1.1 概述

SmartDAQ智能数据采集器是专门针对SCADA分层分布系统应用推出的前置智能数据采集服务器，内置自主研发的QTOUCH2.2组态软件，它是一台完整的嵌入式计算机平台，其内置软件具有众多PLC/IO/仪表的通讯支持，具有实时数据库，具有sqlite3历史数据库，具有开放的modbusTCP上传接口。其具有工程管理的特点，通过PC进行远程组态下载，具有远程监控，远程维护，远程调试的能力。它能够像PC机一样将本地数据远传到数据服务器中，也可以分担远程数据库服务器的压力，将数据本地存储，具有远程查询，断点续传的特点，确保系统的数据完整性。其内置c语言编译接口，用户可以自行开发专用于自己系统特点的应用，更提供高级c++语言的SDK环境，用户组建自己特色的运行系统。

1.2 应用领域

SmartDAQ智能数据采集器专门为工业设计，广泛应用于钢铁冶金行业能源计量、工程机械车联网、水文水利数据无人值守自动站、电力LCU现地单元串口联网服务器等，其采用ARM9-based RISC高效能处理器，使用了精简内核LINUX嵌入式操作系统，真正实现了工业现场的“3C”（现场控制，现场计算，现场通讯）的要求。它既可以单独使用直接通过自带以太网口向上传输数据，也可以通过无线DTU通信设备接口即时发送数据，还可以建筑能耗采集，能源工作站等使用形成现地控制单元分层分布应用。

运用于物联网

运用于电力监控

运用于太阳能光伏系统

2.1 产品型号

2.2 安装环境

2.3 外形和开孔尺寸

SmartDAQ外形和开孔尺寸：以QT240为例，W180mm*H130mm*D38mm，具体外请参照产品规格。

2.4 电源要求

2.5 接地要求

产品的金属外壳必须接地 直流电源的工作地在产品内部没有连接到实际的大地。为了避免由于虚的点接地造成将外将外部噪声引入系统，最好不要将直流电源的工作地和外壳一起接到大地，但如果必须将电源的接地到星形接地点，则必须保证接地导体长度尽量短、横截面积尽量大。导体必须能够承受至少10A的短路电流。接地的导体必须直接连接到星形接地点。这可以保证接地导体不会承受其他支路的电流。

2.6 CE要求

为保证QT241N系列产品符合EMC的规范 ，减小电气噪声的干扰，在产品的电源接线端子的外壳接地端子上必须接一条独立的#14 AWG规格的接地电缆。这条接地电缆必须按照安装说明直接连接到系统的星形接地点。

2.7 安全指导

这个部分介绍了推荐的安 装惯例和步骤 。虽然没有任何两个应用的 情况是相同 的，但请在安 装时仔细考虑 以下的建议。

ICS 3-304.81 安全性建议：

必须仔细考虑紧急停止功能的作用，它必须独立于可编程控制器之外。

在操作人员直接接触机械部分的位置，例如装载和卸载机械工具的位置，或者机械自动运转的地方，必须仔细考虑现场手动装置或其他备用手段的功能，它需要独立于可编程控制器之外，可以启动或者中断系统的自动运行。

如果需要在系统运转的情况下修改程序，必须考虑采用锁或者其它措施来保证只有得到授权的人才能进行必要的修改。

*这些建议是防止危险设备故障和由这些故障 产生的影响，或者在线 修改程序时可能产生疏忽而造成安全威胁时必要的安全防护措施。

ICS 3-304.81安全性建议是在国际电气制造业协会（NEMA）的许可下从NEMA ICS 3-304标准中复制而来的。

2.8 接口介绍

2.8.1 RS485串口

SmartDAQ系列产品串口分为DB9电器接口和插针是接口，一般DB9接口引脚1为RS465 A+,引脚9为RS485 B-。插针式接口D+ 为RS465 A+, D-为RS485 B-。

2.8.2网口

SmartDAQ系列产品的网口采用的是Ethernet 10M/100M自适应网口，满足数据的快速交换和吞吐，该端口可以用于组态工程的上/下载，系统参数的设置和组态的在线模拟；可以通过以太网连接多个QT241N构成多QT241N联机；可以通过以太网与PLC等通讯； 可以通过以太网口与PC机通讯。

2.8.3 USB接口

SmartDAQ系列产品采用标准的通用的USB2.0接口，该接口用于与U盘、USB鼠标、USB键盘及USB打印机等设备连接，即插即用。

2.8.4 SD卡接口

SmartDAQ系列产品支持SDCARD卡的扩展，给硬件提供了升级的空间。

2.8.5 无线网卡接口

SmartDAQ系列产品中QT241N支持无线网卡接口。支持电信，联通3G、4G无线上网。提供数据无线传输。

2.8.6 其他接口

SmartDAQ系列产品可以扩展其他的接口，如何需要CAN通信可以扩展CAN接口。

3.1 使用方法一 数据透明传输

1）打开Qtouch软件工程管理器如下图：

2）新建串口设备，选择数据透传来配置串口，如图：

配置串口信息（串口号，波特率，数据位等信息）

3）将配置好的工程下载到串口服务器

4）PC 连接SmartDAQ的数据

SmartDAQ智能数据采集器将配置好COM1的数据（已COM1示例）映射到网络地址为IP：192.168.1.10（设备默认IP）PORT 5002端口处，PC 上位机可以通过网络实时接收到数据。

3.2 使用方法二 内置实时数据库

此方法需要建立串口工程，配数据采集点，将不同设备数据采集到QT241N智能数据采集器的实时数据库中，上位机可以通过ModbusTCP协议来连接数据库，此方法的特点是：1数据稳定；2数据上传快；数据断点保持安全可靠；可以和不同的组态软件数据通信。

下面以Modbus协议来介绍：

1）打开QTouch软件工程管理器如下图：

2）新建串口设备，选择ModbusRTU来配置串口，如图：

3）设备数据配点

在modbus设备中：

设备名：是新建串口时的设备名称

设备地址：是通信设备的modbus的地址（一般1-247,0地址是广播地址，248-255 是保留地址）

寄存器区：modbus的数据分区，分别为DO线圈，DI离散输入寄存器，AO保持寄存器，AI输入寄存器

寄存器地址：数据的地址

数据类型：多种数据类型（char ，unsigned char，short，word等数据类型 ）

读写类型：只读，只写，读写

最大值，最小值：数据的最大值和最小值得限制

初值：数据初始值 （目标值=采样值+初始值 例如初始10采样值10 则目标值是10 =10+10）

变比：数据的变比（目标值=变比乘以采样值 例如 变比是2，采样值是10则目标值是20=2*10）

配好的数据如下图：

4)将配好的工程下载到SmartDAQ智能数据采集器。

5)PC端上位机连接SmartDAQ智能数据采集器的实时数据，这时需要建上位机组态工程，如图：

6）新建网络设备

7）网络配置如下图：

8）数据配点（和SmartDAQ只能采集器数据数据建立一一映射），如图：

注意：SmartDAQ智能设备采集器实时数据库的设备地址是固定地址：200

SmartDAQ智能设备采集器实时数据库的寄存器区是：AO保持寄存器

SmartDAQ智能设备采集器实时数据库的寄存器地址是：以0开始，以2递增的

SmartDAQ智能设备采集器实时数据库的数据类型：Float单精度数据

至此SmartDAQ智能设备采集器与上位机工程的数据点一一映射完毕。

3.3 工程的下载和上载

1）工程下载到QT241N智能设备采集器，如图：

注意：第一次下载时需要勾选跟新主程序，以后可以直接下载工程。

SmartDAQ智能采集器的默认IP是：192.168.1.10 （ping 命令可以测试网络连接状态）

如果想将SmartDAQ智能采集器的IP修改为其他的IP，可以通过软件的运行菜单来修改IP如图：

2）SmartDAQ智能设备采集器的工程上载到PC，如图：

3.4 SmartDAQ设备IP和网关的修改

SmartDAQ设备IP和网关的修改可以再实时数据库中修改，打开QT241N工程，双击“实时数据库”，点击“连接”，连接SmartDAQ，点击修改ip图标，修改ip地址后点击“修改”，如图：

(一) 工业数据采集产业综述

1. 市场规模潜力巨大：

中国作为世界第一制造大国，随着工业互联网市场的不断发展和完善，企业对工业数据采集的实时性、可靠性和专业解决方案需求日益增强，中国工业数据采集市场呈现巨大潜力，相关软硬件和服务提供商迎来了良好的发展机遇。

2. 市场各方积极参与

从消化政策、推出工业数据采集解决方案，到发布工业互联网平台，各市场参与方努力寻求业务转型，外资企业和本土企业均在积极部署工业数据采集产品体系和解决方案，谋划市11场布局。

3. 技术产品和解决方案持续推进与完善

当前，工业数据采集技术产品和解决方案仍处于发展阶段，但已有部分厂商推出了一些多样化的解决方案，比如通过构建兼容转换协议的技术产品体系，实现工业数据互联互通；或是通过部署边缘计算模块，实现数据在机器设备端的轻量级运算和实时分析。

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(二) 工业数据采集产业规模和预测

整体市场情况2017 年，中国工业数据采集产业市场规模达到 570 亿元，同比增长 16.3%。预计未来 2-3 年，中国工业数据采集市场将保持稳定增长趋势。

图：2015-2020 年中国工业数据采集市场规模

2. 细分产品市场情况

图：2017 年中国工业数据采集细分产品市场规模

备注 1：传感器包括光电传感器、接近传感器、视觉传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器等。读码设备包括条码设备、射频识别等。工业通讯模块包含工业串口卡、总线卡、串口服务器、工业电源、以太网模块等。

3. 细分行业市场情况

图：2017 年中国工业数据采集细分行业市场规模

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(三) 工业数据采集存在的主要问题

当前工业数据采集面临的突出问题可以总结为“三不”：不敢传（数据安全问题）、不能传（协议标准不统一）、不需传（本地化和实时性问题），无法支撑实时数据采集和实时分析、智能优化和科学决策。

(1) 工业数据采集存在数据安全隐患

工业数据采集会涉及到大量重要工业数据和用户隐私信息，在传输和存储时都会存在一定的数据安全隐患，也存在黑客窃取数据、攻击企业生产系统的风险。急需从技术、管理和法律法规等多方面保障数据安全。

(2) 工业协议标准不统一且数据开放性不够

目前在工业数据采集领域，存在 Profibus、Modbus、CAN、LonWorks、HART、Profinet、EthernetIP 等多种工业协议标准，各个自动化设备生产及集成商还会自己开发各种私有的工业协议，各种协议标准不统一、互不兼容；同时很多设备和系统的数据开放性不够，缺乏数据开放接口及文档说明。导致协议适配、协议解析和数据互联互通困难。

(3) 工业数据采集实时性要求难以保证

生产线的高速运转，精密生产和运动控制等场景则对数据采集的实时性要求不断提高，传统数据采集技术对于高精度、低时延的工业场景难以保证重要的信息实时采集和上传，无法满足生产过程的实时监控需求。

(四) 我国工业数据采集产业格局

当前，工业数据采集发展越来越快，工业互联网的跑道越来越宽，工业自动化企业、网络通信企业、信息技术企业身影已纷纷出现。就当前情况而言，工业自动化企业具备先天竞争优势，起步和前期推广相对容易，可以在原有系统客户上深度耕耘。信息技术企业和网络通信企业在技术架构的高度上更有比较优势，战略构想和规划能力更为突出。

目前，工业数据采集产业供应侧主要有以下三类企业：

一是工业自动化企业，从自身核心产品能力出发，主要为工业数据采集提供接入设备，作为工业数据采集的源头，例如15西门子、研华、霍尼韦尔、安控等；

二是工业网络服务企业，主要为工业数据采集提供工业网络协议转换、传输、安全等配套设备和服务，部分企业从原有优势领域正在积极向制造业领域延伸发展，例如中国电信、中兴通讯、华为等；

三是工业数据采集解决方案企业，主要提供工业数据采集解决方案、系统开发、项目实施、系统集成等服务，例如北自所、和利时、明匠智能等。

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1. 基本内涵

目前在工业数据采集领域，多种工业协议标准并存，各种工业协议标准不统一、互不兼容，导致协议解析、数据格式转换和数据互联互通困难。

协议转换技术就是将不同的工业通信协议通过协议解析、数据转换和地址空间重映射等技术手段转换成统一协议，实现设备21数据采集的信息交互以及和信息系统的互联互通。可以支持常用的工业协议，通过协议转换降低了设备组网的难度，实现了访问的统一性。

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2. 关键技术

OPC 基金会大力推动的 OPC UA 统一架构，是应用程序和现场控制系统连接的标准，可以通过一个统一接口实现多种工业协议标准的数据交换， OPC UA 是以 SOA、WebService 为核心的跨平台数据交换技术。

OPC UA 可用作数据传输的统一通讯协议，为互联互通提供了完善的解决方案。通过 OPC UA 提供了一致、完整的地址空间和服务模型，解决了过去同一系统的信息不能以统一方式被访问的问题。基于 OPC UA 消息的编码格式可以是 XML 文本格式或二进制格式，也可使用多种传输协议进行传输，比如：TCP 和通过HTTP 的网络服务；基于 OPC UA 的标准安全模型，应用程序之间传递消息的底层通信技术提供了加密功能和标记技术，保证了消息的完整性，也防止信息的泄漏；OPC UA 与平台无关，基于WebService 服务架构 (SOA) 和非常灵活的数据交换系统，保障软件开发不局限于任何特定系统平台。

3. 发展趋势：

OPC UA 的最大优势是与平台无关，在对传统的 OPC 进行拓展和兼容的同时，还考虑了 OPC UA 的安全性、冗余性等问题，具备极好的开放性。GE通过将数据采集转换模块Predix Machine22部署在现场传感器、控制器和网关，利用 OPC UA 技术实现工业以太网、工业现场总线等不同协议的转换。

OPC UA 技术由于具备开放性和稳定性，在国内已经取得了市场的认可和应用，随着我国智能制造和工业互联网的发展，OPCUA 技术应用及其标准规范将在各行各业得到广泛应用。

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　　工业物联网(IIoT)带来了构建智能系统的良机，通过智能系统可以共享整个企业范围内以及云平台上设备间的数据。随着对工业物联网和工业4.0兴趣的不断增长，越来越多的设计师、工程师和最终用户关注时间敏感网络（TSN），一套由电气与电子工程师协会（IEEE）修订的标准，从而解决以如下方式处理原始数据的需求：及时方式、减少延迟、提高鲁棒性、以及为更先进的加工制造和产品模型提供基础。希望通过TSN，数据可以更加灵活并且可以在各层和控制系统之间共享。

　　要想支持一个工业物联网架构的这些新功能并且连接网络设备，就需要一个可互操作的系统，并支持多个制造商、协议和机构在同一个TSN网络上共享。为了做好准备，AVnu联盟选择并认证了一套基础机制来满足目标市场的需求，创建一个通用的架构，使更多企业可以在此架构上实现运营技术（OT）和信息技术（IT）的融合。这种融合提高了工业设备的连接性，并且为包括大数据分析以及智能的、连接的系统和机器在内的新的业务提供更快的发展路径。

　　AVnu联盟通过对符合IEEE标准的设备进行一致性与互操作性的认证，使以太网成为一种确定性网络技术，保证网络设备在各应用领域（如专业A/V、汽车、工业控制及消费电子）的互操作性。AVnu组织与其他标准机构、联盟一起，为基于802.1音视频桥接（Audio Video Bridging,AVB）/时间敏感网络（Time Sensitive Networking,TSN）标准的确定性网络开拓一条可行路径，便于设计者及工程师在具体产品中应用这些标准。

　　那么，TSN对于未来的工业系统到底意味着什么？工业物联网将如何影响工业网络？几位来自AVnu联盟成员的专家分享了自己的看法，他们分别是美国国家仪器仪表公司的首席营销经理Todd Walter，博世力士乐公司的以太网融合总监Ludwig Leurs，Intel公司物联网小组的首席系统工程师Anil Kumar，罗克韦尔自动化公司的业务开发经理Paul Brooks，Ixia 公司的产品专家Bogdan Tenea，以及思科公司的工业架构工程师Paul Didier。

　　以太网的进化

　　标准以太网经过演变已经可以担负下一代控制系统的通信。基于此，最近由IEEE 802 LAN/MAN标准委员会（LMSC）、互联网工程任务组（IETF）、以及其他标准组进行的工作，已经扩展了在标准以太网络上运行时间敏感系统的能力，并支持各种各样的应用以及包括专业音频/视频、汽车和工业在内的市场。博世力士乐公司的以太网融合总监Ludwig Leurs介绍，这些主要由IEEE 802.1 TSN任务组推动的标准定义了使用标准以太网技术创建分布式的、同步的、实时的系统所需要的新机制，这将允许在同一网络上实现低延迟控制流量和标准以太网流量的收敛。

　　TSN通过一条以太网支持实时控制和同步，例如在运动应用和机器人之间。TSN可以同时支持其他在制造业应用中常见的数据通讯，推动IT和OT之间的融合。TSN不是一种具有破坏性的技术，它可以让现有的各种工业实时控制应用共存并互操作，例如正在被OPC基金会最终审核的新的OPC UA 发布/订阅模型。基于AVnu在音频/视频应用方面的成功应用，在使用视频摄像机的现代机器的控制回路中重复使用这项技术是有所帮助的。

　　更智能、高效的网络

　　随着工业物联网数据导致网络变得越来越拥堵，TSN如何确保数据可以正常通讯进而让工业物联网可以帮助用户？Intel公司物联网小组的首席系统工程师Anil Kumar认为，TSN 将带来一个由更加智能的、虚拟连接的设备以及基础架构构成的世界。尽管很多在工业物联网中由工业传感器和控制系统采集的数据不都是时间敏感的，还有大量关键任务的、时间敏感的数据必须在严格的延迟和可靠性的范围之内传输和共享。

　　诸如用于传输时间安排、延迟规定、预留带宽以及冗余配置的通用时钟，这种对于TSN的要求使得TSN能确保时间同步的精度，从而支持多个数据流的同步。来自于机器视觉、3D扫描以及功效分析的大数据组可能为网络带宽造成负担。TSN会使用更高的带宽选项支持全双工标准以太网，这些选项包括1Gb、 10Gb，甚至400Gb版本的IEEE 802.3。它同时也会提供顶级的IT安全规定和互操作性，以及可以成长到大规模系统的扩展性。TSN也可以与现有应用和标准IT数据流整合，而且因为它不断进化，也是不会过时的。

　　具有TSN特性的新一代以太网

　　罗克韦尔自动化公司的业务开发经理Paul Brooks认为，TSN的价值源自两个方面：简化收敛以及增加连接性，解锁了实现IIoT所需的关键数据，并促进由大数据分析推动的改进操作。设计人员可以利用来自消费者世界的处理、通讯、软件和系统设计方面的进展，其标准具有在进化中提供精确计时的功能。

　　特别对于工业市场来说，这些标准支撑了简化发展和部署分布的、同步的、在各种工业应用中常见的控制系统的能力，这些工业应用包括机器控制、工厂自动化、发电和配电、石油和天然气开采等等。今天的许多控制应用程序使用的仍是非标准网络接口和基础设施部署。对以太网的诸多限制催生了分化过程，并导致包含实时性能的以太网变体的产生，以满足测量和控制应用的需求。这些变体经常改变以太网堆栈的硬件和基础架构组件，从而保障其行为表现。这些改变提供了控制所需要的延迟和预留带宽。不过，因为它们需要修改硬件，所以不能再与标准的以太网进行互操作，也很难接入到网络。

　　支持未来的工业系统

　　思科公司的工业架构工程师Paul Didier认为，通过TSN， “ 我们已经为工业制造商们建立了关键的结构单元，目前正在构建使用融合网络支持物联网的设备和应用 ”。这些标准仍然在进化中。未来还需要在如下几方面完成标准：弹性，在多路径网络中不丢包；监督信息流从而进一步保护TSN信息流的能力；抢占，将大数据包拆分以及其他能力。

　　除了TSN方面的工作，还需要攻克一些与工业系统直接相关的挑战。在物理层方面，会出现更多的以太网变种：更轻的铜质电缆（例如单股双绞线），更长/更短的距离（10秒到1000秒的米数），以及更多PoE选项，比如为本质安全环境提供的更低能量选项。这可以在更加严峻的工业环境中部署。Paul介绍，在IETF DetNet工作组中，我们在更大的、可扩展的网络上延伸那些TSN的“确定性的”功能，用于处理更大的系统。我们同时也会将TSN引入到标准的、开放的无线网络中。

　　所有这些很好地与通用网络中的关键举措相吻合，包括正在进行中的为更多设备带去更高带宽的努力。这里要特别指出的是，推动自动化网络配置和管理也被称为软件定义的网络。

　　TSN技术的最新进展

　　据Ixia 公司的产品专家Bogdan Tenea介绍，实际上就在去年九月份一个IEEE汽车以太网及IP科技日的活动中，几名AVnu联盟的成员第一次展示了一个被称为抢占（Preemption）的新IEEE TSN标准。当时，来自于Ixia 公司的测试设备证明了互操作性，并且测量了支持这项新技术的原型设备的性能改善。

　　抢占（IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr）[本地和城域网的标准——媒介访问控制桥接器以及虚拟桥接修正版的本地局域网：帧抢占] 是IEEE以太网标准的新补充，可以在信息传输的时候让高优先级的帧打断低优先级的帧，最大限度地降低高优先级信息流的延迟。在工业自动化控制系统的应用方面，抢占可以进一步将不同技术的多个网络融合在一个以太网和IP的基础架构里，可以实现自动化操作以及订单控制生产。通过大幅降低低优先级信息流对重要信息流的影响，两种信息流可以混合在同一链路上。

　　随着最新一代项目的完成并成为标准的正式部分，越来越多的供应商都表现得更感兴趣。AVnu工业业务部门的主席、美国国家仪器仪表公司首席营销经理Todd Walter介绍，2016年第一批TSN工业产品就可以供用户选择了，其中包括来自于美国国家仪器仪表公司的控制器，Intel公司的TSN芯片，以及思科公司的TSN交换机等。

　　在2017年，“我们会从多家AVnu成员那里看到更多的产品。” Todd说。基于开放的以太网标准的事实意味着科技的采用得益于所有企业的投资以及赞助该科技的各个品牌，而且并不限于一家公司的商业计划或者他们将如何开发并支撑该科技的未来决定。工业市场内的制造商们受益于AVnu联盟收集的多个行业的经验和网络专家，以此来加快网络化的实施，最终铺设一条进入市场的快车道。

　　随着标准和网络持续进化，不断改进时进化的还有AVnu的定义和认证标准基础的工作。这最终会包括诸如帧抢占、冗余、流量限制以及安全等机制。除此以外，AVnu所定义的基础会持续支撑额外的功能，包括支持多个IEEE 1588配置文件、规模扩展到非常大的网络架构的指导方针、以及将多个网络聚合/构成一个启用TSN的网络管区。

当数据中心的网络规模变得很大时，不得不要增加网络设备，实现多层级联。现在的数据中心往往都是树形结构，核心放置几台转发容量超大的设备，然后下挂多层设备(因为端口数量不够，可能需要多层)，数十台甚至几百台的网络设备级联到一起，一旦出了故障，如何能快速找到故障设备，经常困扰着很多网络运维人员。

数据中心的网络设备都是有冗余的，只要网络故障时找到故障设备，将其隔离即可恢复业务，然后再去慢慢排查故障原因，但从数百台的设备中找到具体哪台故障绝非易事。网络故障往往先从应用侧得到故障反馈，然后开始排障，这时应用人员往往描述的只是一个应用访问故障现象，他不会告诉你具体哪些地址到哪些地址不通，有时甚至是错误的信息，这极大延误了问题定位时长。问题定位大部分时间都是花在故障现象的整理过程中，怎么办?数据中心网络该如何快速排障?本文将给出答案。

网络故障如果要从应用侧反馈的故障现象去分析，这时已经晚了，而且容易被应用人员带入误区，有些应用人员反馈的现象只是他自己看到的，现象很可能只是一个局部现象，并不能反映出整个网络的故障情况。所以要靠自己，做好网络监控，通过监控去发现问题，从而迅速找到故障设备，做设备隔离或者解除故障。

早期的网络监控主要是对设备的一些日志和端口流量做监控，更多的时候这些信息并不够，并不能及时发现问题。很多网络设备厂商说自己的设备日志非常完整，但实际使用时仍有一些极端情况或者软件BUG导致故障时无日志输出，这时就要针对流量进行定位。到了这个时候，就需要网络人员去找应用人员了解故障现象，通过现场找出一些丢包或者不通的IP地址来，然后进行网络流通，对这个故障流量经过的设备都做流通，找到故障设备。既然是树形网络，每一层都有很多设备，这个流通量是相当大的，而且并不是所有的设备都能支持对所有特征的流量做统计，有不支持的设备就会使得统计不准，加大了寻找故障设备的难度，做网络运维的这些年都是这样坚持过来的。

显然，之前的网络排障方式有效但效率太低，定位故障时间长，对业务影响大。现在的网络监控都是针对数据流的，对网络中的具体数据流进行监控，这样一旦数据流量有中断，立即可以查明故障位置。在这里，要提到几种新兴的网络监控方法，也叫网络可视化技术，是快速排障的最有效方法。

首先是INT(In-band Network Telemetry，带内网络遥测技术)技术，INT通过在数据层面收集和报告网络的状态来实现对网络状态的监控。当数据报文进入第一个网络设备时，设备上设置采样方式采样并镜像出该业务流报文，INT在报文基础上封装一个INT头，并将需要收集的交换机信息填入到INT数据段中，报文经过的所有网络设备均这样处理，直到最后一个服务器连接的网络设备将INT头剥离。

报文经过的每台设备都将采集到的INT报文通过gRPC报文发送到远端的监控服务器进行解析和呈现，INT报文中携带了报文转发的延迟、设备拥塞等情况，都能呈现到监控服务器上，一旦数据报文出现丢包或者不通情况，监控服务器立即感知到，并几秒就能确定问题范围和故障设备。

其次是ERSPAN(Encapsulated Remote Switch Port Analyzer，跨三层IP传输的远程网络流量监控技术)，ERSPAN的报文基于GRE封装，并通过以太网转发到任何IP路由可达的地方。ERSPAN是将源端口报文复制一份通过GRE(Generic Routing Encapsulation)发送到目的服务器进行解析，采集服务器的物理位置不受限制，这样我们可以将整个网络的关键流量转发都通过ERSPAN发送到监控服务器上，流量在哪部分网络出现了丢弃，一目了然。第三是sFlow和Netstream，这两种都是数据采样技术，Netstream采集的比较完整，但需要有专用的硬件来完成，在网络中部署sFlow和Netstream后，可以通过gRPC将监控数据发给服务器，由监控服务器计算和整理，并将结果图形化显示出现，一旦哪部分网络有问题，立即可以在监控服务器上显现。

sFlow和Netstream采集的都是报文头的主要特征，而不是报文整个内容，这个和INT、ERSPAN有较大区别，应对绝大部分网络故障排查都没有问题，除非应用报文特征比较特殊，Netstream捕捉不到，这时只能求助INT和ERSPAN。在一个网络中，并不介意三种监控方案都部署，这样在故障时，可以从多个角度采集的数据去分析问题。

还有一点很重要，尽量要将这些数据采集通过管理网发向监控服务器，否则一旦数据网出问题，可能监控的数据也无法正常达到监控服务器。大部分情况下，数据网络故障很少波及到管理网，所有设备依然可以正常访问，如果故障时，很多设备都无法通过管理网进行访问，基本可以判定这台设备就是故障点。

有了以上这些网络监控方法，出现故障时第一时间发现就不难了，而且完全可以实现自动化，当发现故障时，由监控服务器自动下发隔离命令，将故障设备隔离，自动恢复。这样在应用报障过来之前，就可以找到网络故障位置，及时隔离故障设备，恢复业务，这样可以极大缩短故障分析时间，对业务影响很小，甚至业务部分根本感知不到故障。像INT和ERSPAN这些网络监控的技术实际应用的效果还未知，都是最近总被提及的技术，还有待实践的考验。SFLOW和Netstream技术比较成熟，但真正在网络排障时用到的还不多，需要加大这方面的推广。

依靠这些监控技术，可以快速排除网络故障，这对于数据中心运维来说，意义重大，极大地提升了运维效率。

企业进行智慧工厂升级，核心问题便是，它能给企业带来怎样的变化(效益)，能节能降本多少。可以肯定的是，从传统制造到智能制造，绝不仅仅是简单的效率提升，包括生产效率、监管效率、仓储效率以及整个生产流程均有提升，它会在DNA层面改变一家企业。

目前，想要做好传统制造到智能制造的过渡，当务之急是将流程数字化，这是智慧工厂的必经步骤，现在我国大部分企业连数字化工厂都称不上，更不要谈智慧工厂了。

即使想完成企业数字化，对于我国大多数企业依旧是大难题。需要高层领导有足够大的魄力。首先企业需要明确自己做智慧工厂的目标，包括数字化愿景、对企业进行评估发现不足，最后做出详细规格化。然后进行：企业设计(规划)、具体执行、数字管控系统等等多个领域的融合，最终实现数据通源、虚实融合、绿能高效及智能制造。

然而，企业数字化中的产品配置，制造流程越复杂越多变，越需要人的参与；工人更多地是处理异常情况，调整设备。其中，数据采集一直是困扰着所有制造工厂的传统痛点，自动化设备品牌类型繁多，厂家和数据接口各异，只要还有其他人工参与环节，这些数据就不完整。

工业生产数据采集方式

工业生产设备数据采集有三种方式：分别是数据系统直接联网通信，通过工业网关进行采集和通过远程IO进行采集。

1、直接联网通信

直接联网是指借助数控系统自身的通信协议、通信网口，不添加任何硬件，直接与车间的局域网进行连接，与数据采集服务器进行通信，服务器上的软件进行数据的展示、统计、分析，一般可实现对机床开机、关机、运行、暂停、报警状态的采集，及报警信息的记录。

高端数控系统都自带有用于进行数据通信的以太网口，通过不同的数据传输协议，即可实现对数控机床运行状态的实时监测。发那科0i\31i\18i系列的数控系统在操作面板背面都配置有网口，通过发那科的FOCAS协议，就可以进行直接联网通信；西门子840D系统，PCU50版本以上的也可以通过OPC协议进行设备的直接联网通信。

2、工业网关采集

对于没有以太网通信接口，或不支持以太网通信的数控系统，可以借助工业以太网关的方式连接数控机床的PLC控制器，实现对设备数据的采集，实时获取设备的开机、关机、运行、暂停、报警状态。

工业通信网关可以在各种网络协议间做报文转换，即将车间内各种不同种类的PLC的通信协议转换成一种标准协议，通过该协议实现数据采集服务器对现场PLC设备信息的实时获取。

3、远程IO采集

对于不能直接进行以太网口通信，又没有PLC控制单元的设备，可以通过部署远程IO进行设备运行数据的采集，通过远程IO的方式可以实时采集到设备的开机、关机、运行、报警、暂停状态。

远程IO模块，是工业级远程采集与控制模块，可提供了无源节点的开关量输入采集，通过对设备电气系统的分析，确定需要的电气信号，连接入远程IO模块，由模块将电气系统的开关量、模拟量转化成网络数据，通过车间局域网传送给数据采集服务器。

编辑：Nistone乐石科技（乐渠 | 泛家居新零售解决方案供应商）

网络分流器作用于网络安全监控前端基础装备，属于默默耕耘者！

网络分流器在大数据方面的运用，互联网数据是大数据分析最为重要的数据来源。通过对大量互联网数据进行采集分析分析可以获得很多宏观和微观的有价值信息，而后端的分析业务也在不断扩容，要求前端的采集设备能够将大量的数据报文通过多端口多规则的方式复制输出，不仅需要高密度的100G输入接口，而且要求高密度的10G输出接口。戎腾TS9700系列分流器采用紧凑的100G输入输出端口和10G输入输出端口配置，可以最大限度的将IDC机房的线路接入分流器，然后通过大量的复制输出到后端的各类应用中，当后端应用系统增加和扩容时，在不调整网络分流器结构的情况下满足用户的需求。

网络分流器将IDC机房的多种线路接入到设备中，通过过滤、复制、分流等处理，将数据报文输出到后端的P2P视频分析平台、网页分析平台、广告分析平台及其他业务分析平台。当IDC机房的数据线路超过了1台TS9700系列网络分流器的容量，或者需要部署在多个IDC机房时，网络分流器通过互联链路将来自不同设备的输入报文输出到同一种后端分析平台中，达到会话数据同源同宿的目的。

网络分流器的大数据采集方案具有以下优势：

l 高密度的输入输出接口：戎腾TS9700采用100G交换板TS97-SC3200作为100G接口的输入输出，每块业务板（配置后插卡时）最大能够支持19个100G输入输出，采用10G输入输出业务板TS97-CNT32作为10G 接口的输入输出，每块业务板（配置后插卡时）最大能够支持48个10G以太网输入输出；

l 配置灵活：TS9700系列分流器有TS9704、TS9707、TS9714等多种系列，可根据IDC机房的线路规模进行灵活配置；

l 扩容方便：TS9700系列分流器最大能够支持76波100G线路，当IDC机房线路超过该设备容量时，可以通过增加设备数量满足用户需求，多个设备之间采用100G或10G线路进行互联。

工业生产现场数据采集原则有两点：一是目的性，二是经济性；

目的性是指在做设备的数据采集之前，先要明确所要采集的数据是否具有可观的价值。工业现场其实已经有很多的数据采集系统了，SCADA、HMI什么的也都是应用很广泛了，但是，其中又有多少数据被充分的分析，挖掘其潜在的价值的呢？

大部分情况是，采集了数据后并不知道怎么去利用。国内大部分的工业现场还处在解决生产过程可见性的阶段，能够先把数据采集上来是当务之急，至少能够实时地了解到现场都发生了什么。在智能制造背景下，要将目光放长远，在做数据采集之前，尽可能地多去思考一下什么样的数据对我们的业务改进帮助最大，这样也许会让我们在数据采集方面的投资回报率更好看一些。

经济性是指投资的回报效益。对于工业现场的数据采集，很多人第一个想法就是装传感器。不管什么样的项目，我们首先需要考虑的是投资回报率的问题，装传感器的方式可能是投资最大的一种。因此，做设备层的数据采集，一定要结合我们的数采目标，充分利用设备的现有条件(比如，设备已经具备的上位机系统、已经具备的通讯协议等)用最经济高效的方式来做数采技术路线的设计。

工业数据采集设备分类：有上位机系统的设备(设备自带的监控系统)、基于非TCP/IP通讯协议的设备、基于TCP/IP通讯协议的设备、不具备通讯接口的设备。

自动化系统设备数据采集系统采集方法主要是通过Web系统、生产线工作站系统、OPC服务器等配置对生产线上的各个设备的生产数据进行监控。同时将有效数据采集仓储在数据库中。这对整个生产系统进行生产线、工序参数、工作流程、设备参数、设备类型、OPC服务、通讯协议的全方位设置、管理。

如需增加设备，只要在中心管理系统增加相应的设备类型，配置好相关的采集参数即可，可有效节约成本；生产过程中通过缓存交互数据，不直接和数据库交互，极大的提高了数据采集的性能；通过心跳检测程序，实时反馈生产设备的异常，保证生产数据完整性。

一种自动化生产线设备数据采集方法，可以是如下步骤：

1.根据自动化生产线上各种设备的不同协议类型，将支持OPC相关协议的设备与OPC连接；将支持TCP开放协议的设备与生产线工作站系统中的网口交换机连接；将支持COM开放协议的设备与生产线工作站系统中的串口交换机连接；

2.通过Web系统配置生产线的全局属性；

3.生产线工作站系统启动时从Web系统中同步本生产线所有相关配置，并存入缓存；

4.生产线工作站初始化时，根据设备在Web系统的协议类型，连接每个设备，并启用OPC监听、TCP监听或COM监听。对于“基于TCP/IP通讯协议”，比较常用的有OPC Classic、Siemens S7、Modbus-TCP等通用协议，也有设备厂商自行定义的私有协议。这些协议的特点是都是基于TCP/IP协议簇，只是应用层协议不同。采用这些协议的设备一般都会有RJ45的接口，也就是以太网口，都可以直接通过以太网接入到车间网络中。对这些设备的数据采集，我们需要做的就是对上述协议的解析。对于OPC等通用协议，已经有很多成熟的SCADA产品可以利用，近些年，也有很多开源框架、商业化的组件可以应用，比如Eclipse neoSCADA，Kepware等等，都能够在完成上述协议的解析的同时，将其转换为一些IT领域常用的接口(RESTful API)，方便其他信息系统的对接。

5、将监听到的每个设备数据写入工作站数据库。

设备数据分析，可以通过多种查询工具可以快速查询生产实时数据、相关历史数据。给管理人员重要决策提供有效数据基础。可以对数据进行横向比较，可以对历史数据进行分析。通过系统统计分析没太机器的运转率，故障时间累计以及车间设备总体利用率。系统可以提供柱状图、饼图、报表等分析工具，展现现场设备运转统计分析数据。自动统计每天限的产量数据，可以按照不同的班组、时间段等多种条件进行综合查询。

同时对于设备的故障管理也可以进行相关数据记录，比如不同的设备及其台号，故障类型、时间段等多种条件进行历史查询赛选。这样可以进行历史数据查询，更好的帮助技术人员进行设备故障原因分分析，提高问题解决效率。

FC-Gateway数据采集接口网关是北京华恒信远专门为工业标准通讯接口OPC Server软件、数据采集接口软件配套定制开发的一款嵌入式硬件产品，内置两个标准RS-232串口（其中一个串口可以通过跳线设置成RS-485）和两个RJ45以太网口，型号为Gateway-227B， 此外，还有Gateway-240B、Gateway-230B等嵌入式工控机型号。 该设备操作系统有Windows、Linux两种，其功能与特点如下： 1、OPC服务器：可连接DCS、PLC等控制系统，读写实时数据，包装成OPC Server工业标准通讯接口，提供给实时数据库系统、先进控制系统和MES系统集成商； 2、安全隔离：当数据采集接口网关为实时数据库系统提供实时数据时，它一般位于自动化控制系统和实时数据库服务器之间，由于数据采集接口网关采用了内置单向数据传输技术，可达到自动化控制系统和实时数据库服务器之间的安全隔离目的。 3、该产品操作系统、数据采集程序等均固化，不可修改。一旦被修改，重新启动后，自动恢复到初始状态，可防止病毒以及黑客软件攻击。 4、结构先进、安装方便，该产品高度1U，可以直接安装在标准机柜中，独特的散热技术，1U机箱有多个磁悬浮风扇散热。 5、数据采集冗余设计：支持双机双网冗余通讯。 6、可作为InfoPlus.21、PI、PHD等实时数据库系统的数据采集终端，也可写数据至关系数据库，为MIS、ERP等管理信息系统提供生产实时数据。

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工业数据采集过程，包含多类工业设备接入、多种工业通信网络协议解析、多源工业数据格式转换、实时工业数据存储与预处理等多个环节，为实现多源设备、异构系统、运营环境、人等要素信息的实时高效采集，需要大量 IT、OT 与 CT 核心关键技术支撑。

本报告所列工业数据采集关键技术主要源于工业数据采集各相关方共同关切和发展急需的方面。工业数据采集主要涉及工业通信网络、协议转换、物体标识及解析、边缘计算、工业人工智能等关键技术。

(一) 工业通信网络

工业数据采集常用工业通信网络技术主要有工业现场总线、工业以太网、工业光纤网络、TSN、NB-IoT、4G/5G 等，总体上可16分为有线和无线通信网络技术。

有线通信网络技术主要包括现场总线、工业以太网、工业光纤网络、TSN 等，现阶段工业现场设备数据采集主要采用有线通信网络技术，以保证信息实时采集和上传，对生产过程实时监控的需求。

无线通信网络技术正逐步向工业数据采集领域渗透，已成为有线网络的重要补充。主要包括短距离通信技术 RFID、Zigbee、WIFI 等，用于车间内的传感数据读取、物品及资产管理、AGV 等无线设备的网络连接；专用工业无线通信技术 WIA-PA/FA、WirelessHART、ISA100.11a 等；以及蜂窝无线通信技术 4G/5G、NB-IoT 等，用于工厂外智能产品、大型远距离移动设备、手持终端等的网络连接。

1. 现场总线：

现场总线主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。现场总线目前仍没有统一标准，很多公司都推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一，目前应用较多的有 Profibus、CAN、LonWorks、HART、Modbus 等。

现场总线在工业界使用时间较长，技术成熟稳定。现场总线仍然是目前工业环境应用最为广泛的工业网络，现场总线的简单17性、可靠性高的优点受到许多用户的喜爱。随着中国产业升级的进一步深化，现场总线作为智能制造和工业互联网的基础，预计从 2018 年开始新增节点数会逐步回升。

2. 工业以太网：

工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网采用 TCP/IP 协议，和IEEE 802.3 标准兼容，但在应用层会加入各自特有的协议。工业以太网实现了以太网 TCP/IP 协议与工业现场总线的融合，是在标准以太网协议基础上修改或增加一些特定的功能而形成的。工业以太网在发展过程中形成了多种协议标准，包括 Profinet、EthernetIP、Modbus/TCP、EtherCAT 等，这些协议背后皆有各自支持厂商，难以形成统一标准。

工业以太网最大的优势在于：能够使企业的信息网络和控制网络实现统一；以太网容易实现网络集成，开发技术广泛，价格较低，容易获得众多厂商的支持。

工业以太网近几年快速发展，技术逐渐成熟，电磁兼容性、高低温等工业特性已能够满足工业数据采集需求，在工业数据采集领域得到了广泛应用，近年来工业以太网的市场占比逐步上升。

3. 工业光纤网络

随着无源光网络（PON）技术在电信、电力行业的广泛应用，工业光纤网络已成为工业数据采集领域的一种新型组网技术。工业光纤网络在工业互联网体系架构中处于车间级网络位置，工业18光纤网络由汇聚设备 OLT、无源分光器、PON 接入设备 ONU 组成，可以提供多种工业接口，实现工业设备数据、生产数据到企业 IT系统的可靠有效地传输。

工业光纤网络在工业场景下最常用的组网方式是基于 TypeD 保护方式的手拉手保护链型组网和星型组网，实现全光路保护，提高了车间通信网络的可靠性，为制造企业的通信可靠性提供了坚实的保障。

工业光纤网络具有以下优点：PON 通过无源器件组网，不受电磁干扰和雷电影响；采用自愈环形网络支持并联型，切换时间短、抵抗失效能力强；点到多点传输架构，终端并行接入，部署灵活；仅需单根光纤线传输，最远覆盖 30 公里范围；多业务承载，支持数据、视频、语音、时间同步等多种业务；高安全性，PON 网络设置 ONU 安全注册机制，下行数据传送天然加密，上行数据传送时分机制隔离。

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4. TSN

TSN 是 IEEE 提出的一个国际标准，TSN 是为了解决工业领域中的互操作性孕育而生的标准协议，厂商设备之间可以进行非常好的互联互通。TSN 是基于以太网标准的确定性实时通信机制，定义了极其准确、极易预测的网络时间，具备高数据量传输与优先权设定功能等优势。TSN 是其它工业以太网协议的基础，现有的工业以太网协议未来将会成为 TSN 网络之上的专属网络协议，因此这类协议依旧会存在，但彼此之间不会互相取代。

通过为以太网增添诸多功能特性，有效地解决了工业数据采集数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。同时又保持了 100%向后兼容传统以太网，TSN 确保了关键任务型时间敏感数据在网络上不会滞留，有助于跨许多行业打造一个互操作性的生态系统。通过使用标准的以太网组件，TSN 可无缝集成现有棕色地带应用和标准的 IT 网络来提高易用性。此外，TSN 继承了 HTTP 接口和 WEB 服务，实现了工业数据采集系统所需的远程监控、可视化和修复功能。

5. NB-IoT

NB-IoT 是由 3GPP 定义的基于蜂窝网络的窄带物联网技术,它支持海量连接、有深度覆盖能力、功耗低，适合于传感、计量、监控等工业数据采集应用，可满足这些应用对广覆盖、低功耗、低成本的需求，目前广泛商用的 2G/3G/4G 及其他无线技术都无法满足这些挑战。

NB-IoT 单小区可支持 5 万用户，NB-IoT 可以比现有无线技术提供 50~100 倍的接入数；NB-IoT 比 LTE 提升 20dB 增益，很好实现广域覆盖,就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到。

NB-IoT 引入超长 DRX 省电技术和 PSM 省电态模式，可让设备时时在线，通过减少不必要的信令和在 PSM 状态时不接受寻呼信息来达到省电目的，保障电池 5 年以上的使用寿命。

6. 5G（第五代移动通信网络）

近些年 WiFi、Zigbee 和 WirelessHART 等无线通信网络技术已经在制造车间使用，但这些无线技术存在局限性，不能满足智能制造对于数据采集的灵活、可移动、高带宽、低时延和高可靠等通信要求。

5G 具有更高的速率、更宽的带宽，预计 5G 网速将比 4G 提高 10 倍左右，从行业应用看，5G 具有更高的可靠性，更低的时延，支持接入网络更多、密度更大，可以为关键任务型的服务提供保障能力。能满足工业数据采集的高带宽、低时延和高可靠性等网络通信需求，可保证工业信息实时采集和上传，从而实现对生产过程的实时监控。

从发展态势看，5G 目前还处于技术标准的研究阶段，5G 有望 2020 年正式商用。目前，有线连接在工业数据采集连接数量方面占主导地位。但预测显示，从 2022 年到 2026 年，5G 物联网连接的平均年复合增长率将达到 464%。

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