淺析數(shù)據(jù)采集技術(shù)在工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)中的應(yīng)用

張東光 郭輝

摘 要 大數(shù)據(jù)應(yīng)用的第一步就是數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集技術(shù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，需要采集的設(shè)備種類很多，具有不同的通信接口和規(guī)約，因此，工業(yè)采集網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)采集中有非常重要的作用。設(shè)備數(shù)據(jù)上傳的網(wǎng)絡(luò)建議建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)上傳平臺(tái)，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)安全也是要考慮的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān);設(shè)備聯(lián)網(wǎng);工業(yè)大數(shù)據(jù);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

筆者總結(jié)了數(shù)據(jù)采集技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，從需要聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備著手，分析了工業(yè)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，總結(jié)了幾種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，總結(jié)了工業(yè)環(huán)網(wǎng)和工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用，并建議建立一套統(tǒng)一的“一張網(wǎng)”數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)，最后針對(duì)邊緣采集設(shè)備及數(shù)據(jù)接口采集傳輸標(biāo)準(zhǔn)提出了自己的一些建議。

1聯(lián)網(wǎng)設(shè)備淺析

機(jī)械制造行業(yè)離散性比較強(qiáng)，采集的設(shè)備多是單一設(shè)備，比如：焊接機(jī)器人、激光切割機(jī)、液壓機(jī)等，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要對(duì)每一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行采集，徐工集團(tuán)鏟運(yùn)事業(yè)部的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)就有125臺(tái)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)在車(chē)間里還存在一些老舊設(shè)備，不具備通信接口，這個(gè)稱為“聾啞設(shè)備”，這種設(shè)備需要進(jìn)行現(xiàn)代化改造或者更換新設(shè)備后再進(jìn)行設(shè)備上云，現(xiàn)場(chǎng)很多設(shè)備都需要加裝傳感器，以滿足聯(lián)網(wǎng)需求。

能源行業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)多是對(duì)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，把子系統(tǒng)的接口開(kāi)發(fā)給平臺(tái)，平臺(tái)可通過(guò)OPC等接口接收數(shù)據(jù)。比如，綜合自動(dòng)化平臺(tái)就是在各個(gè)子系統(tǒng)已經(jīng)建成的基礎(chǔ)上，把子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集到SCADA平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)里，比如：皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、主排水系統(tǒng)、空壓機(jī)無(wú)人值守自動(dòng)化系統(tǒng)、自動(dòng)供配電系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都是可以獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，并且都已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。

2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集本質(zhì)是利用泛在感知技術(shù)對(duì)多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)環(huán)境、人等要素信息進(jìn)行實(shí)時(shí)高效采集和云端匯聚。當(dāng)前數(shù)據(jù)采集面臨的突出問(wèn)題是，受制于傳感器部署不足、裝備智能化水平低，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在數(shù)據(jù)采集數(shù)量不足、類型較少、精度不高等問(wèn)題，無(wú)法支撐實(shí)時(shí)分析、智能優(yōu)化和科學(xué)決策。無(wú)論是跨國(guó)公司，還是國(guó)內(nèi)平臺(tái)企業(yè)，都把數(shù)據(jù)采集體系建設(shè)和解決方案能力建設(shè)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)：一方面通過(guò)構(gòu)建一套能夠兼容、轉(zhuǎn)換多種協(xié)議的技術(shù)產(chǎn)品體系，實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通互操作，另一方面通過(guò)部署邊緣計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的輕量級(jí)運(yùn)算和實(shí)時(shí)分析，緩解數(shù)據(jù)向云端傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算壓力。

通過(guò)大范圍、深層次的數(shù)據(jù)采集，以及異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣處理，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。一是通過(guò)各類信手段接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集海量數(shù)據(jù);二是依托協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的歸一化和邊緣集成;三是利用邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的匯聚處理，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向云端平臺(tái)的集成[1]。

工業(yè)大數(shù)據(jù)采集有如下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采集以自動(dòng)化手段為主;現(xiàn)有的PLC、采集網(wǎng)關(guān)、DTS設(shè)備、服務(wù)器可以實(shí)時(shí)采集工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)。采集網(wǎng)關(guān)有邊緣計(jì)算能力，可緩解服務(wù)器資源，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警推送、遠(yuǎn)程調(diào)試和數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。邊緣網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Ω鞣N不同的物聯(lián)設(shè)備協(xié)議進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，并提取特定的有價(jià)值的數(shù)據(jù)推送給云端[2]。

（2）采集內(nèi)容以全量采集為主;采集數(shù)據(jù)有模擬量、開(kāi)關(guān)量、控制量等信息，對(duì)每臺(tái)設(shè)備的全量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，單臺(tái)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)從十到上百個(gè)不等。建議全部采集?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括模擬量?jī)x表、數(shù)字量?jī)x表、分析儀表與其他類儀表設(shè)備等，需要滿足：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選型，應(yīng)考慮測(cè)量精度、穩(wěn)定性與可靠性等因素;現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝位置和方式，應(yīng)滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的需要與安全要求;現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)具有一定的冗余與擴(kuò)展能力[3]。

（3）采集方式多樣化、內(nèi)容豐富化;OPC、MODBUS、TCP/IP等方式，工業(yè)控制領(lǐng)域不同的控制器采集方式不通，不過(guò)主流廠家的設(shè)備支持標(biāo)準(zhǔn)的接口和規(guī)約，還有一些廠家提供自己定義的規(guī)約，采集時(shí)可以根據(jù)規(guī)約開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)采集數(shù)據(jù)，IGS軟件就支持用戶自定義的驅(qū)動(dòng)。

3幾種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

3.1 OPC采集器

OPC是微軟公司的對(duì)象連接和嵌入技術(shù)在過(guò)程控制方面的應(yīng)用。OPC規(guī)范從OLE/COM/DCOM的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。

OPC方式采集，即是OPC SERVER采集單系統(tǒng)HMI軟件（OPC Client）的數(shù)據(jù)。

3.2 工業(yè)計(jì)算機(jī)（采集網(wǎng)關(guān)）

工業(yè)計(jì)算機(jī)首選嵌入式工控機(jī)，由于工控機(jī)經(jīng)常會(huì)在比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性要求也更高，是能夠適應(yīng)特殊、惡劣環(huán)境下工作的一種工業(yè)和計(jì)算機(jī)，所以工控機(jī)通常具有加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等能力。同時(shí)，工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)支持較好，可以運(yùn)行Windows、linux等系統(tǒng)。這種方式的開(kāi)放性更強(qiáng)。

3.3 PLC采集

自動(dòng)化系統(tǒng)中PLC是數(shù)據(jù)采集與處理的核心模塊。

PLC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集的高速實(shí)時(shí)性與上位機(jī)非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理之間存在時(shí)間差異問(wèn)題，此時(shí)間差容易造成數(shù)據(jù)丟失，要想解決此問(wèn)題，要求采集硬件具有數(shù)據(jù)緩存的功能。要在非常短的采樣周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、緩存、打包發(fā)送等功能，對(duì)采集硬件的高速處理能力和軟件處理的效率都提出了非常高的要求[4]。

4兩種數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)環(huán)網(wǎng)和工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)是兩種常見(jiàn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案。

4.1 工業(yè)環(huán)網(wǎng)及應(yīng)用案例

由于控制系統(tǒng)的工業(yè)特性以及對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)成為解決這一問(wèn)題的首選方案。設(shè)計(jì)完整的工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括無(wú)線以及網(wǎng)絡(luò)安全。網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)要求性能穩(wěn)定可靠，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必須具有冗余能力及可靠的安全性能設(shè)計(jì)，確保生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全。

生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想是比較成熟的應(yīng)用架構(gòu)，在國(guó)內(nèi)外的大型網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，在這種結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備各司其職又相互協(xié)同工作，從而有效地保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性、高安全性和靈活的可擴(kuò)展性。

在網(wǎng)絡(luò)安全方面，局域網(wǎng)中，為了減小廣播域的范圍，一般是通過(guò)vlan的劃分來(lái)實(shí)現(xiàn)的，前期通過(guò)合理的IP地址規(guī)劃及vlan的規(guī)劃，可將不同的業(yè)務(wù)規(guī)劃到不同的vlan，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的分離，vlan間相互獨(dú)立，互不干擾，有效提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性能和安全性能。不同業(yè)務(wù)子網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信是通過(guò)VLAN間路由來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不同VLAN之間的安全防衛(wèi)控制是通過(guò)訪問(wèn)控制表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種方式是最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，但同時(shí)其所能提供的安全保證也相對(duì)較弱。為了最大限度地保證交換機(jī)端口訪問(wèn)的安全性，我們可以對(duì)每個(gè)交換機(jī)的端口進(jìn)行安全控制，允許哪些特定的MAC對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)，這樣就可以做到只有特定的主機(jī)或服務(wù)器才可以通過(guò)特定的交換機(jī)端口訪問(wèn)局域網(wǎng)絡(luò)，而其他非法MAC地址的訪問(wèn)全部被拒絕。

4.2 工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用案例

采用先進(jìn)成熟的光通信PON技術(shù)應(yīng)用于制造領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)控制等場(chǎng)景，目的是建設(shè)制造車(chē)間生產(chǎn)制造自動(dòng)化和智能化的基礎(chǔ)高速通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)PON有較好的經(jīng)濟(jì)性、組網(wǎng)靈活、安裝維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

工業(yè)PON系統(tǒng)提供工業(yè)級(jí)ONU設(shè)備，針對(duì)各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供接口情況，可以靈活提供FE、RS232、RS485等接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。在智能制造車(chē)間數(shù)據(jù)采集中，工業(yè)級(jí)ONU可以數(shù)據(jù)口連接數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、也可以RS232、RS485與開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接、與各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)PON系統(tǒng)快速傳送SCADA系統(tǒng)，完成各種數(shù)據(jù)分析和決策工作。

雖然PON網(wǎng)絡(luò)中的OLT設(shè)備支持三層交換，但是建議在OLT和管理網(wǎng)之間增加一臺(tái)三層核心交換機(jī)，用于PON網(wǎng)絡(luò)的三層交換。工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)管理網(wǎng)之間，建議增加網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，進(jìn)行放病毒隔離，比如工業(yè)級(jí)防火墻。

5結(jié)束語(yǔ)

筆者在最后有幾點(diǎn)感悟：

在數(shù)據(jù)安全方面，系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)該有保護(hù)系統(tǒng)所采取的措施，能夠免于對(duì)系統(tǒng)資源的非授權(quán)訪問(wèn)或非授權(quán)或意外的變更、破壞、丟失，防止對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的非法或有害入侵。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)各種類型的病毒、惡意代碼、木馬防范技術(shù)，要滿足對(duì)各種PLC、DCS、切割機(jī)系統(tǒng)等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的防護(hù)要求。系統(tǒng)安全應(yīng)至少滿足可用性、正確性、保密性。建議部署備份一體機(jī)，日常使用備份一體機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)維監(jiān)控和數(shù)據(jù)保護(hù)管理。

在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，研發(fā)具有邊緣計(jì)算能力的采集網(wǎng)關(guān)是重點(diǎn)，利用邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的匯聚處理，并實(shí)現(xiàn)據(jù)向云端平臺(tái)的集成。

建議完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，建立安全、穩(wěn)定、高效、健壯的數(shù)據(jù)采集一張網(wǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 佚名.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)白皮書(shū)（2017）[ED/OL]. http：//www.miit.gov.cn/n973401/n5993937/n5993968/c6002326/content.html，2018-01-04.

[2] 馬吉軍，賈雪琴，壽顏波，等.基于邊緣計(jì)算的工業(yè)數(shù)據(jù)采集[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2018，37（4）：91-93.

[3] 張亞彬，孟鄒清，呂毅，等.煤化工智能工廠現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集研究[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2019，（Z1）：47-50.

[4] 張佳.基于PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電氣傳動(dòng)，2018，48（2）：68-71.

作者簡(jiǎn)介

張東光（1986-），男，江蘇徐州人;學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：江蘇徐工信息技術(shù)股份有限公司，研究方向：電子智能化系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

郭輝（1981-），男，河南沈丘人;學(xué)歷：研究生，現(xiàn)就職單位：江蘇徐工信息技術(shù)股份有限公司，研究方向：車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。