数据传输（通讯网络）

数据传输类型分为有线传输、无线传输两种，有效的将数据传输到服务器的媒介。无线传输是以GPRS模块为主的专网和公网专线通讯，适用于现场复杂，距离较过，不宜布线和布线难度较大的环境。

工业基础数据管理平台的高度中心

工业基础数据管理平台包含数据存储系统、数据管理分析软件系统、调度台、大屏幕系统、视频监控系统、程控电话、机房及其配置等。

数据采集箱

根据用户提供测量点的位置分布确定采集箱站点的数量，按照采集点相对集中的原则，在全厂布置数据采集箱。

工业物联网网络配置图

数据管理软件功能介绍

为更好的做好工业基础数据管理平台，对项目中技术要求较高的数据查询分析系统软件部分，依托天津大学优秀的软件开发团队，在天津大学已开发的三维软件及电力管理软件的基础上，通过提出的要求，开发升级为配套的工业基础数据管理平台实用软件。该软件可以以厂区分布，行业工艺流程为基点，分析设置界面。软件具有灵活的柔性设置优势，用户可根据自身特点，建立形象的图片向导，建立自定义报表，建立数据需求，可直观体现能源使用分布情况及能源利用状况。使更多企业应用工业基础数据管理平台，达到节能降耗，提高能源使用效率，降低成本，同时掌控生产过程数据，实现产品质量的保证和稳定，并具有可追溯性，为中国智能工厂的建设做好基础工作。

预警显示

能源管理系统中预警显示，根据用户的需求对生产单位中重点的设备，重点的耗能介质进行预设置最大消耗量，如果超出该最大量，系统会自动弹出报警提示，并且有声音的提示，如果用户未处理该报警提示，则报警提示实时显示。

数据显示

按照设备查询、介质查询、单位查询或时间查询出厂区内所有数据点的表累计流量、瞬时流量等数值。

报表分析

按照客户需求生成能源报表，包括日报表、月报表、年报表、班报表等。报表内容为需求点信息，将生成的数据结果导出Excel。

图形分析

将数据通过图表，折线等图形形式显示，直观显示设备的能耗情况，还可以将现场不同设备按照任意时间和类型的历史数据进行图形显示。数据通过饼状图、柱状图、折线图、列表等可视化形式展示出来。

站点分布

能源管理系统可根据用户的需求对生产单位中各个站点进行检测，当有的站点发出报警信息时，报警站点的文字将会变成红色，便于即时进行处理。

耗能分析

根据用户实际用量，显示总的介质能耗，分析能耗弱项。

行业应用

电力需求侧管理平台

经济发展带来巨大的能源消耗，随着全球能源供应的日趋紧张，各种能源费用都呈上升趋势。近些年以电力为首的能源紧缺问题日益突出，如何科学、准确的提高电力能源的高度工作，确保电力能源供应质与量，同时减少电力能源供给问题对社会经济发展工作带来的压制早已成为了目前国内电力企业所要面临的一个重要问题。传统的手工抄表，费时、费力、准确性和及时性得不到可靠的保障，这就电力行业的企业管理不能获得足够详细和准确的原则数据。随着无线通信数字网络的发展，电力抄表能耗分析系统已成为发展的必然趋势。

电力抄表能耗分析系统采用B/S结构，支持智能手机等智能终端访问，能显示现场计量数据，所有数据在系统中可按时间进行数据历史查询，系统有能耗功能，可以按日、按周、按月查询各个单位中电量的能耗信息以及计算能耗消费价格，并可进行实际的调度，这样方便以后的各部门单位按计划进行实施，根据现实数据可发展并找出因人为因素所导致的能源消费，预测在采取了节能措施后，可能达到的预测效果。

冶金行业

冶金行业工艺流程

根据用户工艺流程，可设置多个工艺流程图，可分级设置工艺流程界面。软件具有灵活的柔性设置优势，用户可根据自身特点，建立形象图片向导，建立数据需求。

热力供热行业

随着国民经济的不断发展，人们对供暖质量的需求也在逐步提高。在传统供热模式下，为满足供热需求，换热站内设备运行参数多为人工调节，随着室外温度计热负荷的不断改变，不断的人工调节二次供水湿度以保证用户室内能够维持恒定的湿度，在大规模的应用与实验过程中，热风管控系统逐步走向了自动化的发展道路，且热网自动化控制的精细程度也在与日提升。

热力站智能热网管控系统针对每个热力站的运行情况进行远程数据记录、检测及控制调度。通过将每个热力站内控制箱接入本系统可对其实时数据，如供水温度、回水温度、多个阀门及水泵的状态等进行远程控制调节，使热力工作人员无需到每个热力站进行手动调节，达到方便快捷、提高效率、降低能源消耗的目的。

热电蒸汽管网管理平台

随着科学技术的日新月异，尤其是计算机、通讯技术的迅速发展，自动控制水平也得到了快速的发展和广泛的应用，需求用户对供热质量的要求不断提高和能源紧张的今天，提高供热质量同时节约能源势在必行。供热（蒸汽）管理能源管理系统将实时、全面了角供热系统的运行工况，监视不利于况点的运行，保证区域供热系统安全合理地运行，并可根据运行数据进行供热品质及舒适度，延长了设备的使用寿命。

供热（蒸汽）管理能源管理系统采用B/S结构，支持智能手机等智能终端访问，能显示能源介质当前采集数据，例如：瞬时流量、累积流量、温度、压力、电量等。所有数据可通过饼状图、柱状图、曲线图等可视化形式展示。系统具有超量报警功能，报警具有声音输出。所有数据存储到数据库内，支持导入和导出功能，具有数据筛选等辅助功能，数据的各项统计功能。具有数据曲线对比功能，支持报表输出，报表打印等功能。

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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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制造业生产数据采集的作用与意义导读：制造业是我国国民经济的支柱产业，也是推动工业化的原动力，现代制造业已经并且正在深刻地改变着人们的生产方式、生活方式甚至社会文化。全球经济一体化的趋势愈演愈烈，国际竞争不断加剧，制造业的发展必须不断提高在质量保障、品种多样化、快速设计制造、快速检测响应以及快速重组等方面的要求。于是，“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”被提到了前所未有的高度、深度和广度。

制造业生产数据采集的作用与意义

众所周知，制造业的信息化主要包括设计数字化、生产数字化、装备数字化、管理数字化、企业数字化等。信息化的大趋势使世界各国争先恐后的把先进技术和信息化引进到传统工业和制造业。1990 年，美国 AMR(Advanced Manufacturing Research)所提出的制造行业的ERP(Enterprise Resources Planning,企业资源规划)/MES(Manufacturing Execution System,制造执行系统)/PCS(Process Control System,过程控制系统)三层结构,已经成功地在许多行业得到了应用,并被越来越多的企业所认可.

美国 AMR 研究公司对MES 的定义表述为：MES 是一个常驻工厂层的信息系统，介于企业领导层的计划系统与生产过程的直接工业控制系统之间，它以当前视角向操作人员、管理人员提供生产过程的全部资源(人、设备、材料、工具和客户要求)的数据和信息，其着重点是将信息技术运用于改善制造过程。

而作为MES中低层的数据采集功能，可以实现对生产现场各种数据的收集、整理工作，是进行物料跟踪、生产计划、产品历史记录维护以及其它生产管理的基础。它可以为企业中其他例如ERP等管理信息系统提供实时数据。另一方面，MES也要从其它管理系统中获取相关的数据以保证MES自身正常运行。因此要满足MES快速、实时的要求，作为各种功能模块运行基础的数据就显得十分重要。一个迅速而可靠的数据采集系统是整个MES能够正常稳定工作的有力保证。

制造企业面临的数据采集现状

作为车间底层的数据采集系统，在企业实际生产过程中却存在着许多困难，尤其是在离散企业中由于自动化程度较低，往往存在着以下特点：

生产过程不可视：主要体现在不能实时了解生产现场中在制品、人员、设备、物料等制造资源和加工任务状态的动态变化。

生产过程复杂性：由于产品结构和加工工艺的复杂性，造成生产过程中各制造过程的关联性强，生产环境复杂多变(临时插单、材料短缺等) 。

制造过程信息集成度低：制造过程中的各种信息不能有效进行集成，导致产能不能得到充分利用。

信息不能有效与上层管理系统进行集成：这种隔断造成生产过程不透明，生产进度、在制品状况、设备利用状况等关键数据不能到达管理层，增加了过程管理和生产决策的复杂性。

制造过程信息的真实性差：现场数据信息过多依赖人机交互界面通过人工录入，增加了出错的机率。

制造过程信息的实时性低：作业任务随市场需求的频繁调整变化，不利于制造过程信息的实时采集，再加上制造过程信息交互的速度和效率低下，造成企业对市场变化的响应速度慢。

企业设计层和管理层到车间层特别是车间设备层的信息采集困难，一方面车间设备层的重要信息难于采集和上传，无法达到对生产过程的监控。另一方面上层系统难以深入到车间和设备层，从而影响管理信息系统的准确运行，使动态信息成为脱离实际的无源之水难于及时下达，从而使整个企业信息化难以产生更大的效益。

上述特点反映了制造车间迫切需要对制造过程进行信息化的数据采集管理，从而建立一个完整高效的离散制造车间数据采集及其分析处理系统是实现离散车间信息化的基础。数据采集及其分析处理系统的主要功能就是将车间的各种离散数据完整实时的采集到车间数据库中，并进行初步的分析处理，将车间生产的信息实时准确的反馈到车间的管理层，加强管理人员对车间生产现场的监控和管理，并为企业管理人员制定生产计划提供依据。

华磊迅拓科技专业提供SCADA数据采集监控系统，OrBit-SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统是"制造业物联网信息总线"的具体实现，它包含两个层次的含义：一是分步式的实时数据采集系统，即工业通讯与控制的PC上位机系统 ；另一个是生产现场的场景建模和显示系统。

随着工业科技的不断发展与技术的不断更新，在对于工业生产上的数据采集也越来越严格。

以前我们可以在产品生产完了再进行数据的统一收集，如今对数据的采集是实行实时制且需要可以一边观测的时候一边可以实施同步的调整数据，以达到生产过程中都能达到最合理的范围内。而实时制的数据采集与应用方式使整个生产水平得到了显著提升。

德航智能在工控行业内一直兢兢业业的耕耘着，公司在短短几年内发展成为如今的规模，离不开细致的服务与帮助不同的客户建立应用现场需求。现针对德航智能最成熟的产品——工业平板电脑应用于生产现场的数据采集，来讲一下怎么建立帮助客户解决需求方案的。

该解决方案帮助客户快速的在生产车间进行数据采集，实现了实时的获取车间现场数据信息，方便了生产数据可以第一时间进行调整并进行生产，为接下来的决策提供了实时的数据依据。

在工业现场中应用：

工业现场中，PC产品一般都是配套生产机器使用的，因而装载PC产品的空间会比较狭小，有的需求还要将PC产品进行嵌入式安装或固定在支架上。这对于台式PC来说是很难实现的，这时工业平板电脑在这里就发挥了很大的作用，在产品的机身背后有国际标准的VESA孔可方便产品嵌入或固定安装到各种空间中。

此外，工业平板电脑还拥有网口、串口、VGA等端口完全的满足了日常工业生产现场中的数据采集，在采集数据时，可直接通过串口线与之相连，同时工程师可在数据采集界面中设置相关的信息。

在工业机械加工行业的应用：

机械加工中的应用都是比较精细的且数据不能产生偏差，因为这种都是差之毫厘失之千里。传统的操作方式候都是采用人工输入到PC端中方式进行数据采集，然而这很容易的产生错误，一步错步步错，使机械的生产产生了很大的困难。

现在将工业平板电脑应用到机械加工中并外置了传感器，当机械产品接触到传感器发出的红外线时，传感器可以准确的将数据记录下来并传输到界面中让工程师可观测到产品的精确数据，以便工程师可以在第一时间知道在生产的产品中那个是不合格品、那个是数据出现了错误。这时工程师可以马上将产品返工并及时的调整数据，这就大大的增加了生成效率。

与SPC软件等系统的配合使用：

首先我们得了解一下什么叫SPC软件，SPC软件它是一种科学的、以数据为依据的质量分析与改进工具。利用了数理统计的原理，通过检测资料的收集和分析，可以达到“事前预防”的效果，从而有效的控制了生产过程、实时的不断改进品质。

SPC软件系统可为生产制造企业科学地将生产过程中的正常波动与异常波动给区分开来,它可以及时地发现异常状况，方便工程师采取措施进行异常的消除从而恢复稳定的生产，是质量成本得到了降低并提高了整体的产品质量。

而工业平板电脑作为SPC软件系统应用的载体,系统对工业平板电脑品质及接口方面有着比较高的要求，这不仅方便了数据的采集更是提高了整个生产效率。搭载SPC软件系统的工业平板电脑实现了对数据的实时监控，让生产人员可以第一时间发现问题避免重大生产事故的发生。

德航智能作为一个成熟的工业平板电脑设计及生产制造商，可为客户提供一款实现实时、自动、高效的数据采集的工业平板电脑，多种端口方便了不同的外设设备的接入，而高性能的处理器则高速的将采集的数据进行分析与处理，大容量的存储器则可将数据全方面的存储下来，方便工程师对整个生产车间的数据进行分析。

德航智能的工业平板电脑除了应用以上提到的几个方面外,它在与IQC入料检验系统、工时管理系统、OEE设备管理系统等系统都有很好的兼容，它们之间的配合使用提高整个生产的效率、减小了生产成本与生产时间。

最后，德航智能还研发出了一款手持的工业平板电脑，该款产品可作为移动式的工业数据采集终端。它体积小、质量轻、性能高、多端口，并适于户外数据的采集等特点,目前已被广泛的推广在一些工业应用现场中，实现了移动数据的实时采集与实时的上传到服务器中。

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）

工业互联网是在传统互联网的基础上建立起来的。这种演化是工业技术发展的必然趋势。传统互联网将人与人通过计算机网络连接在一起，分享各种信息，传递各种需求，获得各种服务，这是人类社会、经济、科技发展的巨大进步。但是，这种连接的能力还是非常有限的。因为如果只有人而没有机器的参与，我们应用互联网的空间不是完整的。只有当全球70多亿人口和600亿台左右的机器都能够连接在一起的时候，互联网的价值才能得到最大程度的彰显，人类社会才能完全从体力和脑力劳动中彻底解放出来。我们今天已经步入了“复杂的工作要用最简单的方法来处理”的时代。这就是工业互联网技术发展的原动力，发展的趋势不可逆转。在传统互联网的基础上，影响这项技术发展速度的一个重要因素是机器侧的数据采集和云控制技术问题。事实上，这就是自动化技术与信息化技术深度融合的问题。这个问题处理好了，工业互联网的发展就会更顺利一些。机器的连接只是手段，能对机器的有效管控才是工业互联网发展的重要目的。

目前，数据采集技术主要受到两个方面的制约。一是部分机器没有数据接口，二是存在大量异构的通讯规范。与此同时，我们还要考虑到工业发展的惯性，不能完全采用新旧技术彻底更替的办法来解决这两方面的问题。所以，工业社会必须要有这样的技术，在没有数据接口的机器上能够增加数据接口（包括传感器），在异构通讯规范之间采用全兼容的数据采集技术。通用网关是提供这种全兼容技术的产品。在工业互联网技术体系中，通用网关属于边缘计算的一部分。这是与传统互联网明显不同的地方。每一种通讯协议都对应着通用网关中的一种通讯驱动。一项新的技术是把通讯数据包交给通用网关中边缘计算来处理，以便分解出有效的信息来。这将极大地降低通用网关的通讯处理开发成本，提高通用网关数据采集的灵活性。边缘计算的另一个用途当然是对采集来的数据进行必要的处理，以减轻云平台的计算压力。同时，多个边缘计算构成的雾计算，也是工业互联网的重要组成部分。雾计算的加入，可极大地提升工业互联网的分布计算能力。考虑到互联网通讯的不确定性，还需要在通用网关中增加断网续传的功能，以保持数据的完整性。除此之外，我们还需要关注数据的实时性和同步性问题。这些特性一般能够通过调整通讯的请求周期和标记数据的时间戳来确定。显而易见，通用网关是数据采集的重要设备，它在整个工业互联网中构成了一个庞大的通讯节点系统，对于整个工业互联网的运行有着非常重要的影响。为此，我们需要一种有效的网络工具，用于管理这样的通讯节点系统，对它们的运行状态，采集数据更新，采集周期等状态进行监控，同时也能对相应的软件维护、节点参数、接口配置等进行动态的调整。

云控制是工业互联网很重要的一项功能。但是，目前工业互联网的关注点主要集中在数据的处理和信息的管理方面。事实上，由于工业互联网中云平台能够综合更多的数据，因此它不仅可以对企业的管理过程提供重要的决策，而且可以对机器的控制过程提供更优的指令。云机器人和能源互联网都属于云控制的典型的应用。人工智能的技术需要强大的计算资源的支持，而这只有在云计算环境中才能得到满足。只有当强大的云控制功能和强大的数据采集功能结合在一起的时候，工业互联网才能具有真正强大的支配机器的能力。一般情况下，工业互联网的云平台是按照PaaS架构进行设计的。云控制可利用这方面的计算资源，进行智能控制、资源调度、优化决策，以及多个生产过程的协同作业等方面的计算处理，从而为机器的先进控制提供最优的设定值。云控制需要解决的关键技术问题是：互联网通讯的不确定性造成的数据通讯延迟补偿，如何让复杂算法的编辑、编译和基于工业互联网的动态调试过程变得更加简单和直观。工业APP提供的可视化能力，也为云控制技术的工程应用提供了有力支撑。另外，云控制需要边缘计算的协同。边缘计算一方面为云控制提供数据通讯的通道，一方面也为云控制过程提供安全保障。随着工业互联网技术的快速发展，云控制将逐步成为工业领域中最重要的一种生产技术。

工业互联网是生产企业控制与管理深度融合的重要技术设施。数据采集和控制是工业互联网连接机器社会的重要手段。数据采集和云控制技术的研究与应用，将有效消除人们对工业互联网发展的质疑，并产生积极的促进作用。

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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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在工业大数据领域的从业者有很大一部分是传统IT从业人员，对于工业控制协议比较陌生，因此再做工业大数据采集时，对于各类工业协议有时容易搞不清楚，我简单把在做工业大数据采集时常见的几种工业协议整理了一下，以便搞清这些工业协议的概念和区别。

为了容易理解，我把常见的工业协议按照OSI（Open System Interconnect）参考模型分到了不同层次，注意，这只是为了容易理解和区分各类协议，实际上，随着各种协议的发展，很多自身都跨越了很多层次，能够实现多层协议的功能，我们做的划分只是它最重要的功能所处的协议层。

接下来，按照从低到高的顺序，介绍一下上面图中这几种常见的工业协议。

1、RS232

在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口是目前最常用的一种串行通讯接口。RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数（“RS-232-C”中的“-C”只不过表示RS-232的版本，所以与“RS-232”简称是一样的） 。。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。工业控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。通常 RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。

2、RS485

随着企业信息化法发着的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。

485通讯接口一个对通讯接口的硬件描述，它只需要两根通讯线，即可以在两个或两个以上的设备之间进行数据传输。这种数据传输的连接，是半双工的通讯方式。在某一个时刻，一个设备只能进行发送数据或接收数据。而RS232是全双工，最少3条通信线（RX,TX,GND），因为使用绝对电压表示逻辑，由于干扰，导线电阻等原因，通讯距离不远，低速时几十米也是可以的。

在RS232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质，RS485网的设备间要想相互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是"从（Slave）"设备。而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题 。

3、CAN

控制器局域网CAN（ Controller Area Network）属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。

由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。

(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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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。