PDA手持终端在各行业应用越来越广，原因就是体积小、重量轻、高性能，适合移动作业，它是将条码扫描装置与数据终端一体化，带有电池可离线操作的终端电脑设备。

　　PDA手持终端具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能，为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证。

　　PDA手持终端按照采集技术来分，共有五类产品：标准激光PDA手持终端、MEMS PDA手持终端、线性图像PDA手持终端、二维图像PDA手持终端、RFID PDA手持终端

　　1) 标准激光PDA手持终端

　　标准激光PDA手持终端通过激光光束与振镜配合工作，自动在条码上左右移动光束以读取条码。激光引擎具有多种配置(例如，标准距离、广视角、高密度、远距离和高可见性)，以满足不同应用的需要。标准激光PDA手持终端的最大优势在于距离：它们可读取数英尺之外的条形码。事实上，如果打印的标签符号足够大，激光可从 35 英尺(10.7 米)之外进行读取。

　　最适合的应用：

　　●扫描仓库和配送中心高层货架上的一维条码

　　2)MEMS激光PDA手持终端

　　MEMS激光PDA手持终端采用硅芯片代替标准激光扫描器的振镜，因而扫描速率更快，可靠性更高，与标准激光扫描引擎相比具有更大的性能优势。MEMS技术造就出具备全新功能的激光扫描引擎，其中包括更快的扫描速率、体积小型化、出色的耐用性以及无摩擦机械零件，以确保持久性能。其初始扫描速率比现有采用马达的机械式激光扫描器快五倍以上，而在未来的产品中可提高至每秒数千次扫描。

　　最适合的应用：

　　●零售、医疗和仓库应用中的标准距离(手臂长度)扫描

　　3) 线性图像PDA手持终端

　　线性图像PDA手持终端全部采用固定部件，没有任何活动部件，因此与激光扫描器相比更加可靠，而后者则采用快速移动的镜头来在条形码上移动光束。要读取条形码，线性图像PDA手持终端需要采用 LED 发出的光照亮它，并通过镜头将条形码图像聚焦到CCD部件上。

　　最适合的应用：

　　●零售 POS

　　●库存管理和指令拣货

　　●生产线补充

　　4)二维图像PDA手持终端

　　二维图像PDA手持终端可采集二维或线性条形码的图像，并使用先进的解码算法进行处理。这种采集器可对线性条码进行全向读取，因此无需改变标签方位即可扫描。此外，二维图像PDA手持终端还适合读取二维条形码。二维条形码能以更小的空间承载比线性条形码更多的信息，因此非常适合空间有限的应用中，例如印刷电路板生产、医疗和包裹递送等。

　　二维图像PDA手持终端可采集实际图像(例如，签名或损坏的货箱)，因而成为现场服务、交付凭证及发货/收货应用的理想选择。

　　最适合的应用：

　　●通过 3PL 承运商发货和收货

　　●生产跟踪

　　●现场服务和包裹递送

　　●保险

　　5) RFID PDA手持终端

　　RFID目前属于条形码的补充技术，但有潜力在特定供应链应用中取代条形码技术。在短期内，条形码扫描/RFID读写组合可允许操作人员通过RFID PDA手持终端同时采用两种技术进行工作。

　　最适合的应用：

　　●越库

　　●库存管理

　　●供应链跟踪

　　●零件追溯/产品谱系

　　●资产管理

目前，工业物联网传感器数据采集无线传输至监控服务器比较常用的通讯解决方案主要有433MHz、2.4GHz和GPRS等三种，而以NB-IOT为代表低功耗广域网物联网通讯技术也已开始应运而生，随着技术的逐步成熟，将在各领域大量应用。

433MHz、2.4GHz、GPRS和NB-IOT，深圳信立科技这四种无线传输通讯解决方案，它们各有优缺点，根据不同的应用需求，选择相应的方案。

一、2.4G 无线通讯技术

2.4G模块低功耗设计，理想传输距离在1.5公里。通常用于传输距离比较近的数据采集，适用于实验室，车间，仓库，医院冷藏室，图书馆，档案室，博览馆等环境数据监测领域。

二、433M无线通讯技术

433M模块，信号强，传输距离长，理想传输距离在3公里左右。还有穿透、绕射能力强，传输过程衰减较小。深圳信立设计的433M模块，实现采集、传输通讯设备超低功耗运行，保证数据实时传输不中断，电池使用寿命达5年，通常用于传输距离不远的数据采集，适用于粮库粮仓，农业大棚，畜禽水产养殖，工业园区，公园，景区等环境数据监测领域。

三、GPRS 无线通讯技术

GPRS模块，传输距离不受限制，传输数据大、安全稳定。

通常用于远程数据采集传输，适用于供排水、热力管网温度压力流量监测，水库大坝河道水位监测，农业大棚环境监测、重大危险源气体监测等远程监测领域。

四、NB-IOT无线通讯技术

NB-IOT的特点，主要体现在四个方面：其一、广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；其二、具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；其三、更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；其四、更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。

NB-IOT技术，将会是今后工业物联网无线通讯方式的主流趋势，几乎可以应用到任何领域。

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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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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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这不是一个虚构的故事，以下人物角色均采用实名。

我：匡恩研究院驻西南某区域专家。

张总：匡恩授权代理商，西南某公司技术负责人，工业自动化资深专家。

……

17：35分，手机来电铃声响起，这是今天第37个电话！

按下接听键：“张总，您好！根据我之前的建议目前状况如何？”

代理商张总：“您好，王老师，关于SCADA数据采集异常的事情，按您给的问题排查建议，已经完成了现场检查，目前怀疑是病毒导致的异常，由于该单位涉密，所以想请您带专业设备到现场帮忙诊断故障原因……”

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以下是本次故障事件现象描述和导致事件产生的原因分析。

1. 故障现象

2017年1月上线试运行的西南某省省会城市生活垃圾发电厂工况运行监控系统（SCADA）系统，主要是采集本市5个垃圾焚烧发电厂生产及工况运行数据，上传至本市数字城管中心机房存储、分析、集中展示，为本市数字城管提供城市管理参考和依据。系统自上线后一直运行正常，从4月初起，5个发电厂前端数采站出现监测数据时通时断的故障情况，出现该故障时，PLC、上位机、实时数据库、历史数据库、数采网关等设备服务工作正常。

2. 故障排查分析

按照ANSI/ISA-95.00.01企业分层模型，工业控制企业的架构可以分为五层（Level 0-4）：现场设备层、现场控制层、过程监控层、经营管理层以及企业管理层。发生故障时，过程监控层的监视控制、显示系统、实时数据库、通信处理等工作稳定，能正常对现场工作设备的监测及显示。那么故障发生的范围就可能在系统管理及监视控制的经营管理层面。在这层上，和该故障有关的资产包括：OPC服务器、前端数采站和承载数据传输的网络。

确定可能引起故障问题的范围及对象后，分别对可疑资产进行排查。

2.1网络分析

我们将安全临检系统接入OPC服务器及前端数采站所连接的交换机网络镜像口获取工控流量进行分析。以下为接入示意图：

通过临检系统展示的实时分析结果，我们发现该工控网络中有明显的异常连接，源IP地址的20000多个不同端口与同一个目标IP的51000端口建立了连接，对源IP进行定位，确定IP对应的资产为前端数采站。以下为网络连接示意图。

2.2 前端数采站分析

为满足监管部门及企业生产管理要求，发电厂把监管所需的底层数据通过OPC上传给数采站，监管部门的监控系统直接从发电厂数采站的数据库中进行抽取。

在数采站我们查看了网络连接、异常进程、注册表、可疑账户、工控病毒等项，发现本机有大量异常的连接，该现象也与网络流量分析所展示的情况一致。追踪到建立连接的进程PID值为1636，据此定位到DatagatherApp.exe是产生异常连接的罪魁祸首，该程序是某厂家的数据采集代理客户端。

2.3 导致SCADA数据采集异常分析

代理商所承建的SCADA前端数采站的数据采集应用程序工作端口为高位40000-50000间的随机范围，而某厂家4月份新装在数采站的数采代理客户端在运行后，会占用从40000~65535的2万多个端口与其数据接收服务器51000端口建立连接，那么就导致SCADA数据采集应用程序工作端口被占用，从而发生数据传输异常的情况。

3. 故障事件总结

到此，SCADA数采异常故障排查工作应该结束了，但思考却远未结束：

监管部门通过互联网环境从发电厂工控系统中采集数据，虽然不直接与PLC等现场控制层设备进行连接，但众多威胁的客观存在，这样数据访问途径，会不会为工控系统带来极大的风险呢？

已发生的工控安全事件中，很多现在都存在类似情况，如：2015年乌克兰电厂遭受BLACKENERGY（黑暗力量）攻击导致的大规模断电事件；2016年01月28日，以色列电力供应系统遭受有史以来规模最大的网络攻击事件；2016年3月24日，伊朗黑客入侵纽约鲍曼水坝（Bowman Avenue Dam）防洪控制系统事件；2016年8月27日伊朗民防部门负责人Gholamreza Jalali向路透社透露，最近石化公司起火是网络攻击所致等等。

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。

RTU具有的特点是：

1、通讯距离较长

2、用于各种恶劣的工业现场

3、模块结构化设计，便于扩展。

4、在具有遥信、遥测、遥控领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛使用。RTU产品目前与无线设备，工业TCP/IP产品结合使用，正在发挥越来越大的作用。RTU（RemoteTerminalUnit）是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。远程终端设备（RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。监视控制和数据采集是一个含义较广的术语，应用于可对安装在远距离场地的设备进行中央控制和监视的系统。SCADA系统可以设计满足各种应用（水、电、气、报警、通信、保安等等），并满足顾客要求的设计指标和操作概念。SCADA系统可以简单到只需通过一对导线连在远端的一个开关，也可复杂到一个计算机网络，它由许多无线远程终端设备（RTU）组成并与安装在中控室的功能强大的微机通信。这取决于被控现场的性质、系统的复杂性、对数

WZH8003A测控主机RTU是用于油水井远程测控的终端接收设备，严格遵循“油气生产物联网系统”（简称A11系统）制定的“A11协议”。该款RTU集采集、存储、2.4GHz ZIGBEE无线通信技术、以太网等于一体的高技术、高精度的无线数据采集终端。RTU可以通过RS485、ZIGBEE、串口等通信方式与多个外围设备同时进行通信，使得测量的数据类型更加全面、及时和准确，同时也使应用场合更加广泛。

功能：

1、 参数设置：通过网口、485和串口与PC建立连接设置RTU参数；

2、 状态指示：采用三个发光二极管（LED），区别RTU的各个状态；

3、 多种通信协议：与无线仪表的通信支持ZIGBEE协议，与有线仪表的通信支持4~20MA和Modbus通信协议，与后台支持TCP/IP协议和UDP协议；

4、 数据报警：支持仪表断线、超限报警；

5、 数据上传：支持数据的补传和主动上传；

6、 数据存储：支持历史数据的存储功能；

7、 远程升级：支持485与网口的就地和远程升级方式；

8、 电压检测：检测DC24V输入端电压；

9、 环境温度检测：检测RTU工作温度；

技术参数：

1、 工作电压：9-36V DC；

2、 ZIGBEE通信距离：>200m；

3、 远距离传输方式：以太网TCP/IP、UDP；

4、 历史数据存储容量：16MB，可存储历史数据80天；

5、 IAP升级方式：485升级和网络升级；

6、 模拟信号输入接口：8路（可配置有无输入源）；

7、 数字输入/输出接口：各4路；

8、 485接口：主、从各1路；

9、 串行接口：1路。

℡

测井数据采集控制系统是用于对各种置于地层中的井下仪器产生的信号进行采集、处理并对井下仪器进行控制的油田基础测控设备。由于专业性极强，以往系统中的数据采集及控制单元通常是以自我设计为主，因此导致系统的开发周期长、成本高、稳定性较差。现在，我们硬件使用National Instruments 公司的数据采集卡，软件使用VC++结合 Measurement Studio 软件包，实现了测井数据采集和控制单元的基于标准工业数据采集产品的设计与开发，大幅度的降低了系统的开发和维护成本，缩短了系统的开发周期，提高了系统的稳定性和可靠性。目前这套系统已制造20余套，成功应用于全国各大油田，取得了可观的经济效益。

系统原理

测井数据采集控制系统主要由工控机、NI通用数据采集卡、信号调理模块、绘图仪、综合控制箱、直流电源、交流电源、UPS电源、示波器等构成。系统原理框图如图1。

主机1主要用于系统的数据采集、处理和控制。绘图仪用于测井曲线实时出图。深度信号调理模块对光电编码器信号及其它井口信号进行调理，并控制深度显示；数字信号调理模块用于配接各类编码（例如，曼彻斯特编码）传输的井下仪器，如双源距C/O能谱测井仪、脉冲中子氧化化测井仪等；脉冲信号调理模块主要配接采用脉冲、周期信号传输的井下仪器以及各种脉冲编码类型的仪器。如：井壁超声成像测井仪等；直流信号调理模块主要配接采用直流量、低频模拟信号传输的井下仪器。直流电源为井下仪器提供直流供电、交流电源为井下仪器提供交流、泵、阀、继电器和释放器的供电。综合控制箱负责完成缆芯切换、供电控制。UPS电源用以保证在停电或外部供电不正常时，维持一段时间的供电，以免测井数据因得不到及时存储而丢失。以上各单元统一安装到两组19英寸标准机柜中。关于信号的流程，从图1中可以看出。我们把进入数据采集控制系统的信号归结为两类：井口信号和井下信号。井口信号来自井口和电缆绞车，它包括电缆张力信号、电缆磁记号和深度系统的光电编码信号。井下信号是指来自井下仪器的信号。来自井下仪器的感应型或脉冲型信号、深度系统的两路光电编码信号、井口的张力信号及电缆磁记号，通过电缆线进入采集箱内的深度调理模块、脉冲信号调理模块或直流信号调理模块，经过调理后，输出到NI数据采集卡。井下仪器编码信号经过综合控制电路的分离及预处理后通过电缆线进入到数字信号调理模块，进行信号调理、解码。解码后的信号同样输出到NI数据采集卡。NI数据采集卡控制数据采集的方式、采样的间隔，同时实现对脉冲信号、直流信号和数字信号的实时采集，采集到的数据以DMA方式传给主机内的数据缓冲区，由系统软件按不同的采样方式控制数据的显示、处理、打印和存盘。

数据采集方案设计

测井数据采集控制系统设计的核心是其数据采集方案设计。数据采集方案设计主要由系统深度数据采集和深度中断管理方案设计；多路复合信号实时同步采集方案设计；复杂编码格式数字信号高速传输与采集模式设计；直流信号高精度采集方案设计；系统状态及井下仪器控制方案设计等构成。由于专业性极强，以往系统中的数据采集及控制单元通常是以自我设计为主，因此系统的开发周期长、成本高、而且稳定性较差，并经常导致使用过程中，系统死机、深度测量不准等问题的出现，使系统的维护成本成倍增长，同时由于技术水平的限制，自己开发的系统只能配接一些信号类型简单和传输速率低的井下仪器，不具备多路信号实时同步采集以及高速传输的数字信号采集和处理能力。为了克服现有系统的缺陷，我们在充分调研和试用各大公司的数据采集产品的基础上，选择了NI 公司生产的系列数据采集卡和Measurement Studio 软件开发包，经过对NI各个采集卡的仔细研究和深度开发，我们仅用了３个月的时间就完成了过去需要２年以上的系统核心设计，并在业界首次实现了全部基于标准工业数据采集产品的测井数据采集控制系统设计，同时使系统在采样精度，深度控制，采集速度等主要技术指标上得到了全面的大幅度的提升。

（1）系统深度数据采集和深度中断管理方案设计：

系统深度模块是该系统中行业性最强的一个模块，它需要对正交光电编码器信号进行测量，得到系统当前的深度数据，同时它还要根据当前的深度数据生成用于同步各信号采集的深度等距触发信号。例如，在光电编码器顺时针转动时，每隔固定位移间隔（例如5 cm） 产生一个触发信号，这个触发信号通知系统对所有测量信号进行采集，如果系统光电编码器突然反方向转动，则不产生触发信号，系统不做任何采集，从而使系统只按照单方向等位移的状态采集数据。此外，该模块还要具备对正交光电编码

信号防抖动，防滑动处理的功能。在系统开发过程中，我们发现 NI PCI-660X 系列产品的用户手册上没有实现该工作模式的基本功能。为了实现该功能，我们经过深入研究和开发，通过利用PCI-6602处理光电编码器信号的计数器通道所能生成的某种特殊状态信号，同时结合其它计数器通道的脉冲生成功能，最终生成了我们所需要的连续的深度等距触发信号。在最终的产品设计中我们利用PCI-6602的5个计数器通道通过程序初始化控制实现了这个功能。这是我们首次通过使用标准工业数据采集卡实现深度数据的精确读取和触发信号的定距输出，它为整个系统得成功研制奠定了坚实的基础。

（2）多路复合信号实时同步采集方案设计：

测井数据采集系统通常需要根据定距或定时触发信号对多路直流信号、脉冲信号和数字信号进行实时同步测量。这就需要系统保证对多个采集卡间以及同一采集卡内部的多个测量通道间的数据采集的同一性和实时性，否则得到的数据就不能反映井下仪器在地层中真实状况。我们采用具有RTSI（实时同步接口）总线的 NI 6070E 或 NI6024E 用于直流信号的测量，PCI-6602 或 PCI-6601 用于脉冲信号和深度信号的测量，PCI-6534 或 PCI-6533用于数字信号的测量。系统中任何一块卡都可以根据工作模式的不同作为主卡来生成同步触发信号或用作从卡来接收同步触发信号。我们把主卡产生的同步触发信号加载到RTSI 总线上，由RTSI来同步其它从卡上的各个测量通道的数据采集，各块采集卡采集到的数据都以DMA方式传给主机内各自的数据缓冲区。由于整个触发和采集过程都是由系统硬件独立控制完成的，使得各个测量通道的采集延时可以控制在纳秒级。所有采集卡都采用DMA模式传输数据，这与以往系统多采用中断模式相比，极大的提高了系统工作效率。

通过RTSI总线我们把原来需要通过系统软件轮询依次读取各通道数据的工作方式转变成通过初始化各个采集卡的工作状态，然后由各采集卡（即系统硬件）的RTSI来控制采集的同步。这种工作方式的转变，不但降低了系统负荷，而且使系统测量的同步性和实时性得到了显著提高。这也是我们选用NI 公司数据采集卡来实现系统数据采集的一个重要原因。

（3）复杂编码格式数字信号高速传输与采集模式设计：

由于测井仪器种类繁多，一个设计合理的测井系统，必须考虑能与不同编码格式的井下仪器配接使用。由于PCI-6534通常情况下具有40MS/s的采样率，我们在系统设计中，充分开发PCI-6534的Pattern I/O功能，实现了复杂高速传输的数字的采集和解码，同时根据井下仪器的特点，可以把调理模块触发PCI-6534的信号加载到RTSI 总线上，以同步系统深度和其它数据的采集，也可以通过RTSI总线把定距或定时触发信号加载到PCI-6534上，以控制数字信号的采集模式。PCI-6534与系统前端数字信号调理模块配合使用，使系统具备了配接各种传输速率高、编码协议复杂的测井井下仪器的能力。

（4）直流信号高精度采集方案设计：

有些测井仪器上传的信号中，既有直流量也有脉冲量还有数字量，而且其直流量的采样频率一般要求达到1MS/ s。采集系统除了要完成井下仪器直流信号的高速采集外还要以定时或定距的模式和较低的采样率采集其它直流信号和脉冲信号。我们在设计中，通过对NI 6070E、PCI-6024E、PCI-6602、PCI-6534这四块卡综合编程控制，采用多通道多次复合同步触发技术，同时充分开发PCI-6534的数字信号模式触

发控制技术，实现了定时或定距触发条件下以高采样率采集井下仪器的直流信号，同时以低采样率采集井下仪器的脉冲信号、井口的直流信号和数字信号的工作模式。这是整个测井数据采集系统设计的难点。

（5）系统状态及井下仪器控制方案设计：

在系统调理模块和井下仪器状态控制设计中，我们选用PCI-6601, 利用它的Digital I/O功能，建立起了一套控制能力强大的32位命令输出体系。选用PCI-6601,主要是为了降低系统的总成本，根据需要也可以选择专门的数字I/O卡，或其它多功能卡。

系统软件设计

测井数据采集控制系统软件主要由现场测控及数据采集软件和测后数据分析处理软件构成，在软件开发上，我们选择使用VC++ 与NI 公司Measurement Studio 软件包相结合的开发方式，用VC++开发与操作系统底层相关的程序和曲线打印输出程序，使用Measurement Studio和CVI提供的类库开发与数据实时采集和曲线显示相关的程序。这种开发方案不但可以对操作系统进行灵活的控制而且充分利用了NI 公司提供的开发工具，从而极大的缩短了系统软件的开发时间。我们仅用了三个月的时间就完成了系统软件的设计，开发和测试工作。图2为系统软件中的脉冲中子氧活化测井及解释软件序界面。图3为系统软件总体框图。

我们使用NI公司的数据采集卡和软件开发工具实现了测井数据采集控制系统的基于标准工业数据采集产品的设计与开发。大幅度地降低了系统的开发和维护成本，缩短了系统的开发周期，提高了系统的稳定性和可靠性。此外，我们可以根据用户的需要对系统数据采集卡进行多种组合或把系统更新为PXI总线系统，实现功能各有侧重的测井数据采集控制系统。目前这套系统已生产20余套，成功应用于大庆油田和全国其它油田，取得了可观的经济效益，具有相当广阔的应用前景。

工业4.0是基本国策，

智能制造是工业4.0的核心，

工厂数字化是必要条件，

工业大数据是智能工厂的血液，

MES是智能工厂的脊柱。

也就是说，mes是在国家政策，世界工业发展大势下应运而生的。

MES把分布在工厂各个作业点上的微电脑、移动终端、RFID/条码设备、软件PLC、传感器、等都通过网络集成连接在系统中，让数字化血液贯穿工厂的每个细胞。

面向工业4.0工厂的五层数字化结构规划

管理层：ERP（Enterprise Resource Planning）企业资源计划、OA（Office Automation办公自动化）、PLM（product lifecycle management产品生命周期管理）、HR（Human Resource人力资源）命令由管理层发出。

执行层：mes（Manufacturing Execution System 面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统，MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理）；wms（Warehouse Management System仓库管理系统）；qms（Quality Management System质量管理体系）；spc（Statistical Process Control统计过程控制）；aps（进阶生产规划及排程系统）。

操作层。

控制层。

现场层。

MES各板块的逻辑关系

工厂良性运营的关键指标有：

1.由上而下按计划生产使计划与生产密切配合，

2.在最短的时间内掌握生产现场的变化，

3.作出准确的判断和快速的应对措施，

4.保证各种异常得到合理而快速的修正。

MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁；在产品从工单下发到生产为成品的整个过程中，扮演着促进生产活动最佳化的信息传递者；当生产事件发生时，MES借着所收集的即时信息，做出快速的反应，以减少无附加价值的生产活动，提升工厂的生产效率。

数据采集的实现方式

数据收集是MES项目的基础及核心，只有数据方便、及时、准确的收集汇总到数据库，才能有效的发挥后续几个功能模块的作用。

在车间现场部署信息采集点，根据现场情况和管理要求，选择相应的数据采集方式(例如PC机＋条码阅读器、便携式采集终端、485数据终端设备＋条码阅读器)，通过扫描条码、手工录入、设备集成等方式收集关键物料、检测结果、软件版本、测试数据、维修、抽检、包装、重工等信息。

过程控制的实现方式

根据现场作业所收集的数据，建立日常管理信息数据平台，监控现场连续的作业过程、分解SPC（统计过程控制）和SQC（统计质量控制）的数据信息，包含对作业过程中各项元素(人员、设备、产品、物料、实时数据信息)的跟踪、校验、管理,运用防呆机制避免作业过程中不必要的差错。

对现场所收集的各项数据进行合法性验证，将验证结果及时反馈给操作人员，只有通过验证后才可以继续执行某项操作，确保产品实际生产流程和预定流程的一致性，例如人员岗位、条码规则、工艺生产流程、上料、物料装配、完整性、可用性、存在性、冲突性、质量状态、兼容性等。