CN109947810A - 工业设备数据实时采集系统 - Google Patents

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崔少朋
张凤德
陈杰
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Abstract

本发明公开了一种工业设备数据实时采集系统,包含:对应于工厂中每个车间设置的分布式采集节点,分布式采集节点中设置一节点服务器,节点服务器包含数据采集单元;数据采集单元用于采集车间内工业设备的实时数据,并将实时数据存储至节点服务器,节点服务器还用于对实时数据进行预处理,以生成数据预处理结果;数据中心,包含数采服务器及web服务器;数采服务器用于存储及进一步处理各节点服务器传输的数据预处理结果,并生成数据报表;web服务器用于将数据报表以web形式呈现,以供用户查看,还用于提供配置界面,供用户配置数据采集单元的参数。本发明能够通过简单配置快速连接多种不同的接口,采用模块化的思想,支持动态添加协议,系统延时低。

Description

工业设备数据实时采集系统
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域,具体涉及一种工业设备数据实时采集系统。
背景技术
目前,信息技术、新能源、新材料、生物技术等重要领域和前沿方向的革命性突破及交叉融合,正在引发新一轮的产业变革,将对全球制造业产生颠覆性的影响,并改变全球制造业的发展格局。
随着新一代信息技术与制造业的深度融合,将促进制造模式、生产组织方式和产业形态的深刻变革,智能化、服务化成为制造业发展新趋势。世界各国正在积极部署战略计划,如德国的“工业4.0”、美国的“工业互联网”及中国的“中国制造2025”。发达国家是在工业3.0基础上直接迈向4.0,而我国制造业还处于工业化阶段,大多数停留在 2.0和3.0之间,总体上当前我国的制造业自动化程度还比较低。
国内生产设备种类繁多,控制器品牌接口不一,老旧设备信息采集以及现场设备的整改都存在问题。针对中国制造业的国情,通过信息技术的优势来拉动工业增长成为一个趋势,例如,利用云计算、大数据等互联网技术,将各类技术形成一个合力,推动中国制造实现“弯道超车”。
实现工厂自动化、信息化,数据是关键,如何准确、高效的获取工业现场设备的数据更是重中之重。工业现场设备的数据包含设备本身的数据、能耗以及一些工艺参数数据,采集频率快,数据量大,并且数据具有时效性,如果不及时处理易造成数据浪费。现有技术中的数据采集系统,系统延时高,数据处理不及时,成为整个制造业转型升级的瓶颈所在,这一问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工业设备数据实时采集系统,能够通过简单配置快速连接多种不同的接口,采用模块化的思想,支持动态添加协议,系统延时低。
为了达到上述目的,本发明通过以下技术方案实现:一种工业设备数据实时采集系统,其特点是,包含:
对应于工厂中每个车间设置的分布式采集节点,所述的分布式采集节点中设置一节点服务器,所述的节点服务器包含数据采集单元;
所述的数据采集单元用于采集车间内工业设备的实时数据,并将实时数据存储至所述的节点服务器,所述的节点服务器还用于对实时数据进行预处理,以生成数据预处理结果;
数据中心,所述的数据中心包含数采服务器及web服务器;
所述的数采服务器用于存储及进一步处理各节点服务器传输的数据预处理结果,并生成数据报表;
所述的web服务器用于将数据报表以web形式呈现,以供用户查看,还用于提供配置界面,供用户配置数据采集单元的参数。
较佳地,所述的数采服务器还对接企业业务管理系统。
较佳地,所述的企业业务管理系统包含制造执行系统、企业资源计划管理系统工厂管理系统、仓储管理系统及办公自动化系统。
较佳地,所述的节点服务器还包含:
节点数据存储单元,用于存储数据采集单元采集的工业设备的实时数据;
节点数据处理单元,用于对数据采集单元采集的工业设备的实时数据进行预处理,生成数据预处理结果。
较佳地,所述的数采服务器还包含:
数据分析单元,用于分析处理各节点服务器传输的数据预处理结果,并生成数据处理结果;
事件告警单元;用于根据数据处理结果,并结合预先设置的阈值对现场工业设备的运行情况进行预警,生成故障信息;
报表管理单元,用于对故障信息及数据处理结果生成数据报表;
数采存储单元,用于存储各节点服务器传输的数据预处理结果、数据处理结果、预先设置的阈值、故障信息及数据报表;
过程控制单元,用于根据预设算法及数据处理结果对工业设备的工艺参数进行调整,并输出控制指令;
安全管理单元,用于监控数据分析单元、事件告警单元、报表管理单元、数采存储单元及过程控制单元的运行。
较佳地,所述的数采服务器还包含接口单元,用于二次开发及功能扩展。
较佳地,所述的数据采集单元采用模块化设计,所述的数据采集单元设置一协议容器,每一类型的工业数据传输协议单独封装为一个模块,并动态添加协议至协议容器中。
较佳地,所述的工业数据传输协议的类型包含MODBUS协议、PROFINET协议、OPC-UA协议、MELSEC协议及 MTCONNECT协议。
较佳地,所述的数据采集单元采用时分复用方式,利用多线程对车间内工业设备的实时数据进行采集。
较佳地,所述的节点服务器与数采服务器之间通过企业内部局域网连接,并采用OPC-UA协议进行数据传输。
本发明一种工业设备数据实时采集系统与现有技术相比具有以下优点:本发明中的工业设备数据实时采集系统使用模块化的思想让多类型设备数据采集变的清晰高效,且具有良好的可扩充性,极大的方便了后期的维护和功能添加;分布式采集,每个数据采集点各自独立保证整个系统核心模块的稳定,提高了数据库大数据量的吞吐能力,让数据库更加稳定可靠;本发明使用插件式框架,各个模块间相互独立,模块只与核心控制模块交互,保证了核心系统的稳定性与模块之间的独立性,同时也提供了良好的可扩展性,整个系统无需再次开发,只需单独开发相应的新的功能模块就可以非常方便的集成到成熟的系统之中;本发明使用Redis作为系统缓存,能够实现系统高可用、高可扩展以及大数据存储的需求,支持数据的快速读取,并且通过Redis的发布与订阅功能可以实时响应设备信息,实时了解设备状态。
附图说明
图1为本发明一种工业设备数据实时采集系统的整体结构框图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化,其皆不脱离本发明的范围,且其中的说明及图示在本质上当做说明之用,而非用以限制本发明。
工业设备数据实时采集系统作为工厂信息化系统的中间系统,由于需要连接工厂内种类繁多的设备,要求工业设备数据实时采集系统能够快速连接多种不同的接口,以及快速变换。
工厂中进行数据采集的系统层级可以大致分为三层,一层为设备层,主要是一些工厂内的工业设备,还有一层为中间层,主要是数据采集的过程,可以布置采集节点,完成数据采集,最上层为数据层,主要是对中间层采集到的数据进行存储及再加工,或者是对外提供展示等等。
本发明公开了一种工业设备数据实时采集系统,如图1所示,包含:对应于工厂中每个车间设置的分布式采集节点100,所述的分布式采集节点100中设置一节点服务器101,所述的节点服务器101包含数据采集单元1011;所述的数据采集单元1011用于采集车间内工业设备的实时数据,并将实时数据存储至所述的节点服务器101,所述的节点服务器101还用于对实时数据进行预处理,以生成数据预处理结果;数据中心200,所述的数据中心200包含数采服务器201及web服务器202;所述的数采服务器201用于存储及进一步处理各节点服务器101传输的数据预处理结果,并生成数据报表;所述的web服务器202用于将数据报表以web形式呈现,以供用户查看,还用于提供配置界面,供用户配置数据采集单元1011的参数。
在本发明的实施例中,web服务器202支持全平台数据展示,采用B/S架构,支持windos,ios,Android,linux等系统,前端选用h5响应式界面支持IE,360安全浏览器,火狐,世界之窗,TT,搜狗,谷歌,opera等。
在另外一些实施例中,还包含终端设备,终端设备可以是在车间进行人机交互的一体机设备,也可以是操作人员的手持终端,例如智能手机、笔记本电脑等,可以将实时获取的数据进行显示,以及异常情况处理。
在本发明的一些实施例中,数据采集单元1011也可以称之为数据采集软件,采集软件部署在节点服务器101上,节点服务器101通过网线与现场工业设备的控制器(Programmable Logic Controller,PLC,可编程逻辑控制器)连接,获取工业设备的数据;在本发明的另外一些实施例中,对于一些工厂中的老旧设备,可以通过智能网关做为中间件,获取工业设备的数据。
在本发明的实施例中,数据采集单元1011采集设备层的数据,通过不同的接口与不同的设备进行连接,例如,RFID识别模块通过RS232接口与节点服务器101连接,一些传感器通过RS485接口与节点服务器101连接,还有一些设备通过CAN总线与节点服务器101连接;再比如一些设备通过智能网关进行数据采集,例如,NC设备,数控设备等,可以直接采用以太网进行连接,在另外一些实施例中,可以通过布置在分布式采集节点100上的能效管理装置102对设备的电源进行管理,采集能耗数据。
在本实施例中,通过配置数据采集软件,来获取工业设备的实时数据,实时数据主要包含工业设备的运转信息,例如,机床的转速、刀头位置信息等,还包含工业设备的状态信息,例如,工业设备的故障信息,故障代码或者是停/开机状态,还可以是工业设备的加工工艺信息,例如,机床加工的NC代码等等,需要采集的数据可根据工厂实际进行选择。
在本实施例中,数据采集软件支持多协议分布式采集,每个数据采集点各自独立保证整个系统核心模块的稳定,提高了数据库大数据量的吞吐能力,让数据库更加稳定可靠。数据采集软件采集的数据同步保存到节点服务器101上,数据采集软件通过XML作为配置文件的方式,通过XML文件将工业设备和信息模型进行映射,当获取到数据信息时,对XML文件进行解析,获得信息模型;优选地,从各个数据协议获取到的数据转换为OPC-UA信息模型,向外界提供OPC-UA的TCP协议接口,数据总线作为各个模块获取写入数据的中间模块。
在本实施例中,数据采集软件采用模块容器可动态添加协议,使用模块化的思想将各个协议的处理抽象包装成各自独立的模块,使用统一的接口根据XML配置文件对各自的模块进行调用,进行数据采集。
在本实施例中,数据采集软件根据页面任意搭配需求,方便快速部署,插件式管理可从本地或网络获取最新插件进行系统升级改造。在进行数据采集之前需要配置与待连接工业设备的通讯协议,通过配置协议模块可达到对某些特定参数的监控,及时反馈工业现场信息;较佳地,所述的工业数据传输协议的类型包含但不限于MODBUS协议、PROFINET协议、OPC-UA协议、MELSEC协议及MTCONNECT协议。
在本实施例中,所述的数采服务器202还对接企业业务管理系统203;较佳地,企业业务管理系统包含制造执行系统(MES系统)2031、企业资源计划管理系统(ERP系统)2032、仓储管理系统(WMS系统)2033及办公自动化系统(OA系统)2034等;优选地,为了保证数据的流畅,设置一实时数据库204。
在本发明中,所述的节点服务器101还包含:节点数据存储单元1012,用于存储数据采集单元1011采集的工业设备的实时数据;节点数据处理单元1013,用于对数据采集单元1011采集的工业设备的实时数据进行预处理,生成数据预处理结果。
在本发明中,所述的数采服务器201还包含:数据分析单元2011,用于分析处理各节点服务器101传输的数据预处理结果,并生成数据处理结果;事件告警单元2012;用于根据数据处理结果,并结合预先设置的阈值对现场工业设备的运行情况进行预警,生成故障信息;报表管理单元2013,用于对故障信息及数据处理结果生成数据报表;数采存储单元2014,用于存储各节点服务器101传输的数据预处理结果、数据处理结果、预先设置的阈值、故障信息及数据报表;过程控制单元2015,用于根据预设算法及数据处理结果对工业设备的工艺参数进行调整,并输出控制指令;安全管理单元2016,用于监控数据分析单元2011、事件告警单元2012、报表管理单元2013、数采存储单元2014及过程控制单元2015的运行。
在本发明的另外一些实施例中,所述的数采服务器201还包含接口单元2017,用于二次开发及功能扩展,还用于对外提供数据访问传输接口,支持跨平台,跨语言调用,可以实现实时数据传输。
工业数据有着以下数据特点:海量数据,随机、高速存储,设备数据结构多样且繁杂,数据冗余高。因此,在本发明中,进行数据存储的模块显得尤为重要。在本发明中,为了保证实时数据库大数据吞吐能力,采用量一系列的方式来提升数据库的性能,以满足需求。对于数据存储而言,数据库的选型是非常重要的,本发明中mysql数据库用于存储数据采集软件的配置文件,采用 influxDB数据库用于存储采集到的工业设备的实时数据;较佳地,在本发明中使用Redis作为系统缓存,能够实现系统高可用、高可扩展以及大数据存储的需求,支持数据的快速读取,并且通过Redis的发布与订阅功能可以实时响应设备信息,实时了解设备状态。
系统延迟关乎到整个系统数据流通的每个环节的性能瓶颈,在本发明中,为了降低系统延迟,采用以下做法:首先是底层的数据采集,通过相应的多线程优化以提升整个数据采集的效率与速度,然后将采集的数据快速存储到redis内存数据库中,redis内存数据的库的读取效率是非常高的,之后前端获取到来自 redis数据库的实时数据。因为所有的数据都只是在内存中进行周转,所以提升了系统的反应速度,降低了系统的延迟,系统延迟不大于1000ms。
工业设备数据实时采集系统需要同时对大量的设备进行数据采集,所以线程优化也是一个急需解决的问题,因为多线程的采集很容易成为性能瓶颈,若工厂车间内的设备较少时,且服务器支持,则对每台工业设备开启一个专用的数据采集线程,这样可以安全稳定的采集工业设备的数据。
当需要采集大量设备,而服务器又存在着性能瓶颈时,需要针对多线程进行优化。在本发明中,采用以下策略:首先是采用了线程池,利用线程池管理大量的线程,同时建立任务队列,把设备数据采集的任务按照相应的策略的放入到任务队列中,然后启用相应的线程,按相应策略轮询处理队列中的数据采集任务,对于未能在预设时间内完成采集任务的线程,把任务调度到特殊任务队列中进行后续的处理。也即,在本发明中采用时分复用的方式,通过有限的线程数,采集相应大量的设备的数据,并保证了相应的数据采集的频率与效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种工业设备数据实时采集系统,其特征在于,包含:
对应于工厂中每个车间设置的分布式采集节点,所述的分布式采集节点中设置一节点服务器,所述的节点服务器包含数据采集单元;
所述的数据采集单元用于采集车间内工业设备的实时数据,并将实时数据存储至所述的节点服务器,所述的节点服务器还用于对实时数据进行预处理,以生成数据预处理结果;
数据中心,所述的数据中心包含数采服务器及web服务器;
所述的数采服务器用于存储及进一步处理各节点服务器传输的数据预处理结果,并生成数据报表;
所述的web服务器用于将数据报表以web形式呈现,以供用户查看,还用于提供配置界面,供用户配置数据采集单元的参数。
2.如权利要求1所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的数采服务器还对接企业业务管理系统。
3.如权利要求2所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的企业业务管理系统包含制造执行系统、企业资源计划管理系统工厂管理系统、仓储管理系统及办公自动化系统。
4.如权利要求1所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的节点服务器还包含:
节点数据存储单元,用于存储数据采集单元采集的工业设备的实时数据;
节点数据处理单元,用于对数据采集单元采集的工业设备的实时数据进行预处理,生成数据预处理结果。
5.如权利要求1所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的数采服务器还包含:
数据分析单元,用于分析处理各节点服务器传输的数据预处理结果,并生成数据处理结果;
事件告警单元;用于根据数据处理结果,并结合预先设置的阈值对现场工业设备的运行情况进行预警,生成故障信息;
报表管理单元,用于对故障信息及数据处理结果生成数据报表;
数采存储单元,用于存储各节点服务器传输的数据预处理结果、数据处理结果、预先设置的阈值、故障信息及数据报表;
过程控制单元,用于根据预设算法及数据处理结果对工业设备的工艺参数进行调整,并输出控制指令;
安全管理单元,用于监控数据分析单元、事件告警单元、报表管理单元、数采存储单元及过程控制单元的运行。
6.如权利要求5所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的数采服务器还包含接口单元,用于二次开发及功能扩展。
7.如权利要求1所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的数据采集单元采用模块化设计,所述的数据采集单元设置一协议容器,每一类型的工业数据传输协议单独封装为一个模块,并动态添加协议至协议容器中。
8. 如权利要求7所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的工业数据传输协议的类型包含MODBUS协议、PROFINET协议、OPC-UA协议、MELSEC协议及 MTCONNECT协议。
9.如权利要求1所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的数据采集单元采用时分复用方式,利用多线程对车间内工业设备的实时数据进行采集。
10.如权利要求1所述的工业设备数据实时采集系统,其特征在于,所述的节点服务器与数采服务器之间通过企业内部局域网连接,并采用OPC-UA协议进行数据传输。
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