浅谈自动化生产线数据采集及上云

仝玉华，杜鹏，孙志杰，徐红

（山东信息职业技术学院，山东 潍坊 261041）

随着工业互联网、物联网、5G 等新一代信息技术的发展，传统制造业转型向智能制造升级加速，走在前端的制造业工厂已计划建设智能工厂。智能工厂设计标准主要包括物理工厂数据采集、工厂布局，虚拟工厂参考架构、工艺流程及布局模型、生产过程模型和组织模型、仿真分析，实现物理工厂与虚拟工厂之间的信息交互等，而数据是智能工厂建设的血液，在各应用系统之间流动，是智能工厂的基础。采集自动化生产线数据，进而升级改造为智能化产线，是实现智能工厂的必由之路。本文提出一种自动化生产线数据采集与上云的解决方案，为实现智能工厂建设提供技术帮助。

1 总体方案设计

为实现自动化生产线数据采集与上云，需要用到的硬件、软件平台有颗粒罐装自动化生产线、工业网关、交换机、路由器、云平台等。整体架构如图1 所示。

图1 自动化生产线数据采集及上云架构图

1.1 颗粒罐装自动化生产线

颗粒罐装自动化生产线有供料单元、装配单元、加工单元、分拣单元和输送单元5 个工作单元构成。每一工作单元都自成一个独立系统，由一台PLC 独立控制，分别记为控制器X(X 为1-5)，各PLC 之间通过工业以太网实现互联的分布式控制。控制器1-3 为汇川H3U-3232MT-XA PLC（以下简称H3U PLC），控制器4、5 为S7-1200 PLC。

H3U PLC 支持Modbus 通信，接口形式为RS 485。

S7-1200 PLC 支持Modbus 通信、PROFIBUS-DP 通信、PROFINET 通信以及S7 通信。S7 通信协议是西门子S7系列PLC 内部集成的一种通信协议，是S7 系列PLC 的精髓所在。它是一种运行在传输层之上（会话层、表示层、应用层）、经过特殊优化的通信协议，其信息传输可以基于MPI 网络、PROFIBUS 网络或者以太网，接口形式为以太网。

1.2 工业网关

工业网关是一种用于连接工业设备和信息系统的网络设备，充当着数据通信的桥梁，将工业设备中的数据转换成标准的协议格式，使其能够与其他设备或系统进行通信。工业网关不仅可以将不同的物联网设备连接到互联网上，同时，为工业云平台的需求承担了自动化OT与信息化IT 对接的使命。本设计中采用研华ECU-1152智能网关（以下简称ECU-1152），支持4G、Wi-Fi、Modbus RTU、Modbus TCP、RS232/485 等多种通信方式。

1.3 云平台

新大陆·物联网·云平台，是基于智能传感器、无线传输技术、大规模数据处理与远程控制等物联网核心技术，与互联网、无线通信、云计算大数据技术高度融合开发的一套物联网云服务平台，集设备在线采集、远程控制、无线传输、数据处理、预警信息发布、决策支持、一体化控制等功能于一体的物联网系统。用户及管理人员可以通过手机、平板、计算机等信息终端，实时掌握传感设备信息，及时获取报警、预警信息，并可以手动/自动地调整控制设备，最终使以上管理变得轻松简单。

2 方案验证

2.1 工业设备接入

汇川H3U PLC 通过RS 485 接口与ECU-1152 通信，将三个控制器的A+、B-通过导线分别接到ECU-1152 COM1、COM2、COM3 的A+、B-；S7-1200 PLC 通过工业以太网接口与ECU-1152 通信，将控制器4、5 通过RJ45网线分别接至交换机的LAN1、LAN2 口。

通过网线将ECU-1152 的LAN1 口、电脑分别接到交换机的LAN3、LAN4 口；交换机的LAN5 口接到路由器的LAN1 口，路由器的WAN 口接互联网。

2.2 自动化产线数据采集

数据采集前，需要先配置网关。

首先搜索在线设备，设置网关上所选网口的IP 地址、子网掩码和默认网关。所示然后新建节点，设备类型选择“ECU-1152”，设置IP 地址、密码，如图2 所示。

图2 添加智能网关设备图

2.2.1 汇川H3U PLC 设备数据采集

三块H3U PLC 设备数据采集方式相同，以控制器1为例讲述数据采集过程。

（1）启用COM1 口。启用COM1 口，按照PLC 端Modbus通信参数设置ECU-1152 COM1串口参数，如图3所示。

图3 智能网关COM 口配置图

（2）添加汇川H3U PLC 设备。H3U PLC 与ECU－1152 通过标准的Modbus 协议通信，所以设备类型选择Modbus RTU。

（3）添加H3U PLC 设备数据。Modbus 与PLC 地址点位表如表1 所示。

表1 Modbus 与PLC 地址对照表

启动按钮是布尔量，数据类型Discrete，地址163490，转换类型N/A，缩放类型No Scale，读写属性读写。运行指示灯是布尔量，数据类型Discrete，地址064513，转换类型N/A，缩放类型No Scale，读写属性读写。运行时间是模拟量，数据类型Analog，地址461691，转换类型Unsigned Integer，缩放类型为Linear Scale,MX+B,公式为SCALE×INPUT+OFFSET，其中Scale 为0.1，Offset 为0。同样的方法，配置空瓶数量。过程如图4、5 所示。

图4 H3U PLC 设备数据添加配置图

图5 H3U PLC 设备数据运行时间设置图

按照控制1 的数据采集方式，完成控制2、3 的数据采集。

2.2.2 S7-1200 PLC 设备数据采集

以控制器4 为例讲述S7-1200 PLC 设备数据采集过程。

（1）启用TCP 端口。

（2）添加S7-1200 PLC 设备。

（3）添加S7-1200 PLC 设备数据。

添加S7-1200 PLC，设备类型选择S7－1200，单元号任意，不和同一端口下其他设备冲突即可，IP 地址设为PLC 的IP，端口号一般默认为102，TSAP 此处一般固定为01.00，如图6 所示。

图6 S7-1200 PLC 设备添加配置图

控制器4 中需要采集的变量有产量、启动按钮、灯的状态、X 轴当前位置。参考网关(ECU-1152)和S7-1200 PLC 通信配置手册，可得到S7-1200 PLC 寄存器地址和智能网关ECU-1152 的地址映射表，如表2 所示。

表2 PLC 寄存器地址和ECU-1152 的地址映射表

按照地址映射表，在ECU-1152软件中完成配置（图7）。

图7 S7-1200 PLC 设备数据添加配置图

同样的方法，完成控制器5 的数据采集。

2.3 数据上云

首先，在新大陆物联网云平台新建项目，添加智能网关设备，得到设备ID、设备标识和传输密钥。然后，在ECU-1152 软件云服务下SimpleMQTT 配置中，依次配置用户名、客户端标识符和密码，见图8。在软件中正确配置并下载工程至ECU-1152 后，网关由离线状态转为在线状态。

接下来，添加数据点，分为传感器数据及执行器数据。最后点击下发设备中实时数据打开，在云平台可以看到在线设备的实时数据，如图9 所示。

图9 云平台数据监测

3 结语

通过数据采集、分析及应用，自动化生产线改造升级为智能产线，是建设智能工厂的必要条件，也是智能制造的基础。本文提出了一种自动化生产线数据采集及上云的方案，有效地解决了不同工作站控制器的自动化产线的数据采集问题，最终实现了自动化产线的升级改造。经验证，本文完成了自动化生产线的数据采集及上云，为智能制造实现提供了有效支持。