CN104301370A - 工业现场数据物联网管理系统 - Google Patents

Abstract

一种工业现场数据物联网管理系统，包括依次连接的无线数据采集发射终端、无线数据转发终端、PLC控制系统、DCS控制系统、无线数据接收终端、无线终端太阳能供电装置、无线数据采集处理服务器以及通讯管理器；无线数据采集发射终端设置于工业现场每个工位点，每几个临近工位点有线连接组网后安装一套无线数据转发终端、一套PLC控制系统以及一套DCS控制系统；再将数据传送至无线数据接收终端，最终发送给无线数据采集处理服务器；无线数据采集处理服务器再通过通讯管理器与公司内部域网、外部Internet或GPRS网络链接，实现数据共享/处理。其是一种工业现场数据物联网管理系统，使用通讯管理器可以融合现有主流的不同通讯网络，可对MES和ERP系统提供有用数据。

Description

工业现场数据物联网管理系统

技术领域

本发明涉及一种工业现场参数网络管理系统，具体涉及一种工业现场数据物联网管理系统。 

背景技术

随着现代化工业厂区规模的发展，对工业现场的能源计量、节能减排及远程控制提出了更高的要求。 

目前的能源计量监测系统采用人工抄表方式，每月定时抄表人员对全厂水、氧气、压缩空气、煤气、天然气、蒸汽、煤、电等数据进行抄表，并在月末花费大量时间对其抄表数据进行处理，出具相应的能源数据报表。人工抄表及人工报表统计工作量大、花费时间长且容易出错。现场设备的运行状态及设备控制难以做到集中监控，集中处理。 

其次，还有大多数工业现场数据的采集主要是依靠有线的方式，施工量大且浪费大量人力物理。以ＧＰＲＳ进行无线通讯依托移动运营商的网络支持，并且会发生网络堵塞而且很难解决室外或野外难以供电的问题。 

当今制造执行系统（MES）和ERP系统对工业现场的数据要求非常迫切，但是由于工业现场设备复杂、通讯网络多种多样，以及各种管理系统网络布制复杂，没有合适的系统能够满足这些需求。 

发明内容

本发明的目的是提供一种工业现场数据物联网管理系统，它是传统采集方法无法完成的工业现场无线数据采集系统，并且使用通讯管理器可以融合现有主流的不同通讯网络，可对MES和ERP系统提供有用数据。 

本发明的技术方案是： 

一种工业现场数据物联网管理系统，包括依次连接的无线数据采集发射终端、无线数据转发终端、PLC控制系统、DCS控制系统、无线数据接收终端、无线终端太阳能供电装置、无线数据采集处理服务器装以及通讯管理器；上述各个装置均在工业现场物联网管理系统软件的控制下进行数据的传输/处理，其特殊之处在于：

所述无线数据采集发射终端设置于工业现场每个工位点，每几个临近工位点有线连接组网后安装一套无线数据转发终端、一套PLC控制系统以及一套DCS控制系统；

若干无线数据采集发射终端和无线数据转发终端按照zigbee无线网络预先设置的网段进行优化组网，将数据传送至无线数据接收终端，最终发送给无线数据采集处理服务器；

所述无线数据采集处理服务器再通过通讯管理器与公司内部域网、外部Internet或GPRS网络链接，实现数据共享/处理；所述通讯管理器将工业现场的网络数据通讯转换为局域网络或光纤网络远程传输；集中有TCP协议解析及跨网段VPN端口解析。

上述无线数据采集发射终端对现场工位点的压力、温度、流量及热量工业参数，以及PLC、DCS控制系统的参数进行采集或修改。 

上述无线终端太阳能供电装置可对无法进行供电的无线数据采集发射终端、无线数据转发终端进行供电，完成采集以及转发工作。 

上述公司内部域网包括制造执行系统(MES)和工厂管理系统（ERP）。 

上述工业现场物联网管理系统软件，由以下几个主要功能模块组成： 

1）  现场工业参数模块

采用流程图表示法，以及地理位置标记方法形象显示现场数据参数；

2）  控制系统参数模块

负责将PLC、DCS等控制系统的控制参数以及相关参数，结合工业现场使用要求显示出来；

3）  数据库优化处理模块

可实时对采集到的数据进行存盘、备份处理，为今后查询提供数据服务；

4）  报表、查询、曲线功能模块

可对数据库内保存的数据进行分类查询（比如按车间、按功能等），具有实时曲线、历史曲线以及数据报表的打印功能；

5）  用户管理功能

可对用户进行使用权限的设定，以及账户和密码的创建和修改功能；

6）  ＷＥＢ发布和数据共享功能

具有ＷＥＢ发布功能，其他授权用户可通过局域网或外网进行系统参数的浏览。数据库的数据可以通过网络传送给MES和ERP系统。

上述连接包括有线网络连接和无线网络连接；所述有线网络连接采用工业标准的工业485通讯网络，将与无线数据采集发射终端连接的仪表及设备进行485网络链接；所述无线网络连接包括无线GPRS网络和ZigBee网络。 

上述ZigBee无线网络由DYZG无线网络通讯模块组成，所述既可以是终端，也可以是中继器，任何一个点都是自己的终端模块，也是另一个点的中继模块，任何一个模块故障，信号会自动跳过这个中继，继而找到下一个中继传输信号，不影响数据的传输。 

上述仪表及设备均可配备数字通讯接口，能与工业计算机系统组成DCS控制系统、数据采集系统、PLC控制系统及远距离遥测遥控系统。 

上述工业485通讯网络中使用标准的485接口ModBus协议就能够完成复杂的无线网络数据交换应用。 

上述无线数据采集处理服务器的系统软件部分使用.Net架构的C#编程平台+Microsoft SQL Server进行编制； 

软件功能分为：计量数据采集部分、计量数据处理部分、计量数据显示部分、计量数据库处理部分、数据报表生成部分、数据报表查询部分、数据曲线查询部分、使用人员权限功能部分及网络客户端浏览查询功能。

本发明的优点在于：是一种工业现场数据物联网管理系统，它是传统采集方法无法完成的工业现场无线数据采集系统，并且使用通讯管理器可以融合现有主流的不同通讯网络，可对MES和ERP系统提供有用数据。 

附图说明

图1为本发明系统原理系统拓扑图； 

图2为本发明数据传输流程图；

图3为本发明通讯流程图；

图4为本发明搭建有线网络示意图；

图5为本发明搭建无线通讯网络示意图。

具体实施方式

    为了使本分明的目的、技术方案和特点更加清晰，下面结合附图和具体实施过程对本发明进行详细描述。 

参见图1、图2及图3，一种工业现场数据物联网管理系统，包括依次连接的无线数据采集发射终端、无线数据转发终端、PLC控制系统、DCS控制系统、无线数据接收终端、无线终端太阳能供电装置、无线数据采集处理服务器装以及通讯管理器；上述各个装置均在工业现场物联网管理系统软件的控制下进行数据的传输/处理，其特殊之处在于： 

所述无线数据采集发射终端设置于工业现场每个工位点，每几个临近工位点有线连接组网后安装一套无线数据转发终端、一套PLC控制系统以及一套DCS控制系统；

若干无线数据采集发射终端和无线数据转发终端按照zigbee无线网络预先设置的网段进行优化组网，将数据传送至无线数据接收终端，最终发送给无线数据采集处理服务器；

所述无线数据采集处理服务器再通过通讯管理器与公司内部域网、外部Internet或GPRS网络链接，实现数据共享/处理；所述通讯管理器将工业现场的网络数据通讯转换为局域网络或光纤网络远程传输；集中有TCP协议解析及跨网段VPN端口解析。

上述无线数据采集发射终端对现场工位点的压力、温度、流量及热量工业参数，以及PLC、DCS控制系统的参数进行采集或修改。 

上述无线终端太阳能供电装置可对无法进行供电的无线数据采集发射终端、无线数据转发终端进行供电，完成采集以及转发工作。 

上述公司内部域网包括制造执行系统(MES)和工厂管理系统（ERP）。 

上述工业现场物联网管理系统软件，由以下几个主要功能模块组成： 

1）现场工业参数模块

采用流程图表示法，以及地理位置标记方法形象显示现场数据参数；

2）控制系统参数模块

负责将PLC、DCS等控制系统的控制参数以及相关参数，结合工业现场使用要求显示出来；

3）  数据库优化处理模块

可实时对采集到的数据进行存盘、备份处理，为今后查询提供数据服务；

4）  报表、查询、曲线功能模块

可对数据库内保存的数据进行分类查询（比如按车间、按功能等），具有实时曲线、历史曲线以及数据报表的打印功能；

5）  用户管理功能

可对用户进行使用权限的设定，以及账户和密码的创建和修改功能；

6）  ＷＥＢ发布和数据共享功能

具有ＷＥＢ发布功能，其他授权用户可通过局域网或外网进行系统参数的浏览。数据库的数据可以通过网络传送给MES和ERP系统。

上述连接包括有线网络连接和无线网络连接；所述有线网络连接采用工业标准的工业485通讯网络，将与无线数据采集发射终端连接的仪表及设备进行485网络链接；所述无线网络连接包括无线GPRS网络和ZigBee网络。 

上述ZigBee无线网络由DYZG无线网络通讯模块组成，所述既可以是终端，也可以是中继器，任何一个点都是自己的终端模块，也是另一个点的中继模块，任何一个模块故障，信号会自动跳过这个中继，继而找到下一个中继传输信号，不影响数据的传输。 

上述仪表及设备均可配备数字通讯接口，能与工业计算机系统组成DCS控制系统、数据采集系统、PLC控制系统及远距离遥测遥控系统。 

上述工业485通讯网络中使用标准的485接口ModBus协议就能够完成复杂的无线网络数据交换应用。 

上述无线数据采集处理服务器的系统软件部分使用.Net架构的C#编程平台+Microsoft SQL Server进行编制； 

软件功能分为：计量数据采集部分、计量数据处理部分、计量数据显示部分、计量数据库处理部分、数据报表生成部分、数据报表查询部分、数据曲线查询部分、使用人员权限功能部分及网络客户端浏览查询功能。

参见图4，搭建有线网络。有线通讯网络采用工业标准的工业485通讯网络，在现场将仪表及设备进行485网络链接。 

参见图5，下一步搭建无线通讯网络。无线网络负责现场分散的能源计量数据的网络数据交换，将较为分散的能源计量仪表组成整个系统的能源计量网络；无线网络使用无线GPRS网络，和ZigBee网络。 

下一步无线、有线网络的混合搭建。在车间内部及有线环境允许的情况先采用有线方式，无线加有线混合组网方式。 

下一步搭建办公局域网络。将全厂设备、仪表数据分析处理后，存储在专业的数据库服务器上，可在全厂办公网络内进行按权限设置进行数据分析、浏览，查询及打印功能。 

下一步广域网数据查询分析系统搭建设置专业的web服务器，在Internet广域网络内，可按权限设置进行数据分析、浏览，查询及打印功能。 

相关各授权单位终端计算机通过公司内部局域网络浏览、监控远程数据，设置专用的数据系统服务器，进行数据处理、存贮。 

开放外部网络访问功能后，外部授权用户也可以通过Internet网络进行访问。 

重点案例详细介绍：

1)       某钾肥有限公司盐田生产数据管理系统

A.       项目实例详细描述

钾肥生产过程中，盐湖盐田管理尤为重要，需要定时根据生产工艺，将不同的盐湖卤水定量抽到不同的盐湖中。

但是盐湖分布较广，湖区较大，每个湖区的面积至少为16平方公里，无法通过有线方式进行通讯连接。这样对每个湖区的每个泵站进行定时、定量工作，以及对每台抽水泵的控制与实时监控变得非常困难，几乎无法实现实时监控。以前的工作方式是人为的泵站驻守监控，电话汇报实时数据。 

B.       本项目系统方案简介 

本项目系统实际解决了以上等难题。

实时监测控制各个泵站的实时运行数据及设备运行状态； 

通过PLC系统对每台泵站进行控制及流量计量，每台PLC系统外接本项目系统的DYZG无线网络通讯模块（ZigBee网络）；

各个湖区的各个泵站控制系统，通过DYZG无线网络通讯模块组成ZigBee无线网络，各个网络终端蜂窝式无线互联；

在盐田采收站安置无线网络服务器，进行无线网络接收，在此处安装有本项目系统的设备管理器对接收数据进行汇总、分析处理。

C.       应用技术 

无线ZigBee网络技术；

工业485网络技术；

可编程控制系统；

设备管理器系统；

光纤以太网技术；

跨网段的VPN技术；

数据库处理技术；

Web服务器发布等。

D.       本项目系统应用实例的优越性 

a)   以前人工值守监控，现在远程自动监控，每个工作泵站按2人计算，由于是高原无人区，每人每月工资5000元，各种保险及补助3000元计算。每月每个泵站工资支出

(5000+3000)×2=16000元。每年16000×12=192000元

安装合同中80个泵站计算，每年钾肥厂就人工工资节省：

192000×80=1536万元/年。

而整个钾肥公司的生产湖区很多，如果全部使用本项目系统，节省资金数目巨大； 

b)   如果不使用本项目系统中的ZigBee无线网络技术，有线通讯距离1000米左右，有线485无法连接。

如果采用光缆连接通讯，每个湖区按4km宽度计算，架设电缆杆，高原区每个按2000元、每50米一个电缆杆、光缆每米3元、还有拉线钢绳每米2元计算。 

一个湖区的光缆，拉线价格：4000米×(3.0+2.0)=20000 

一个湖区电缆杆价格：2000×(4000/50)=160000

光缆终端，中继以及熔接安装费用不计算，每个湖区的保守成本在160000+20000=18万元。

而使用本项目系统的DYZG无线网络终端只需要一个，成本不到4000元。每个湖区节省：180000-4000=17.6万元。 

本项目系统中的80个湖区此项节省成本： 

17.6×80=1408万元。

2)       某公司能源数据管理系统 

E.       项目实例详细描述

目前的能源计量监测系统91C7用人工抄表方式，每月定时抄表人员对全厂水、氧气、压缩空气、煤气、天然气、蒸汽、煤、电数据进行抄表。全厂能源计量仪表分布较广，要对全厂的仪表通过有线方式进行数据通信，难度较大，有线方式受走管布线、供电电源、安装场所和维修等的限制，采用有线方式是很难完成的，更不可能保证数据的实时性、可靠性和完整性，安装调试及后期维修成本巨大。

空气压缩机、泵站等设备的运行状态等无法实时监控，采用人工巡检方式，很多设备出现故障后不能及时发现处理。 

基于以上等复杂情况，就使得整个能源计量数据系统实施的要求更为严格。采用本项目系统的无线网路及数据处理成为唯一的选择。 

F.       本项目系统方案简介 

车间内实施局部485网络通讯：对各个车间及无法使用有线连接的安装地点，使用无线通讯技术，组成能源计量网络；

无线网络中继：采用电池及太阳能板供电方式在室外可自由方便的增加无线网络中继，使得整个能源计量数据网络更加稳定、可靠、节能环保；

数据中心服务器：使用专业的数据采集处理软件，对整个能源网络内数据进行集中采集处理；

G.       本项目系统应用实例的优越性

对天然气计量仪表，由于是防爆工作区域，且在广阔区域，没有拉通讯电缆及供电的可能性，项目系统采用的是微功耗的DYZG无线网络通讯模块，采用太阳能供电电池供电方式解决此项难题。其他的通讯方式均无法实现对天然气计量的数据交换。

这种没有供电的防爆场所，是有线网络系统或其它方式的无线传输系统无法做到的。 

搭建的ZigBee无线网络不需要单独的网络运行费用，不需要移动运营商的网络支持与制约，是自建的网络环境。稳定可靠，节点增加简单方便，且节点增加越多网络越稳定。此项其他的网络结构无法实现，用有线网络无法实现。 

此项目系统不需要人工处理，自动完成现场数据交换及报表输出，系统的使用可大大节省人工抄表及人工值守的费用。 

本项目系统使用前计量室12人进行报表处理及计量数据抄表，项目系统使用后仅需3-4人即可。 

按照节省8人工作成本计算： 

每人工资按3000元计算，每月节省工资3000×8=24000元/每月。

每年节省工资：24000元/每月×12=288000元。 

10年使用计算，节省工资：288000元×10年=2880000元。 

H.       本项目系统的地理位置定位功能 

在整个能源计量网络的测点中，测量数据可方便的定位到实时地理位置；对通讯故障，仪表故障也可实时的定位到厂区平面测点安装图中的实际安装的地理位置，为快速排除故障提供有效的保证。

2）某公司能源计量系统 

I.       项目实例详细描述

各分公司距离较远，最大距离6-7km,生活区距厂区距离也较远，由于化工厂，厂里各个能源计量仪表分布非常分散，横河DCS、新华DCS、温度、压力、流量、电能仪表等，仪表类型、数量较多；大多数电能仪表分布在厂外的用电单位内，故用有线通讯方式进行能源计量不可行。

以前能源计量通过人工定期抄表方式，不能实时进行检测能源使用状态，且数据处理庞大，容易出错。 

搅拌机、泵站等设备的运行状态等无法实时监控，采用人工巡检方式，很多设备出现故障后不能及时发现处理。 

基于以上等复杂情况，就使得整个能源计量数据系统实施的要求更为严格。采用本项目系统的无线网络及数据处理成为唯一的选择。 

J.       本项目系统方案简介 

车间内实施局部485网络通讯；

对各个车间及无法使用有线485通讯连接，各个车间外部使用无线通讯技术，组成能源计量网络；

无线网络中继：采用电池及太阳能板供电方式在室外可自由方便的增加无线网络中继，使得整个能源计量数据网络更加稳定、可靠、节能环保;

厂外电能仪表计量采用DYZG无线通讯模块，搭建稳定可靠的ZigBee无线网络，进行电能的实时监控；

数据中心服务器：使用专业的数据采集处理软件，对整个能源网络内数据进行集中采集处理；

MsSqlserver关系型网络数据库：使用专业的数据库处理软件SqlServer ,对能源数据进行管理、存贮、查询、报表打印等功能；

Tcp/Ip办公网络：使整个公司的办公网络内任何可授权计算机终端均可对对全厂能源计量数据进行查询、报表等功能；

各个分厂到监控室采用光缆进行数据传输；

采用OPC接口方式：各部分数据监控、远程数据采集、DCS控制系统均开发使用统一标准的OPC通讯接口实现。

K.       应用技术 

无线ZigBee网络技术；

工业485网络技术；

OPC接口技术；

设备管理器系统；

跨网段的VPN技术；

数据库处理技术；

Web服务器发布等。

L.       本项目系统实例的优越性 

c)   对天然气计量仪表由于是防爆工作区域，且在广阔区域，没有拉通讯电缆及供电可能性，项目系统采用的是微功耗的DYZG无线网络，采用太阳能供电电池供电方式解决此项难题。其他的通讯方式均无法实现对天然气计量的数据交换。

d)   搭建的ZigBee无线网络不需要单独的网络运行费用，不需要移动运营商的网络支持与制约，是自建的网络环境。稳定可靠，节点增加简单方便，且节点增加越多网络越稳定。此项其他的网络结构无法实现。 

厂外距离较远且能源计量设备分布非常分散，使用有线网络通讯无法实现； 

e)   开发标准的OPC接口技术

本项目系统中涉及到DCS、智能仪表、电能表、生产运行设备等种类较多，通讯接口、通讯方式类型也非常广泛，因此本项目系统对各类型设备开发标准的OPC接口，使得通讯及远距离的数据交换十分简单，且标准化；

f)   此项目系统不需要人工处理，自动完成现场数据交换及报表输出，系统的使用可大大节省人工抄表及人工值守的费用。

以前能源计量需要各个分厂计量人员定期巡检设备运行状态，定时人工抄表，然后汇总分析后，再上报到集团公司计量处，集团公司再根据上报数据报表汇总，分析，才能制定能源计划及生产节能状态及设备运行效率。周期长，工作繁重，且容易出错。 

g)   本项目系统的实施，大大简化了能源计量、数据分析、设备运行状态监测的工作。能够实时的监测各个分厂的能源使用及设备运行效率及状态，具有不可替代的重大意义。 

大大简化了工作强度，减少了工作人员。本项目系统使用后每个分厂计量抄表人员至少减少4人。 

按照三个分厂共减少人员：3×4=12人； 

每人工资按3000元计算，每年节省工资一项：

3000×12=36000元/每月

每年节省工资：36000元/每月×12=432000元

M.       本项目系统应用实例的系统拓扑图。

Claims (10)

1.一种工业现场数据物联网管理系统，包括依次连接的无线数据采集发射终端、无线数据转发终端、PLC控制系统、DCS控制系统、无线数据接收终端、无线终端太阳能供电装置、无线数据采集处理服务器以及通讯管理器；上述各个装置均在工业现场物联网管理系统软件的控制下进行数据的传输/处理，其特征在于：

所述无线数据采集发射终端设置于工业现场每个工位点，每几个临近工位点有线连接组网后安装一套无线数据转发终端、一套PLC控制系统以及一套DCS控制系统；

若干无线数据采集发射终端和无线数据转发终端按照zigbee无线网络预先设置的网段进行优化组网，将数据传送至无线数据接收终端，最终发送给无线数据采集处理服务器；

所述无线数据采集处理服务器再通过通讯管理器与公司内部域网、外部Internet或GPRS网络链接，实现数据共享/处理；所述通讯管理器将工业现场的网络数据通讯转换为局域网络或光纤网络远程传输；集中有TCP协议解析及跨网段VPN端口解析。

2.如权利要求1所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：

所述无线数据采集发射终端对现场工位点的压力、温度、流量及热量工业参数，以及PLC、DCS控制系统的参数进行采集或修改。

3.如权利要求1所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：

所述无线终端太阳能供电装置可对无法进行供电的无线数据采集发射终端、无线数据转发终端进行供电，完成采集以及转发工作。

4.如权利要求1所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：

所述公司内部域网包括制造执行系统(MES)和工厂管理系统（ERP）。

5.如权利要求1所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：

所述工业现场物联网管理系统软件，由以下几个主要功能模块组成：

现场工业参数模块

采用流程图表示法，以及地理位置标记方法形象显示现场数据参数；

控制系统参数模块

负责将PLC、DCS等控制系统的控制参数以及相关参数，结合工业现场使用要求显示出来；

数据库优化处理模块

可实时对采集到的数据进行存盘、备份处理，为今后查询提供数据服务；

报表、查询、曲线功能模块

可对数据库内保存的数据进行分类查询，具有实时曲线、历史曲线以及数据报表的打印功能；

用户管理功能

可对用户进行使用权限的设定，以及账户和密码的创建和修改功能；

ＷＥＢ发布和数据共享功能

具有ＷＥＢ发布功能，其他授权用户可通过局域网或外网进行系统参数的浏览；

数据库的数据可以通过网络传送给MES和ERP系统。

6.如权利要求1～5任一所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：所述连接包括有线网络连接和无线网络连接；所述有线网络连接采用工业标准的工业485通讯网络，将与无线数据采集发射终端连接的仪表及设备进行485网络链接；所述无线网络连接包括无线GPRS网络和ZigBee网络。

7.如权利要求6所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：所述ZigBee无线网络由DYZG无线网络通讯模块组成，所述既可以是终端，也可以是中继器，任何一个点都是自己的终端模块，也是另一个点的中继模块，任何一个模块故障，信号会自动跳过这个中继，继而找到下一个中继传输信号，不影响数据的传输。

8.如权利要求7所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：所述仪表及设备均可配备数字通讯接口，能与工业计算机系统组成DCS控制系统、数据采集系统、PLC控制系统及远距离遥测遥控系统。

9.如权利要求8所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：所述工业485通讯网络中使用标准的485接口ModBus协议就能够完成复杂的无线网络数据交换应用。

10.如权利要求9所述工业现场数据物联网管理系统，其特征在于：所述无线数据采集处理服务器的系统软件部分使用.Net架构的C#编程平台+Microsoft SQL Server进行编制；

软件功能分为：计量数据采集部分、计量数据处理部分、计量数据显示部分、计量数据库处理部分、数据报表生成部分、数据报表查询部分、数据曲线查询部分、使用人员权限功能部分及网络客户端浏览查询功能。