CN108873831A - 一种通用多通道车间数据采集方法 - Google Patents

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柳林燕
樊华飞
汪惠芬
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Abstract

本发明提供了一种通用多通道车间数据采集方法，包括以下步骤：步骤1，配置数据采集服务，配置包括数据采集项目、通道参数、传感器信息、要采集数据在本设备中寄存器地址；步骤2，使用MQTT协议采用发布/订阅的通信模式传输数据；步骤3，数据使用者使用数据。

Description

一种通用多通道车间数据采集方法
技术领域
本发明涉及一种制造业信息化技术，特别是一种通用多通道车间数据采集方法。
背景技术
以智能制造为主导的“智能制造2025”目前在国内正如火如荼地开展。智能制造需要实现制造系统架构的“智能工厂”、“智能服务”、“工业软件和大数据”等关键功能，上述关键功能中数据采集是最基本的底层支撑。来自于各终端的大量实时数据支撑了上层多种多样的应用设备。随着上层应用的不断增加，对不同层次，不同种类的数据提出了新的要求。为了全面采集制造车间数据需要研究高性能的数据采集终端；同时为了降低数据采集装置与数据需求方的耦合，高实时性地分发数据需要研究新型的数据传输与交互方法。
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)是一个基于传统客户端/服务端架构设计的发布/订阅模式的消息传输协议。该协议基于TCP/IP协议传输，同时支持WebSocket。MQTT可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、移动应用等方面有较广泛的应用。
传统数据采集方案多采用点对点传输，即各上层应用(MES、DT)仅采集与自身有关数据，数据传输也是直接从采集设备到上层应用的线性化通信模式。当企业重新规划车间布局、更新生产线、添加新的应用时，需要花费大量精力重构基础数据采集设施，这种方式难以在企业推进下去，也成为了阻碍制造业智能化信息化的一大瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用多通道车间数据采集方法，包括以下步骤：
步骤1，配置数据采集服务，配置包括数据采集项目、通道参数、传感器信息、要采集数据在本设备中寄存器地址；
步骤2，使用MQTT协议采用发布/订阅的通信模式传输数据；
步骤3，数据使用者使用数据。
采用上述方法，步骤1的具体过程在于：
步骤1.1，配置数据采集项目，包括一条生产线上的数据或小型车间数据；
步骤1.2，配置通道参数，包含数据传输协议、协议参数，以及数据采集设备的接口；
步骤1.3，配置传感器信息，包含传感器地址、传感器ID；
步骤1.4，配置要采集数据在本设备中寄存器地址，该地址为遵循现场总线协议的约定数据存放位置。
采用上述方法，步骤2的具体包括：
MQTT协议包含消息代理和客户端两个主体，
消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者；
根据MQTT协议编写客户端应用软件，应用软件连接消息代理服务器，向不同预设主题推送消息；
数据使用者通过申明各自身份向消息代理服务器订阅相关主题获得所需要数据。
采用上述方法，步骤3的具体过程在于：
数据管理员根据客户端需要数据情况与请求配置数据，生成XML格式文件，该文件中包含对该数据的描述，以及所需要的主题信息；
数据使用者根据数据采集者提供的XML文件获取自身需要的数据信息。
本发明通过系列化的数据采集终端，通过简易的配置，各采集终端不需要单独部署与上层应用的传输通道，仅通过与消息代理服务器连接，即可根据应用不同获取个性化数据，操作步骤简单，实现了数据采集设备与数据需求者在时间空间上的解耦。
结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是数据采集设备接口以及工作方式示意图。
图2为数据采集设备的工作流程图。
图3数据采集设备配置过程示意图。
图4一个主体信息XML格式文档示意图。
具体实施方式
结合附图1数据采集终端包含工业生产设备通信的大部分接口，包含串口(232、422、485)，WiFi、工业以太网。可采集工业现场仪表、PLC、机床、RFID读写器信息、条码信息，对应工业生产中的人员、设备、物料、环境数据，同时预置多种现场总线协议。数据的用户侧协议为Modbus TCP。主控芯片选择高性价比的STM32F103，WIFI芯片选择适用于物联网的ESP8266，以太网芯片选择具有硬件协议栈的W5500芯片。该设备预置Modbus RTU/TCP现场总线协议，可根据现场情况依据接口种类与数量，进行优化选择配置。
结合附图2在命令模式下，采集终端依赖于上位机发出的周期性采集命令，仅进行命令转发，发布命令到各个接口以获取数据。在自主模式下，数据采集终端保存上位机发出的命令，自身作为主机采集下位机数据。在常态下，该终端于自主模式下。利用命令模式还可以配置数据库服务，数据在向消息代理发送时同时向上位机发送一份副本，实现数据的本地保存。
配置信息保存在eeprom中，数据采集终端初上电读取配置信息获取自身初始化数据以及工作命令参数。在自主模式下使用该配置信息采集数据。数据采集终端连续多次上传数据不畅触发报警，同时保存数据到SD卡中，SD卡使用FAT文件系统，信息保存在CSV格式文件中，该格式易于被计算机读取。一条信息包含数据产生事件，产生数据的设备，该条数据。
根据MQTT协议编写客户端程序运行在数据采集终端，采集数据按照用户需求传输。对数据采集装置进行地址编码，对传感器地址进行编码，如地址为1的数据采集器采集地址为2的传感器，则该传感器可表示为topic/001/002，该表示也即数据发布的主题。数据采集设备采集到新的数据首先进行简单处理，判断所属主题，然后向该主题发布数据。
对MES、DT等上层应用者，数据库管理员根据其需求，配置所需要数据，生成特定格式XML文件，包含对该数据的描述以及主题信息。应用导入XML文件，根据管理员分配的用户名以及口令向服务器订阅相关主题信息，即可获得所有需要数据。
在接口获取到一帧完整的数据时，将数据帧打包成Modbus TCP帧格式，并得到发布主题，使用MQTT协议连接远程数据服务器，向该主题发布消息。数据采集设备五次连接不上数据服务器时，触发报警数据传输故障报警，其后数据保存在本地SD卡。SD卡剩余空间小于总容量的20％时触发本地存储满报警。
结合图3，步骤S1配置数据采集服务，首先配置数据采集项目，一个数据采集项目包含了本数据采集设备可以采集的所有数据，实际使用中可以用来表示一条生产线上的数据或小型车间数据；然后配置通道参数，包含数据传输协议，以及协议参数，对应于实际中的数据采集设备的接口；之后配置传感器(包含RFID读写器、扫码枪等)信息，对应于实体的一个设备，包含传感器地址，传感器ID；最后配置要采集数据在本设备中寄存器地址，该地址为遵循现场总线协议的约定数据存放位置。
步骤S2配置数据转发服务供数据传输使用。本发明采用基于MQTT协议的发布/订阅通信方式。该协议包含两个主体：消息代理和客户端。消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。数据采集终端与消息代理连接，并间隔检测连接状态，连续多次失去连接报警提示。在本设计中，数据采集终端作为一个客户端负责生产数据，向所有通道推送数据，消息代理服务器采用MOSQUITTO。步骤S1中数据主题整合的格式为：“topic”/数据采集终端地址/传感器地址，如topic/001/002。配置数据转发服务的主要工作为确定消息主题，可根据上述层级关系确定具体的数据采集点，设计数据主题。
步骤S2上层应用与消息代理进行连接，数据管理员根据应用设置不同的主题，通过接入连接时的账号密码确定身份，确保不同上层应用能且仅能获取自身需求数据，保障数据安全与完备，降低数据传输代价。
步骤S3上层应用订阅需求相关主题。订阅主题工作由数据采集系统管理者负责，以确保上层应用者能且仅能获取与自身相关的数据，保障数据安全。本例中使用XML格式文件交换数据，文件交换双方约定格式信息意义，一个实例如附图4所示。
Project字段为一个数据采集项目，属性name表示数据采集项目名称；data字段为一条数据源的全部信息，包含字段name表示该条数据意义，字段topic表示应用需要订阅的主题信息，字段detail为该条信息的项目描述。各上层应用选择适合自身开发语言的API，解析该文档向服务器订阅即可得到相关数据。当企业欲构建新的应用系统，如数字孪生系统，不需要进行复杂基础实施重建，仅由管理员设计新的主题文档即可完成。
步骤S4数据采集终端向消息代理推送消息。针对RFID读写器的特点，其会在短期内产生大量重复无意义数据而占用带宽，造成网络拥堵，降低数据采集系统的性能，故设计简单过滤算法，仅传输关键状态变化消息：如工件进入工位、工件离开工位；针对设备故障，数据响应错误问题，本地进行简单解析，并向主题订阅者推送错误标志字。
步骤S5上层应用根据收到的实时数据更新数据，完成业务处理。

Claims (9)

1.一种通用多通道车间数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，配置数据采集服务，配置包括数据采集项目、通道参数、传感器信息、要采集数据在本设备中寄存器地址；
步骤2，使用MQTT协议采用发布/订阅的通信模式传输数据；
步骤3，数据使用者使用数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1的具体过程在于：
步骤1.1，配置数据采集项目，包括一条生产线上的数据或小型车间数据；
步骤1.2，配置通道参数，包含数据传输协议、协议参数，以及数据采集设备的接口；
步骤1.3，配置传感器信息，包含传感器地址、传感器ID；
步骤1.4，配置要采集数据在本设备中寄存器地址，该地址为遵循现场总线协议的约定数据存放位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2的具体包括：
MQTT协议包含消息代理和客户端两个主体，
消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者；
根据MQTT协议编写客户端应用软件，应用软件连接消息代理服务器，向不同预设主题推送消息；
数据使用者通过申明各自身份向消息代理服务器订阅相关主题获得所需要数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，客户端接入消息代理时输入账号密码，确保不同客户端能且仅能获取自身需求数据。
5.根据权力要去3所述的方法，其特征在于，客户端与消息代理连接，并间隔检测连接状态，连续多次失去连接报警提示。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，主题信息至少包括数据采集装置地址、传感器地址。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3的具体过程在于：
数据管理员根据客户端需要数据情况与请求配置数据，生成XML格式文件，该文件中包含对该数据的描述，以及所需要的主题信息；
数据使用者根据数据采集者提供的XML文件获取自身需要的数据信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，XML格式文件中包括以下信息：表示数据采集项目名称的name字段，
表示应用需要订阅的主题信息的topic字段，
表示该条信息的项目描述的detail字段。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，传递的数据仅为传输关键状态变化消息，具体包括工件进入工位、工件离开工位、设备故障、数据响应错误。
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