隨著科技的飛速發(fā)展，我們已然由工業(yè)1.0時代進入到工業(yè)4.0時代。在工業(yè)4.0時代，由于需求的快速變動以及人力成本上升，企業(yè)需要通過搭建數(shù)字工廠實現(xiàn)現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果制定生產(chǎn)策略并下發(fā)到現(xiàn)場設備，從而實現(xiàn)企業(yè)的智能化生產(chǎn)。那么，什么是數(shù)字工廠？

數(shù)字工廠是在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式，在組成上主要分為設備層、執(zhí)行層和決策層三個部分。設備層中的傳感器、智能儀表等設備負責提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為決策層制定生產(chǎn)策略提供數(shù)據(jù)來源；設備層中的PLC等控制器負責執(zhí)行決策層和執(zhí)行層分發(fā)的生產(chǎn)計劃，對現(xiàn)場設備進行生產(chǎn)控制。執(zhí)行層中的SCADA系統(tǒng)負責設備層數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，MES系統(tǒng)負責整個工廠的生產(chǎn)管理以及調(diào)度執(zhí)行。決策層中的仿真系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)負責根據(jù)分析和優(yōu)化后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)制定生產(chǎn)策略。

在數(shù)字工廠中，為了實現(xiàn)企業(yè)的智能化生產(chǎn)，往往需要基于設備層提供的數(shù)據(jù)源，對工廠的整個生產(chǎn)流程進行模擬，并將結(jié)果反饋給相關(guān)系統(tǒng)驗證其可行性，進而優(yōu)化工廠生產(chǎn)過程，協(xié)助決策者制定最佳的生產(chǎn)策略。因此，設備層數(shù)據(jù)的采集對數(shù)字工廠至關(guān)重要。

一、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集難題

在數(shù)字工廠的建設過程中，往往需要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集工廠中各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設備數(shù)據(jù)，并將這些物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚于終端，進而實現(xiàn)整個工廠數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。然而，由于我國工業(yè)數(shù)據(jù)的發(fā)展還處于起步階段，工廠中還存在很多信息孤島，使得工廠物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集變得非常困難，其中主要存在以下幾個難題：

1.協(xié)議多樣性

由于現(xiàn)場的實際需要以及后期的產(chǎn)線升級，客戶往往需要購買西門子、三菱、歐姆龍等不同品牌的PLC，以及支持Modbus、OPC DA、OPC UA等不同協(xié)議的傳感器設備來保證生產(chǎn)工作的正常運行。設備協(xié)議的多樣性使得現(xiàn)場設備之間的聯(lián)系不夠緊密，進而增加現(xiàn)場數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通的難度。

2.老舊設備數(shù)據(jù)的采集

隨著工業(yè)4.0的快速推進以及科技的飛速發(fā)展，越來越多的新技術(shù)逐漸應用于工業(yè)現(xiàn)場中。為了保證市場的競爭力，企業(yè)必然需要淘汰一些老舊設備，引入一些新設備來實現(xiàn)產(chǎn)線的升級。在升級改造過程中，如果繼續(xù)使用老舊設備，那么將會給企業(yè)帶來額外的維護成本；如果直接淘汰老舊設備，那么企業(yè)將會面臨巨大的開銷和折舊費用；如果混合使用新舊設備，那么由于新舊設備之間協(xié)議的不兼容，導致新舊設備無法進行數(shù)據(jù)交互，企業(yè)難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌管理。

3. OT和IT的融和

在OT領(lǐng)域，現(xiàn)場設備支持的協(xié)議大部分都是Modbus、OPC、Profibus、EtherCAT等工業(yè)協(xié)議。但是在IT領(lǐng)域，IOT平臺和云平臺等平臺支持的是HTTP、MQTT等協(xié)議，協(xié)議的不一致性使得企業(yè)難以實現(xiàn)OT和IT的融和。

二、各類數(shù)據(jù)的采集方案

為了解決物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的難題，宏集提供了一系列的數(shù)據(jù)采集解決方案，幫助用戶高效、快速、可靠地實現(xiàn)工廠設備互聯(lián)以及信息共享。

1.PLC和傳感器數(shù)據(jù)的采集

面對現(xiàn)場支持多種協(xié)議類型的PLC和傳感器等設備，如何采集這些設備的數(shù)據(jù)并匯聚于管理終端？宏集EXOR多功能物聯(lián)網(wǎng)HMI/網(wǎng)關(guān)幫您實現(xiàn)現(xiàn)場PLC和傳感器等設備的數(shù)據(jù)采集與傳輸。

在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面，宏集EXOR物聯(lián)網(wǎng)HMI/網(wǎng)關(guān)支持200+通訊協(xié)議，包括主流PLC協(xié)議以及現(xiàn)場總線協(xié)議，支持同時運行8種通訊協(xié)議，而且最多支持10000萬點數(shù)據(jù)，最大程度地幫助用戶采集現(xiàn)場多種類型設備數(shù)據(jù)；支持MQTT和OPC UA（客戶端和服務器）協(xié)議，實現(xiàn)PLC和傳感器等設備和云平臺、IOT平臺以及SCADA之間的數(shù)據(jù)交互；支持MySQL、PostgreSQL、MariaDB以及ODBC驅(qū)動的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和統(tǒng)籌管理。

在數(shù)據(jù)可視化和遠程監(jiān)控方面，宏集EXOR物聯(lián)網(wǎng)HMI/網(wǎng)關(guān)預置2000+現(xiàn)代風格控件，支持趨勢、警報、配方、報表以及調(diào)度器等功能，幫助用戶實現(xiàn)可視化界面的繪制；內(nèi)置Web、VNC、SSH以及SNMP等服務器，用戶通過Web瀏覽器以及VNC客戶端等工具實現(xiàn)可視化界面的遠程監(jiān)控。

在設備控制方面，宏集EXOR物聯(lián)網(wǎng)HMI/網(wǎng)關(guān)集成了CODESYS PLC Runtime，通過擴展I/O模塊和通信模塊實現(xiàn)軟PLC功能，幫助用戶實現(xiàn)設備的邏輯控制。

在邊緣計算方面，宏集EXOR物聯(lián)網(wǎng)HMI/網(wǎng)關(guān)支持JavaScript腳本編寫，預置豐富的函數(shù)庫，幫助用戶實現(xiàn)KPI和OEE分析。

宏集EXOR物聯(lián)網(wǎng)HMI不僅僅是HMI，更是一款集數(shù)據(jù)采集和傳輸、數(shù)據(jù)可視化、邊緣計算以及軟PLC等功能于一體，具有物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能的HMI。同時，宏集EXOR物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)也具有HMI畫面，為客戶提供全面、可靠、高性價比的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

2. OPC數(shù)據(jù)的采集

上世紀九十年代，傳統(tǒng)OPC通信技術(shù)的誕生為不同生產(chǎn)商的工業(yè)設備通訊建立一整套開放的接口、屬性和方法標準集，進而實現(xiàn)了不同協(xié)議設備和上位機之間的通訊。盡管隨著OPC UA的快速發(fā)展，傳統(tǒng)OPC技術(shù)處于逐漸被淘汰的階段，但是企業(yè)現(xiàn)場中仍然有很多支持傳統(tǒng)OPC技術(shù)的設備，需要對其數(shù)據(jù)進行采集和存儲。為此，宏集提供了一種采集OPC數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫的解決方案——Cogent DataHub軟件，軟件整體架構(gòu)如下圖所示。

在數(shù)據(jù)采集方面，宏集Cogent DataHub支持OPC DA、OPC UA和OPC AE等規(guī)范，進而幫助用戶采集現(xiàn)場設備中的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；支持連接本地或遠程OPC服務器，并且支持同時連接多個OPC服務器，幫助用戶實現(xiàn)多設備的數(shù)據(jù)采集。

在數(shù)據(jù)存儲方面，宏集Cogent DataHub支持MySQL、SQL Server、Oracle等ODBC驅(qū)動的數(shù)據(jù)庫，最大程度地滿足客戶的數(shù)據(jù)存儲需求；支持OPC服務器和數(shù)據(jù)庫之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，而且支持網(wǎng)絡中斷后的重新連接以及數(shù)據(jù)恢復，防止出現(xiàn)由于通訊故障而導致數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

在數(shù)據(jù)管理方面，宏集Cogent DataHub支持用戶自定義規(guī)則，實現(xiàn)關(guān)鍵標簽以及OPC服務器和數(shù)據(jù)庫通信狀態(tài)的監(jiān)控，并支持郵件通知、數(shù)值覆蓋以及軟件服務啟停等執(zhí)行動作，進而滿足客戶在實際應用中的多樣化需求。

通過宏集Cogent DataHub軟件，用戶可以對現(xiàn)場支持OPC協(xié)議的設備進行數(shù)據(jù)采集和存儲，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理，以及整個現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)統(tǒng)籌管理打下堅實的基礎。

3. OPC UA數(shù)據(jù)的采集

傳統(tǒng)OPC通信是基于Windows系統(tǒng)的COM/DCOM技術(shù)，無法應用于Linux系統(tǒng)中，存在一定的局限性。此外，在通信前還需要對OPC客戶端和服務器進行復雜的DCOM配置，而且通信容易受到其他應用的影響，使得通信不穩(wěn)定。為了傳統(tǒng)OPC存在的問題，OPC基金會開發(fā)出新一代OPC技術(shù)——OPC UA。隨著OPC UA技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的現(xiàn)場設備支持OPC UA，而且大量的OPC UA數(shù)據(jù)正在不斷產(chǎn)生。為了安全有效地存儲、檢索和管理OPC UA數(shù)據(jù)，越來越多的企業(yè)采用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，進而實現(xiàn)OPC UA數(shù)據(jù)的高效存儲和管理。為此，宏集提供了一種采集OPC UA數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫的解決方案——Cogent DataHub，功能架構(gòu)如下圖所示。

在數(shù)據(jù)采集方面，宏集Cogent DataHub軟件同時連接的OPC UA服務器數(shù)量無限制，同時采集的OPC UA變量數(shù)量無限制。數(shù)據(jù)采集的實時性能表現(xiàn)中，網(wǎng)絡層面僅引入數(shù)微秒的附加延遲，高效、快速地幫助用戶完成大量OPC UA服務器數(shù)據(jù)的采集。對于支持傳統(tǒng)OPC的設備，可以使用宏集Cogent DataHub軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)OPC和OPC UA的轉(zhuǎn)換。

在數(shù)據(jù)存儲方面，宏集Cogent DataHub軟件可以連接到任何符合ODBC標準的數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)寫入任何數(shù)據(jù)庫表，并從任何表中查詢數(shù)據(jù)。其存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能確保在連接臨時中斷時不會丟失數(shù)據(jù)。

通過宏集Cogent DataHub軟件，用戶可以快速完成項目配置，完成現(xiàn)場OPC UA服務器設備以及支持其他協(xié)議設備的數(shù)據(jù)采集和存儲，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供數(shù)據(jù)來源。

三、用戶案例

1.西門子/GE/安川PLC數(shù)據(jù)上傳到IOT平臺

客戶現(xiàn)場有西門子、GE、安川等多種品牌的PLC，客戶想要將這些PLC數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳到客戶自己開發(fā)的IOT平臺中，進而實現(xiàn)設備狀態(tài)參數(shù)的遠程監(jiān)控?？紤]到客戶的實際需求，我們推薦客戶使用具有宏集EXOR物聯(lián)網(wǎng)HMI/網(wǎng)關(guān)功能的軟件方案——JMobile PC Runtime，該方案與物聯(lián)網(wǎng)HMI/網(wǎng)關(guān)（硬件方案）功能相同，部署在客戶的X86設備中，快速賦予原有X86設備物聯(lián)網(wǎng)HMI/網(wǎng)關(guān)功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸。

通過配套的JMobile Studio組態(tài)軟件，客戶進行簡單配置便完成了PLC協(xié)議以及標簽參數(shù)配置，以及MQTT數(shù)據(jù)聚合策略以及推送策略的制定，實現(xiàn)了現(xiàn)場PLC數(shù)據(jù)和IOT平臺的數(shù)據(jù)交互。

2. 組態(tài)王OPC服務器數(shù)據(jù)存儲亞控數(shù)據(jù)庫

客戶上位機上裝有組態(tài)王軟件，并且已經(jīng)配置好了OPC服務器功能，客戶想要把OPC服務器數(shù)據(jù)存儲到亞控數(shù)據(jù)庫?？紤]到客戶的實際需求，我們推薦客戶使用宏集Cogent DataHub軟件。

客戶首先在軟件上添加組態(tài)王OPC服務器，然后通過ODBC驅(qū)動連接客戶的亞控數(shù)據(jù)庫，并進行數(shù)據(jù)庫表格映射，最終實現(xiàn)組態(tài)王OPC服務器數(shù)據(jù)存儲到亞控數(shù)據(jù)庫。軟件配置簡單易上手，而且提供詳細的說明文檔，最快地幫助客戶實現(xiàn)軟件功能。

3. 多個OPC UA服務器數(shù)據(jù)存儲PostgreSQL數(shù)據(jù)庫

客戶現(xiàn)場有幾十臺OPC UA設備，現(xiàn)在想要采集這些設備數(shù)據(jù)并存儲在工控機中的PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中，同時通過Grafana軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的可視化?？紤]到客戶的實際需求，我們推薦客戶使用宏集Cogent DataHub軟件。

通過軟件提供的Web配置界面以及我們提供的詳細操作文檔，客戶快速完成了OPC UA服務器及其數(shù)據(jù)變量的添加，宏集Cogent DataHub軟件和PostgreSQL數(shù)據(jù)庫之間連接，以及Grafana軟件和PostgreSQL數(shù)據(jù)庫的連接，實現(xiàn)了現(xiàn)場幾十臺OPC UA設備數(shù)據(jù)的采集、存儲和可視化。

總結(jié)

通過宏集提供的一系列物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集方案，不僅可以解決由于現(xiàn)場設備協(xié)議多樣異構(gòu)以及新舊設備協(xié)議不兼容導致的信息孤島問題，還可以將現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫、IOT平臺以及云平臺，使得IT和OT的數(shù)據(jù)融和成為可能，進而幫助用戶實現(xiàn)數(shù)字工廠中物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)采集，推動了數(shù)字工廠的建設以及企業(yè)的智能化生產(chǎn)。

審核編輯 黃宇