异构设备互联采集技术分析

刘铮 刘培元 贾大伟

智能化制造系统中的数据采集技术实现了实时的功能，改变了传统的 DNC 系统对设备中的数据传输与管理的方式，将信息作为节点纳入到企业信息化管理中，形成数据信息系统，准确、实时地予以传输、分析和存储，帮助管理层、执行层进行信息的交流和协作。通过实时数据采集系统的应用，帮助智能制造系统提升设备利用率，最大限度地压缩辅助工时等，对传统制造系统中的生产设备予以集成，实现企业生产过程数字化、信息化、智能化。

一、异构设备

异构设备是指多个不同种类设备的集合，具备设备联网通讯能力，可以实现数据的采集和传递，每个设备在加入异构设备集合之前本身就已经存在，且彼此之间存在着差异性。异构设备的各个组成部分具有各自的通讯手段，无法通过单一方式集成所有设备，在实现设备联网的同时，每个设备仍保有自己的应用特性、完整性控制和安全性控制，异构设备特点如下：

（一）设备多样性

设备多样性主要体现在提供制造设备的厂家及设备所应用的领域多样性。

厂家的多样性是指所购买的设备来自不同时期，不同厂家多提供的设备，不同厂家设备其内部结构不同，所选择的控制器、传感器等元器件各不相同，这会对后期数据采集增加难度。

应用领域多样性是指设备所加工制造的对象不同，所采用的控制器、控制单元也各不相同，这使得后期数据采集时所采集的内容各有不同。

（二）结构复杂性

结构复杂性是指设备控制系统较为复杂，如大型设备需要通过多个控制系统及控制器联合驱动，还有就是多个设备协同工作，例如生产线设备等，这无疑对数据采集增加难度。

（三）接口复杂性

接口复杂性是指根据设备通讯能力采取的联网手段，例如RS232、RS485、TCP/IP、网卡等接口，有的需要接入I/O端口、外接仪表等，同样给数据采集增加了难度。

（四）协议多样性

协议多样性是指数据采集时与设备端的通讯协议，按照控制器厂家大类分为几十种通讯协议，例如Modbus、AB、GE、Honeywell、Omron、OPC、Siemens等，其中每一种协议按照协议类型进行小类区分，例如Siemens协议按照协议类型小类分为Siemens S5（3946R）、Siemens S5（AS511）、Siemens S7 MPI、Siemens S7-200、Siemens TCP/IP Ethernet、Siemens TCP/IP Slave Ethernet，类似这样的协议种类近400种之多，这同样对数据采集增了难度。

二、數据采集

数据采集（DAQ），是指从控制器、传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集主要包括PLC数据采集、传感器数据采集、上位机等方式。

（一）PLC采集

PLC采集是指通过协议类采集软件与PLC进行协议通讯，采集PLC中变量地址的数据，在数据采集中可以说是较为常见的方式，借助协议类采集可简化编程开发过程，利用PLC专用通讯协议，可直接获取地址数据，常用的协议类软件如Kepware软件，Kepware支持大量的通信协议和接口，提供300多个的开放式通信标准和自动化设备协议。

PLC采集的优势如下：

数据完整，数据内容在PLC中定义完整，不需要额外增加数据采集对象如传感器；

获取方便，通过该PLC的通讯协议就能够获得程序块地址，从而得到需要数据；

维护容易，前端只需通过采集工具按照设定频率采集即可。

（二）传感器采集

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号，转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号，变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制，转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

传感器的数据采集可以通过采集器、采集卡、以及单片机进行采集：

1. 采集器

采集器是指传感器数据采集设备，具有以太网、USB等接口，可实现离线脱机数据采集，通过I/O口连接传感器设备。

2. 采集卡

采集卡指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理。采集卡可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线（IEEE1394）、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。

3. 单片机

单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种 I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

（三）上位机采集

上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC/host computer/master computer/upper computer，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机single chip microcomputer/slave computer/lower computer之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。

在上位机上一般安装有各类现场控制及数据显示软件，例如组态软件等，这些软件能够根据需要定制各类显示操作界面，同时便于显示下位机上传的数据，在数据采集方面可以利用组态软件接口进行数据采集。上位机数据采集方式包括OPC、Webservice、ODBC等方式。

三、应用研究

选取异构设备包括（PLC设备、数控机床设備以及上位机设备作为研究对象，验证异构设备的互联互通与数据采集技术。

（一）PLC设备数据采集

1. 接口能力分析

该设备由2台西门子1214C PLC为控制器，查看两台PLC设备接口发现每台设备上只有1个网口而且被占用，485通讯卡占用，两个PLC通讯端口都被占用，但机柜中安装有交换机，交换机上有空闲的以太网口，两台PLC的以太网通过交换机进行互联。

Siemens 1214C型号模块采用S7-1200CPU，紧凑型高性能CPU，带有24点集成输入/输出，Siemens 1214C型号模块扩展项包括1个信号版（SB）、8信号模板（SM）、3个通讯模块（CM）。

结合设备实际情况，不改变原设备通讯接口的前提下，使用交换机上的以太网口，使用协议类采集软件与PLC进行协议通讯，采集PLC中变量地址的数据。针对该设备的1214C型号 PLC，采用Siemens TCP/IP Ethernet作为通讯接口。

2. 协议软件采集

协议类采集软件选择使用Kepware进行数据采集，Kepware是行业领先的连接平台，提供OPC服务器及工业互连通讯能力，嵌入了工业市场上超过100多种通讯协议，支持数千种以上设备型号的驱动程序。

Kepware软件中的Siemens TCP/IP Ethernet 驱动，提供将 Siemens TCP/IP Ethernet 设备连接到 OPC 客户端应用程序的可靠方式；其中包括 HMI、SCADA、Historian、MES、ERP 和无数自定义应用程序。适用于Siemens S7-200、300、400 和 1200 PLC。存在两个通信选项：

工业以太网 TCP/IP 接口通信处理器 （CP）。使用的协议为基于 TCP/IP 的工业以太网 S7 报文通信协议 （ISO 8073 ），符合 RFC1006 中的规定。

Hilscher 的 NetLink 适配器。仅需要一个 MPI 端口。NetLink 适配器不支持 S7-200 模型。

Siemens TCP/IP Ethernet 驱动程序不需要特殊的库或硬件。所需的仅是标准以太网卡。采集方式如下：

第一步：获取PLC IP地址，通过编程工具扫描到设备PLC IP地址，这样就具备了以太网连接的首要条件。

第二步：获取采集地址，通过编程工具上载PLC程序，根据程序内容以及注释信息得到采集地址。

第三步：连接Kepware，设置上位机/服务器IP地址，使得上位机与设备的PLC在同一网段内。

第四步：使用Siemens TCP/IP Ethernet驱动，在Kepware软件设置Siemens TCP/IP Ethernet驱动。

第五步：设定采集点，在Kepware中增加采集点。

第六步：启动Quick Client进行测试通讯。

通过与该设备的连接通讯，验证了以协议类软件对PLC设备进行数据采集的能力，同样方式能够与其它PLC设备进行通讯采集。

（二）数控机床设备数据采集

1. 接口能力分析

该设备采用FANUC 31i-B5 PLC，具备以太网口-1空闲，具备232口-2空闲，贝加莱X20 DP远程模块。

FANUC 31i-B5 系统对复杂形状的工件可以实现高速、高精度、高质量的加工，适合高性能的5轴联动机床，同时FANUC 31i-B5 系统提供多种网络功能，支持以太网，通过以太网可以与PC、机器人等进行数据交换，可以构建高级管理系统，支持各种现场网络。

结合设备特点，考虑设备通讯能力及传输距离问题，设计采用以太网方式进行设备联网，并使用协议类软件进行数据采集。

2. 协议软件采集

协议类采集软件选择使用Kepware进行数据采集，方式同PLC设备数据采集，Kepware软件提供Fanuc Focas以太网驱动器，为Fanuc Focas以太网控制器连接到OPC客户端应用程序（包括HMI，SCADA，Historian，MES，ERP和定制应用程序）提供了可靠的方法。 该驱动程序适用于Fanuc Focas可编程逻辑控制器（PLC）。

Fanuc Focas Ethernet驱动程序同样也 不需要特殊的库或硬件，所需的也仅是标准以太网卡。采集方式如下：

第一步：获取PLC IP地址，通过设备触摸屏系统查询到PLC IP地址。

第二步：获取变量地址，通过窗口模式PMC读取NC数据，将数据赋值给指定地址。

第三步：连接Kepware，设置上位机/服务器IP地址，使得上位机与设备的PLC在同一网段内。

第四步：使用Fanuc Focas Ethernet驱动，在Kepware软件中设置Fanuc Focas Ethernet驱动。

第五步：通过读取信号点的模式读取变量地址，在Kepware中增加采集点。

第六步：启动Quick Client进行测试通讯。

（三）上位机设备设备数据采集

以上位机设备为研究对象，设备控制柜及上位机工作画面如下：

1. 接口能力分析

该设备采用西门子 PLC 4i1H冗余系统，监控电脑安装1613卡，集成网卡安装Wincc V7.0。

SIMATIC WinCC（Windows Control Center）视窗控制中心，它是一个32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。

WinCC提供了所有最重要的通讯通道， 用于连接到SIMATIC S5/S7/505控制器（例如通过S7协议集）的通讯，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE（动态数据交换）和OPC（用于过程控制的OLE），等非专用通道；

结合设备特点，设计采用OPC方式进行设备联网与数据采集。

2. 协议软件采集

OPC协议类采集软件选择使用Kepware进行数据采集，OPC DA客户端驱动程序提供了将OPC DA客户端设备连接到OPC客户端应用程序（包括HMI，SCADA，Historian，MES，ERP和无数的定制应用程序）的可靠方法。 它可用于整合来自多个OPC服务器的数据，并通过所有支持的接口（如OPC DA，OPC DX，DDE，SuiteLink，NIO / PDB等）提供给服务器客户端。

當在计算机上安装 WinCC时，系统会自动添加OPC组件如下：

（1） OPC服务器 ；

（2） OPC 通讯驱动程序 ；

（3） OPC条目管理器。

WinCC OPC服务器是1个DCOM应用程序，通过dcomcnfg.exe程序可以为其设置DCOM组态。创建方法如下：

第一步：单击“开始”，“运行”，输入程序名dcomcnfg.exe，启动该程序，在“Applications”页选择“OPCServer.WinCC”条目，设置属性，在“安全”标签中选择“使用自定义访问”许可权选项钮；在“标识”标签中选择“交互式用户”选项，完成 DCOM 组态。

第二步：创建 W i n C C项目，双击打开桌面的SIMATIC WinCC Explorer图标，点击新建按钮，创建一个单用户项目。右键选择变量管理，选择添加新的驱动程序。弹出添加新的驱动程序对话框后，选择OPC. chn。右键点击新建的OPC驱动，选择系统参数。点击计算机，输入添加的用户名，找到要其计算机后，点击OPCServer.WinCC，选择浏览服务器，添加客户机上的变量，新建画面，添加一个IO域，连接客户机的变量，激活项目进行测试。

第三步：连接Kepware，设置上位机/服务器IP地址，使得上位机与设备的PLC在同一网段内。

第四步：OPC DA客户端驱动程序，在Kepware软件中设置OPC驱动。

第五步：启动Quick Client进行测试通讯。

通过对以上三类设备的数据采集方法研究，以及现场设备复杂情况的分析，设计应对异构设备的数据采集方案，便于在不同复杂设备上选择合适的数据采集方案，以提升数据采集通讯能力。

四、研究意义

（一）技术创新性

异构设备互联技术创新性在于设备联网完全采用工业以太网模式，通过多种手段对设备进行接口能力改造，摒弃了传统232、485等串口通讯模式，不受距离及连接设备数量的限制，避免现场大量的终端设备，在节约成本的同时使得后期维护及设备扩充更加简单容易，该创新技术具备复制性及移植性，能够被其它公司单位所参照，具备参考以及示范能力。

（二）技术先进性

通过对异构设备的联网采集技术研究，使得该设备联网技术能够涵盖机械装备制造领域大部分加工设备，包括数控机床（发那科、西门子等数控设备），PLC设备（特种设备、改造设备）、国产以及进口设备等，能够满足国家重大专项及工业装备制造能力建设需求等。