X?Collector数据采集系统的设计与应用

王飞 阮志坚 周飞 张峻瑞

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403024

摘 要 化工生产过程中，工业设备类型众多，设备对接和协议转换适配难度大，设备联网不完整，设备之间网络隔离不安全，数据生成频度高、量级大，这些都给管理带来了巨大的压力，严重制约了化工企业的高质量发展。为了解决企业生产设备的数据采集问题，设计X?Collector数据采集系统，可支持西门子、三菱、欧姆龙、中控、ABB机器人等工业设备，兼顾PLC、Modbus、Profibus、EtherCAT、OPC等协议，具有数据采集、传输和可视化功能。实际应用表明：该系统的应用帮助企业提高了生产效率。

关键词 数据采集系统 化工 X?Collector 断点续传 可视化展示 边缘计算 supOS工业操作系统

大数据 物联

中图分类号 TP277   文献标志码 B   文章编号 1000?3932（2024）03?0535?06

基金项目：国家重点研发计划项目——智能产线OPC UA信息建模与多元数据封装（批准号：2021YFB3301302）资助的课题。

作者简介：王飞（1988-），硕士研究生，从事智能制造、工业互联网数字化咨询、企业数字化转型等方向的研究，ictedu l  168@163.com。

引用本文：王飞，阮志坚，周飞，等.X?Collector数据采集系统的设计与应用[J].化工自动化及仪表，2024，51（3）：535-540.

在“智能制造2025”的大背景下，推进化工生产制造升级改进是个持续的过程，特别是企业设备IoT、MES重构、管理的数字化转型，都需要现场数据层的接入[1]。数据已成为提升制造业生产力、竞争力、创新力的关键要素，是驱动工业互联网创新发展的重要引擎。随着工业互联网的发展，数据增长迅速、体量庞大，其重要性日益凸显[2]。因此，只有解决设备的数据采集问题和各系统的数据“孤岛”问题，才能实现化工企业的数字化和智能化发展。

笔者提出一种快速、实时的X?Collector数据采集系统，功能主要包括对工业主机、控制设备、工业软件、工业通信设备、网络安全设备等软硬件的状态、告警等信息的采集，以及将数据上传到supOS工业操作系统的应用服务。

1 数据采集系统概述

数据采集系统在化工企业生产中具有重要作用，目前数据采集存在诸多问题：

a. 企业生产设备工业协议类型众多，设备对接和协议转换适配难度大;

b. 企业老旧设备协议不开放，不具备数据接口;

c. 安全规则造成产线、设备之间网络隔离，系统难以统一部署;

d. 企业生产数据生成频度高、量级大，数据的存储与管理存在巨大压力;

e. 企业生产过程中存在多元异构数据，包括结构化数据、半结构化数据、文档、图片、视频等，存储复杂，管理难度大。

数据采集是工业物联不可或缺的重要环节，也是企业转型的难点问题。因此，在化工企业的数字化、智能化转型中，数据采集系统需要实现实时数据采集，进行实时数据集成、处理、归档及生产指标统计等任务，需要支持多种工业协议和多元数据，支持自动传输、断点续传、多服务器冗余等功能[3]，支持数据安全，满足高并发、高性能等要求。

2 系统设计

2.1 关键技术分析

笔者研究的X?Collector数据采集系统有效解决了数据采集的各种弊端，满足化工企业信息化集成与数据管理的需求，实时监控、风险预警、设备预测分析等多种业务需求。系统可提供 OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC104 等协议接入，支持国内外主流厂家的 PLC、DCS、SCADA 等系统的实时数据接入。支持数据实时采集并传输给supOS 平台。系统的关键技术主要包括丰富的驱动协议、断点续传、冗余配置、数据安全、高可用、高并发等。

2.1.1 支持丰富的驱动协议

X?Collector数据采集系统需要满足工业企业信息化集成、数据管理的需求，系统能够提供多种工业标准数据协议接入，支持国内外主流厂家设备实时数据的接入;支持关系数据库、时序数据库的接入;支持发那科、三菱、西门子、欧姆龙、兄弟、罗克韦尔、中控等主流工业设备数据的接入。

2.1.2 支持断点续传

X?Collector数据采集系统的采集器具有断点续传功能。对于系统数据采集过程中出现的通信中断情况，需要保证系统数据的完整性，数据暂时缓存在采集器中，每百万个位号存储一次值所占用磁盘空间约4 MB，采集器不会限制缓存时间的长度，当通信恢复正常后，可对缓存数据进行恢复，并通过数据采集系统上传到supOS工业操作系统数据库中，通过故障检测机制实现数据断点续传功能，从而保证数据传输的可靠性和数据的连续性[4]。

2.1.3 支持冗余配置

X?Collector数据采集系统支持两个以上的采集器与supOS工业操作系统通信，尽可能保证采集器与supOS工业操作系统之间的连接，多个服务器能够一起分担负荷，当某个服务器发生故障时，其他服务器继续工作，由此达到负载均衡的效果，提高了采集器与supOS工业操作系统之间数据通信的可靠性。

2.1.4 支持数据安全性

X?Collector数据采集系统可以配置采集器与supOS之间的单向通信模式，可在采集器和supOS之间部署网闸，在该模式下数据只支持从采集器到supOS的通信，从supOS到采集器的通信切断，彻底保证采集器端的网络安全性。数据采集系统在supOS之间可配套防火墙进行端口设置，保证底层数据源的安全性。

2.1.5 支持高可用、高并发

X?Collector数据采集系统采用分布式缓存，从而减少磁盘I/O的访问次数，加快数据的读取速度[5]。该系统的单个采集器支持50 000点位通信，支持多个采集器向supOS工业操作系统上传数据，提高了系统的性能。

2.2 系统架构

X?Collector数据采集系统采用基于B/S模型的架构。系统基于工业领域实时数据采集应用场景，规划设计工业生产场景的数采方案，其系统结构如图1所示。

X?Collector数据采集系统分为4层，具体如下：

a. 设备以及控制系统层。现场设备控制器主要包括PLC、智能仪表，品牌覆盖西门子、三菱等，接口包含RS485、以太网、I/O，协议包含各品牌PLC协议、Modbus协议等。

b. 数采工具。X?Collector数据采集系统满足工业企业信息化集成、数据管理的需求，系统支持多种工业标准数据协议接入，支持OPC、RS232、RS485、CAN等多种接口的通信，支持SCADA、DCS、PCS、PLC和其他软件系统的实时数据接入。supGW?200系列物联网关具备边缘计算、本地存储、断点续传功能，可覆盖现场所有生产设备接口，匹配各类控制器协议，数据可以通过X?Collector上传至supOS系统。网关解决了现场很多设备联网未完成或者不完整，设备和产线“孤岛”严重的问题。异构资源X?Collector平台自带的功能，实现了化工企业的PI和标准数据服务外挂，用于采集企业既有工业实时数据库的数据。

c. 传输层。系统通过数据进行加密传输，将各车间数据汇总上传到supOS工业操作系统平台中，经平台数据结构化后存入supOS工业操作系统中的“天湖”系统中，并进行数据存储。

d. supOS应用层。用supOS工业操作系统的supIDE进行相应的功能开发，将海量生产大数据进行统计和分析，按照用户需求的各类报表应用显示统计数据。用户通过访问supOS工业操作系统上的报表应用，调用系统中的结构化数据，查看所需的数据分析内容，实现对企业生产经营的战略决策。

2.3 网络拓扑

X?Collector数据采集系统网络拓扑如图2所示，设备连接X?Collector数据采集软件，数据传输至supOS服务器，通过supOS工业操作系统可以将数据在多个网段上进行Web发布，用户可以在公司办公网络与Internet网络上通过PC、手机或pad等移动端进行访问。

2.4 数据服务器

数据服务器支持关系型数据库、实时数据库、结构化数据库、半结构化数据库、文件数据库、视频等资源的动态分配、弹性扩容、集群和分布式存储，如图3所示。

数据服务器支持分布式数据存储、对象化数据存储和访问，支持复杂数据统计分析，数据分区安全管理和多样化数据开放。

3 系统的实现与应用

3.1 系统实现

X?Collector数据采集系统部署在supOS工业操作系统上，提供可视化的应用服务。

数据采集系统的主界面包含登录、系统信息管理、个人信息管理、时序数据采集管理、报警数据采集管理、视频数据采集管理6部分（图4）。

3.2 工业不同场景数采应用方式

X?Collector数据采集系统可以支持多种数据采集方式，主要包括API接口采集方式、通信接口被占用采集方式、无通信接口的采集方式、设备自带通信接口采集方式和摄像头数据采集方式这5种。

3.2.1 API接口采集方式

企业很多仪表自带NB?IoT无线远传模块，仪表可以通过NB?IoT无线模块将数据远传到该设备厂商的云管理平台，X?Collector通过云管理平台的标准API接口读取数据并上传给supOS工业操作系统，如图5所示。

3.2.2 通信接口被占用采集方式

企业生产环境中，很多通信接口被西门子、永宏和三菱PLC占用。本次方案基于保障设备不改动的原则，在原通信接口上增加通信模块，采用数采网关进行设备数据采集，X?Collector通过数采网关接口读取数据并上传至supOS工业操作系统（图6）。

3.2.3 无通信接口的采集方式

企业实际生产存在很多老旧设备，往往这些设备没有控制器，需要通过采集设备的I/O信号，数采网关通过对采集的信号进行边缘处理，实现对设备运行、停机状态的采集，X?Collector通过数采网关接口读取数据并上传给supOS工业操作系统（图7）。

3.2.4 设备自带通信接口采集方式

数采网关可通过设备开放的接口协议直接读取设备数据，X?Collector通过数采网关接口读取用数据并上传至supOS工业操作系统（图8）。

3.2.5 摄像头数据采集方式

视频采集是通过X?Collector采集监控视频，经数采网关边缘处理后，数据通过4G网络传输到

supOS平台，保证数据传输速度和链路稳定（图9）。

4 结束语

伴随着工业互联网的快速发展，数字化、智能化要求进一步提高，化工企业数字化转型升级的任务紧迫而艰巨。针对目前生产设备数据采集系统存在的问题与不足，利用supOS工业操作系统作为基座，融合大数据与物联技术，构建一个X?Collector数据采集系统。

该系统支持化工行业工控系统PLC、DCS、SCADA等的接入，支持OPC、Modbus TCP、Modbus RTU、IEC104等协议，可以接入海康威视、大华视频等主流视频驱动，实现数据实时接入、异构源接入，具备设备运行状态、故障异常预警、统计分析等可视化的数据服务，并满足不同场景的数据采集服务，为现场数据采集的实时性和安全性提供了保证，为实现集控制、优化、调度、管理、经营于一体的新模式应用奠定数据基础。

系统的实现与应用，为化工企业的数字化转型提供了参考，该系统具有复用和推广价值。

参 考 文 献

[1] 关浩浩，毛宇红，陈青峰，等.混合型SCADA软件架构的适用性研究[J].化工自动化及仪表，2020，47（6）：538-542.

[2] 于成丽，胡万里.2020年工业互联网数据安全态势分析及相关对策建议[J].保密科学技术，2020（12）：28-32.

[3] 韩万强，史少辉，吴海滨，等.基于RFID无线传感网智能安防系统的设计[J].物联网技术，2014，4（3）：10-13.

[4] 史运涛，董广亮，雷振伍.工业互联网云网关架构及实现[J].计算机应用与软件，2022，39（2）：138-143;227.

[5] 叶天琦.基于缓存技术的认证授权系统性能优化[J].信息技术与标准化，2021（8）：59-62.

（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-12-28）