基于工业大数据管理的新型数据采集单元的设计

齐越

（北京和利时智能技术有限公司 北京 100176）

引言

随着大数据时代的到来，工业企业面临着信息化升级的需求，解决生产过程中数据“孤岛”问题就变成尤为重要。2020年5月，工信部出台《关于工业大数据发展的指导意见》提到“推动工业数据全面采集，加快工业设备互联互通……深化数据应用，完善数据治理”。企业加快信息化升级节奏，积极推动打通产、供、销等各环节，形成有价值信息流、数据流，从而更好地优化管理水平、提高生产效率。本文基于工业大数据管理的需求提出一种新型的数据采集单元，（Data Acquisition Unit，以下简称：DAU），完成现场采集、计算、控制与传递，实现构建规范的、协同的数据平台。

1 工业企业数据采集

1.1 传统数据采集现状

传统数据采集单元常规做法是通过设备控制器（PLC/DCS）、自成系统的辅助或专用设备、工业网关、采集及应用软件等不同领域功能的产品提取数据，这种集成方式会造成架构复杂、协议及通讯无法统一、运算能力差、维护成本高、安全隐患大等情况，这种采集方式限制了企业升级发展。

1.2 企业信息化升级存在的问题

（1）信息系统多，协同管控少。企业在发展中会根据业务需要陆续投入很多信息系统，例如在投入财务系统后，陆续再投入仓储系统、办公自动化系统等，因为没有整体规划，导致各系统独立存在，无法建立关联关系，形成信息“孤岛”，系统利用率不高，造成数据资源大量浪费。

（2）运营成本高，降维手段少。近年来，随着市场竞争激烈，企业为了利用低价占据市场份额降低产品硬成本，但这样会牺牲产品质量，再受制于现场设备设施整体状况，能够延长设备设施使用寿命的办法不多，可维护可检修的水平有限，出了问题只能“头疼医头，脚疼医脚”。

（3）电气设备多，车间集成少。为了降低采购成本，企业易出现“谁便宜买谁家”，造成设备品牌杂乱、独立运行，兼容扩展功能差，同时没有通讯预留增大了系统集成难度，当企业升级时，提高了改造成本[1]。

（4）员工梯队培养弱，技术人员少。很多企业只顾眼前的订单，盲目短期招募大量操作人员，反而忽视了技术人员的培养与储备，造成企业有升级需求，但人员跟不上、短时间又招聘不着等人才断层风险。

2 新型数据采集单元在信息化网络中的作用

2.1 企业信息化网络架构

工业大数据管理的基础是建设信息化网络构架，企业信息化网络架构通常由执行层、采集层、网络层、应用层四层组成。

（1）执行层。执行层定义为企业现场侧系统中能够独立工作、具备已有或可改造传输数据的设备，经过新型DAU接入，在传输网络中采用以太网接口方式与上层进行数据交互。

（2）采集层。由新型DAU及企业现场具备采集功能设备联网组成，通过开放的工业以太网标准协议及通用网络协议的使用，实现系统与外部设备和外部系统之间的接口，也能够提供定制开发模板和应用接口与专用自定义通讯接口设备接入。

（3）网络层。根据企业整体网络规划，新型DAU接入与生产相关联全部设备、仪器仪表等，通过网络交换路由等设备与服务器机群形成通讯链接，具备互联能力。

（4）应用层。通常应用为展演系统，即结合虚拟现实、2D/3D动画、三维建模、引擎图、柱状图、仪表盘等多种展现方式，将生产车间内各个工段、设备状态和数据以直观的形式进行展现。

2.2 新型数据采集单元的作用

本设计提出的新型数据采集单元位于第二层采集层，起到承上启下作用。在上层信息化系统要求下，新型数据采集单元可以根据企业实际业务流程要求，通过自定义协同控制逻辑与运算，可以将来自MES/OA/SAP/EPR/WMS等系统的业务数据请求分解为逻辑运算参与项，通过数学模型、专家库关联运算等，并将所需的参数和配置发送到对应的执行层，供相关主管人员提示与参考，从而实现信息化与执行协同工作[2]。

3 新型数据采集单元的数据展现

3.1 新型数据采集单元的构成

新型数据采集单元的组成如图1。

（1）中央处理模块，进行指令和数据的交互，并对接收到的指令和数据进行处理，以先进CPU为核心，拥有强大的控制、运算、存储能力；

（2）边缘计算模块，与所述中央处理器连接，计算处理并生成控制指令，采用分散式运算的架构，具有将应用程序、历史数据、专家库、定制服务、业务关联等整合并高性能运算能力，通过动态采集、参数预置、智能控制等，建立专业数学模型，从而实现准确二次计算；

（3）路由模块，与所述中央处理器连接，通过转发数据包来实现网络互连，可实现智能限速、地址转换、专用地址分配等功能；

（4）I/O模块，与所述中央处理器连接，进行现场数据的采集和控制指令的传递，提供了无源节点的开关量输入/输出采集、模拟量输入/输出采集、高速脉冲等功能；开关量输出采集，输出类型为继电器输出；模拟量输入采集；

（5）定制采集模块，与所述中央处理器连接，对从外界获得的负载信号进行采集，可提供有源（交流220V）开关量输入采集、继电器输出采集等功能；

（6）主通讯模块，与所述中央处理器连接，对外以太网接口，与上层/同级平台进行数据交互，支持OPC可用于采集工控系统实时数据，支持WEBSERVIES可用于WEB容器之间请求应答、跨系统跨平台，支持ODBC/JDBC可用于直接对接数据库连接，支持MQTT可用于单元上传云平台发布、订阅消息传输[3]；

（7）冗余电源，与所述中央处理器连接，对从外界获得的电能进行转换，为整个数据采集单元供电，双独立交流电源输入自动切换，双电源单元互为冗余，支持热插拔；

（8）定制开发模组，与所述中央处理器连接，根据实际需要扩展电器件组，选配具有5G/4G/NB-DTU、 LORA/RFID透传、环境检测、串口转以太网透传等模块。

3.2 新型数据采集单元数据展现

（1）数据采集。从受控设备/系统、网关类模块、数控系统/机器人/产线等采集，对接数据平台SCADA/云平台，为透明化管控提供数据，改善过程、提高质量和效率。

（2）通讯整合。在生产过程中将会产生大量数据，从系统稳定、实时有效等方面进行资源整合，采用数据交换专用通讯接口组件，提高上下行传输成功率，避免通讯失败、垃圾包、异常信息等网络拥堵风险[4]。

（3）可视化/追溯/设备管理等数据支撑。对接入原始数据做二次运算处理，对接各类展示端、看板、大屏幕、过程监控设备、人机界面、报表、历史库、事件库、设备档案等有需求各类系统，实现各场景传递业务信息，直观感受重要信息，为更快捷、精准的商业决策提供支持，并能更好地控制质量与成本，降低风险，提高客户满意度，为企业带来利润。

（4）系统集成中间件。对接弱电系统、MES/WMS/EMS/ERP/SAP/OA/GIS等，通过各种技术手段将分离要素集成到统一平台里，实现资源集中、共享、高效、便利管控。

（5）移动应用本地化部署。将用户需求部署在数据采集单元，实现移动终端、网页、短信提醒等，使企业信息化应用场景完善、扩展，降低风险延伸的作用。

（6）定制报警反馈：对接实时数据源，根据自定义报警规则，提供超限、异常、警报等反馈，可进行声音、灯光、人机界面等硬件连接[5]。

4 结语

如何处理执行侧设备和软件系统之间的数据传递、信息共享等并满足用户需要，已经成为企业信息化建设中的一大难题。新型数据采集单元在信息化与执行侧起到的承上启下作用为解开难题提供一条解题思路。

而随着IT技术的发展，新型数据采集单元不但可以作为生产控制、操作和运行的工具，还可以通过它的普遍应用使制造、过程控制、信息流乃至企业整个管理信息集成在一个整体解决方案中。新型数据采集单元作为全集成的系统架构数据来源的核心位置，将各种制造装备和工业软件服务进行连接和交互，不但为基本的生产过程监控、实时报警功能提供数据，而且也为协同控制和联动运行提供数据支撑，从而为企业在安全、高效、绿色前提下全面实现柔性生产提供信息整合解决方案。