智能工厂异构网络数据采集与上云

杜雪飞 伍进福 陈庆 陈小平

重庆电子工程职业学院电子与物联网学院 重庆 401331

1 概述

随着工业互联网、物联网、5G等新一代信息技术的发展，制造业转型升级加速。互联互通是智能制造系统的智能特征之一[1]，然而，工厂设备繁多，建设和运行周期长，新旧设备并存，不同的工业网络导致工业数据互联互通困难。智能工厂整合生产流程各环节，实现生产制造、设备管理、质量控制、采购管理、销售管理、辅助决策分析等融合，离不开生产数据的采集和上云。因此，本文提出一种异构网络数据采集与上云的解决方案，有利于智能工厂的实现。

2 系统架构

智能工厂网络通信采用现场总线和工业以太网，又分为有线通信和无线通信。根据现场布置和控制要求，通常有两种数据采集方式，一是通过控制器采集，二是通过智能网关采集。考虑这两种数据采集方式同时存在的情况，我们设计了一种异构网络数据采集与上云系统架构，见图1所示。

图1 工厂数据采集与上云系统架构图

控制器是工厂生产必须具备的。以某热轧厂为例，控制器可以通过现场总线或工业以太网直接连接现场设备或传感器，采集电机温度、速度、电流、电压等数据，也可以连接远程IO站或其他控制器采集数据。然后，控制器通过工业以太网连接交换机、路由器，把采集数据发送给云平台。对于不方便布置有线通信网络的场所，可以采用无线通信方式，比如，控制器连接LoRa终端，通过LoRa通信将数据传输LoRa网关，再连接交换机、路由器实现数据上云。

工厂里面部分区域没有安装控制器，可以用智能网关连接现场设备、传感器，通过现场总线/工业以太网采集数据，并经过交换机、路由器完成数据上云。

3 智能网关数据采集

工业智能网关是采集工业数据，并接入云平台的关键设备。本设计中采用研华ECU-1251智能网关，支持4G、Wi-Fi、Modbus RTU、Modbus TCP、RS232/485等多种通信方式。

3.1 智能网关配置

首先需要新增节点，选择类型“ECU-1251 TL-R10A”，设置IP地址和密码。同时，该网关有两个网口，需要设置所选网口的IP地址、子网掩码和默认网关，见图2。由于工厂内部设备会访问网关，该网关IP地址一般设置为静态分配。

图2 智能网关节点设置

3.2 现场温湿度数据采集

采集之前，用USB-RS485转换器连接温湿度传感器，读取或设置其站地址和波特率，见图3。

图3 温湿度传感器设置

然后在网关软件中设置设备类型Modbus RTU、站号、IO写入方式。配置温湿度传感器数据点，见图4。设置数据点参数、点名称温度、数据类型Analog、转换类型Integer(注意：温度数值有正有负；湿度数值为正，转换类型选Unsigned Integer)，地址40002(保持寄存器)，长度16，最高量程100，最低量程-50(传感器参数)，读写属性只读，缩放类型Linear Scale MX+B，Scale0.1。同理，配置湿度数据点。

图4 温湿度数据点配置

3.3 智能车间数据采集

智能车间控制器通过Modbus RTU接入智能网关，参照2.2配置智能车间节点。然后配置数据点，见图5。工作状态1是布尔量，数据类型Discrete，地址00701(线圈寄存器)，转换类型N/A，缩放类型No Scale，读写属性只读。运行时间1是模拟量，数据类型Analog，地址40401，转换类型Unsigned Integer，缩放类型No Scale。同理，配置计划产量1、实际产量1等数据点。

图5 智能车间数据点配置

3.4 网关数据上云配置

首先，在网关云服务设置中，启用Simplemqtt，输入主机IP或者网址、端口号、客户端标识符、用户名和密码，再设置数据上传的周期、检测变化方式等[2]，见图6。

图6 Simplemqtt上云配置

其次，添加需要上云的数据点，见图7。也可以选择从Excel中导入点列表。

图7 Simplemqtt数据点添加

4 控制器数据采集

控制器通过软接线和硬接线两种方式采集数据。硬接线指用信号线连接现场设备和传感器，接入控制器的DI、AI。软接线指用现场总线或工业以太网从其他控制器、设备和传感器获取数据。

以S7 200 Smart为例，作为Modbus主站，通过端口0从其他控制器读取数据。首先用MBUS_CTRL指令初始化主站[3]，设置Mode=1启用Modbus协议，设置Baud波特率、Parity校验方式、Port端口和Timeout超时。然后用MBUS_MSG指令读写数据，设置First接通边沿检测、Salve从站站号、Addr参数地址、Count数据元素数和Dataptr间接地址指针。

把采集到的数据进行数据复制、高低字节转换等处理，把上云数据通过端口1用自由口通信方式传输。配置SMB130参数，根据LoRa通信约定，设置130.6-130.7校验方式、130.5每个字符数据位、130.2-130.4波特率、SMB130.0-130.1协议。采用定时器设定发送时间间隔，用XMT指令发送自由端口模式的数据。

5 Lora无线通信

S7 200 Smart连接到LoRa终端。配置LoRa终端参数，采用组网工作模式，设置网关ID、选择通道和通道参数，串口设置与SMB130参数设置一致，见图8。

图8 LoRa终端基本参数设置

再设置LoRa网关基本参数，保持与LoRa终端基本参数一致。最后，设置LoRa其他参数。LoRa网关设为静态IP、云端网络模式MQTT、服务器IP或者域名、端口，MQTT服务器用户名、密码、设备ID，以及发送主题、订阅主题，见图9。网关参数设置成功后，右侧输出窗口有对应提示。

图9 LoRa网关其他参数设置

6 数据上云

本设计采用新大陆云平台进行数据上云示例。首先，新建智能网关设备，得到设备ID、设备标识和传输密钥，它们分别对应网关MQTT配置中的用户名、客户端标识符和密码，见图10。

图10 云平台新增智能网关设备

其次，创建传感器，设置传感名称、标识名，传输类型只上报、数据类型浮点型，以及设备单位和转换脚本。相关参数要和智能网关Simplemqtt上云配置中的数据类型一致。

最后，点击下发设备→实时数据打开，就可以看到在线设备的实时数据，见图11。

图11 云平台实时数据监测

结语

本文针对工厂智能化过程中存在的新旧设备并存、通信接口多样、布线不方便等问题，提出了一种数据采集和上云的解决方案。该方案包括智能网关数据采集、控制器数据采集、LoRa无线通信和数据上云，从而解决异构网络数据采集的难题，最终实现数据采集与上云。经验证，本设计实现预期目的，有利于工厂智能化实施。