终于有人把工业数据采集讲明白了

工业物联网感知层作为物理世界与数字世界的桥梁，是数据的第一入口。理想状况下，由于感知层数据来源十分多样，来自各种多源异构设备和系统，因而如何从这些设备和系统中获取数据，是工业物联网面临的第一道门槛。在工业范畴，感知即通常所说的工业数据采集。

01工业数据采集的范围

工业数据采集应用泛在感知技术对多源异构设备和系统、环境、人员等一切要素信息中止采集，并经过一定的接口与协议对采集的数据中止解析。信息可能来自加装的物理传感器，也可能来自配备与系统自身。

《智能制造工程实施指南（2016—2020）》将智能传感与控制配备作为关键技术配备研制重点；针对智能制造提出了“体系架构、互联互通和互操作、现场总线和工业以太网融合、工业传感器网络、工业无线、工业网关通讯协议和接口等网络规范”，并指出：“针对智能制造感知、控制、决策和执行过程中面临的数据采集、数据集成、数据计算剖析等方面存在的问题，展开信息物理系统的顶层设计。”

这里面包含两方面信息：一是工业数据采集是智能制造和工业物联网的基础和先决条件，后续的数据剖析处置依赖于前端的感知；二是各种网络规范统一后才干完成设备系统间的互联互通，而多种工业协议并存是目前工业数据采集的现状。

广义上，工业数据采集分为工业现场数据采集和工厂外智能产品/移动配备的数据采集（工业数据采集并不局限于工厂，工厂之外的聪慧楼宇、城市管理、物流运输、智能仓储、桥梁隧道和公共交通等都是工业数据采集的应用场景），以及对ERP、MES、APS等传统信息系统的数据采集。

假如按传输介质划分，工业数据采集可分为有线网络数据采集和无线网络数据采集。

02工业数据采集的特性

工业数据采集具有一些鲜明的特征，在面对细致需求时，不同场景会对技术选型产生影响，例如设备的组网方式、数据传输方式、数据本地化处置、数据集聚和管理等。

1.多种工业协议并存

工业范畴运用的通讯协议有很多，如PROFIBUS、Modbus、CAN、HART、EtherCAT、EthernetIP、Modbus/TCP、PROFINET、OPCUA，以及大量的厂商私有协议。这种状况呈现，很大水平上是由于工业软硬件系统存在较强的封锁性和复杂性。

想象在工业现场，不同厂商消费的设备，采用不同的工业协议，要完成一切设备的互联，需求对各种协议做解析并中止数据转换，这是工业物联网存量改造项目展开时最先遇到的问题——想要处置“万国牌”设备的数据采集，耗时又费力。

假如是新树立的工厂，应从最开端的规划阶段思索车间、厂级和跨地域的企业级工业物联网应用请求，在没有历史累赘的状况下，经过制定规范，综合评价现场的电磁环境抗干扰请求、数据带宽请求、传输距离、实时性、组网时支持的设备节点数量限制、星形或Daisy-Chain网络拓扑、后期扩展性等要素，选择适合的技术道路，并设计好OT与IT互通的接口，这将大大降低数据采集的难度和工作量。

2.时间序列数据

工业数据采集大多数时分带有时间戳，即数据在什么时辰采集。大量工业数据建模、工业学问组件和算法组件，均以时间序列数据作为输入数据，例如时域剖析或频域剖析措施，都请求原始数据包含时间维度信息。

工业物联网应用越来越丰厚，延伸到了更多的场景下，例如室内定位开端在聪慧仓储、无人化工厂中探求应用，无论是基于时间还是基于接纳功率强度的定位方式，其定位引擎都请求信号带有时间标签，才干完成定位计算，保障时空信息的精确性和可追溯性。

在搭建工业物联网平台时，应分离时间序列数据的特性，在数据传输、存储、剖析方面做针对性的思索。例如时序数据库（TimeSeriesDataBase，TSDB）特地从时间维度中止设计和优化，数据按时间次第组织管理。

图3-1所示为典型的时间序列数据，存储于关系型数据库中，当数据范围急剧增大时，关系型数据库的处置才干变得吃紧，需求性能更优的数据库。工业数据和互联网数据存在很大差别，前者通常是结构化的，然后者以非结构化数据为主。

3.实时性

工业数据采集的一个很大特性是实时性，包含数据采集的实时性以及数据处置的实时性。例如基于传感器的数据采集，其中一个重要指标为采样率，即每秒采集多少个点。采样率低的如温湿度采集，采样距离在分钟级；采样率高一些的如振动信号，每秒钟采集几万个点以至更多，方便后续信号剖析处置以取得高阶谐波重量。

有些大的科学装置，例如粒子加速器的束流监测系统，采样率达数兆每秒。采样率越高意味着单位时间数据量越大，如此大的数据量，假如不加处置直接经过网络传输到数据中心或云端，关于网络的带宽请求十分之高，而且如此大的带宽下，很难保障网络传输的牢靠性，可能会产生十分大的传输时延。

而部分工业物联网应用，如设备毛病诊断、多机器人协作、状态监测等，由于请求在数据采集（感知）、剖析、决策执行之间，完成快速闭环，因而对数据的实时处置有着较高的请求。假如将数据上传到云端，云端剖析后再绕一圈回来，指导下一步动作，一来一回产生的时延，很多时分将变得不可接受。

上述业务场景将在靠近数据源头的现场对数据中止即时处置，实时剖析，提取特征量，然后基于剖析的结果中止本地决策，指导下一步动作，同时将剖析结果上传到云端，数据量经过本地处置后大大减小了。图3-2所示是实时振动信号状态监测和数据剖析。

03工业数据采集的体系结构

工业数据采集体系包含设备接入、协议转换、边沿计算。设备接入是工业数据采集树立物理世界和数字世界衔接的起点。设备接入应用有线或无线通讯方式，完成工业现场和工厂外智能产品/移动配备的泛在衔接，将数据上报到云端。工业数据采集展开了这么多年，存在设备接入的复杂性和多样性。

数据接入后，将对数据中止解析、转换，并经过规范应用层协议如MQTT、HTTP上传到物联网平台。部分工业物联网应用场景，在协议转换后，可能在本地做即时数据剖析和预处置，再上传到云端，提升即时性并降低网络带宽压力。

边沿计算近几年展开疾速，大家越来越认识到数据就近处置的优势，无论是实效性还是出于数据保险性思索，或是网络的牢靠性，边沿计算在工业物联网体系中表演着重要角色，边云协同也逐步成了共识。

依据硬件载体不同，将设备接入产品分为以下3类，分类并非绝对，不同类别之间的差别，在于其偏重点不同。

1.通用控制器

第一类是通用控制器，来自工业配备大脑主控，例如可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、微控制单位（MicroController Unit，MCU）等，工业自动化范畴存在很多控制和数据采集系统，如散布式控制系统（Distributed Control System，DCS）和数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA），它们在承担本职功用的同时，能够作为接入设备运用。

通用控制器通常集成了数字输入输出I/O单元、网络通讯单元，以及针对特定应用的选配功用，如模仿量输入单元、模仿量输出单元、计数器单元、运动控制单元等，经过串口或以太网物理接口衔接，然后基于现场总线、工业以太网或规范以太网完成数据采集协议的解析，如图3-3所示。

通用控制器应用于数控机床、激光切割机等各种自动化配备、机器人（如机械臂和移动机器人）、SCADA系统的通讯管理机，有些自动化配备具有专用控制器，采用不同的硬件架构如PowerPC、ARM Cortex等。基于通用控制器的设备接入，完成自动化配备自身数据、工艺过程数据采集。

2.专用数据采集模块

第二类是专用数据采集模块，采集现场对象的物理信号，传感器将物理信号变换为电信号后，专用数据采集模块经过模仿电路的A/D模数转换器或数字电路将电信号转换为可读的数字量。

例如风力发电机应用力传感器完成风机混凝土应力状态的实时在线监测，为风机混凝土基础承载力的评价提供依据，同时应用加速度传感器采集振动信号，在风力发电系统的运转过程中，实时在线监测振动状况并发送检测信息，依据检测信息有效控制风机运转状态，避免由于共振而构成的结构失效，并对超出幅度阈值的振动中止保险预警。

将力传感器和加速度传感器装置固定于风机上，传感器输出端衔接到专用数据采集模块的输入端，专用数据采集模块经过网络将数据上传到本地或远端效劳器，中止下一步数据剖析和可视化。

专用数据采集模块的方式可能是数据采集板卡、嵌入式数据采集系统等。关于自动化配备或机器人，假如某些关注的数据缺失，无法从其通用控制器直接获取，此时可经过加装传感器，配合专用数据采集模块的方式，完成更多维度的数据采集，这种做法很常见。

3.智能产品和终端

第三类是智能产品和终端，强调远程无线接入和移动属性。例如经过运营商4G/5G蜂窝网络、Wi-Fi等室内短距离通讯，或者低功耗广域网无线衔接上报数据。经过无线方式能够采集智能产品和终端的各种指标数据，例如电量、信号强度、功耗、定位、嵌入式传感器数据等。

大部分智能产品和终端在产品定义时直接集成了无线通讯才干，手机和可穿戴设备属于典型的例子。当前智能产品越来越丰厚，万物互联时期，默许具备远程接入才干，对智能产品运用过程中的各种运转指标中止监测，剖析采集的数据，能够指导研发团队更好地改进产品。

例如具有移动属性的自动化配备，如AGV机器人在室内基于Wi-Fi自组网集群，完成AGV之间的通讯，草皮收割机在户外作业时的远程监测和控制。有些产品终端自身不具备远程接入才干，可间接经过数传模块（DataTransferUnit，DTU）或工业网关，完成同样的效果。

工业数据采集关于数据的界定是十分广义的，它可能来自通用控制器运转时的关键指标，或者传感器采集的某个物理量，或者单纯一个身份标识信息，好比RFID标签EPC数据区定义的标签ID、广播报文中携带的独一MAC地址等，通讯双方彼此交流的可能仅仅是简单的身份信息，完成一次确认，无须多余信息，固然通讯双方有才干携带额外信息。

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