底层设备物联与数采若干疑难问题解决办法——以铸造行业为例
2023-03-13 来源：新工业网
铸造行业设备互联互通现场实施时，常见以下疑难问题：现场数据传输距离较远且不便拉线布网，部分设备仅具备串口且需联网，现场无线信号覆盖面或信号强度不足，个别设备IP不按统一分配且不便修改，国外冗余交换机限制较多且价格高昂，小众PLC无通用数采通信协议，远程或异地运维、排故、监控困难，软件系统间数据交互不畅，大屏看板数据流中间过程繁琐等。
对于硬件工程师而言，上述类似问题的主流解决方法为一网到底与OPC互操作：即通过各种软硬件，将不同接口的设备或装置，最终转换为网口通信；在综合考虑可靠性、实时性、Qos、工控安全、异地或远程运维及工况运行等限制因素条件下，通过各种接口和网关转换模块，基于OPC统一数采与交互平台，解决设备互联、数据互通及人机交互等问题。
1 设备互联
设备互联无定式，对于任何一种设备，其主要关注因素均可抽象为接口、协议和参数，在人身安全与设备安全的前提下，进行功能实现与参数优化。现场设备之间除以DI、DO、AI、AO方式直接互联外，常见的问题大致还有如下几种情况：接口转换、串口组网、有线无线互转、网络耦合、环网冗余、5G与Wi-Fi6应用、远程访问等。
1.1 接口转换
工业用串口设备的接口多为RS232与RS485，连接工控机时，常通过增加串口PCI板卡、RS485转RS232模块，实现接口拓展与匹配。但此种方式易受热插拔、强电磁干扰、闪电感应、静电等影响，烧串口PCI板卡接口。
可采用深圳宇泰UT-2127无源光电隔离防雷转换器，或UT-2112九线制RS-232全信号光电隔离器进行隔离，或研华ADAM-4561一端口隔离USB到串口转换器、有人物联网USR-N510工业级串口服务器、MOXAN Port5150串口设备联网服务器，就近接入工控机或交换机，同时实现接口隔离与转换。
此外，还有各种串口转换网关，如上海泗博PM-160通用串口/PROFIBUS DP通信网关、TS-181通用串口/PROFINET网关，实现通用串口与现场总线的接口与协议转换；以及普联TL-UG310 USB 3.0转1000M以太网适配器，支持免驱动或自动安装，及Windows/Mac/Linux等操作系统，进行工控机网口拓展。
1.2 串口组网
设备具有串口，设备分布点多且比较散，部署点附近网络不易布线，又不需上PLC控制器，或接口与网关转换模块的，如老工厂边界环境传感数据采集场景。
可采用思为无线的SV6xx系列无线透传模块，或SV-MESH超远距离无线组网数传模块，或LoRaStar系列星型网络串口无线传输模块。其中，SV6xx系列无线透传模块可应对老式仪表，支持7、9位数据位，奇校验、偶校验、无校验可设；SV-MESH四字节网络ID，可工作于节点和自动中继两种模式，可形成无盲区、无距离限制、多频段多信道的组网传输；LoRaStar通过切换中心或节点模式组成星型MESH自动路由无线网络，解决传统星型网络下某些处在盲区或偏远节点无法与中心通讯的问题。
1.3 有线无线互转
移动设备如天车、轨道车、混砂机等联网时，工厂内无线覆盖面不全，或距离AP较远时信号较弱，工业现场常采用西门子SCALANCE W7xx系列接入点与客户端，或MOXA的AWK-3131A系列工业无线AP/Bridge/Client，当访问点数较多或改造预算不足时，联网数采就很被动。
可采用普联TL-WDR7650双频易展Turbo版无线路由器，三个全千兆有线端口，无需区分WAN/LAN，支持网口盲插与有线无线混合互联，无线信号增强，最大一主七从，共用一个IP，通过简单的一键互联组对，解决无线覆盖不足、扩展Wi-Fi问题。
或采用有人物联网双网口Wi-Fi串口服务器USR-W630，通过AP、STA、路由、桥接等模式的配置，实现RS232/485串口、WIFI、以太网间互转互通与数据双向透明传输，支持串口延长、菊链式连接、Modbus TCP与Modbus RTU互转、DNS及跨网段路由（单向主动）功能。
当对漫游要求较高时，可采用普联工业级高功率无线双频APTL-AP1900DG与TL-CPE1300D组合，在无需AP和AC参与的前提下，实现无线客户端自主触发和决策漫游。尤其适用于移动载体的无缝快速漫游，并确保数据传输的实时性与通讯可靠性。
1.4 网络耦合
因项目前期未进行统一的IP地址规划，或规划时未考虑周全，或设备厂家不配合等原因，现场设备IP地址任意配置，或设备IP冲突，且又不方便改或不能改时，设备联网与数据采集的实施就陷入了困境。可采用无锡北辰的ETH-NAT、XCNet-MIT、XCNet-PN网络耦合器，通过近似于NAT的地址转换，将LAN1口所连接PLC的IP地址和端口号，映射到LAN2口任意IP地址和端口号，进行跨网段的透明传输。或采用普联的TL-R483G千兆多网口VPN路由器，将其WAN口配置为不同网段固定IP，LAN设置为数采网段分配IP，通过一台高性价比路由器，实现最多跨4个不同网段间设备的互访。
1.5 环网冗余
关键设备运行过程中不能掉线，尤其是不同设备间通过通信方式进行交互时。现场常见的工控环网有西门子与倍福，但只限于自身产品间，且价格不菲，而现场往往各厂家设备均有。
可采用上海泗博IER-3000-5T-R1与IER-3000-2S-3T-R1环网冗余以太网交换机，支持快速自愈的环网冗余通信，使工控机/PLC/控制器通过全光纤单环网、光纤和网线混搭单环网、双切环网、双归环网和环耦合环网等方式，访问连接在网络上的设备/仪表等。
5G与Wi-Fi6在民用与商用场合应用越来越深入，如何将无线技术应用至工业现场，并与现有无线网络技术无缝融合，是硬件工程师面临的一个挑战。
1.7 远程访问
当现场设备出现问题，工程师排故时，往往需要实时在线监控各变量状态，以确认问题所在，程序修改后再行下载。但工程师与设备所在网络常不属于同一个局域网，一般情况下，问题能否及时解决，取决于工程师与设备所在地的距离，或设备所在地是否具备VPN服务器，及开通VPN审批流程等待时间等，甚至遇到晚间、周末、节假日配合问题。可采用上海繁易FBOX、无锡北辰BCNet-R40、蒲公英X1旁路组网盒子或X3企业无线路由器，无需公网IP，只要现场通过3G/4G、有线、WiFi等方式能接入互联网，即可快速部署，实现异地组建虚拟专用网，进行PLC、触摸屏、变频器和伺服器或工控系统程序远程维护、调试、上传、下载与监控。
2 数据互通
铸造现场设备所用控制器，既有主流PLC、DCS、CNC及各类传感与仪器仪表，也有小众PLC、控制板卡、各类传感或仪器仪表，所用协议有标准协议、非标协议、第三方OPC、数据库等，系统集成的理想需求是建立统一的数据采集平台，实现软硬件设备间的数据互通，但目前尚没有任何一款软件或硬件产品囊括所有可能项，常用的数据互通方式与特点如下。
2.1 OPC SERVER
对于主流PLC、DCS、CNC、4机器人及各类传感与仪器仪表，可采用Kepware的OPC Server KE ServerEX 6，实现各主流设备标准协议、各类传感或仪器仪表非标协议、第三方OPC、数据库的数据采集，并可通过OPC UA、MQTT、Rest等接口与上位信息管理系统（如ERP、MES等）进行交互，同时其Advanced Tags功能可轻松实现不同变量间的链接及简单的算术逻辑运算。
对于日韩系PLC、CNC、机器人等控制器，及控制板卡、各类传感或仪器仪表，如横河、丰田、日立、基恩士、夏普、富士、产电等公司产品，可采用Takebishi的DeviceXPlorer，相关数据采集后再作为第三方OPC，与KEPServerEX6对接。
2.2 协议网关
对于西门子、三菱、欧姆龙、松下、光洋、基恩士、富士、台达、永宏、丰炜、信捷、AB、施耐德、LS产电、安川等厂家带串行通信的PLC控制器，可采用无锡北辰对应的BCNet系列模块，在不改变原有通信架构的基础上，除可将串行通信转换为以太网通信外，还可进行协议转换，将各厂家非标协议转换为Modbus TCP通信协议。
2.3 软件框架
对于集成度要求较高的场合，以及对价格因素敏感的项目，常规OPC Server集成方式不满足指标要求，此时需要自行开发各种驱动，但又会占用大量时间与精力。在有软件开发人员的前提下，可采用Snap7、Hsl Communication等开源框架。其中，Snap7支持西门子S7系列PLC的以太网通信，Hsl Communication支持大多数PLC通信与转换功能，及MQTT、Websocket、Redis等IOT Gateway通信功能，以方便地与上位系统管理系统及云平台快速集成对接，如共享的共享云盒、巫迪的设备联网智能网关。
2.4 OpenAPI
传统的企业服务总线ESB，采用相对落后的技术，存在集成接口复杂、扩展性差、不易维护、无法连接产线设备等问题，如何高效、可靠地采集异构软硬件系统中错综复杂、种类繁多的工业数据，也是硬件工程师面临的挑战之一。可基于RESTAPI技术实现系统内部功能组件的集成，构建工作流，提升功能复用效率；同时将系统内部的RESTAPI以OpenAPI的形式对外开放，促进系统间的功能调用和集成。进而通过集成接口的自动化、标准化和重用，为多源异构系统的快速集成提供有效支撑，实现边缘设备与云端、传统工业软件与云端、系统内部不同软件和功能的集成。
2.5 变量示波器
硬件工程师进行PLC及传感的调试与排故时，采用OPC方式能够监控到当前变量；配以DataLogger或Local Historian等功能插件，可将变量存储至数据库中。但在牵涉到多变量监控或背景变量监控应用场景时，常规只有数值的数据库就会显得力不从心。可采用上海隐图的PLC-Recorder，免费版2通道40个变量监控，连续录波时长6h，自带驱动，仅读取PLC内的信息，不会对PLC内的数据和信息进行任何修改，并以示波器图形方式显示各变量值。同时对多个PLC进行采集录波、逻辑分析、高级故障诊断、重要数据长期存档等。
3 人机交互
铸造现场常见的人机交互有智控中心大屏、电子看板、液晶电视、设备触摸屏、工控一体机、工业PAD或PDA、手机、设备HMI等，从性价比、移动性、工程施工便易性与灵活性等因素考虑，尚有一系列硬件工程师面临的难题，需要软件、硬件、网络等专业工程师紧密配合，推荐采用带有工控通信接口的、功能实现相对独立的电子看板，以及高性价的电视看板方式。
3.1 电子看板
其数据流处理的常规方式为：从底层设备或传感获取数据后，以IOT接口、URL地址或数据库方式与看板软件对接，再经投屏设备将相关界面与信息发布至现场电子看板上。该方式中间环节较多，开发及排故需要多专业工程师共同处理。
可采用广州驷骏通显的LED工业屏，自带通讯接口硬核与软件协议内核，融合工业组态、工业网络通信与LED显示驱动等技术，可通过主流的现场总线协议（如Profibus DP、Modbus RTU、CC-Link、Can等）与工业以太网协议（如Profinet、Modbus TCP、EtherNet/IP、TCP/IP等），直接与PLC、DCS等控制器实现实时数据的直连直通。
3.2 电视看板
对于价格敏感的项目，或现场不利于部署台式电脑或笔记本的场合，可采用无线投屏方式，如创维光电的无线传屏器GDWTA1；或采用微电脑加电视的组合，如以摩方M1S微型电脑棒大唐Q19云终端作为主机，以电视作为显示器，或根据操作需求配备无线鼠标键盘，满足人机交互对现场空间、环境、美观、操作便利性等要求。此外，对于成本与空间受限的小型应用场合，亦可采用显控带自由口通信、支持C语言编程的SK系列（3.5”-15”）触摸屏。
4 结论
本文从硬件工程师角度，针对铸造现场设备互联、数据互通、人机交互等常见的疑难问题，提供了若干可借鉴的解决思路或方法，降低了项目实施过程中对硬件工程师综合技能要求。随着工业互联网、人工智能、边缘计算、负载均衡等相关技术的蓬勃发展与深入应用，将会开发出一些更高性价比的组合解决方案，更好促进铸造企业数字化、网络化、智能化发展。
作者：共享能智铸造产业创新中心有限公司 刘亚宾，贺伟，白仲花，糟舒婷，刘乐
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