淺談自動化生產線數據采集及上云

仝玉華，杜鵬，孫志杰，徐紅

（山東信息職業技術學院，山東 濰坊 261041）

隨著工業互聯網、物聯網、5G 等新一代信息技術的發展，傳統制造業轉型向智能制造升級加速，走在前端的制造業工廠已計劃建設智能工廠。智能工廠設計標準主要包括物理工廠數據采集、工廠布局，虛擬工廠參考架構、工藝流程及布局模型、生產過程模型和組織模型、仿真分析，實現物理工廠與虛擬工廠之間的信息交互等，而數據是智能工廠建設的血液，在各應用系統之間流動，是智能工廠的基礎。采集自動化生產線數據，進而升級改造為智能化產線，是實現智能工廠的必由之路。本文提出一種自動化生產線數據采集與上云的解決方案，為實現智能工廠建設提供技術幫助。

1 總體方案設計

為實現自動化生產線數據采集與上云，需要用到的硬件、軟件平臺有顆粒罐裝自動化生產線、工業網關、交換機、路由器、云平臺等。整體架構如圖1 所示。

圖1 自動化生產線數據采集及上云架構圖

1.1 顆粒罐裝自動化生產線

顆粒罐裝自動化生產線有供料單元、裝配單元、加工單元、分揀單元和輸送單元5 個工作單元構成。每一工作單元都自成一個獨立系統，由一臺PLC 獨立控制，分別記為控制器X(X 為1-5)，各PLC 之間通過工業以太網實現互聯的分布式控制。控制器1-3 為匯川H3U-3232MT-XA PLC（以下簡稱H3U PLC），控制器4、5 為S7-1200 PLC。

H3U PLC 支持Modbus 通信，接口形式為RS 485。

S7-1200 PLC 支持Modbus 通信、PROFIBUS-DP 通信、PROFINET 通信以及S7 通信。S7 通信協議是西門子S7系列PLC 內部集成的一種通信協議，是S7 系列PLC 的精髓所在。它是一種運行在傳輸層之上（會話層、表示層、應用層）、經過特殊優化的通信協議，其信息傳輸可以基于MPI 網絡、PROFIBUS 網絡或者以太網，接口形式為以太網。

1.2 工業網關

工業網關是一種用于連接工業設備和信息系統的網絡設備，充當著數據通信的橋梁，將工業設備中的數據轉換成標準的協議格式，使其能夠與其他設備或系統進行通信。工業網關不僅可以將不同的物聯網設備連接到互聯網上，同時，為工業云平臺的需求承擔了自動化OT與信息化IT 對接的使命。本設計中采用研華ECU-1152智能網關（以下簡稱ECU-1152），支持4G、Wi-Fi、Modbus RTU、Modbus TCP、RS232/485 等多種通信方式。

1.3 云平臺

新大陸·物聯網·云平臺，是基于智能傳感器、無線傳輸技術、大規模數據處理與遠程控制等物聯網核心技術，與互聯網、無線通信、云計算大數據技術高度融合開發的一套物聯網云服務平臺，集設備在線采集、遠程控制、無線傳輸、數據處理、預警信息發布、決策支持、一體化控制等功能于一體的物聯網系統。用戶及管理人員可以通過手機、平板、計算機等信息終端，實時掌握傳感設備信息，及時獲取報警、預警信息，并可以手動/自動地調整控制設備，最終使以上管理變得輕松簡單。

2 方案驗證

2.1 工業設備接入

匯川H3U PLC 通過RS 485 接口與ECU-1152 通信，將三個控制器的A+、B-通過導線分別接到ECU-1152 COM1、COM2、COM3 的A+、B-；S7-1200 PLC 通過工業以太網接口與ECU-1152 通信，將控制器4、5 通過RJ45網線分別接至交換機的LAN1、LAN2 口。

通過網線將ECU-1152 的LAN1 口、電腦分別接到交換機的LAN3、LAN4 口；交換機的LAN5 口接到路由器的LAN1 口，路由器的WAN 口接互聯網。

2.2 自動化產線數據采集

數據采集前，需要先配置網關。

首先搜索在線設備，設置網關上所選網口的IP 地址、子網掩碼和默認網關。所示然后新建節點，設備類型選擇“ECU-1152”，設置IP 地址、密碼，如圖2 所示。

圖2 添加智能網關設備圖

2.2.1 匯川H3U PLC 設備數據采集

三塊H3U PLC 設備數據采集方式相同，以控制器1為例講述數據采集過程。

（1）啟用COM1 口。啟用COM1 口，按照PLC 端Modbus通信參數設置ECU-1152 COM1串口參數，如圖3所示。

圖3 智能網關COM 口配置圖

（2）添加匯川H3U PLC 設備。H3U PLC 與ECU－1152 通過標準的Modbus 協議通信，所以設備類型選擇Modbus RTU。

（3）添加H3U PLC 設備數據。Modbus 與PLC 地址點位表如表1 所示。

表1 Modbus 與PLC 地址對照表

啟動按鈕是布爾量，數據類型Discrete，地址163490，轉換類型N/A，縮放類型No Scale，讀寫屬性讀寫。運行指示燈是布爾量，數據類型Discrete，地址064513，轉換類型N/A，縮放類型No Scale，讀寫屬性讀寫。運行時間是模擬量，數據類型Analog，地址461691，轉換類型Unsigned Integer，縮放類型為Linear Scale,MX+B,公式為SCALE×INPUT+OFFSET，其中Scale 為0.1，Offset 為0。同樣的方法，配置空瓶數量。過程如圖4、5 所示。

圖4 H3U PLC 設備數據添加配置圖

圖5 H3U PLC 設備數據運行時間設置圖

按照控制1 的數據采集方式，完成控制2、3 的數據采集。

2.2.2 S7-1200 PLC 設備數據采集

以控制器4 為例講述S7-1200 PLC 設備數據采集過程。

（1）啟用TCP 端口。

（2）添加S7-1200 PLC 設備。

（3）添加S7-1200 PLC 設備數據。

添加S7-1200 PLC，設備類型選擇S7－1200，單元號任意，不和同一端口下其他設備沖突即可，IP 地址設為PLC 的IP，端口號一般默認為102，TSAP 此處一般固定為01.00，如圖6 所示。

圖6 S7-1200 PLC 設備添加配置圖

控制器4 中需要采集的變量有產量、啟動按鈕、燈的狀態、X 軸當前位置。參考網關(ECU-1152)和S7-1200 PLC 通信配置手冊，可得到S7-1200 PLC 寄存器地址和智能網關ECU-1152 的地址映射表，如表2 所示。

表2 PLC 寄存器地址和ECU-1152 的地址映射表

按照地址映射表，在ECU-1152軟件中完成配置（圖7）。

圖7 S7-1200 PLC 設備數據添加配置圖

同樣的方法，完成控制器5 的數據采集。

2.3 數據上云

首先，在新大陸物聯網云平臺新建項目，添加智能網關設備，得到設備ID、設備標識和傳輸密鑰。然后，在ECU-1152 軟件云服務下SimpleMQTT 配置中，依次配置用戶名、客戶端標識符和密碼，見圖8。在軟件中正確配置并下載工程至ECU-1152 后，網關由離線狀態轉為在線狀態。

接下來，添加數據點，分為傳感器數據及執行器數據。最后點擊下發設備中實時數據打開，在云平臺可以看到在線設備的實時數據，如圖9 所示。

圖9 云平臺數據監測

3 結語

通過數據采集、分析及應用，自動化生產線改造升級為智能產線，是建設智能工廠的必要條件，也是智能制造的基礎。本文提出了一種自動化生產線數據采集及上云的方案，有效地解決了不同工作站控制器的自動化產線的數據采集問題，最終實現了自動化產線的升級改造。經驗證，本文完成了自動化生產線的數據采集及上云，為智能制造實現提供了有效支持。