X?Collector數據采集系統的設計與應用

王飛 阮志堅 周飛 張峻瑞

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403024

摘 要 化工生產過程中，工業設備類型眾多，設備對接和協議轉換適配難度大，設備聯網不完整，設備之間網絡隔離不安全，數據生成頻度高、量級大，這些都給管理帶來了巨大的壓力，嚴重制約了化工企業的高質量發展。為了解決企業生產設備的數據采集問題，設計X?Collector數據采集系統，可支持西門子、三菱、歐姆龍、中控、ABB機器人等工業設備，兼顧PLC、Modbus、Profibus、EtherCAT、OPC等協議，具有數據采集、傳輸和可視化功能。實際應用表明：該系統的應用幫助企業提高了生產效率。

關鍵詞 數據采集系統 化工 X?Collector 斷點續傳 可視化展示 邊緣計算 supOS工業操作系統

大數據 物聯

中圖分類號 TP277?? 文獻標志碼 B?? 文章編號 1000?3932（2024）03?0535?06

基金項目：國家重點研發計劃項目——智能產線OPC UA信息建模與多元數據封裝（批準號：2021YFB3301302）資助的課題。

作者簡介：王飛（1988-），碩士研究生，從事智能制造、工業互聯網數字化咨詢、企業數字化轉型等方向的研究，ictedu l? 168@163.com。

引用本文：王飛，阮志堅，周飛，等.X?Collector數據采集系統的設計與應用[J].化工自動化及儀表，2024，51（3）：535-540.

在“智能制造2025”的大背景下，推進化工生產制造升級改進是個持續的過程，特別是企業設備IoT、MES重構、管理的數字化轉型，都需要現場數據層的接入[1]。數據已成為提升制造業生產力、競爭力、創新力的關鍵要素，是驅動工業互聯網創新發展的重要引擎。隨著工業互聯網的發展，數據增長迅速、體量龐大，其重要性日益凸顯[2]。因此，只有解決設備的數據采集問題和各系統的數據“孤島”問題，才能實現化工企業的數字化和智能化發展。

筆者提出一種快速、實時的X?Collector數據采集系統，功能主要包括對工業主機、控制設備、工業軟件、工業通信設備、網絡安全設備等軟硬件的狀態、告警等信息的采集，以及將數據上傳到supOS工業操作系統的應用服務。

1 數據采集系統概述

數據采集系統在化工企業生產中具有重要作用，目前數據采集存在諸多問題：

a. 企業生產設備工業協議類型眾多，設備對接和協議轉換適配難度大;

b. 企業老舊設備協議不開放，不具備數據接口;

c. 安全規則造成產線、設備之間網絡隔離，系統難以統一部署;

d. 企業生產數據生成頻度高、量級大，數據的存儲與管理存在巨大壓力;

e. 企業生產過程中存在多元異構數據，包括結構化數據、半結構化數據、文檔、圖片、視頻等，存儲復雜，管理難度大。

數據采集是工業物聯不可或缺的重要環節，也是企業轉型的難點問題。因此，在化工企業的數字化、智能化轉型中，數據采集系統需要實現實時數據采集，進行實時數據集成、處理、歸檔及生產指標統計等任務，需要支持多種工業協議和多元數據，支持自動傳輸、斷點續傳、多服務器冗余等功能[3]，支持數據安全，滿足高并發、高性能等要求。

2 系統設計

2.1 關鍵技術分析

筆者研究的X?Collector數據采集系統有效解決了數據采集的各種弊端，滿足化工企業信息化集成與數據管理的需求，實時監控、風險預警、設備預測分析等多種業務需求。系統可提供 OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC104 等協議接入，支持國內外主流廠家的 PLC、DCS、SCADA 等系統的實時數據接入。支持數據實時采集并傳輸給supOS 平臺。系統的關鍵技術主要包括豐富的驅動協議、斷點續傳、冗余配置、數據安全、高可用、高并發等。

2.1.1 支持豐富的驅動協議

X?Collector數據采集系統需要滿足工業企業信息化集成、數據管理的需求，系統能夠提供多種工業標準數據協議接入，支持國內外主流廠家設備實時數據的接入;支持關系數據庫、時序數據庫的接入;支持發那科、三菱、西門子、歐姆龍、兄弟、羅克韋爾、中控等主流工業設備數據的接入。

2.1.2 支持斷點續傳

X?Collector數據采集系統的采集器具有斷點續傳功能。對于系統數據采集過程中出現的通信中斷情況，需要保證系統數據的完整性，數據暫時緩存在采集器中，每百萬個位號存儲一次值所占用磁盤空間約4 MB，采集器不會限制緩存時間的長度，當通信恢復正常后，可對緩存數據進行恢復，并通過數據采集系統上傳到supOS工業操作系統數據庫中，通過故障檢測機制實現數據斷點續傳功能，從而保證數據傳輸的可靠性和數據的連續性[4]。

2.1.3 支持冗余配置

X?Collector數據采集系統支持兩個以上的采集器與supOS工業操作系統通信，盡可能保證采集器與supOS工業操作系統之間的連接，多個服務器能夠一起分擔負荷，當某個服務器發生故障時，其他服務器繼續工作，由此達到負載均衡的效果，提高了采集器與supOS工業操作系統之間數據通信的可靠性。

2.1.4 支持數據安全性

X?Collector數據采集系統可以配置采集器與supOS之間的單向通信模式，可在采集器和supOS之間部署網閘，在該模式下數據只支持從采集器到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絡安全性。數據采集系統在supOS之間可配套防火墻進行端口設置，保證底層數據源的安全性。

2.1.5 支持高可用、高并發

X?Collector數據采集系統采用分布式緩存，從而減少磁盤I/O的訪問次數，加快數據的讀取速度[5]。該系統的單個采集器支持50 000點位通信，支持多個采集器向supOS工業操作系統上傳數據，提高了系統的性能。

2.2 系統架構

X?Collector數據采集系統采用基于B/S模型的架構。系統基于工業領域實時數據采集應用場景，規劃設計工業生產場景的數采方案，其系統結構如圖1所示。

X?Collector數據采集系統分為4層，具體如下：

a. 設備以及控制系統層。現場設備控制器主要包括PLC、智能儀表，品牌覆蓋西門子、三菱等，接口包含RS485、以太網、I/O，協議包含各品牌PLC協議、Modbus協議等。

b. 數采工具。X?Collector數據采集系統滿足工業企業信息化集成、數據管理的需求，系統支持多種工業標準數據協議接入，支持OPC、RS232、RS485、CAN等多種接口的通信，支持SCADA、DCS、PCS、PLC和其他軟件系統的實時數據接入。supGW?200系列物聯網關具備邊緣計算、本地存儲、斷點續傳功能，可覆蓋現場所有生產設備接口，匹配各類控制器協議，數據可以通過X?Collector上傳至supOS系統。網關解決了現場很多設備聯網未完成或者不完整，設備和產線“孤島”嚴重的問題。異構資源X?Collector平臺自帶的功能，實現了化工企業的PI和標準數據服務外掛，用于采集企業既有工業實時數據庫的數據。

c. 傳輸層。系統通過數據進行加密傳輸，將各車間數據匯總上傳到supOS工業操作系統平臺中，經平臺數據結構化后存入supOS工業操作系統中的“天湖”系統中，并進行數據存儲。

d. supOS應用層。用supOS工業操作系統的supIDE進行相應的功能開發，將海量生產大數據進行統計和分析，按照用戶需求的各類報表應用顯示統計數據。用戶通過訪問supOS工業操作系統上的報表應用，調用系統中的結構化數據，查看所需的數據分析內容，實現對企業生產經營的戰略決策。

2.3 網絡拓撲

X?Collector數據采集系統網絡拓撲如圖2所示，設備連接X?Collector數據采集軟件，數據傳輸至supOS服務器，通過supOS工業操作系統可以將數據在多個網段上進行Web發布，用戶可以在公司辦公網絡與Internet網絡上通過PC、手機或pad等移動端進行訪問。

2.4 數據服務器

數據服務器支持關系型數據庫、實時數據庫、結構化數據庫、半結構化數據庫、文件數據庫、視頻等資源的動態分配、彈性擴容、集群和分布式存儲，如圖3所示。

數據服務器支持分布式數據存儲、對象化數據存儲和訪問，支持復雜數據統計分析，數據分區安全管理和多樣化數據開放。

3 系統的實現與應用

3.1 系統實現

X?Collector數據采集系統部署在supOS工業操作系統上，提供可視化的應用服務。

數據采集系統的主界面包含登錄、系統信息管理、個人信息管理、時序數據采集管理、報警數據采集管理、視頻數據采集管理6部分（圖4）。

3.2 工業不同場景數采應用方式

X?Collector數據采集系統可以支持多種數據采集方式，主要包括API接口采集方式、通信接口被占用采集方式、無通信接口的采集方式、設備自帶通信接口采集方式和攝像頭數據采集方式這5種。

3.2.1 API接口采集方式

企業很多儀表自帶NB?IoT無線遠傳模塊，儀表可以通過NB?IoT無線模塊將數據遠傳到該設備廠商的云管理平臺，X?Collector通過云管理平臺的標準API接口讀取數據并上傳給supOS工業操作系統，如圖5所示。

3.2.2 通信接口被占用采集方式

企業生產環境中，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備不改動的原則，在原通信接口上增加通信模塊，采用數采網關進行設備數據采集，X?Collector通過數采網關接口讀取數據并上傳至supOS工業操作系統（圖6）。

3.2.3 無通信接口的采集方式

企業實際生產存在很多老舊設備，往往這些設備沒有控制器，需要通過采集設備的I/O信號，數采網關通過對采集的信號進行邊緣處理，實現對設備運行、停機狀態的采集，X?Collector通過數采網關接口讀取數據并上傳給supOS工業操作系統（圖7）。

3.2.4 設備自帶通信接口采集方式

數采網關可通過設備開放的接口協議直接讀取設備數據，X?Collector通過數采網關接口讀取用數據并上傳至supOS工業操作系統（圖8）。

3.2.5 攝像頭數據采集方式

視頻采集是通過X?Collector采集監控視頻，經數采網關邊緣處理后，數據通過4G網絡傳輸到

supOS平臺，保證數據傳輸速度和鏈路穩定（圖9）。

4 結束語

伴隨著工業互聯網的快速發展，數字化、智能化要求進一步提高，化工企業數字化轉型升級的任務緊迫而艱巨。針對目前生產設備數據采集系統存在的問題與不足，利用supOS工業操作系統作為基座，融合大數據與物聯技術，構建一個X?Collector數據采集系統。

該系統支持化工行業工控系統PLC、DCS、SCADA等的接入，支持OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC104等協議，可以接入海康威視、大華視頻等主流視頻驅動，實現數據實時接入、異構源接入，具備設備運行狀態、故障異常預警、統計分析等可視化的數據服務，并滿足不同場景的數據采集服務，為現場數據采集的實時性和安全性提供了保證，為實現集控制、優化、調度、管理、經營于一體的新模式應用奠定數據基礎。

系統的實現與應用，為化工企業的數字化轉型提供了參考，該系統具有復用和推廣價值。

參 考 文 獻

[1] 關浩浩，毛宇紅，陳青峰，等.混合型SCADA軟件架構的適用性研究[J].化工自動化及儀表，2020，47（6）：538-542.

[2] 于成麗，胡萬里.2020年工業互聯網數據安全態勢分析及相關對策建議[J].保密科學技術，2020（12）：28-32.

[3] 韓萬強，史少輝，吳海濱，等.基于RFID無線傳感網智能安防系統的設計[J].物聯網技術，2014，4（3）：10-13.

[4] 史運濤，董廣亮，雷振伍.工業互聯網云網關架構及實現[J].計算機應用與軟件，2022，39（2）：138-143;227.

[5] 葉天琦.基于緩存技術的認證授權系統性能優化[J].信息技術與標準化，2021（8）：59-62.

（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-12-28）