工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)必看之不可不知的數(shù)據(jù)采集
現(xiàn)實(shí)信號(hào)：如溫度、濕度、壓力、電磁場(chǎng)、圖像、聲音等模擬信號(hào)通過傳感器、放大器、濾波器等預(yù)處理后，經(jīng)過A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過串口，或者USB口，或者網(wǎng)口，將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收到這些數(shù)字信號(hào)（也可叫數(shù)據(jù)）后將其保存、顯示以及一系列處理。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集流程圖：
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其中包含三個(gè)主要內(nèi)容：1數(shù)據(jù)采集 & 2傳感器 & 3軟件
信號(hào)采集分析 = 算法 + 人機(jī)交互分析 = 數(shù)值計(jì)算 + 信號(hào)處理 + 圖像處理+統(tǒng)計(jì)分析 + 可視化+數(shù)據(jù)管理 + 分析報(bào)告；
本文將通過如何將現(xiàn)實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再到用軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及展現(xiàn)數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)采集篇
制造業(yè)大數(shù)據(jù)采集方法分類
大數(shù)據(jù)的采集是指利用多個(gè)數(shù)據(jù)庫或存儲(chǔ)系統(tǒng)來接收發(fā)自客戶端（Web、App 或者傳感器形式等）的數(shù)據(jù)。例如，電商會(huì)使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 MySQL 和 Oracle 等來存儲(chǔ)每一筆事務(wù)數(shù)據(jù)，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，Redis、MongoDB 和 HBase等 NoSQL 數(shù)據(jù)庫也常用于數(shù)據(jù)的采集。
數(shù)據(jù)采集軟件包括兩類：
1、下位機(jī)軟件（與硬件相關(guān)）
下位機(jī)軟件的功能主要是A/D，數(shù)字濾波，實(shí)時(shí)處理，數(shù)據(jù)傳送，多數(shù)用C語言實(shí)現(xiàn)。
2、上位機(jī)軟件
上位機(jī)軟件主要完成數(shù)據(jù)收集、保存、顯示以及處理、分析等，可實(shí)現(xiàn)的語言，如C++,C#,VB,JAVA等。
制造業(yè)數(shù)據(jù)的采集主要特點(diǎn)和挑戰(zhàn)是并發(fā)數(shù)高：因?yàn)橥瑫r(shí)可能會(huì)有成千上萬的數(shù)據(jù)需要采集。所以在采集端需要部署大量數(shù)據(jù)庫才能對(duì)其支撐。
根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，大數(shù)據(jù)采集方法也不相同。但是為了能夠滿足大數(shù)據(jù)采集的需要，大數(shù)據(jù)采集時(shí)都使用了大數(shù)據(jù)的處理模式，即 MapReduce 分布式并行處理模式或基于內(nèi)存的流式處理模式。
制造業(yè)大數(shù)據(jù)采集方法有以下幾大類：
1、數(shù)據(jù)庫采集
傳統(tǒng)企業(yè)會(huì)使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 MySQL 和 Oracle 等來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
2、系統(tǒng)日志采集
高可用性、高可靠性、可擴(kuò)展性是日志收集系統(tǒng)所具有的基本特征。系統(tǒng)日志采集工具均采用分布式架構(gòu)，能夠滿足每秒數(shù)百 MB 的日志數(shù)據(jù)采集和傳輸需求。
3、感知設(shè)備數(shù)據(jù)采
感知設(shè)備數(shù)據(jù)采集是指通過傳感器、攝像頭和其他智能終端自動(dòng)采集信號(hào)、圖片或錄像來獲取數(shù)據(jù)。
大數(shù)據(jù)智能感知系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的海量數(shù)據(jù)的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、接入、傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換、監(jiān)控、初步處理和管理等。其關(guān)鍵技術(shù)包括針對(duì)大數(shù)據(jù)源的智能識(shí)別、感知、適配、傳輸、接入等。
傳感器篇
傳感器是數(shù)據(jù)采集的入口，是物聯(lián)網(wǎng)、智能工業(yè)、智能設(shè)備、無人駕駛等的“心臟”。
按照不同的劃分方式，傳感器可以被分為不同的類別。例如按照被測(cè)的非電物理量劃分，可以分為壓力傳感器和溫度傳感器等。
按照將非電物理量轉(zhuǎn)換為電物理量時(shí)的工作方式劃分，可以分為能量轉(zhuǎn)換型（工作時(shí)不需要額外 的能量接入）和能量控制型（工作時(shí)需要額外的能量接入）等。
按照制造工藝：分為陶瓷傳感器和集成傳感器等。
隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器的種類將會(huì)越來越豐富，就當(dāng)前而言，主要運(yùn)用到的傳感器有如下幾類：
1、影像傳感器
影像傳感器(Image Sensor)可從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)圖元，基本原理是透過光電效應(yīng)將光線能量轉(zhuǎn)換成電荷，光線越強(qiáng)電荷越多，這些電荷就成為判斷光線強(qiáng)弱的依據(jù)。
影像傳感器應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，像是檢驗(yàn)、計(jì)量、測(cè)量、定向、瑕疵檢測(cè)。未來技術(shù)發(fā)展方向?qū)⒊秃碾娏?、更廣光線波長(zhǎng)擷取范圍、更高精密度檢測(cè)辨識(shí)、更快檢測(cè)辨識(shí)速度等邁進(jìn)。
2、壓力傳感器
壓力傳感器(Pressure Sensor)是檢測(cè)氣體或液體之壓力強(qiáng)度，并將壓力強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)；已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)控制環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自動(dòng)控、航空航太等。未來技術(shù)將朝更微型MEMS 腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更高靈敏度檢測(cè)能力發(fā)展。
3、位置傳感器
位置傳感器(Position Sensor)主要應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)，如線性編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服馬達(dá)等；技術(shù)發(fā)展是朝更高精確度控制、加速度感測(cè)控制、更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向前進(jìn)。
4、位移傳感器
位移傳感器(Level Sensor)，又稱為線性傳感器，分為電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超音波式位移傳感器、霍爾式位移傳感器；主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制。技術(shù)發(fā)展朝更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、非接觸檢測(cè)技術(shù)開發(fā)、數(shù)位式檢測(cè)技術(shù)開發(fā)、更高精確度控制等方向演進(jìn)。
5、力量傳感器
力量傳感器(Force Sensor)是用來檢測(cè)氣體、固體、液體等物質(zhì)間相互作用力的傳感器，多應(yīng)用在力度檢測(cè)，如機(jī)器人手臂抓取物件力度大小的控制。技術(shù)發(fā)展朝更低耗電量、更快的檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間、更高精確度檢測(cè)辨識(shí)等方向前進(jìn)。
6、氣體傳感器
氣體傳感器(Gas Sensor)能針對(duì)可燃性氣體、毒性氣體成分進(jìn)行測(cè)定，并將其轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，可用于工業(yè)自動(dòng)化、礦產(chǎn)資源探測(cè)、氣象觀測(cè)和遙測(cè)、生鮮保存、防盜、節(jié)能等領(lǐng)域。技術(shù)發(fā)展朝更快的監(jiān)測(cè)反應(yīng)時(shí)間、更短的監(jiān)測(cè)距離、更多氣體類型連續(xù)監(jiān)測(cè)等方向精進(jìn)。
7、半導(dǎo)體傳感器
半導(dǎo)體傳感器(Semiconductor Sensor)系利用半導(dǎo)體材料各種物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制成的傳感器。應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋工業(yè)自動(dòng)化、遙測(cè)、工業(yè)型機(jī)器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程、生物工程等。技術(shù)發(fā)展朝更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更高靈敏度檢測(cè)能力、降低制造成本等方向邁進(jìn)。
8、光纖傳感器
光纖傳感器(Fiber Optic Sensor)可將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器(Modulator)，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。主要用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，像是磁力、聲波、壓力、溫度、加速度、陀螺儀、位移、液體、轉(zhuǎn)矩、聲光、電流及應(yīng)變力等物理量之檢測(cè)。技術(shù)發(fā)展朝更短監(jiān)測(cè)距離、提高量測(cè)光能量強(qiáng)度的準(zhǔn)確性等方向精進(jìn)。
SCADA軟件?
數(shù)據(jù)分析可視化 = 數(shù)據(jù)處理算法 + 統(tǒng)計(jì)分析 + 波形 + 圖形 + 圖像+動(dòng)畫；
信息處理與分析 = 數(shù)據(jù)+時(shí)間序列 + 信號(hào) + 圖像 處理與分析 + 統(tǒng)計(jì)分析 + 數(shù)據(jù)管理。
1、SCADA系統(tǒng)的意義
SCADA是Supervisory ControI And DataAcquiSition System 的縮寫，是對(duì)分布距離遠(yuǎn)，生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制系統(tǒng)。
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了解生產(chǎn)情況是實(shí)施科學(xué)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，如果生產(chǎn)過程分布很近，可以采用就近控制的辦法，接線-監(jiān)視-控制，對(duì)于復(fù)雜的過程生產(chǎn)采用DCS系統(tǒng)控制的比較多，采用PLC的或者專業(yè)控制器。
2、SCADA系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別在于：
（1）分布區(qū)域廣泛
（2）主站與控制對(duì)象距離遠(yuǎn)
（3）監(jiān)控終端的工作條件苛刻
（4）通訊系統(tǒng)復(fù)雜多變
3、SCADA系統(tǒng)的構(gòu)成
SCADA系統(tǒng)主要包括三部分組成，主站端，通訊系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端單元。
主站一般采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，有著良好的圖形支持，現(xiàn)在采用PC計(jì)算機(jī)和WINDOWS系統(tǒng)居多，在歷史上，曾經(jīng)有很多系統(tǒng)采用UNIX系統(tǒng)和XWINDOWS圖形界面。一個(gè)主站可能的分站數(shù)量從幾十到幾百、幾千個(gè)不等。
通訊系統(tǒng)就非常復(fù)雜了，有線的包括音頻電纜、載波電纜、光纖、電力載波等，無線的包括電臺(tái)、衛(wèi)星、微波等。
遠(yuǎn)程終端單元(RTU or TeleControl )的品種也很多，大的系統(tǒng)由很多機(jī)柜組成，小的系統(tǒng)可能就是一個(gè)小盒子。
4、SCADA的主站系統(tǒng)
SCADA系統(tǒng)的主站過去由很多著名的系統(tǒng)是基于UNIX操作系統(tǒng)家族和XWINDOW圖形界面的。
隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，特別是PC機(jī)的發(fā)展，PC機(jī)和PC機(jī)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)在扮演著越來越重要的角色。
WEB服務(wù)器，是現(xiàn)在SCADA主站系統(tǒng)的一個(gè)流行趨勢(shì)，只要用戶裝有瀏覽器軟件，得到相應(yīng)的授權(quán)，就可以訪問相應(yīng)的他關(guān)心的數(shù)據(jù)。
上層應(yīng)用工作站，主要用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的挖掘工作。在電力系統(tǒng)比如潮流分析，負(fù)荷預(yù)測(cè)，事故追憶，電網(wǎng)穩(wěn)定性分析，能量管理等等。在自來水行業(yè)包括管網(wǎng)壓力損耗分析，管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性分析，管網(wǎng)漏失分析等。在采油工程上，包括示功圖顯示，示功圖分析，泵況分析，功圖計(jì)產(chǎn)等等。
作為SCADA主站系統(tǒng)，大的系統(tǒng)可能有幾十個(gè)上百個(gè)工作站，多個(gè)服務(wù)器。為了保證系統(tǒng)的可靠性，采用雙前置系統(tǒng)，多服務(wù)器系統(tǒng)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。但是對(duì)于簡(jiǎn)單的SCADA主站系統(tǒng)可能就只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行一套軟件。
各種不同應(yīng)用的SCADA系統(tǒng)，可以說大部分是相同的或者類似的。但是各個(gè)行業(yè)有各個(gè)行業(yè)的特點(diǎn)，每個(gè)行業(yè)所關(guān)心的東西不一樣。比如電力行業(yè)非常關(guān)心每個(gè)線路電壓電流功率，而對(duì)于自來水行業(yè)就不是特別關(guān)心這些數(shù)據(jù)，而關(guān)心管道的壓力流量等。這樣就形成了不同行業(yè)的系統(tǒng)。也有通用的人機(jī)界面使用，但是這種界面一般無法滿足各個(gè)行業(yè)的特殊需要。
5、SCADA的通訊系統(tǒng)
SCADA通訊系統(tǒng)是最豐富多彩的，有很多通訊方式是很多人都沒有聽說過的。一般分類大體可以分為兩類，有線和無線，但是隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，基于各種網(wǎng)絡(luò)的通訊方式也發(fā)展很快，這種通訊方式很難歸結(jié)到有線或者無線的范疇，所以也單獨(dú)作為一類。
有線方式比較多：音頻電纜，架空明線，載波電纜，同軸電纜，光纖，電力載波等。在有線上傳輸大體分為基帶傳輸和調(diào)制傳輸，基帶傳輸是在介質(zhì)上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，可能也要經(jīng)過信號(hào)變化。調(diào)制解調(diào)傳輸要經(jīng)過模擬數(shù)字變換的傳輸。很多介質(zhì)既可以作為基帶傳輸也可以作為調(diào)制傳輸。
無線方式主要包括: 電臺(tái)、微波、衛(wèi)星、光線、聲波等手段。
網(wǎng)絡(luò)方式是通訊系統(tǒng)架構(gòu)在一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之上，比如幀中繼，ATM.，IP網(wǎng)，這種通訊方式可能是有線的也可能是無線的，甚至多次跨越無線和有線。其性能也明顯區(qū)分于有線和無線系統(tǒng)。比如不用考慮誤碼，不用考慮報(bào)文的大小，不考慮系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延可能比較大。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)或者CDMA傳輸SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)就是典型的例子。
精易會(huì)SCADA產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
1、支持千臺(tái)以上設(shè)備連接，超高數(shù)據(jù)采集量
系統(tǒng)同時(shí)連接的設(shè)備數(shù)量超過1000臺(tái)以上，可支持采集5W點(diǎn)以上。
2、支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理
系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)收發(fā)量為日均數(shù)據(jù)量100G，峰值數(shù)據(jù)量15GB/H，數(shù)據(jù)展示不會(huì)出現(xiàn)卡頓。
3、靈活高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，支持大數(shù)據(jù)量的高并發(fā)數(shù)據(jù)交互，多臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)自動(dòng)冗余，不停機(jī)、在線擴(kuò)容。
4、運(yùn)維監(jiān)控平臺(tái)，狀態(tài)實(shí)時(shí)掌握
全面一站式監(jiān)控，對(duì)全廠設(shè)備狀態(tài)、能耗等進(jìn)行監(jiān)控；
深度監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用；
監(jiān)控警告通知，彈框、語音提示等；
報(bào)表分析、趨勢(shì)分析、定期生成設(shè)備故障和保養(yǎng)報(bào)表。
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