「智造」第 7 期：浅谈工业生产设备采集方式

摘 要

本文针对工业生产设备的采集方式开展了研究。首先，阐述了采集方式的重要性；接着，对流程行业和离散行业的设备采集方式、接口种类、传输介质进行了详细说明；最后，提出了设备采集方式和传输介质的未来发展趋势。

关键词：数据采集；工业物联网；多源异构数据；工控

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引言

随着工业 4.0 和智能制造的快速发展，工业物联网（IIoT）技术在工业生产现场得到了广泛应用。生产设备的采集和管理对于企业优化生产流程、提高设备利用率、降低能源消耗至关重要。因此，这也对生产设备的采集方式提出了更高的要求。本文旨在对工业生产设备的采集方式进行全面探讨。

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工业现场设备采集特点分析

对于工业现场设备采集，主要分为两大行业：流程行业与离散行业。这两个行业由于生产模式的不同，导致它们在设备采集方面的特点也有所不同。

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流程行业采集特点

流程行业的生产过程通常具有连续性、大规模的特点。加之 20 世纪 80 年代以来，流程行业应用的 DCS 系统进入了一个全面普及和发展的时期。经过几十年的发展流程行业自动化水平较高，其生产设备的采集较为标准和统一。主要分类如下：

(1)分布式控制系统（DCS）：根据流程行业细分行业的特性不同，绝大部分企业 DCS 基本就可以涵盖 80%的现场生产设备数据。流程企业应用较多的 DCS 品牌有霍尼韦尔、艾默生、ABB、中控、和利时。DCS 系统对外通讯为 OPCDA 协议，部分厂家支持 OPCUA 协议。

(2)可热有毒气体系统（GDS）：GDS 一般为两大类，一是由 DCS/PLC 做控制系统，二是专业 GDS 控制系统，主要对外通讯为 MODBUSRTU、OPCDA 协议。

(3)环保系统（VOC/COD）：污水处理系统 COD、废气处理系统 VOC 等环保系统在 HJ 354-2019 号文中要求，均为 HJ212 协议进行对外通讯。

(4)安全仪表系统（SIS）：安全仪表系统 SIS 主要为 OPCDA 通讯协议。

(5)电力监控系统（ECS）/能源仪表，电力监控系统 ECS 一般为电力规约 104 协议、MODBUSTCP 协议。其他能源电表一般为 DLT645 协议居多。

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离散行业采集特点

离散行业相对于流程行业来说，大部分自动化程度较低、且设备数量多、种类多、品牌杂。但也可以归为几大类：

(1)机床设备类：机床类设备分为两种类型，其一为机械机床。部分工厂存在机械式机床，只有继电器为主的电气系统，需要进行改造通过 IO 模块或 PLC 进行采集相关参数，通过 MODBUSTCP 开放对外协议进行传输。其二为数控机床，大部分为西门子、发那科、海德瀚、马扎克、华中数控居多，西门子机床 840D SL/828D，在 4.5 版本后都集成了最新工业 OPCUA 协议，之前的版本一般支持 OPCDA 或者通过板卡或者 PLC 进行通讯。其他机床协议均为厂家自身协议，相对封闭。

(2)PLC 类设备：很大部分现场设备是直接通过 PLC+WINCC 等上位机或触摸屏实现现场监控，主要以西门子、欧姆龙、三菱、无锡信捷、汇川、和利时为主。此部分设备分两部分，其一为 PLC 系统均为各自品牌的协议对外开放，部分 PLC 也支持 OPCUA 协议对外开放。其二为上位机和触摸屏一般为 OPCDA 或 MODBUSTCP 协议。

(3)机器人设备：机器人设备一般分为两种采集方式，部分机器人通过 PLC 进行采集相关运行参数，一般为机器人通过机器人本身的控制系统进行采集，常见的有 ABB、发那科、松下、安川等机器人通过机器人私有协议进行采集。

(4)异构系统：有些异构系统需要直接通过关系型数据库进行数据的抓取，如医药行业的监管码系统、矿山行业的人员定位、安全检测等系统，一般为 SQLSERVER、MYSQL 等关系型数据库取相关数据。

(5)云平台：近几年兴起的物联网平台较多，如阿里、腾讯、百度、用友等企业均支持 MQTT 协议进行云云对接。

(6)非协议采集：文本、日志、音频、视觉、语音等方式进行采集。

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工业现场数据接口种类和传输介质

采集的传输介质一般分为有线采集和无线采集两大类。其中有线采集分为以太网口采集和串口采集两种形式。无线采集分为无线局域网、4G、5G 三种形式。

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有线采集

有线采集适用于网络安全要求较高、数据传输采集稳定、采集频率要求较高、设备位置固定、已经建设厂内生产网络的场景，多见于流程行业。其缺点是建设周期较长，建设和后期维护成本较高。有线采集接口种类分为以太网口采集和串口 RS232/RS422/RS485 采集。

(1)以太网采集：以外网采集前期要做好服务器与设备间的网络线路规划，距离近可用网线直连，距离远则要铺设光纤（理论上超五类超过 90M 使用光纤）。

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PLC 以太网口示意图

(2)串口采集：串口分为 RS-232、RS-422 与 RS-485 三种，都是串行数据接口标准。各种串口之间均可以通过接口服务器互相转换，需要通过把串口转换成网口接入局域网中进行传输。

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串口转换器

RS232 通讯又叫串口通讯方式。是指计算机通过 RS232 国际标准协议用串口连接线和单台设备（控制器）进行通讯的方式。这种九孔公头的接线端子支持 232 接线。

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RS232 接口示意图

RS-422 通讯由 RS-232 发展而来，为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到 10Mb/s，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100kb/s 时），并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。为扩展应用范围。

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 RS422接口示意图

RS-485 通讯是在 RS-422 基础上制定了标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。

图片 RS485 接口示意图

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无线采集

无线采集适用于网络安全相对不高、生产设备经常变动位置，以及车间区域大、梁架高、有线成本急剧增加、在区域环境恶劣，如高温、粉尘、潮湿、腐蚀等环境中的场景，多见于离散装备制造业。其缺点是会受到现场电机和驱动器等设备产生的电磁干扰，传输的可靠性、传输数据的速率都会受到影响。近几年兴起的工厂 5G 专网可以解决大部分以上缺点，具有实时传输速率高、传输可靠、网络安全、覆盖面广、维护方便等诸多优势。然而，此种连接方式需要设备支持 5G 或者每台设备均需进行 5G 路由，成本较高。

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工业现场设备采集的注意事项

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网络安全

在工业生产设备采集中，网络安全为重中之重。在进行网络规划时，要注意网络层级规划和进行配套的软硬件防护。对于流程行业，网络安全要求较高，不要进行设备控制下发。一般而言，网络规划需要进行网络分层，将控制网、生产网办公网分开，控制网生产网之间需要进行网闸隔离，生产网和办公网需要硬件防火墙进行防护。对于电力行业，网闸还需要有特定功能和品牌的要求。对于等保要求较高的企业，还需要进行专业的软件进行网络安全防护，以确保现场生产设备的安全。

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数据标准

对于采集的数据，定义好数据标准至关重要，通过制定和实施数据标准，可以确保数据采集、处理、存储和使用过程中的一致性和准确性，从而提高数据质量。数据标准为不同部门、系统和组织之间的数据交换和共享提供了统一规范，使得数据能够在更大的范围内实现互通和互操作。数据标准为数据分析和应用提供了统一的数据基础，有利于提高数据分析和质量，从而为决策提供有力支持。故数据标准建立的意义重大，有助于提高数据质量、促进数据共享、降低数据整合成本、支持数据分析和应用多种好处。

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工业现场设备采集的未来发展思考

对于采集方式，经过多年的发展，流程行业数据采集发展较为完善，基本通过 OPC、Modbus 协议即可接入 90%的设备。从这个趋势来分析，离散行业也将朝着协议标准化的方向发展，最终实现大部分设备均会支持标准的工业协议。目前，许多设备以及 IoT 厂家也在为这一目标的实现而努力。我们可以大胆设想，未来解决网络安全、数据安全、传输速率、可靠性等问题后。DCS、PLC、部分设备可能会云化或至少会私有云化，有可能最终都将发展到 MQTT、OPCUA 这两大类协议。

对于传输方式，以 5G 的优异表现来看，如果各终端支持 5G，且 5G 在工厂普及后最终将会演化为 5G 网络的形式进行工业设备的互联。

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结语

生产设备采集方式是实现智能制造的关键环节，对于提高企业生产效率、降低成本和增强竞争力具有重要意义。随着技术的不断发展，设备采集方式也将不断优化和完善，以满足工业 4.0 和智能制造时代的需求，未来是数据的时代，工业互联将企业 OT 数据资产化，必将是大势所趋，不可阻挡。

「作者简介」

马博磊，用友网络科技股份有限公司 AIoT 高级实施顾问，曾就职于全球自动化 50 强企业，擅长 IoT、工业物联网项目的规划实施工作。

业务专长：工业协议、AIoT、工业物联网