導讀：工gong業ye物wu聯lian網wang感gan知zhi層ceng作zuo為wei物wu理li世shi界jie與yu數shu字zi世shi界jie的de橋qiao梁liang，是shi數shu據ju的de第di一yi入ru口kou。現xian實shi情qing況kuang下xia，由you於yu感gan知zhi層ceng數shu據ju來lai源yuan非fei常chang多duo樣yang，來lai自zi各ge種zhong多duo源yuan異yi構gou設she備bei和he係xi統tong
，因yin此ci如ru何he從cong這zhe些xie設she備bei和he係xi統tong中zhong獲huo取qu數shu據ju，是shi工gong業ye物wu聯lian網wang麵mian臨lin的de第di一yi道dao門men檻kan。在工業領域，感知即通常所說的工業數據采集。

01 工業數據采集的範圍

工業數據采集利用泛在感知技術對多源異構設備和係統、環境、人(ren)員(yuan)等(deng)一(yi)切(qie)要(yao)素(su)信(xin)息(xi)進(jin)行(xing)采(cai)集(ji)，並(bing)通(tong)過(guo)一(yi)定(ding)的(de)接(jie)口(kou)與(yu)協(xie)議(yi)對(dui)采(cai)集(ji)的(de)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)解(jie)析(xi)。信(xin)息(xi)可(ke)能(neng)來(lai)自(zi)加(jia)裝(zhuang)的(de)物(wu)理(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)，也(ye)可(ke)能(neng)來(lai)自(zi)裝(zhuang)備(bei)與(yu)係(xi)統(tong)本(ben)身(shen)。

《智能製造工程實施指南（2016—2020）》將智能傳感與控製裝備作為關鍵技術裝備研製重點；針對智能製造提出了“體係架構、互聯互通和互操作、現場總線和工業以太網融合
、工業傳感器網絡

、工業無線
、工業網關通信協議和接口等網絡標準”，並指出：“針對智能製造感知、控製、決策和執行過程中麵臨的數據采集、數據集成、數據計算分析等方麵存在的問題
，開展信息物理係統的頂層設計。”

這裏麵蘊含兩方麵信息：一是工業數據采集是智能製造和工業物聯網的基礎和先決條件，後續的數據分析處理依賴於前端的感知

；二是各種網絡標準統一後才能實現設備係統間的互聯互通，而多種工業協議並存是目前工業數據采集的現狀。

廣義上，工業數據采集分為工業現場數據采集和工廠外智能產品/移動裝備的數據采集（工業數據采集並不局限於工廠，工廠之外的智慧樓宇、城市管理、物流運輸、智能倉儲、橋梁隧道和公共交通等都是工業數據采集的應用場景），以及對ERP、MES、APS等傳統信息係統的數據采集。

如果按傳輸介質劃分，工業數據采集可分為有線網絡數據采集和無線網絡數據采集。

02 工業數據采集的特點

工業數據采集具有一些鮮明的特征，在麵對具體需求時
，不同場景會對技術選型產生影響，例如設備的組網方式
、數據傳輸方式、數據本地化處理
、數據彙聚和管理等。

1. 多種工業協議並存

工業領域使用的通信協議有很多，如PROFIBUS、Modbus、CAN
、HART、EtherCAT、EthernetIP
、Modbus/TCP、PROFINET
、OPC UA，以及大量的廠商私有協議。這種狀況出現
，很大程度上是因為工業軟硬件係統存在較強的封閉性和複雜性。

設(she)想(xiang)在(zai)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)
，不(bu)同(tong)廠(chang)商(shang)生(sheng)產(chan)的(de)設(she)備(bei)，采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)工(gong)業(ye)協(xie)議(yi)
，要(yao)實(shi)現(xian)所(suo)有(you)設(she)備(bei)的(de)互(hu)聯(lian)，需(xu)要(yao)對(dui)各(ge)種(zhong)協(xie)議(yi)做(zuo)解(jie)析(xi)並(bing)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)
，這(zhe)是(shi)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)存(cun)量(liang)改(gai)造(zao)項(xiang)目(mu)開(kai)展(zhan)時(shi)最(zui)先(xian)遇(yu)到(dao)的(de)問(wen)題(ti)——想要解決“萬國牌”設備的數據采集，耗時又費力。

如果是新建設的工廠，應從最開始的規劃階段考慮車間

、廠級和跨地域的企業級工業物聯網應用要求，在沒有曆史包袱的情況下，通過製定標準，綜合評估現場的電磁環境抗幹擾要求、數據帶寬要求、傳輸距離、實時性、組網時支持的設備節點數量限製、星形或Daisy-Chain網絡拓撲

、後期擴展性等因素，選擇合適的技術路線，並設計好OT與IT互通的接口，這將大大降低數據采集的難度和工作量。

2. 時間序列數據

工業數據采集大多數時候帶有時間戳，即數據在什麼時刻采集。大量工業數據建模、工業知識組件和算法組件，均以時間序列數據作為輸入數據
，例如時域分析或頻域分析方法，都要求原始數據包含時間維度信息。

工業物聯網應用越來越豐富，延伸到了更多的場景下
，例如室內定位開始在智慧倉儲、無(wu)人(ren)化(hua)工(gong)廠(chang)中(zhong)探(tan)索(suo)應(ying)用(yong)，無(wu)論(lun)是(shi)基(ji)於(yu)時(shi)間(jian)還(hai)是(shi)基(ji)於(yu)接(jie)收(shou)功(gong)率(lv)強(qiang)度(du)的(de)定(ding)位(wei)方(fang)式(shi)，其(qi)定(ding)位(wei)引(yin)擎(qing)都(dou)要(yao)求(qiu)信(xin)號(hao)帶(dai)有(you)時(shi)間(jian)標(biao)簽(qian)，才(cai)能(neng)完(wan)成(cheng)定(ding)位(wei)計(ji)算(suan)
，保(bao)證(zheng)時(shi)空(kong)信(xin)息(xi)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)和(he)可(ke)追(zhui)溯(su)性(xing)。

在搭建工業物聯網平台時，應結合時間序列數據的特點
，在數據傳輸、存儲、分析方麵做針對性的考慮。例如時序數據庫（Time Series DataBase
，TSDB）專門從時間維度進行設計和優化，數據按時間順序組織管理。

圖3-1suoshiweidianxingdeshijianxulieshuju，cunchuyuguanxixingshujukuzhong

，dangshujuguimojijuzengdashi
，guanxixingshujukudechulinenglibiandechijin
，xuyaoxingnenggengyoudeshujuku。gongyeshujuhehulianwangshujucunzaihendachabie，qianzhetongchangshijiegouhuade，erhouzheyifeijiegouhuashujuweizhu。

▲圖3-1 時間序列數據示例

3. 實時性

gongyeshujucaijideyigehendatedianshishishixing
，baokuoshujucaijideshishixingyijishujuchulideshishixing。lirujiyuchuanganqideshujucaiji，qizhongyigezhongyaozhibiaoweicaiyanglv，jimeimiaocaijiduoshaogedian。caiyanglvdideruwenshiducaiji，caiyangjiangezaifenzhongji；采樣率高一些的如振動信號，每秒鍾采集幾萬個點甚至更多，方便後續信號分析處理以獲得高階諧波分量。

youxiedadekexuezhuangzhi，lirulizijiasuqideshuliujiancexitong
，caiyanglvdashuzhaomeimiao。caiyanglvyuegaoyiweizhedanweishijianshujuliangyueda，rucidadeshujuliang，ruguobujiachulizhijietongguowangluochuanshudaoshujuzhongxinhuoyunduan
，duiyuwangluodedaikuanyaoqiufeichangzhigao，erqierucidadedaikuanxia，hennanbaozhengwangluochuanshudekekaoxing
，kenenghuichanshengfeichangdadechuanshushiyan。

而部分工業物聯網應用，如設備故障診斷、多機器人協作

、狀態監測等
，由於要求在數據采集（感知）、分析
、決jue策ce執zhi行xing之zhi間jian，完wan成cheng快kuai速su閉bi環huan，因yin此ci對dui數shu據ju的de實shi時shi處chu理li有you著zhe較jiao高gao的de要yao求qiu。如ru果guo將jiang數shu據ju上shang傳chuan到dao雲yun端duan

，雲yun端duan分fen析xi後hou再zai繞rao一yi圈quan回hui來lai，指zhi導dao下xia一yi步bu動dong作zuo

，一yi來lai一yi回hui產chan生sheng的de時shi延yan，很hen多duo時shi候hou將jiang變bian得de不bu可ke接jie受shou。

上shang述shu業ye務wu場chang景jing將jiang在zai靠kao近jin數shu據ju源yuan頭tou的de現xian場chang對dui數shu據ju進jin行xing即ji時shi處chu理li，實shi時shi分fen析xi，提ti取qu特te征zheng量liang，然ran後hou基ji於yu分fen析xi的de結jie果guo進jin行xing本ben地di決jue策ce，指zhi導dao下xia一yi步bu動dong作zuo，同tong時shi將jiang分fen析xi結jie果guo上shang傳chuan到dao雲yun端duan，數shu據ju量liang經jing過guo本ben地di處chu理li後hou大da大da減jian小xiao了le。圖tu3-2所示是實時振動信號狀態監測和數據分析。

▲圖3-2 實時振動信號狀態監測和數據分析

03 工業數據采集的體係結構

工業數據采集體係包括設備接入
、協議轉換
、邊(bian)緣(yuan)計(ji)算(suan)。設(she)備(bei)接(jie)入(ru)是(shi)工(gong)業(ye)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)建(jian)立(li)物(wu)理(li)世(shi)界(jie)和(he)數(shu)字(zi)世(shi)界(jie)連(lian)接(jie)的(de)起(qi)點(dian)。設(she)備(bei)接(jie)入(ru)利(li)用(yong)有(you)線(xian)或(huo)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)，實(shi)現(xian)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)和(he)工(gong)廠(chang)外(wai)智(zhi)能(neng)產(chan)品(pin)/移動裝備的泛在連接，將數據上報到雲端。工業數據采集發展了這麼多年
，存在設備接入的複雜性和多樣性。

數據接入後，將對數據進行解析
、轉換
，並通過標準應用層協議如MQTT、HTTP上(shang)傳(chuan)到(dao)物(wu)聯(lian)網(wang)平(ping)台(tai)。部(bu)分(fen)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)
，在(zai)協(xie)議(yi)轉(zhuan)換(huan)後(hou)


，可(ke)能(neng)在(zai)本(ben)地(di)做(zuo)即(ji)時(shi)數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)和(he)預(yu)處(chu)理(li)，再(zai)上(shang)傳(chuan)到(dao)雲(yun)端(duan)，提(ti)升(sheng)即(ji)時(shi)性(xing)並(bing)降(jiang)低(di)網(wang)絡(luo)帶(dai)寬(kuan)壓(ya)力(li)。

bianyuanjisuanjinjinianfazhanxunsu
，dajiayuelaiyueyishidaoshujujiujinchulideyoushi，wulunshishixiaoxinghaishichuyushujuanquanxingkaolv
，huoshiwangluodekekaoxing，bianyuanjisuanzaigongyewulianwangtixizhongbanyanzhezhongyaojiaose
，bianyunxietongyezhujianchenglegongshi。

根據硬件載體不同，將設備接入產品分為以下3類
，分類並非絕對，不同類別之間的差異，在於其側重點不同。

1. 通用控製器

第一類是通用控製器，來自工業裝備大腦主控，例如可編程邏輯控製器（Programmable Logic Controller，PLC）、微控製單位（MicroController Unit，MCU）等
，工業自動化領域存在很多控製和數據采集係統
，如分布式控製係統（Distributed Control System
，DCS）和數據采集與監視控製係統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）
，它們在承擔本職功能的同時
，可以作為接入設備使用。

通用控製器通常集成了數字輸入輸出I/O單元
、網絡通信單元，以及針對特定應用的選配功能，如模擬量輸入單元、模擬量輸出單元
、計數器單元、運動控製單元等，通過串口或以太網物理接口連接，然後基於現場總線
、工業以太網或標準以太網完成數據采集協議的解析，如圖3-3所示。

▲圖3-3 通用控製器

通用控製器應用於數控機床

、激光切割機等各種自動化裝備、機器人（如機械臂和移動機器人）

、SCADA係統的通信管理機，有些自動化裝備擁有專用控製器
，采用不同的硬件架構如PowerPC
、ARM Cortex等。基於通用控製器的設備接入
，完成自動化裝備自身數據、工藝過程數據采集。

2. 專用數據采集模塊

第二類是專用數據采集模塊，采集現場對象的物理信號，傳感器將物理信號變換為電信號後，專用數據采集模塊通過模擬電路的A/D模數轉換器或數字電路將電信號轉換為可讀的數字量。

例(li)如(ru)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)利(li)用(yong)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)實(shi)現(xian)風(feng)機(ji)混(hun)凝(ning)土(tu)應(ying)力(li)狀(zhuang)態(tai)的(de)實(shi)時(shi)在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)，為(wei)風(feng)機(ji)混(hun)凝(ning)土(tu)基(ji)礎(chu)承(cheng)載(zai)力(li)的(de)評(ping)估(gu)提(ti)供(gong)依(yi)據(ju)，同(tong)時(shi)利(li)用(yong)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)集(ji)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)
，在(zai)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)，實(shi)時(shi)在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)振(zhen)動(dong)狀(zhuang)況(kuang)並(bing)發(fa)送(song)檢(jian)測(ce)信(xin)息(xi)

，根(gen)據(ju)檢(jian)測(ce)信(xin)息(xi)有(you)效(xiao)控(kong)製(zhi)風(feng)機(ji)運(yun)轉(zhuan)狀(zhuang)態(tai)
，避(bi)免(mian)由(you)於(yu)共(gong)振(zhen)而(er)造(zao)成(cheng)的(de)結(jie)構(gou)失(shi)效(xiao)
，並(bing)對(dui)超(chao)出(chu)幅(fu)度(du)閾(yu)值(zhi)的(de)振(zhen)動(dong)進(jin)行(xing)安(an)全(quan)預(yu)警(jing)。

將jiang力li傳chuan感gan器qi和he加jia速su度du傳chuan感gan器qi安an裝zhuang固gu定ding於yu風feng機ji上shang，傳chuan感gan器qi輸shu出chu端duan連lian接jie到dao專zhuan用yong數shu據ju采cai集ji模mo塊kuai的de輸shu入ru端duan，專zhuan用yong數shu據ju采cai集ji模mo塊kuai通tong過guo網wang絡luo將jiang數shu據ju上shang傳chuan到dao本ben地di或huo遠yuan端duan服fu務wu器qi，進jin行xing下xia一yi步bu數shu據ju分fen析xi和he可ke視shi化hua。

專用數據采集模塊的形式可能是數據采集板卡
、嵌qian入ru式shi數shu據ju采cai集ji係xi統tong等deng。對dui於yu自zi動dong化hua裝zhuang備bei或huo機ji器qi人ren，如ru果guo某mou些xie關guan注zhu的de數shu據ju缺que失shi
，無wu法fa從cong其qi通tong用yong控kong製zhi器qi直zhi接jie獲huo取qu
，此ci時shi可ke通tong過guo加jia裝zhuang傳chuan感gan器qi，配pei合he專zhuan用yong數shu據ju采cai集ji模mo塊kuai的de方fang式shi，完wan成cheng更geng多duo維wei度du的de數shu據ju采cai集ji，這zhe種zhong做zuo法fa很hen常chang見jian。

3. 智能產品和終端

第三類是智能產品和終端
，強調遠程無線接入和移動屬性。例如通過運營商4G/5G蜂窩網絡、Wi-Fi等室內短距離通信，或者低功耗廣域網無線連接上報數據。通過無線方式可以采集智能產品和終端的各種指標數據，例如電量、信號強度、功耗
、定位、嵌入式傳感器數據等。

dabufenzhinengchanpinhezhongduanzaichanpindingyishizhijiejichenglewuxiantongxinnengli，shoujihekechuandaishebeishuyudianxingdelizi。dangqianzhinengchanpinyuelaiyuefengfu，wanwuhulianshidai，morenjubeiyuanchengjierunengli，duizhinengchanpinshiyongguochengzhongdegezhongyunxingzhibiaojinxingjiance，fenxicaijideshuju
，keyizhidaoyanfatuanduigenghaodigaijinchanpin。

例如具有移動屬性的自動化裝備，如AGV機器人在室內基於Wi-Fi自組網集群，實現AGV之間的通信，草皮收割機在戶外作業時的遠程監測和控製。有些產品終端本身不具備遠程接入能力，可間接通過數傳模塊（Data Transfer Unit，DTU）或工業網關，實現同樣的效果。

工(gong)業(ye)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)關(guan)於(yu)數(shu)據(ju)的(de)界(jie)定(ding)是(shi)非(fei)常(chang)廣(guang)義(yi)的(de)
，它(ta)可(ke)能(neng)來(lai)自(zi)通(tong)用(yong)控(kong)製(zhi)器(qi)運(yun)行(xing)時(shi)的(de)關(guan)鍵(jian)指(zhi)標(biao)，或(huo)者(zhe)傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)集(ji)的(de)某(mou)個(ge)物(wu)理(li)量(liang)，或(huo)者(zhe)單(dan)純(chun)一(yi)個(ge)身(shen)份(fen)標(biao)識(shi)信(xin)息(xi)，比(bi)如(ru)RFID標簽EPC數據區定義的標簽ID
、廣播報文中攜帶的唯一MAC地址等，通信雙方彼此交換的可能僅僅是簡單的身份信息，完成一次確認
，無須多餘信息，雖然通信雙方有能力攜帶額外信息。