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      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

      2024-06-07 22:56:55王飛阮志堅(jiān)周飛張峻瑞
      化工自動(dòng)化及儀表 2024年3期
      關(guān)鍵詞:采集器網(wǎng)關(guān)工業(yè)

      王飛 阮志堅(jiān) 周飛 張峻瑞

      DOI:10.20030/j.cnki.1000?3932.202403024

      摘 要 化工生產(chǎn)過程中,工業(yè)設(shè)備類型眾多,設(shè)備對接和協(xié)議轉(zhuǎn)換適配難度大,設(shè)備聯(lián)網(wǎng)不完整,設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)隔離不安全,數(shù)據(jù)生成頻度高、量級大,這些都給管理帶來了巨大的壓力,嚴(yán)重制約了化工企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。為了解決企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問題,設(shè)計(jì)X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可支持西門子、三菱、歐姆龍、中控、ABB機(jī)器人等工業(yè)設(shè)備,兼顧PLC、Modbus、Profibus、EtherCAT、OPC等協(xié)議,具有數(shù)據(jù)采集、傳輸和可視化功能。實(shí)際應(yīng)用表明:該系統(tǒng)的應(yīng)用幫助企業(yè)提高了生產(chǎn)效率。

      關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 化工 X?Collector 斷點(diǎn)續(xù)傳 可視化展示 邊緣計(jì)算 supOS工業(yè)操作系統(tǒng)

      大數(shù)據(jù) 物聯(lián)

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

      基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目——智能產(chǎn)線OPC UA信息建模與多元數(shù)據(jù)封裝(批準(zhǔn)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化咨詢、企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型等方向的研究,ictedu l? 168@163.com。

      引用本文:王飛,阮志堅(jiān),周飛,等.X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2024,51(3):535-540.

      在“智能制造2025”的大背景下,推進(jìn)化工生產(chǎn)制造升級改進(jìn)是個(gè)持續(xù)的過程,特別是企業(yè)設(shè)備IoT、MES重構(gòu)、管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,都需要現(xiàn)場數(shù)據(jù)層的接入[1]。數(shù)據(jù)已成為提升制造業(yè)生產(chǎn)力、競爭力、創(chuàng)新力的關(guān)鍵要素,是驅(qū)動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的重要引擎。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,數(shù)據(jù)增長迅速、體量龐大,其重要性日益凸顯[2]。因此,只有解決設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問題和各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)“孤島”問題,才能實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)的數(shù)字化和智能化發(fā)展。

      筆者提出一種快速、實(shí)時(shí)的X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),功能主要包括對工業(yè)主機(jī)、控制設(shè)備、工業(yè)軟件、工業(yè)通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等軟硬件的狀態(tài)、告警等信息的采集,以及將數(shù)據(jù)上傳到supOS工業(yè)操作系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)。

      1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

      數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在化工企業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用,目前數(shù)據(jù)采集存在諸多問題:

      a. 企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)協(xié)議類型眾多,設(shè)備對接和協(xié)議轉(zhuǎn)換適配難度大;

      b. 企業(yè)老舊設(shè)備協(xié)議不開放,不具備數(shù)據(jù)接口;

      c. 安全規(guī)則造成產(chǎn)線、設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)隔離,系統(tǒng)難以統(tǒng)一部署;

      d. 企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)生成頻度高、量級大,數(shù)據(jù)的存儲與管理存在巨大壓力;

      e. 企業(yè)生產(chǎn)過程中存在多元異構(gòu)數(shù)據(jù),包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、文檔、圖片、視頻等,存儲復(fù)雜,管理難度大。

      數(shù)據(jù)采集是工業(yè)物聯(lián)不可或缺的重要環(huán)節(jié),也是企業(yè)轉(zhuǎn)型的難點(diǎn)問題。因此,在化工企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成、處理、歸檔及生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)等任務(wù),需要支持多種工業(yè)協(xié)議和多元數(shù)據(jù),支持自動(dòng)傳輸、斷點(diǎn)續(xù)傳、多服務(wù)器冗余等功能[3],支持?jǐn)?shù)據(jù)安全,滿足高并發(fā)、高性能等要求。

      2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

      筆者研究的X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效解決了數(shù)據(jù)采集的各種弊端,滿足化工企業(yè)信息化集成與數(shù)據(jù)管理的需求,實(shí)時(shí)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、設(shè)備預(yù)測分析等多種業(yè)務(wù)需求。系統(tǒng)可提供 OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC104 等協(xié)議接入,支持國內(nèi)外主流廠家的 PLC、DCS、SCADA 等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入。支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并傳輸給supOS 平臺。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括豐富的驅(qū)動(dòng)協(xié)議、斷點(diǎn)續(xù)傳、冗余配置、數(shù)據(jù)安全、高可用、高并發(fā)等。

      2.1.1 支持豐富的驅(qū)動(dòng)協(xié)議

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要滿足工業(yè)企業(yè)信息化集成、數(shù)據(jù)管理的需求,系統(tǒng)能夠提供多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議接入,支持國內(nèi)外主流廠家設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接入;支持關(guān)系數(shù)據(jù)庫、時(shí)序數(shù)據(jù)庫的接入;支持發(fā)那科、三菱、西門子、歐姆龍、兄弟、羅克韋爾、中控等主流工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的接入。

      2.1.2 支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集器具有斷點(diǎn)續(xù)傳功能。對于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)的通信中斷情況,需要保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性,數(shù)據(jù)暫時(shí)緩存在采集器中,每百萬個(gè)位號存儲一次值所占用磁盤空間約4 MB,采集器不會(huì)限制緩存時(shí)間的長度,當(dāng)通信恢復(fù)正常后,可對緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù),并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳到supOS工業(yè)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,通過故障檢測機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳功能,從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛿?shù)據(jù)的連續(xù)性[4]。

      2.1.3 支持冗余配置

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持兩個(gè)以上的采集器與supOS工業(yè)操作系統(tǒng)通信,盡可能保證采集器與supOS工業(yè)操作系統(tǒng)之間的連接,多個(gè)服務(wù)器能夠一起分擔(dān)負(fù)荷,當(dāng)某個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障時(shí),其他服務(wù)器繼續(xù)工作,由此達(dá)到負(fù)載均衡的效果,提高了采集器與supOS工業(yè)操作系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的可靠性。

      2.1.4 支持?jǐn)?shù)據(jù)安全性

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(wǎng)閘,在該模式下數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)安全性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在supOS之間可配套防火墻進(jìn)行端口設(shè)置,保證底層數(shù)據(jù)源的安全性。

      2.1.5 支持高可用、高并發(fā)

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式緩存,從而減少磁盤I/O的訪問次數(shù),加快數(shù)據(jù)的讀取速度[5]。該系統(tǒng)的單個(gè)采集器支持50 000點(diǎn)位通信,支持多個(gè)采集器向supOS工業(yè)操作系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù),提高了系統(tǒng)的性能。

      2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于B/S模型的架構(gòu)。系統(tǒng)基于工業(yè)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場景,規(guī)劃設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)場景的數(shù)采方案,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為4層,具體如下:

      a. 設(shè)備以及控制系統(tǒng)層。現(xiàn)場設(shè)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(wǎng)、I/O,協(xié)議包含各品牌PLC協(xié)議、Modbus協(xié)議等。

      b. 數(shù)采工具。X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足工業(yè)企業(yè)信息化集成、數(shù)據(jù)管理的需求,系統(tǒng)支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)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(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入。supGW?200系列物聯(lián)網(wǎng)關(guān)具備邊緣計(jì)算、本地存儲、斷點(diǎn)續(xù)傳功能,可覆蓋現(xiàn)場所有生產(chǎn)設(shè)備接口,匹配各類控制器協(xié)議,數(shù)據(jù)可以通過X?Collector上傳至supOS系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)解決了現(xiàn)場很多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)未完成或者不完整,設(shè)備和產(chǎn)線“孤島”嚴(yán)重的問題。異構(gòu)資源X?Collector平臺自帶的功能,實(shí)現(xiàn)了化工企業(yè)的PI和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)外掛,用于采集企業(yè)既有工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

      c. 傳輸層。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸,將各車間數(shù)據(jù)匯總上傳到supOS工業(yè)操作系統(tǒng)平臺中,經(jīng)平臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化后存入supOS工業(yè)操作系統(tǒng)中的“天湖”系統(tǒng)中,并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

      d. supOS應(yīng)用層。用supOS工業(yè)操作系統(tǒng)的supIDE進(jìn)行相應(yīng)的功能開發(fā),將海量生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,按照用戶需求的各類報(bào)表應(yīng)用顯示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。用戶通過訪問supOS工業(yè)操作系統(tǒng)上的報(bào)表應(yīng)用,調(diào)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),查看所需的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的戰(zhàn)略決策。

      2.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示,設(shè)備連接X?Collector數(shù)據(jù)采集軟件,數(shù)據(jù)傳輸至supOS服務(wù)器,通過supOS工業(yè)操作系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)在多個(gè)網(wǎng)段上進(jìn)行Web發(fā)布,用戶可以在公司辦公網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)上通過PC、手機(jī)或pad等移動(dòng)端進(jìn)行訪問。

      2.4 數(shù)據(jù)服務(wù)器

      數(shù)據(jù)服務(wù)器支持關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)庫、視頻等資源的動(dòng)態(tài)分配、彈性擴(kuò)容、集群和分布式存儲,如圖3所示。

      數(shù)據(jù)服務(wù)器支持分布式數(shù)據(jù)存儲、對象化數(shù)據(jù)存儲和訪問,支持復(fù)雜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)分區(qū)安全管理和多樣化數(shù)據(jù)開放。

      3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

      3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部署在supOS工業(yè)操作系統(tǒng)上,提供可視化的應(yīng)用服務(wù)。

      數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主界面包含登錄、系統(tǒng)信息管理、個(gè)人信息管理、時(shí)序數(shù)據(jù)采集管理、報(bào)警數(shù)據(jù)采集管理、視頻數(shù)據(jù)采集管理6部分(圖4)。

      3.2 工業(yè)不同場景數(shù)采應(yīng)用方式

      X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以支持多種數(shù)據(jù)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(shè)備自帶通信接口采集方式和攝像頭數(shù)據(jù)采集方式這5種。

      3.2.1 API接口采集方式

      企業(yè)很多儀表自帶NB?IoT無線遠(yuǎn)傳模塊,儀表可以通過NB?IoT無線模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到該設(shè)備廠商的云管理平臺,X?Collector通過云管理平臺的標(biāo)準(zhǔn)API接口讀取數(shù)據(jù)并上傳給supOS工業(yè)操作系統(tǒng),如圖5所示。

      3.2.2 通信接口被占用采集方式

      企業(yè)生產(chǎn)環(huán)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(shè)備不改動(dòng)的原則,在原通信接口上增加通信模塊,采用數(shù)采網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集,X?Collector通過數(shù)采網(wǎng)關(guān)接口讀取數(shù)據(jù)并上傳至supOS工業(yè)操作系統(tǒng)(圖6)。

      3.2.3 無通信接口的采集方式

      企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)存在很多老舊設(shè)備,往往這些設(shè)備沒有控制器,需要通過采集設(shè)備的I/O信號,數(shù)采網(wǎng)關(guān)通過對采集的信號進(jìn)行邊緣處理,實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行、停機(jī)狀態(tài)的采集,X?Collector通過數(shù)采網(wǎng)關(guān)接口讀取數(shù)據(jù)并上傳給supOS工業(yè)操作系統(tǒng)(圖7)。

      3.2.4 設(shè)備自帶通信接口采集方式

      數(shù)采網(wǎng)關(guān)可通過設(shè)備開放的接口協(xié)議直接讀取設(shè)備數(shù)據(jù),X?Collector通過數(shù)采網(wǎng)關(guān)接口讀取用數(shù)據(jù)并上傳至supOS工業(yè)操作系統(tǒng)(圖8)。

      3.2.5 攝像頭數(shù)據(jù)采集方式

      視頻采集是通過X?Collector采集監(jiān)控視頻,經(jīng)數(shù)采網(wǎng)關(guān)邊緣處理后,數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?/p>

      supOS平臺,保證數(shù)據(jù)傳輸速度和鏈路穩(wěn)定(圖9)。

      4 結(jié)束語

      伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,數(shù)字化、智能化要求進(jìn)一步提高,化工企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的任務(wù)緊迫而艱巨。針對目前生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的問題與不足,利用supOS工業(yè)操作系統(tǒng)作為基座,融合大數(shù)據(jù)與物聯(lián)技術(shù),構(gòu)建一個(gè)X?Collector數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

      該系統(tǒng)支持化工行業(yè)工控系統(tǒng)PLC、DCS、SCADA等的接入,支持OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC104等協(xié)議,可以接入海康威視、大華視頻等主流視頻驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入、異構(gòu)源接入,具備設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障異常預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析等可視化的數(shù)據(jù)服務(wù),并滿足不同場景的數(shù)據(jù)采集服務(wù),為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和安全性提供了保證,為實(shí)現(xiàn)集控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、經(jīng)營于一體的新模式應(yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

      系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用,為化工企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了參考,該系統(tǒng)具有復(fù)用和推廣價(jià)值。

      參 考 文 獻(xiàn)

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

      [2] 于成麗,胡萬里.2020年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全態(tài)勢分析及相關(guān)對策建議[J].保密科學(xué)技術(shù),2020(12):28-32.

      [3] 韓萬強(qiáng),史少輝,吳海濱,等.基于RFID無線傳感網(wǎng)智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2014,4(3):10-13.

      [4] 史運(yùn)濤,董廣亮,雷振伍.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2022,39(2):138-143;227.

      [5] 葉天琦.基于緩存技術(shù)的認(rèn)證授權(quán)系統(tǒng)性能優(yōu)化[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2021(8):59-62.

      (收稿日期:2023-03-01,修回日期:2023-12-28)

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      黃河之聲(2018年5期)2018-05-17 11:30:01
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      Coco薇(2015年10期)2015-10-19 12:51:50
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      應(yīng)對氣候變化需要打通“網(wǎng)關(guān)”
      太陽能(2015年7期)2015-04-12 06:49:50
      “工業(yè)4.0”之思考
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