终于有人把工业数据采集讲明白了

工业数据采集是利用泛在感知技术对多源异构设备和系统、环境、人员等要素信息进行采集，并通过接口与协议解析数据，为智能制造和工业物联网提供基础支撑，其范围涵盖工业现场、工厂外场景及传统信息系统，按传输介质可分为有线和无线采集。以下从范围、特点、体系结构三方面详细介绍：

工业数据采集的范围

• 采集对象：利用泛在感知技术对多源异构设备和系统、环境、人员等一切要素信息进行采集，信息来源包括加装的物理传感器以及装备与系统本身。
• 政策指引：《智能制造工程实施指南（2016—2020）》将智能传感与控制装备作为关键技术装备研制重点，针对智能制造提出一系列网络标准，强调工业数据采集是智能制造和工业物联网的基础，且多种工业协议并存是现状。
• 应用场景：广义上分为工业现场数据采集和工厂外智能产品/移动装备的数据采集，应用场景包括工厂之外的智慧楼宇、城市管理、物流运输、智能仓储、桥梁隧道和公共交通等，还包括对ERP、MES、APS等传统信息系统的数据采集。
• 传输介质划分：可分为有线网络数据采集和无线网络数据采集。

工业数据采集的特点

• 多种工业协议并存

  协议种类：工业领域使用的通信协议众多，如PROFIBUS、Modbus、CAN、HART、EtherCAT、EthernetIP、Modbus/TCP、PROFINET、OPC UA，以及大量厂商私有协议。

  出现原因：工业软硬件系统存在较强的封闭性和复杂性。

  影响及解决：不同厂商设备采用不同协议，实现互联需解析和转换数据，耗时费力。新建设工厂应从规划阶段考虑应用要求，综合评估多种因素选择合适技术路线，设计好OT与IT互通接口，降低数据采集难度和工作量。

• 时间序列数据

  数据特征：大多数时候带有时间戳，记录数据采集时刻。大量工业数据建模、工业知识组件和算法组件以时间序列数据作为输入，如时域分析或频域分析方法要求原始数据包含时间维度信息。

  应用场景：室内定位在智慧仓储、无人化工厂中应用时，定位引擎要求信号带有时间标签以完成定位计算，保证时空信息的准确性和可追溯性。

  平台搭建：搭建工业物联网平台时，应结合时间序列数据特点，在数据传输、存储、分析方面做针对性考虑，如使用时序数据库（TSDB）专门从时间维度进行设计和优化，数据按时间顺序组织管理。工业数据通常是结构化的，与以非结构化数据为主的互联网数据存在很大差别。

• 实时性

  实时性体现：包括数据采集的实时性以及数据处理的实时性。例如基于传感器的数据采集，采样率是重要指标，温湿度采集采样间隔在分钟级，振动信号每秒钟采集几万个点甚至更多，粒子加速器的束流监测系统采样率达数兆每秒。

  实时处理需求：部分工业物联网应用，如设备故障诊断、多机器人协作、状态监测等，要求在数据采集、分析、决策执行之间完成快速闭环，对数据实时处理要求较高。

  解决方案：在靠近数据源头的现场对数据进行即时处理、实时分析，提取特征量，基于分析结果进行本地决策，同时将分析结果上传到云端，减小数据量。

工业数据采集的体系结构

• 体系组成：包括设备接入、协议转换、边缘计算。设备接入是建立物理世界和数字世界连接的起点，利用有线或无线通信方式实现泛在连接，将数据上报到云端，存在设备接入的复杂性和多样性。数据接入后进行解析、转换，并通过标准应用层协议如MQTT、HTTP上传到物联网平台，部分场景在协议转换后可能在本地做即时数据分析和预处理再上传到云端。边缘计算发展迅速，在工业物联网体系中扮演重要角色，边云协同逐渐成为共识。
• 设备接入产品分类

  通用控制器

  产品类型：如可编程逻辑控制器（PLC）、微控制单位（MCU）等，工业自动化领域的分布式控制系统（DCS）和数据采集与监视控制系统（SCADA）在承担本职功能的同时可作为接入设备使用。

  功能特点：通常集成数字输入输出I/O单元、网络通信单元以及针对特定应用的选配功能，通过串口或以太网物理接口连接，基于现场总线、工业以太网或标准以太网完成数据采集协议的解析。应用于数控机床、激光切割机等各种自动化装备、机器人、SCADA系统的通信管理机等，完成自动化装备自身数据、工艺过程数据采集。

  专用数据采集模块

  功能作用：采集现场对象的物理信号，传感器将物理信号变换为电信号后，专用数据采集模块通过模拟电路的A/D模数转换器或数字电路将电信号转换为可读的数字量。

  应用示例：风力发电机利用力传感器和加速度传感器配合专用数据采集模块，实现风机混凝土应力状态实时在线监测和振动状况监测，并将数据上传到本地或远端服务器进行分析和可视化。形式可能是数据采集板卡、嵌入式数据采集系统等，对于自动化装备或机器人，可通过加装传感器配合专用数据采集模块完成更多维度数据采集。

  智能产品和终端

  特点属性：强调远程无线接入和移动属性，通过运营商4G/5G蜂窝网络、Wi-Fi等室内短距离通信，或者低功耗广域网无线连接上报数据，采集智能产品和终端的各种指标数据。

  应用示例：大部分智能产品和终端在产品定义时直接集成了无线通信能力，如手机和可穿戴设备。具有移动属性的自动化装备，如AGV机器人在室内基于Wi-Fi自组网集群，草皮收割机在户外作业时的远程监测和控制。有些产品终端本身不具备远程接入能力，可间接通过数传模块（DTU）或工业网关实现数据采集。

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