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工业物联网必看之不可不知的数据采集

现实信号:如温度、湿度、压力、电磁场、图像、声音等模拟信号通过传感器、放大器、滤波器等预处理后,经过a/d(模数转换)变成数字信号,经过串口,或者usb口,或者网口,将数字信号输入计算机,计算机接收到这些数字信号(也可叫数据)后将其保存、显示以及一系列处理。工业物联网数据采集流程图:

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其中包含三个主要内容:1数据采集 & 2传感器 & 3软件

信号采集分析 = 算法 人机交互分析 = 数值计算 信号处理 图像处理 统计分析 可视化 数据管理 分析报告;

本文将通过如何将现实信号转化为数字信号,再到用软件实现监测数据及展现数据。

数据采集篇

制造业大数据采集方法分类

大数据的采集是指利用多个数据库或存储系统来接收发自客户端(web、app 或者传感器形式等)的数据。例如,电商会使用传统的关系型数据库 mysql 和 oracle 等来存储每一笔事务数据,在大数据时代,redis、mongodb 和 hbase等 nosql 数据库也常用于数据的采集。

数据采集软件包括两类:

1、下位机软件(与硬件相关)

下位机软件的功能主要是a/d,数字滤波,实时处理,数据传送,多数用c语言实现。

2、上位机软件

上位机软件主要完成数据收集、保存、显示以及处理、分析等,可实现的语言,如c ,c#,vb,java等。

制造业数据的采集主要特点和挑战是并发数高:因为同时可能会有成千上万的数据需要采集。所以在采集端需要部署大量数据库才能对其支撑。

根据数据源的不同,大数据采集方法也不相同。但是为了能够满足大数据采集的需要,大数据采集时都使用了大数据的处理模式,即 mapreduce 分布式并行处理模式或基于内存的流式处理模式。

制造业大数据采集方法有以下几大类:

1、数据库采集

传统企业会使用传统的关系型数据库 mysql 和 oracle 等来存储数据。

2、系统日志采集

高可用性、高可靠性、可扩展性是日志收集系统所具有的基本特征。系统日志采集工具均采用分布式架构,能够满足每秒数百 mb 的日志数据采集和传输需求。

3、感知设备数据采

感知设备数据采集是指通过传感器、摄像头和其他智能终端自动采集信号、图片或录像来获取数据。

大数据智能感知系统需要实现对结构化、半结构化、非结构化的海量数据的智能化识别、定位、跟踪、接入、传输、信号转换、监控、初步处理和管理等。其关键技术包括针对大数据源的智能识别、感知、适配、传输、接入等。

传感器篇

传感器是数据采集的入口,是物联网、智能工业、智能设备、无人驾驶等的“心脏”。

按照不同的划分方式,传感器可以被分为不同的类别。例如按照被测的非电物理量划分,可以分为压力传感器和温度传感器等。

按照将非电物理量转换为电物理量时的工作方式划分,可以分为能量转换型(工作时不需要额外 的能量接入)和能量控制型(工作时需要额外的能量接入)等。

按照制造工艺:分为陶瓷传感器和集成传感器等。

随着物联网的发展,传感器的种类将会越来越丰富,就当前而言,主要运用到的传感器有如下几类:

1、影像传感器

影像传感器(image sensor)可从一整幅图像捕获光线的数以千计图元,基本原理是透过光电效应将光线能量转换成电荷,光线越强电荷越多,这些电荷就成为判断光线强弱的依据。

影像传感器应用领域包括工业自动化应用,像是检验、计量、测量、定向、瑕疵检测。未来技术发展方向将朝更低耗电量、更广光线波长撷取范围、更高精密度检测辨识、更快检测辨识速度等迈进。

2、压力传感器

压力传感器(pressure sensor)是检测气体或液体之压力强度,并将压力强度转换成输出信号;已广泛应用于各种工业自动控制环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自动控、航空航太等。未来技术将朝更微型mems 腔体结构设计、更高灵敏度检测能力发展。

3、位置传感器

位置传感器(position sensor)主要应用于机器人控制系统,如线性编码器、旋转编码器、伺服马达等;技术发展是朝更高精确度控制、加速度感测控制、更微型mems腔体结构设计方向前进。

4、位移传感器

位移传感器(level sensor),又称为线性传感器,分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超音波式位移传感器、霍尔式位移传感器;主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。技术发展朝更微型mems腔体结构设计、非接触检测技术开发、数位式检测技术开发、更高精确度控制等方向演进。

5、力量传感器

力量传感器(force sensor)是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器,多应用在力度检测,如机器人手臂抓取物件力度大小的控制。技术发展朝更低耗电量、更快的检测反应时间、更高精确度检测辨识等方向前进。

6、气体传感器

气体传感器(gas sensor)能针对可燃性气体、毒性气体成分进行测定,并将其转换成输出信号,可用于工业自动化、矿产资源探测、气象观测和遥测、生鲜保存、防盗、节能等领域。技术发展朝更快的监测反应时间、更短的监测距离、更多气体类型连续监测等方向精进。

7、半导体传感器

半导体传感器(semiconductor sensor)系利用半导体材料各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。应用领域涵盖工业自动化、遥测、工业型机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程、生物工程等。技术发展朝更微型mems腔体结构设计、更高灵敏度检测能力、降低制造成本等方向迈进。

8、光纤传感器

光纤传感器(fiber optic sensor)可将来自光源的光经过光纤送入调制器(modulator),使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质发生变化,称为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。主要用于工业自动化领域,像是磁力、声波、压力、温度、加速度、陀螺仪、位移、液体、转矩、声光、电流及应变力等物理量之检测。技术发展朝更短监测距离、提高量测光能量强度的准确性等方向精进。

scada软件‍

数据分析可视化 = 数据处理算法 统计分析 波形 图形 图像 动画;

信息处理与分析 = 数据 时间序列 信号 图像 处理与分析 统计分析 数据管理。

1、scada系统的意义

scada是supervisory controi and dataacquisition system 的缩写,是对分布距离远,生产单位分散的生产系统的一种数据采集、监视和控制系统。

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数据采集系统.jpg


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了解生产情况是实施科学生产的基础,如果生产过程分布很近,可以采用就近控制的办法,接线-监视-控制,对于复杂的过程生产采用dcs系统控制的比较多,采用plc的或者专业控制器。

2、scada系统与其他系统的区别在于:

(1)分布区域广泛

(2)主站与控制对象距离远

(3)监控终端的工作条件苛刻

(4)通讯系统复杂多变

3、scada系统的构成

scada系统主要包括三部分组成,主站端,通讯系统和远程终端单元。

主站一般采用先进的计算机,有着良好的图形支持,现在采用pc计算机和windows系统居多,在历史上,曾经有很多系统采用unix系统和xwindows图形界面。一个主站可能的分站数量从几十到几百、几千个不等。

通讯系统就非常复杂了,有线的包括音频电缆、载波电缆、光纤、电力载波等,无线的包括电台、卫星、微波等。

远程终端单元(rtu or telecontrol )的品种也很多,大的系统由很多机柜组成,小的系统可能就是一个小盒子。

4、scada的主站系统

scada系统的主站过去由很多著名的系统是基于unix操作系统家族和xwindow图形界面的。

随着计算机系统的发展,特别是pc机的发展,pc机和pc机上运行的操作系统在扮演着越来越重要的角色。

web服务器,是现在scada主站系统的一个流行趋势,只要用户装有浏览器软件,得到相应的授权,就可以访问相应的他关心的数据。

上层应用工作站,主要用于实时数据和历史数据的挖掘工作。在电力系统比如潮流分析,负荷预测,事故追忆,电网稳定性分析,能量管理等等。在自来水行业包括管网压力损耗分析,管网经济性分析,管网漏失分析等。在采油工程上,包括示功图显示,示功图分析,泵况分析,功图计产等等。

作为scada主站系统,大的系统可能有几十个上百个工作站,多个服务器。为了保证系统的可靠性,采用双前置系统,多服务器系统,两个网络。但是对于简单的scada主站系统可能就只有一台计算机,运行一套软件。

各种不同应用的scada系统,可以说大部分是相同的或者类似的。但是各个行业有各个行业的特点,每个行业所关心的东西不一样。比如电力行业非常关心每个线路电压电流功率,而对于自来水行业就不是特别关心这些数据,而关心管道的压力流量等。这样就形成了不同行业的系统。也有通用的人机界面使用,但是这种界面一般无法满足各个行业的特殊需要。

5、scada的通讯系统

scada通讯系统是最丰富多彩的,有很多通讯方式是很多人都没有听说过的。一般分类大体可以分为两类,有线和无线,但是随着通讯技术的发展,基于各种网络的通讯方式也发展很快,这种通讯方式很难归结到有线或者无线的范畴,所以也单独作为一类。

有线方式比较多:音频电缆,架空明线,载波电缆,同轴电缆,光纤,电力载波等。在有线上传输大体分为基带传输和调制传输,基带传输是在介质上传输的是数字信号,可能也要经过信号变化。调制解调传输要经过模拟数字变换的传输。很多介质既可以作为基带传输也可以作为调制传输。

无线方式主要包括: 电台、微波、卫星、光线、声波等手段。

网络方式是通讯系统架构在一个计算机网络之上,比如帧中继,atm.,ip网,这种通讯方式可能是有线的也可能是无线的,甚至多次跨越无线和有线。其性能也明显区分于有线和无线系统。比如不用考虑误码,不用考虑报文的大小,不考虑系统的拓扑结构,但是网络的时延可能比较大。通过gprs网络或者cdma传输scada系统数据就是典型的例子。

精易会scada产品优势

1、支持千台以上设备连接,超高数据采集量

系统同时连接的设备数量超过1000台以上,可支持采集5w点以上。

2、支持大规模数据处理

系统处理数据收发量为日均数据量100g,峰值数据量15gb/h,数据展示不会出现卡顿。

3、灵活高效的数据存储

系统采用实时数据库,支持大数据量的高并发数据交互,多台服务器的数据自动冗余,不停机、在线扩容。

4、运维监控平台,状态实时掌握

全面一站式监控,对全厂设备状态、能耗等进行监控;

深度监控业务系统应用;

监控警告通知,弹框、语音提示等;

报表分析、趋势分析、定期生成设备故障和保养报表。

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