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  • 数据采集系统
    2021-06-25 10:31:19

    数据采集系统(Date Acquisition System,DAS)

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    什么是数据采集系统

    数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

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    数据采集系统的组成

    通常数据采集系统由三个部分组成:传感器部分、数据采集仪部分和计算机(控制与分析器)部分。

    传感器部分包括前面所提到的各种电测传感器,它们的作用是感受各种物理变量,如力、线位移、角位移、应变和温度等,并把这些物理量转变为电信号。

    数据采集仪的作用是对所有的传感器通道进行扫描,把扫描得到的电信号转换成数字量,再根据传感器特性对数据进行传感器系数换算(如把电压值换算成应变或温度等),然后将这些数据传送给计算机,也可将这些数据打印输出、存入磁盘。

    计算机部分包括主机、显示器、存储器、打印机、绘图仪和键盘等。计算机的主要作用是作为整个数据采集系统的控制鼎,控制整个数据的采集过程。在采集过程中,通过数据采集程序的运行,计算机对数据采集仪进行控制。计算机还可以对数据进行计算处理,实时打印输出、图像显示及存入磁盘。计算机的另外一个作用是在试验结束后,对数据进行处理。

    数据采集系统可以对大量数据进行快速采集、处理、分析、判断、报警、直读、绘图、储存、试验控制和人机对话等,还可以进行自动化数据采集和试验控制,它的采样速度可高达每秒几万个数据或更多。

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    数据采集系统的配置

      典型的数据采集系统由传感器(T)、放大器(IA)、模拟多路开关(MUX)、采样保持器(SHA)、A/D转换器、计算机(MPS)或数字逻辑电路组成。根据它们在电路中的位置可分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置,如图1所示。0899e04a29cef6896843b0bc9a7a1fb9.png

    (1)同时采集系统。图1(a)所示为同时采集系统配置方案,可对各通道传感器输出量进行同时采集和保持,然后分时转换和存储,可保证获得各采样点同一时刻的模拟量。

    (2)高速采集系统。图1(b)所示为高速采集配置方案,在实时控制中对多个模拟信号的同时实时测量是很有必要的。

    (3)分时采集系统。图1(c)所示为分时采集方案,这种系统价格便宜,具有通用性,传感器与仪表放大器匹配灵活,有的已实现集成化,在高精度、高分辨率的系统中,可降低IA和ADC的成本,但对MUX的精度要求很高,因为输入的模拟量往往是微伏级的。这种系统每采样一次便进行一次A/D转换并送入内存后方才对下一采样点采样。这样,每个采样点值间存在一个时差(几十到几百微秒),使各通道采样值在时轴上产生扭斜现象。输入通道数越多,扭斜现象越严重,不适合采集高速变化的模拟量。

    (4)差动结构分时采集系统。在各输入信号以一个公共点为参考点时,公共点可能与队和ADC的参考点处于不同电位而引入干扰电压UN,从而造成测量误差。采用如图1(d)所示的差动配置方式可抑制共模干扰,其中MUX可采用双输出器件,也可用两个MUX并联。

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    数据采集系统的分类

    目前,国内外数据采集系统的种类很多,按其系统组成的模式大致可分为以下几种。

    (1)大型专用系统

    将采集、分析和处理功能融为一体,具有专门化、多功能和高档次的特点。

    (2)分散式系统

    由智能化前端机、主控计算机或微机系统、数据通信及接口等组成,其特点是前端可靠近测点,消除了长导线引起的误差,并且稳定性好、传输距离长、通道多。

    (3)小型专用系统

    这种系统以单片机为核心,小型便携,用途单一,操作方便,价格低,适用于现场试验的测量。

    (4)组成式系统

    这是一种以数据采集仪和微型计算机为中心,按试验要求进行配置组合成的系统,它适用性广,价格便宜,是一种比较容易普及的形式。

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    数据采集系统的特点

    数据采集系统具有如下主要特点:

    1)数据采集系统一般都由计算机控制,使得数据采集的质量和效率等大为提高,也节省了硬件投资。

    2)软件在数据采集系统的作用越来越大,

    3)数据采集与数据处理结合得日益紧密,集、处理到控制的全部工作。这增加了系统设计的灵活性。形成数据采集与处理系统,可实现从数据采

    4)数据采集过程一般都具有实时的特性,实时的标准是能满足实际需要;对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度,以满足更多的应用环境。

    5)随着微电子技术的发展,电路集成度的提高,数据采集系统的体积越来越小,可靠性越来越高。

    6)总线在数据采集系统中有着广泛的应用,总线技术对数据采集系统结构的发展起到了重要作用。

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    数据采集系统的主要性能指标

    数据采集系统的性能指标和具体应用目的与应用环境密切相关,以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义。

    (1)系统分辨率

    系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位(LSB)占系统满度信号的百分比表示,或用系统可分辨的实际电压数值来表示,有时也用满度信号可以分的级数来表示。表1所示为满度值为10V时数据采集系统的分辨率。

    (2)系统精度

    系统精度是指当系统工作在额定采集速率下,每个离散子样的转换精度。A/D转换器的精度是系统精度的极限值。实际的情况是,系统精度往往达不到A/D转换器的精度,这是因为系统精度取决于系统的各个环节(部件)的精度。如前置放大器、滤波器、多路模拟开关等,只有这些部件的精度都明显优于A/D转换器的精度时,系统精度才能达到A/D的精度。这里还应注意系统精度与系统分辨率的区别。系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差,它是系统各种误差的总和,通常表示为满度值的百分数。

    表1 数据采集系统的分辨率(满度值为IOV)

    位数级数1LSB(用满度值的百分数表示)1LSB(10V满度)

    82560.391%39.1mV

    1240960.0244%2.44mV

    16655360.OO15%O.15mV

    2010485760.000095%9.55μV

    24167772160.00000600.609μV

    (3)采集速率

    采集速率又称为系统通过速率、吞吐率等,是指在满足系统精度指标的前提下,系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数,或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目,这里所说的“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等的全部过程。在时间域上,与采集速率对应的指标是采样周期,它是采样速率的倒数,它表示了系统每采集一个有效数据所需的时间。

    (4)动态范围

    动态范围是指某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数,数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数,即

    Ii=20lg Vimax/Vimin

    式中,最大允许幅值Vimax——使数据采集系统的放大器发生饱和或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值;

    最小允许输入值Vimin——一般用等效输入噪声电平VIN来代替。

    对大动态范围信号的高精度采集时,还要用到“瞬时动态范围”这样一个概念。所谓瞬时动态范围是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值,即幅度最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。若用I表示瞬时动态范围,则有I=20lg Afmax/Afmin

    (5)非线性失真

    非线性失真也称为谐波失真。当给系统输入一个频率为f的正弦波时,其输出中出现很多频率kf(k为正整数)的新的频率分量的现象,称为非线性失真。谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度。它通常用下式表示

    48afd6056870dc985c60619ba9cea961.png

    式中,A1——基波振幅;AK——第k次谐波(频率为kf)的振幅。

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    参考文献

    ↑ 于彤编.传感器应用.人民邮电出版社,2010.03.

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  • 工业设备数据采集系统

    一、项目概述

    MDC数据采集系统用于帮助企业通过全自动的软件采集方式,实时采集生产现场产量与品质数据,减少了大量的人工报表,做到无纸化生产,监控车间机床的利用率、空闲率、报警率、零件生产量等情况,并将采集到的数据生成相应的报告,公司领导层可以做出针对性的管理措施,最终帮助企业提高企业的生产效率。
    通过系统采集到的数据可进行可视化详细设备状态分布图表,通过机床视图可以查询某一设备在一段时间内详细的动作记录,这是最直观的设备信息查询方式。通过它管理者无需担忧由于出差而无法掌控车间的实时生产状况。
    MDC数据采集系统整体应用模式如下图:
    MDC数据采集系统

    二、系统需求分析

    数字化车间是装备制造业技术发展的必然趋势,目前国内的数字化车间技术水平远远落后于国外发达国家,我国装备制造企业大多还处在从传统工业化向现代产业化转型的历史阶段,国内企业的数控机床应用基本上为单机应用,部分实现了机床DNC联网,对机械制造企业而言,制造过程的信息化管理才刚起步。

    国家对数字化车间的发展高度重视,从2009年开始,为推动数控机床的产品升级和提高市场占有率,工信部、科技部组织了重大专项,并在以后几年中从主机研究不断深入到关键功能部件;《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中高端装备制造产业部分明确指出“强化基础配套能力,积极发展以数字化、柔性化及系统集成技术为核心的智能制造装备。”。

    数字化制造技术的应用是离散制造业企业能力提升的关键。以信息技术、感知技术、智能技术为依托,践行两化融合的数字化车间建设是当前制造业车间的建设方向,是实现智能制造的基础⋯。数字化车间是信息技术和先进制造技术的有机结合,其通过网络及信息系统实现生产设备、检测设备、运输设备以及机器人等数控自动化设备的互联互通,自动感知物料、人员、设备、生产工艺与环境等制造过程信息,进而通过实时数据分析,进行车间运营的自主决策和快速自组织生产,使复杂产品制造系统更加柔性、敏捷、智能,从而改变制造业的生产、管理和服务方式,推动制造模式的深刻变革。

    而数字化车间建设的基础就是设备互连,不同厂家的下位机,往往使用的是不同的通信协议,对于下位机主要分如下三种:

    • 数控机床(发那科、三菱数控、西门子、马扎克、海德汉、华中数控、广州数控等)各厂家使用不同专有通信协议,不同品牌的数控系统通讯协议和接口几乎都是封闭的,工厂内机床品类繁多,年代跨度大,数控系统大量不同年代、不同品牌、不同型号并存
    • PLC(西门子、三菱、施耐德等)使用协议目前基本上开发,只是协议种类繁多,自己很难进行全部开发,对于常用设备协议进行开发,其他的借助成熟软件进行使用
    • 另外一种主要是针对车间检测设备或工控机文件,该类设备需对文件进行分析处理录入
      承上启下

    因为设备种类和型号繁多,采集方式也相对复杂,不通设备的通讯方式各异,常见的采集方式如下:
    数据采集灵活性

    目前国内机床数据采集面临着如下几个问题:

    • 不同品牌的数控系统通讯协议和接口几乎都是封闭的这给数据采集带来了很大的难度
    • 工厂内机床品类繁多,年代跨度大
    • 数控系统大量不同年代、不同品牌、不同型号并存
    • 数据用户存在差异性
      机加过程数据采集手动系统
      场景

    三、系统总体设计方案

    数据采集系统是物联网和工控系统的核心组件。主要起到“承上启下”的作用。上即上位机,电脑/触屏监控系统、MES等执行系统;下即下位机,包括数控机床、PLC控制设备、传感器、工控机文件等。

    3.1 系统整体布局

    MDC数据采集系统的架构如图3-1所示,分为应用层、数据层、服务层、设备适配层与物理设备层。
    数据采集系统架构

    3.2 网络拓扑结构

    通过有线/无线方式,实现全厂机床联网,使用一台服务器统一联网管理,帮助企业解决加工程序通讯及管理上的困扰。
    网络拓扑

    3.3 软件系统功能模块

    数据采集系统要担当沟通上、下位机的重任,它的基本功能就是翻译(协议转换)。不管使用哪种通信协议,最后转给上位机的都是统一的协议比如:MQTT、RESTful。
    按照目前行业经验数据采集软件作为最底层数据提供方,最主要职责:

    • 连接更多的工业设备
    • 服务更多的应用系统

    部署方式主要:

    • 局域网私有化部署,后再进行数据对接
    • 工业网关进行数据采集数据直接上平台系统,进行数据对接

    结合行业经验及相关系统的架构设计,目前对系统进行架构设计如下,目前设计架构主要分为三层:

    • 设备适配层:通过抽象出设备适配器概念,适配器内实现各类设备的通讯协议,完成设备的数据采集
    • 服务层:该层为整个采集系统的核心,完成设备管理、配置管理、内部RPC数据总线
    • 数据层:通过RPC从服务层拿到数据,按不同业务场景进行数据处理如:

    a) 数据网关服务(用于提供标准的接口服务如:MQTT、RESTful接口对外对接)
    b) 数据存储服务(用于将采集到的实时数据进行存储)
    c) 协议转换服务(主要是为后期扩展,方便内部数据更好和外部通信,可将数据转换成:如OPC-UA、MTConnect等协议)
    系统主要由以下模块构成:

    1. 设备适配模块
    2. 设备管理模块
    3. 配置管理模块
    4. 数据总线模块
    5. 数据网关模块
    6. 协议转换模块
      7.数据存储模块

    四、组成框图

    4.1 软件组成框图

    数据采集系统V1

    产品的软件功能采用上下分层的三层模块化结构:数据层、服务层和设备适配层,由于系统主要完成“承上启下”的作用,系统的下层依赖物理设备层,为上层为应用层提供基础数据服务。上层通过对下层的调用完成相应功能。

    4.2 系统功能模块

    系统主要由以下七个模块构成,如下图5-1:
    MDC系统功能模块

    图5-1系统功能模块

    五、系统功能设计

    5.1 数据采集内部通信设计

    数据采集软件并不是简单的对 IO 高性能的操作,而是设备驱动、IO 通道、控制模式和实际硬件设备之间的协调机制,各方面之间无缝衔接和运行,也是为了解决现实工作和应用场景的一些痛点,是一个车间联网框架,首先是以设备为核心构建的框架,与设备的协议无关性(因为现实中设备种类繁多,需要考虑到普适性),可以随意挂载设备驱动在框架下运行。所以本质上协调设备驱动(协议)、IO 通道(COM 和 NET)、运行机制(模式)之间的关系,使之无缝结合、运行。

    5.1.1 运行和通讯机制

    数据采集软件架构通过多线程轮询模式,串口和网络通讯时都使用这种控制模式。内部将机床等设备都虚拟成IDevice设备驱动。当有多个设备连接到通讯平台时,通讯平台会通过每台设备启动一个线程,在线程内部轮询调度设备进行通讯任务。某一时刻每个线程发送请求命令、等待接收返回数据,依次轮询设备。每台设备流程大概如下:
    流程

    5.1.2 数据监控流程设计

    通过5.1.1章节运行机制设计,将实时采集到的数据通知到数据展示模块,内部通过IService接口用于实时数据拉取,采集软件内部再实现一个服务器用于接收显示客户端的连接,将数据进行实时的传输。当读取设备数据发生变化则通知数据库处理程序进行数据入库。
    在这里插入图片描述

    5.2 主要功能模块设计

    5.2.1 设备适配模块

    主该层主要功能完成各类设备的数据采集,封装相应设备通信协议,输入为各类通信协议,输出为统一的数据格式,以便后期进行数据统一管理。
    各个设备适配器继承基类接口单独开发,做水平扩展,动态插拔适配器,最终针对种类繁多的设备形成对应的设备驱动适配器,从而实现现场设备动态配置采集。
    在这里插入图片描述

    5.2.2 设备管理模块

    设备管理模块为整个采集系统的核心,起到“承上启下”的功能,向下把设备管理起来,向上提供统一设备操作和基础管理。设备增、删、改、查等操作,同时为数据汇总业务提供基础信息。

    5.2.3 数据总线模块

    设备管理模块完成设备的管理和与物理设备建立连接后,对于连接设备的实时数据收集和命令下发的响应都需要通过数据总线模块进行传递,该模块将数据向上进行对接,以便上层模块进行数据的各种运用。

    5.2.4 配置管理模块

    该模块主要完成,采集系统的配置相关功能,通过统一WEB可视化界面进行设备列表,采集数据项,服务列表等一系列的数据配置,最终生成配置文件,以便设备管理模块通过配置文件进行按需数据采集,提高采集软件的灵活性。

    5.2.5 数据网关模块

    该模块为向上对应应用层的重要模块,提供常用数据对接协议接口,如:MQTT、RESTful接口,属于数据层核心模块,通过内部RPC服务获取实时数据,进行数据分发。

    5.2.6 协议转换模块

    为让系统更好对接,对标准数据进行转换,如转换成:OPC-UA、MTConnet以及其他定制的协议等

    5.2.7 数据存储模块

    主要为了方便数据进行持久化存储,提供一个服务模块来应对各种数据持久化。可以再该模块进行扩充成各种数据持久化,如关系型数据库、非关系型数据库、时序数据库和消息队列等,以便应对各种业务需求。该模块为扩展功能,前期可先不进行开发。

    5.3 技术栈

    对于技术栈目前考虑到跨平台和开发效率上选择C#的.Net Core为主要开发语言,同时可能辅助使用C++、Lua等语言。内部数据RPC现计划使用gRPC框架,主要的通信借口为MQTT、OPC-UA,配置前端页面选择Vue前端框架。使用Consul来作为服务发现工具。

    • 开发语言:.Net Core、C++、Lua
    • 使用框架:gRPC、MQTT、Consul、Vue,OPC-UA

    六、总结与展望

    先完成整体数据采集框架,后期大概方向如下:

    • 软件跨平台:为移植软件到工业网关,做好前期准备
    • 工业网关:让采集软件嵌入到工业网关中,以完成边缘侧数据采集

    前期工作先主要完成:数据网关(完成数据采集链路),其他扩展功能后期再逐步进行完成。

    参考文献

    [1]国家制造强国建设战略咨询委员会,中国工程院战略咨询中心.智能制造[M].北京:电子工业出版社,2016.
    [2]李智,汪惠芬,刘婷婷,等.面向制造过程的车间实时监控系统设计[J].机械设计与制造,2013.

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