工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)必看之不可不知的數(shù)據(jù)采集
現(xiàn)實信號：如溫度、濕度、壓力、電磁場、圖像、聲音等模擬信號通過傳感器、放大器、濾波器等預處理后，經(jīng)過A/D（模數(shù)轉換）變成數(shù)字信號，經(jīng)過串口，或者USB口，或者網(wǎng)口，將數(shù)字信號輸入計算機，計算機接收到這些數(shù)字信號（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：
其中包含三個主要內容：1數(shù)據(jù)采集 & 2傳感器 & 3軟件
信號采集分析 = 算法 + 人機交互分析 = 數(shù)值計算 + 信號處理 + 圖像處理+統(tǒng)計分析 + 可視化+數(shù)據(jù)管理 + 分析報告；
本文將通過如何將現(xiàn)實信號轉化為數(shù)字信號，再到用軟件實現(xiàn)監(jiān)測數(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數(shù)據(jù)庫或存儲系統(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，電商會使用傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫 MySQL 和 Oracle 等來存儲每一筆事務數(shù)據(jù)，在大數(shù)據(jù)時代，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、下位機軟件（與硬件相關）
下位機軟件的功能主要是A/D，數(shù)字濾波，實時處理，數(shù)據(jù)傳送，多數(shù)用C語言實現(xiàn)。
2、上位機軟件
上位機軟件主要完成數(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)的采集主要特點和挑戰(zhàn)是并發(fā)數(shù)高：因為同時可能會有成千上萬的數(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)會使用傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫 MySQL 和 Oracle 等來存儲數(shù)據(jù)。
2、系統(tǒng)日志采集
高可用性、高可靠性、可擴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，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、感知設備數(shù)據(jù)采
感知設備數(shù)據(jù)采集是指通過傳感器、攝像頭和其他智能終端自動采集信號、圖片或錄像來獲取數(shù)據(jù)。
大數(shù)據(jù)智能感知系統(tǒng)需要實現(xiàn)對結構化、半結構化、非結構化的海量數(shù)據(jù)的智能化識別、定位、跟蹤、接入、傳輸、信號轉換、監(jiān)控、初步處理和管理等。其關鍵技術包括針對大數(shù)據(jù)源的智能識別、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換為電物理量時的工作方式劃分，可以分為能量轉換型（工作時不需要額外 的能量接入）和能量控制型（工作時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，傳感器的種類將會越來越豐富，就當前而言，主要運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)以千計圖元，基本原理是透過光電效應將光線能量轉換成電荷，光線越強電荷越多，這些電荷就成為判斷光線強弱的依據(jù)。
影像傳感器應用領域包括工業(yè)自動化應用，像是檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測。未來技術發(fā)展方向將朝更低耗電量、更廣光線波長擷取范圍、更高精密度檢測辨識、更快檢測辨識速度等邁進。
2、壓力傳感器
壓力傳感器(Pressure Sensor)是檢測氣體或液體之壓力強度，并將壓力強度轉換成輸出信號；已廣泛應用于各種工業(yè)自動控制環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自動控、航空航太等。未來技術將朝更微型MEMS 腔體結構設計、更高靈敏度檢測能力發(fā)展。
3、位置傳感器
位置傳感器(Position Sensor)主要應用于機器人控制系統(tǒng)，如線性編碼器、旋轉編碼器、伺服馬達等；技術發(fā)展是朝更高精確度控制、加速度感測控制、更微型MEMS腔體結構設計方向前進。
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；主要應用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制。技術發(fā)展朝更微型MEMS腔體結構設計、非接觸檢測技術開發(fā)、數(shù)位式檢測技術開發(fā)、更高精確度控制等方向演進。
5、力量傳感器
力量傳感器(Force Sensor)是用來檢測氣體、固體、液體等物質間相互作用力的傳感器，多應用在力度檢測，如機器人手臂抓取物件力度大小的控制。技術發(fā)展朝更低耗電量、更快的檢測反應時間、更高精確度檢測辨識等方向前進。
6、氣體傳感器
氣體傳感器(Gas Sensor)能針對可燃性氣體、毒性氣體成分進行測定，并將其轉換成輸出信號，可用于工業(yè)自動化、礦產(chǎn)資源探測、氣象觀測和遙測、生鮮保存、防盜、節(jié)能等領域。技術發(fā)展朝更快的監(jiān)測反應時間、更短的監(jiān)測距離、更多氣體類型連續(xù)監(jiān)測等方向精進。
7、半導體傳感器
半導體傳感器(Semiconductor Sensor)系利用半導體材料各種物理、化學和生物學特性制成的傳感器。應用領域涵蓋工業(yè)自動化、遙測、工業(yè)型機器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程、生物工程等。技術發(fā)展朝更微型MEMS腔體結構設計、更高靈敏度檢測能力、降低制造成本等方向邁進。
8、光纖傳感器
光纖傳感器(Fiber Optic Sensor)可將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調制器(Modulator)，使待測參數(shù)與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質發(fā)生變化，稱為被調制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調后，獲得被測參數(shù)。主要用于工業(yè)自動化領域，像是磁力、聲波、壓力、溫度、加速度、陀螺儀、位移、液體、轉矩、聲光、電流及應變力等物理量之檢測。技術發(fā)展朝更短監(jiān)測距離、提高量測光能量強度的準確性等方向精進。
SCADA軟件?
數(shù)據(jù)分析可視化 = 數(shù)據(jù)處理算法 + 統(tǒng)計分析 + 波形 + 圖形 + 圖像+動畫；
信息處理與分析 = 數(shù)據(jù)+時間序列 + 信號 + 圖像 處理與分析 + 統(tǒng)計分析 + 數(shù)據(jù)管理。
1、SCADA系統(tǒng)的意義
SCADA是Supervisory ControI And DataAcquiSition System 的縮寫，是對分布距離遠，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)。
了解生產(chǎn)情況是實施科學生產(chǎn)的基礎，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，對于復雜的過程生產(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）主站與控制對象距離遠
（3）監(jiān)控終端的工作條件苛刻
（4）通訊系統(tǒng)復雜多變
3、SCADA系統(tǒng)的構成
SCADA系統(tǒng)主要包括三部分組成，主站端，通訊系統(tǒng)和遠程終端單元。
主站一般采用先進的計算機，有著良好的圖形支持，現(xiàn)在采用PC計算機和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。一個主站可能的分站數(shù)量從幾十到幾百、幾千個不等。
通訊系統(tǒng)就非常復雜了，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、衛(wèi)星、微波等。
遠程終端單元(RTU or TeleControl )的品種也很多，大的系統(tǒng)由很多機柜組成，小的系統(tǒng)可能就是一個小盒子。
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。
隨著計算機系統(tǒng)的發(fā)展，特別是PC機的發(fā)展，PC機和PC機上運行的操作系統(tǒng)在扮演著越來越重要的角色。
WEB服務器，是現(xiàn)在SCADA主站系統(tǒng)的一個流行趨勢，只要用戶裝有瀏覽器軟件，得到相應的授權，就可以訪問相應的他關心的數(shù)據(jù)。
上層應用工作站，主要用于實時數(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，負荷預測，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，功圖計產(chǎn)等等。
作為SCADA主站系統(tǒng)，大的系統(tǒng)可能有幾十個上百個工作站，多個服務器。為了保證系統(tǒng)的可靠性，采用雙前置系統(tǒng)，多服務器系統(tǒng)，兩個網(wǎng)絡。但是對于簡單的SCADA主站系統(tǒng)可能就只有一臺計算機，運行一套軟件。
各種不同應用的SCADA系統(tǒng)，可以說大部分是相同的或者類似的。但是各個行業(yè)有各個行業(yè)的特點，每個行業(yè)所關心的東西不一樣。比如電力行業(yè)非常關心每個線路電壓電流功率，而對于自來水行業(yè)就不是特別關心這些數(shù)據(jù)，而關心管道的壓力流量等。這樣就形成了不同行業(yè)的系統(tǒng)。也有通用的人機界面使用，但是這種界面一般無法滿足各個行業(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，但是隨著通訊技術的發(fā)展，基于各種網(wǎng)絡的通訊方式也發(fā)展很快，這種通訊方式很難歸結到有線或者無線的范疇，所以也單獨作為一類。
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制傳輸，基帶傳輸是在介質上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，可能也要經(jīng)過信號變化。調制解調傳輸要經(jīng)過模擬數(shù)字變換的傳輸。很多介質既可以作為基帶傳輸也可以作為調制傳輸。
無線方式主要包括: 電臺、微波、衛(wèi)星、光線、聲波等手段。
網(wǎng)絡方式是通訊系統(tǒng)架構在一個計算機網(wǎng)絡之上，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，不用考慮報文的大小，不考慮系統(tǒng)的拓撲結構，但是網(wǎng)絡的時延可能比較大。通過GPRS網(wǎng)絡或者CDMA傳輸SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)就是典型的例子。
精易會SCADA產(chǎn)品優(yōu)勢
1、支持千臺以上設備連接，超高數(shù)據(jù)采集量
系統(tǒng)同時連接的設備數(shù)量超過1000臺以上，可支持采集5W點以上。
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)展示不會出現(xiàn)卡頓。
3、靈活高效的數(shù)據(jù)存儲
系統(tǒng)采用實時數(shù)據(jù)庫，支持大數(shù)據(jù)量的高并發(fā)數(shù)據(jù)交互，多臺服務器的數(shù)據(jù)自動冗余，不停機、在線擴容。
4、運維監(jiān)控平臺，狀態(tài)實時掌握
全面一站式監(jiān)控，對全廠設備狀態(tài)、能耗等進行監(jiān)控；
深度監(jiān)控業(yè)務系統(tǒng)應用；
監(jiān)控警告通知，彈框、語音提示等；
報表分析、趨勢分析、定期生成設備故障和保養(yǎng)報表。
