點數較多或改造預算不足時，聯網數采就很被動。

可采用普聯TL-WDR7650 雙頻易展Turbo 版無線路由器，三個全千兆有線端口，無需區分WAN/LAN，支持網口盲插與有線無線混合互聯，無線信號增強，最大一主七從，共用一個IP，通過簡單的一鍵互聯組對，解決無線覆蓋不足、擴展Wi-Fi問題。

或采用有人物聯網雙網口Wi-Fi 串口服務器USR-W630，通過AP、STA、路由、橋接等模式的配置，實現RS232/485 串口、WIFI、以太網間互轉互通與數據雙向透明傳輸，支持串口延長、菊鏈式連接、Modbus TCP 與Modbus RTU 互轉、DNS 及跨網段路由（單向主動）功能。

當對漫游要求較高時，可采用普聯工業級高功率無線雙頻AP TL-AP1900DG 與TL-CPE1300D 組合，在無需AP 和AC 參與的前提下，實現無線客戶端自主觸發和決策漫游。尤其適用于移動載體的無縫快速漫游，并確保數據傳輸的實時性與通訊可靠性。

1.4 網絡耦合

因項目前期未進行統一的IP 地址規劃，或規劃時未考慮周全，或設備廠家不配合等原因，現場設備IP 地址任意配置，或設備IP 沖突，且又不方便改或不能改時，設備聯網與數據采集的實施就陷入了困境。

可采用無錫北辰的ETH-NAT、XCNet-MIT、XCNet-PN 網絡耦合器，通過近似于NAT 的地址轉換，將LAN1 口所連接PLC 的IP 地址和端口號，映射到LAN2 口任意IP 地址和端口號，進行跨網段的透明傳輸?；虿捎闷章摰腡L-R483G 千兆多網口VPN 路由器，將其WAN 口配置為不同網段固定IP，LAN 設置為數采網段分配IP，通過一臺高性價比路由器，實現最多跨4 個不同網段間設備的互訪。

1.5 環網冗余

關鍵設備運行過程中不能掉線，尤其是不同設備間通過通信方式進行交互時?，F場常見的工控環網有西門子與倍福，但只限于自身產品間，且價格不菲，而現場往往各廠家設備均有。

可采用上海泗博IER-3000-5T-R1 與IER-3000-2S-3T-R1 環網冗余以太網交換機，支持快速自愈的環網冗余通信，使工控機/PLC/控制器通過全光纖單環網、光纖和網線混搭單環網、雙切環網、雙歸環網和環耦合環網等方式，訪問連接在網絡上的設備/儀表等。

1.6 5G 與Wi-Fi6 應用

5G 與Wi-Fi6 在民用與商用場合應用越來越深入，如何將無線技術應用至工業現場，并與現有無線網絡技術無縫融合，是硬件工程師面臨的一個挑戰[3-4]。

可采用華為5G CPE Pro 2，支持終端側5G 網絡切片與轉WIFI 功能，并支撐Wi-Fi6 MU-MIMO、高帶寬、高并發、低時延、低功耗應用，可連接高達128臺各類設備，支持高達16 臺設備并發。

1.7 遠程訪問

當現場設備出現問題，工程師排故時，往往需要實時在線監控各變量狀態，以確認問題所在，程序修改后再行下載。但工程師與設備所在網絡常不屬于同一個局域網，一般情況下，問題能否及時解決，取決于工程師與設備所在地的距離，或設備所在地是否具備VPN 服務器，及開通VPN 審批流程等待時間等，甚至遇到晚間、周末、節假日配合問題。

可采用上海繁易FBOX、無錫北辰BCNet-R40、蒲公英X1 旁路組網盒子或X3 企業無線路由器，無需公網IP，只要現場通過3G/4G、有線、WiFi 等方式能接入互聯網，即可快速部署，實現異地組建虛擬專用網，進行PLC、觸摸屏、變頻器和伺服器或工控系統程序遠程維護、調試、上傳、下載與監控。

2 數據互通

鑄造現場設備所用控制器，既有主流PLC、DCS、CNC 及各類傳感與儀器儀表，也有小眾PLC、控制板卡、各類傳感或儀器儀表，所用協議有標準協議、非標協議、第三方OPC、數據庫等，系統集成的理想需求是建立統一的數據采集平臺，實現軟硬件設備間的數據互通，但目前尚沒有任何一款軟件或硬件產品囊括所有可能項，常用的數據互通方式與特點如下。

2.1 OPC SERVER

對于主流PLC、DCS、CNC、4 機器人及各類傳感與儀器儀表，可采用Kepware 的OPC Server KEPServerEX 6，實現各主流設備標準協議、各類傳感或儀器儀表非標協議、第三方OPC、數據庫的數據采集，并可通過OPC UA、MQTT、Rest 等接口與上位信息管理系統（如ERP、MES 等）進行交互，同時其Advanced Tags 功能可輕松實現不同變量間的鏈接及簡單的算術邏輯運算。

對于日韓系PLC、CNC、機器人等控制器，及控制板卡、各類傳感或儀器儀表，如橫河、豐田、日立、基恩士、夏普、富士、產電等公司產品，可采用Takebishi 的DeviceXPlorer，相關數據采集后再作為第三方OPC，與KEPServerEX 6 對接。

2.2 協議網關

對于西門子、三菱、歐姆龍、松下、光洋、基恩士、富士、臺達、永宏、豐煒、信捷、AB、施耐德、LS 產電、安川等廠家帶串行通信的PLC 控制器，可采用無錫北辰對應的BCNet 系列模塊，在不改變原有通信架構的基礎上，除可將串行通信轉換為以太網通信外，還可進行協議轉換，將各廠家非標協議轉換為Modbus TCP 通信協議。

2.3 軟件框架

對于集成度要求較高的場合，以及對價格因素敏感的項目，常規OPC Server

集成方式不滿足指標要求，此時需要自行開發各種驅動，但又會占用大量時間與精力。在有軟件開發人員的前提下，可采用Snap7、HslCommunication 等開源框架。其中，Snap7 支持西門子S7 系列PLC 的以太網通信，HslCommunication 支持大多數PLC 通信與轉換功能，及MQTT、Websocket、Redis等IOT Gateway 通信功能，以方便地與上位系統管理系統及云平臺快速集成對接，如共享的共享云盒、巫迪的設備聯網智能網關。

2.4 Open API

傳統的企業服務總線ESB，采用相對落后的技術，存在集成接口復雜、擴展性差、不易維護、無法連接產線設備等問題，如何高效、可靠地采集異構軟硬件系統中錯綜復雜、種類繁多的工業數據，也是硬件工程師面臨的挑戰之一?？苫赗EST API技術實現系統內部功能組件的集成，構建工作流，提升功能復用效率；同時將系統內部的REST API以OpenAPI 的形式對外開放，促進系統間的功能調用和集成。進而通過集成接口的自動化、標準化和重用，為多源異構系統的快速集成提供有效支撐，實現邊緣設備與云端、傳統工業軟件與云端、系統內部不同軟件和功能的集成[5]。

2.5 變量示波器

硬件工程師進行PLC 及傳感的調試與排故時，采用OPC 方式能夠監控到當前變量；配以Data Logger 或Local Historian 等功能插件，可將變量存儲至數據庫中。但在牽涉到多變量監控或背景變量監控應用場景時，常規只有數值的數據庫就會顯得力不從心。可采用上海隱圖的PLC-Recorder，免費版2通道40 個變量監控，連續錄波時長6 h，自帶驅動，僅讀取PLC 內的信息，不會對PLC 內的數據和信息進行任何修改，并以示波器圖形方式顯示各變量值。同時對多個PLC 進行采集錄波、邏輯分析、高級故障診斷、重要數據長期存檔等[6]。

3 人機交互

鑄造現場常見的人機交互有智控中心大屏、電子看板、液晶電視、設備觸摸屏、工控一體機、工業PAD 或PDA、手機、設備HMI 等，從性價比、移動性、工程施工便易性與靈活性等因素考慮，尚有一系列硬件工程師面臨的難題，需要軟件、硬件、網絡等專業工程師緊密配合，推薦采用帶有工控通信接口的、功能實現相對獨立的電子看板，以及高性價的電視看板方式。

3.1 電子看板

其數據流處理的常規方式為：從底層設備或傳感獲取數據后，以IOT 接口、URL 地址或數據庫方式與看板軟件對接，再經投屏設備將相關界面與信息發布至現場電子看板上。該方式中間環節較多，開發及排故需要多專業工程師共同處理。

可采用廣州駟駿通顯的LED 工業屏，自帶通訊接口硬核與軟件協議內核，融合工業組態、工業網絡通信與LED 顯示驅動等技術，可通過主流的現場總線協議（如Profibus?DP、Modbus RTU、CC-Link、Can 等）與工業以太網協議（如Profinet、Modbus TCP、EtherNet/IP、TCP/IP 等），直接與PLC、DCS 等控制器實現實時數據的直連直通。

3.2 電視看板

對于價格敏感的項目，或現場不利于部署臺式電腦或筆記本的場合，可采用無線投屏方式，如創維光電的無線傳屏器GDWTA1；或采用微電腦加電視的組合，如以摩方M1S 微型電腦棒或大唐Q19 云終端作為主機，以電視作為顯示器，或根據操作需求配備無線鼠標鍵盤，滿足人機交互對現場空間、環境、美觀、操作便利性等要求。此外，對于成本與空間受限的小型應用場合，亦可采用顯控帶自由口通信、支持C 語言編程的SK 系列（3.5”-15”）觸摸屏。

4 結論

本文從硬件工程師角度，針對鑄造現場設備互聯、數據互通、人機交互等常見的疑難問題，提供了若干可借鑒的解決思路或方法，降低了項目實施過程中對硬件工程師綜合技能要求。隨著工業互聯網、人工智能、邊緣計算、負載均衡等相關技術的蓬勃發展與深入應用，將會開發出一些更高性價比的組合解決方案，更好促進鑄造企業數字化、網絡化、智能化發展。