智能工廠異構網絡數據采集與上云

杜雪飛 伍進福 陳慶 陳小平

重慶電子工程職業學院電子與物聯網學院 重慶 401331

1 概述

隨著工業互聯網、物聯網、5G等新一代信息技術的發展，制造業轉型升級加速。互聯互通是智能制造系統的智能特征之一[1]，然而，工廠設備繁多，建設和運行周期長，新舊設備并存，不同的工業網絡導致工業數據互聯互通困難。智能工廠整合生產流程各環節，實現生產制造、設備管理、質量控制、采購管理、銷售管理、輔助決策分析等融合，離不開生產數據的采集和上云。因此，本文提出一種異構網絡數據采集與上云的解決方案，有利于智能工廠的實現。

2 系統架構

智能工廠網絡通信采用現場總線和工業以太網，又分為有線通信和無線通信。根據現場布置和控制要求，通常有兩種數據采集方式，一是通過控制器采集，二是通過智能網關采集。考慮這兩種數據采集方式同時存在的情況，我們設計了一種異構網絡數據采集與上云系統架構，見圖1所示。

圖1 工廠數據采集與上云系統架構圖

控制器是工廠生產必須具備的。以某熱軋廠為例，控制器可以通過現場總線或工業以太網直接連接現場設備或傳感器，采集電機溫度、速度、電流、電壓等數據，也可以連接遠程IO站或其他控制器采集數據。然后，控制器通過工業以太網連接交換機、路由器，把采集數據發送給云平臺。對于不方便布置有線通信網絡的場所，可以采用無線通信方式，比如，控制器連接LoRa終端，通過LoRa通信將數據傳輸LoRa網關，再連接交換機、路由器實現數據上云。

工廠里面部分區域沒有安裝控制器，可以用智能網關連接現場設備、傳感器，通過現場總線/工業以太網采集數據，并經過交換機、路由器完成數據上云。

3 智能網關數據采集

工業智能網關是采集工業數據，并接入云平臺的關鍵設備。本設計中采用研華ECU-1251智能網關，支持4G、Wi-Fi、Modbus RTU、Modbus TCP、RS232/485等多種通信方式。

3.1 智能網關配置

首先需要新增節點，選擇類型“ECU-1251 TL-R10A”，設置IP地址和密碼。同時，該網關有兩個網口，需要設置所選網口的IP地址、子網掩碼和默認網關，見圖2。由于工廠內部設備會訪問網關，該網關IP地址一般設置為靜態分配。

圖2 智能網關節點設置

3.2 現場溫濕度數據采集

采集之前，用USB-RS485轉換器連接溫濕度傳感器，讀取或設置其站地址和波特率，見圖3。

圖3 溫濕度傳感器設置

然后在網關軟件中設置設備類型Modbus RTU、站號、IO寫入方式。配置溫濕度傳感器數據點，見圖4。設置數據點參數、點名稱溫度、數據類型Analog、轉換類型Integer(注意：溫度數值有正有負；濕度數值為正，轉換類型選Unsigned Integer)，地址40002(保持寄存器)，長度16，最高量程100，最低量程-50(傳感器參數)，讀寫屬性只讀，縮放類型Linear Scale MX+B，Scale0.1。同理，配置濕度數據點。

圖4 溫濕度數據點配置

3.3 智能車間數據采集

智能車間控制器通過Modbus RTU接入智能網關，參照2.2配置智能車間節點。然后配置數據點，見圖5。工作狀態1是布爾量，數據類型Discrete，地址00701(線圈寄存器)，轉換類型N/A，縮放類型No Scale，讀寫屬性只讀。運行時間1是模擬量，數據類型Analog，地址40401，轉換類型Unsigned Integer，縮放類型No Scale。同理，配置計劃產量1、實際產量1等數據點。

圖5 智能車間數據點配置

3.4 網關數據上云配置

首先，在網關云服務設置中，啟用Simplemqtt，輸入主機IP或者網址、端口號、客戶端標識符、用戶名和密碼，再設置數據上傳的周期、檢測變化方式等[2]，見圖6。

圖6 Simplemqtt上云配置

其次，添加需要上云的數據點，見圖7。也可以選擇從Excel中導入點列表。

圖7 Simplemqtt數據點添加

4 控制器數據采集

控制器通過軟接線和硬接線兩種方式采集數據。硬接線指用信號線連接現場設備和傳感器，接入控制器的DI、AI。軟接線指用現場總線或工業以太網從其他控制器、設備和傳感器獲取數據。

以S7 200 Smart為例，作為Modbus主站，通過端口0從其他控制器讀取數據。首先用MBUS_CTRL指令初始化主站[3]，設置Mode=1啟用Modbus協議，設置Baud波特率、Parity校驗方式、Port端口和Timeout超時。然后用MBUS_MSG指令讀寫數據，設置First接通邊沿檢測、Salve從站站號、Addr參數地址、Count數據元素數和Dataptr間接地址指針。

把采集到的數據進行數據復制、高低字節轉換等處理，把上云數據通過端口1用自由口通信方式傳輸。配置SMB130參數，根據LoRa通信約定，設置130.6-130.7校驗方式、130.5每個字符數據位、130.2-130.4波特率、SMB130.0-130.1協議。采用定時器設定發送時間間隔，用XMT指令發送自由端口模式的數據。

5 Lora無線通信

S7 200 Smart連接到LoRa終端。配置LoRa終端參數，采用組網工作模式，設置網關ID、選擇通道和通道參數，串口設置與SMB130參數設置一致，見圖8。

圖8 LoRa終端基本參數設置

再設置LoRa網關基本參數，保持與LoRa終端基本參數一致。最后，設置LoRa其他參數。LoRa網關設為靜態IP、云端網絡模式MQTT、服務器IP或者域名、端口，MQTT服務器用戶名、密碼、設備ID，以及發送主題、訂閱主題，見圖9。網關參數設置成功后，右側輸出窗口有對應提示。

圖9 LoRa網關其他參數設置

6 數據上云

本設計采用新大陸云平臺進行數據上云示例。首先，新建智能網關設備，得到設備ID、設備標識和傳輸密鑰，它們分別對應網關MQTT配置中的用戶名、客戶端標識符和密碼，見圖10。

圖10 云平臺新增智能網關設備

其次，創建傳感器，設置傳感名稱、標識名，傳輸類型只上報、數據類型浮點型，以及設備單位和轉換腳本。相關參數要和智能網關Simplemqtt上云配置中的數據類型一致。

最后，點擊下發設備→實時數據打開，就可以看到在線設備的實時數據，見圖11。

圖11 云平臺實時數據監測

結語

本文針對工廠智能化過程中存在的新舊設備并存、通信接口多樣、布線不方便等問題，提出了一種數據采集和上云的解決方案。該方案包括智能網關數據采集、控制器數據采集、LoRa無線通信和數據上云，從而解決異構網絡數據采集的難題，最終實現數據采集與上云。經驗證，本設計實現預期目的，有利于工廠智能化實施。