項目介紹工業(yè)數據采集技術項目三智能電表數據采集與分析"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"項目介紹工業(yè)數據采集技術一、項目背景每個月月底，B公司經理都要聽取財務人員匯報整個月的數據報表。經理發(fā)現生產車間近幾個月并沒有增加產能，但是用電費用確大幅提升。于是經理安排錢工到生產車間調查原因并給出解決方案。錢工到達生產車間后第一時間調取了近幾個月的用電量數據，經過和車間主任及生產工人溝通后，發(fā)現生產車間的用電管理存在較大問題：1）生產車間僅有一個總電能表，只統(tǒng)計整個車間的用電量，對單臺設備、產線、工序等用電量沒有統(tǒng)計。2）針對設備用電量異常、電源故障等情況無法做到實時反饋提醒。3）無法統(tǒng)計設備在不同時段的用電量，不能根據尖峰平谷時段劃分充分利用平谷時間段低電價的政策減少電費。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"項目介紹工業(yè)數據采集技術針對這些問題，錢工走訪同類型企業(yè)，調研相關技術企業(yè)，給出了一個生產車間用電量精細化管理解決方案。方案中提到，生產車間要從根本上解決用電量管理粗糙、降低電能消耗、降低電費等問題，必須要對每臺大型設備的實時用電量進行采集，實現生產車間全面的的電能管控和用電分析。在向經理匯報方案過程中，錢工向經理展示了某企業(yè)微電網能效管理平臺和單臺設備用電案例如圖2-1所示，并說明了電能精細化管理的優(yōu)勢：圖2-1

企業(yè)微電網能效管理平臺"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"項目介紹工業(yè)數據采集技術1）電能數據實時采集并上傳到平臺，在平臺進行分析處理，實現電能數據的統(tǒng)一在線管理，保障設備用電安全，穩(wěn)定生產。2）通過對各臺設備、各工序、產線等用電數據分析，實現對用電成本的精確計量，根據尖峰平谷時間段劃分，利用政策，管理節(jié)能和降低用電成本。3）實現車間用電精細化管理，建立長期可持續(xù)發(fā)展的用電管理體系，最終實現節(jié)能降耗，支持國家雙碳戰(zhàn)略目標。經理聽取了錢工的匯報和案例分析后非常滿意，決定已招標的形式尋找合適的供應商，最終X公司中標。簽訂合同后，X公司安排孫工帶領項目團隊開始電能數據采集工作。這是整個車間電能管理的第一步，只有把電能數據采集到平臺后，才能進行數據分析和處理。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"項目介紹工業(yè)數據采集技術二、項目規(guī)劃針對B公司的電能精細化管理到設備的需求，本項目圍繞工業(yè)設備電能數據采集展開。整個項目包括智能電表的安裝調試、軟件配置、RS485通信、工業(yè)網關安裝調試、MQTT通信、數據分析處理等。本項目規(guī)劃任務如圖2-2智能電表數據采集與分析項目規(guī)劃所示。圖2-2

智能電表數據采集與分析項目規(guī)劃"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務3.1：智能電表數據采集方案設計"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務說明

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任務實施

任務小結

任務測驗3.1.1任務說明任務描述X公司孫工帶領現場實施團隊首先到達B公司生產車間進行現場調研，了解實際情況和需求，根據現場調研情況設計智能電表數據采集方案和數據傳輸網絡。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務說明

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任務測驗素質目標任務目標：1）培養(yǎng)具有追本溯源的全局思維；2）培養(yǎng)綠色生產、節(jié)約能源的意識；3）培養(yǎng)在工業(yè)現場中保持不怕苦不怕累的艱苦奮斗精神；4）培養(yǎng)合作意識和團隊精神。知識目標1）了解能源管理的意義；2）了解智能電表的數據傳輸方式；3）熟悉國家雙碳戰(zhàn)略目標；4）掌握“碳中和”“碳達峰”的概念；5）掌握企業(yè)數字化轉型的意義。能力目標1）能對項目現場的設備情況進行調研，獲取現場設備的型號、數量、通信協議、硬件是否可拓展等信息；2）能根據工業(yè)現場情況和業(yè)務需求梳理出完整的采集點；3）能根據工業(yè)現場情況和業(yè)務需求選擇合適的通信方式；4）能根據工業(yè)設備情況選擇合適的網關、工業(yè)互聯網平臺。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.1.2相關知識1.能源管理的意義（1）國家政策要求2022年1月，國務院發(fā)布的《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》明確了，到2025年，全國單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13.5%，能源消費總量得到合理控制，節(jié)能減排政策機制更加健全，重點行業(yè)能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達到國際先進水平，經濟社會發(fā)展綠色轉型取得顯著成效。圖3-3

“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術2024年4月30日國家發(fā)展改革委發(fā)布了《關于深入開展重點用能單位能效診斷的通知》，要求建立重點用能單位節(jié)能管理檔案，梳理重點用能單位能源消費量、能源消費結構、綠電綠證交易、主要產品及生產線、主要用能設備等信息。摸排重點領域、重點行業(yè)用能設備能效水平。加強重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設運行，提高數據時效性和準確性，強化對能效診斷的支撐保障。發(fā)揮電網企業(yè)電力數據優(yōu)勢，積極開展以電力數據為基礎的能耗監(jiān)測分析，拓寬用能數據來源，豐富能效診斷方式。2024年5月23日國務院印發(fā)《2024-2025年節(jié)能降碳行動方案》指出要加快用能產品設備和設施更新改造。動態(tài)更新重點用能產品設備能效先進水平、節(jié)能水平和準入水平，推動重點用能設備更新升級，加快數據中心節(jié)能降碳改造。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（2）企業(yè)節(jié)能降耗需求“能源管理”正逐漸成為企業(yè)生產制造不可或缺的“節(jié)能神器”。科學的能源管理可以有效幫助工業(yè)企業(yè)提高能源利用效率，降低能源消耗和環(huán)境污染，是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。通過對能源成本的精細化管理，建立單位產值能耗、單位產品能耗、最終產品能耗等，建立相應的能源管理模型后，可以進行精細化管理考核，如圖3-4GB/T23331-2020能源管理成熟度模型所示。圖3-4

GB/T23331-2020能源管理成熟度模型"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術當企業(yè)能源管理精細至車間、設備乃至具體工序層面時，面對問題能夠迅速實現精準溯源與全面排查。通過先進的能源分析技術和能源績效評價體系，系統(tǒng)能夠自動生成詳盡的分析數據，為管理層提供強有力的決策支持。企業(yè)能夠實施針對性的能效改進措施，不斷優(yōu)化生產流程與設備效率，最終實現節(jié)能減排的目標。如圖3-5企業(yè)能耗監(jiān)測管理流程所示。圖3-5

企業(yè)能耗監(jiān)測管理流程"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術2.雙碳戰(zhàn)略2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和目標。碳達峰，指某一時刻，二氧化碳排放量達到歷史最高值，之后逐步回落。它標志著二氧化碳排放量由增轉降的歷史拐點，意味著一個國家或地區(qū)的經濟社會發(fā)展與二氧化碳排放實現“脫鉤”，即經濟增長不再以增加碳排放為代價。碳中和，也稱為“凈零排放”，是指人類經濟社會活動所必需的碳排放，通過森林碳匯和其他人工技術或工程手段加以捕集利用或封存，從而使排放到大氣中的溫室氣體凈增量為零。圖3-6碳中和碳達峰示意圖。圖3-6

碳中和碳達峰示意圖"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.《制造業(yè)數字化轉型行動方案》黨的二十大報告強調，“支持中小微企業(yè)發(fā)展”“支持專精特新企業(yè)發(fā)展”“促進數字經濟和實體經濟深度融合”，為推動中小企業(yè)數字化轉型指明了方向，提供了根本遵循。2024年5月11日，國務院總理李強主持召開國務院常務會議，審議通過《制造業(yè)數字化轉型行動方案》，國務院常務會議審議通過《制造業(yè)數字化轉型行動方案》，強調要“加大對中小企業(yè)數字化轉型的支持，與開展大規(guī)模設備更新行動、實施技術改造升級工程等有機結合，完善公共服務平臺，探索形成促進中小企業(yè)數字化轉型長效機制”。以數字化轉型推動中小企業(yè)增強綜合實力和核心競爭力，實現專精特新發(fā)展，具有重大現實意義。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術4.中小企業(yè)數字化轉型面臨的挑戰(zhàn)當前，我國中小企業(yè)數字化轉型步伐持續(xù)加快，涌現出一批典型案例、產品和解決方案，轉型服務供給能力持續(xù)提升，有力推動了中小企業(yè)專精特新發(fā)展。同時也要看到，數字化轉型是系統(tǒng)性工程，點多、線長、面廣，具有很強的綜合性、交叉性和復雜度，難以一蹴而就，其發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)。（1）轉型需求面臨認知、技術、資金等三方面約束。（2）轉型供需適配存在需求整合度不高、供給產品較少兩方面不足。（3）轉型要素需補齊人才隊伍不強、普惠服務不夠兩方面短板。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術5.企業(yè)數字化轉型的意義企業(yè)數字化轉型將引領企業(yè)的未來如圖3-7所示。企業(yè)數字化轉型的意義深遠且廣泛，它不僅是技術層面的革新，更是企業(yè)商業(yè)模式、運營方式乃至戰(zhàn)略思維的全面升級。圖3-7

企業(yè)數字化轉型將引領企業(yè)"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術5.企業(yè)數字化轉型的主要意義：（1）提升生產力和效率自動化與智能化、數據分析與優(yōu)化（2）改善客戶體驗和服務質量個性化服務、多渠道交互（3）實現創(chuàng)新和差異化競爭技術創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新（4）優(yōu)化企業(yè)管理和決策數據驅動決策、流程優(yōu)化（5）支持可持續(xù)發(fā)展資源高效利用、綠色生產（6）增強企業(yè)競爭力市場響應速度、品牌影響力"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.1.3任務實施1．實訓設備及工具（1）工業(yè)數據采集實訓臺（2）工業(yè)互聯網平臺"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術2．智能電表數據采集方案設計實施步驟（1）步驟1：需求分析經過對B公司生產車間進行現場調研了解實際情況，具體需求如下：①公司可以對生產車間接收到的各設備電能數據，進行查詢、訂閱、過濾、存儲、處理、解析、挖掘等應用；②部署在公司機房的服務器，可以實現生產車間電能數據采集，并向公司傳輸實時數據；③在公司機房設有核心交換機，將生產車間交換機通過冗余光纖網絡接入公司核心交換機上；④在各產線或工序設置一臺接入交換機，該產線或工序的數據采集網關接入到該交換機上；⑤需要對生產車間配電室儀表中電能數據進行采集；⑥需要對生產車間設備或產線的電力儀表中電能數據進行采集，對于沒有電力儀表的設備需要加裝智能電表進行數據采集和監(jiān)控。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（2）步驟2：數據采集架構設計根據需求分析，設計數據采集架構如圖3-8生產車間電能數據采集架構所示，生產車間電能數據采集接入方案如下：①配電室部分采用RS485總線串聯智能電表接入數據采集網關；②生產車間內設備有智能電表或新加裝智能電表的直接采用RS485總線串聯智能電表接入數據采集網關；③生產車間內設備沒有智能電表且距離數據采集網關較遠的，直接采用具有4G/LoRa功能的智能電表，將電能數據直接通過4G/LoRa網絡直接上傳至工業(yè)互聯網平臺。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術圖3-8

生產車間電能數據采集架構"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（3）步驟3：網絡布局設計根據需求分析，設計網絡布局拓撲圖，如圖3-9生產車間電能數據采集網絡拓撲圖所示。圖3-9

生產車間電能數據采集網絡拓撲圖"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（4）步驟4：設備選型智能電表數據采集方案主要設備選型如表3-1所示。表3-1

主要設備選型序號名稱網關廠家樹根互聯（）樹根互聯（根云小匠）TP-LINK12345智能電表交換機直流電源工業(yè)互聯網平臺明緯樹根互聯（根云平臺）"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.1.4任務小結"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務3.2：智能電表數據采集設備安裝調試"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務說明

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任務測驗3.2.1任務說明任務描述智能電表數據采集方案經過B公司審核確定后，孫工作為項目負責人，率領專業(yè)的施工團隊順利入駐B公司生產車間，正式啟動設備的安裝與調試工作。本任務中，需要制作網線、信號線、電源線及端子，根據智能電表數據采集方案接線原理圖將220V的供電電源接入智能電表，完成電流互感器電流信號和輸入電壓信號接入智能電表；同時將智能電表RS485接口與數據采集網關RS485接口進行連接，用網線將數據采集網關和交換機連接。接線完成后，認真檢查確保每一個連接點都準確無誤、牢固可靠，確認無誤后進行上電調試。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務說明

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任務測驗素質目標任務目標：1）培養(yǎng)精益求精的工匠精神；2）培養(yǎng)合作意識和團隊精神；3）培養(yǎng)安全操作規(guī)范和安全意識；4）培養(yǎng)在工業(yè)現場環(huán)境中保持不怕苦不怕累的艱苦奮斗精神。知識目標1）了解智能電表的結構；2）了解智能電表的各種組網方式；3）熟悉智能電表的485通信接口；4）掌握智能電表的RS485組網方式；5）掌握智能電表的優(yōu)點。能力目標1）能使用萬用表測量供電電壓；2）能制作網線、信號線端子、電源線；3）能正確識讀接線原理圖、安裝圖；4）能正確按照原理圖完成設備網線、電源線、通信線接線；5）能規(guī)范操作設備的通電測試。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.2.2相關知識1.智能電表的結構RootBand-Pro(Z)智能電表（簡稱根云小匠），是一款專為能源管理領域量身打造的智能電力監(jiān)控儀表。這款儀表集成了高精度測量技術與先進的管理功能，能夠實時、準確地監(jiān)測并記錄三相電壓、電流以及功率等關鍵電力參數，并具有分時計費、需量計算、剩余電流保護及溫度保護等功能。不僅滿足了基礎能源監(jiān)控的需求，更通過一系列智能化功能，極大地提升了能源使用的效率和安全性。3-10

智能電表的外觀"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術智能電表的外觀如圖3-10所示：（1）天線接口：智能電表具有無線上網功能，天線接口安裝對應的天線以增強無線信號；（2）硬件序列號：每個智能電表硬件出廠具有唯一的編號；（3）接線端子：用于實現電源、通信、輸入輸出信號的電氣連接；（4）SIM卡槽：智能電表可實現4G上網功能，卡槽用于放置SIM卡；（5）狀態(tài)指示燈：可實現智能電表不同狀態(tài)的顯示，具體功能如表3-2所示；表3-2

智能電表狀態(tài)指示燈狀態(tài)指示燈說明RunNetDataComm運行狀態(tài)指示燈接收到數據指示燈發(fā)送數據指示燈RS485通信指示燈正常運行狀態(tài)下，Run指示燈每隔1秒亮一次，持續(xù)時間1秒裝置的微功率無線/Lora模塊接收到數據時閃爍裝置的無線模塊對外發(fā)送數據時，該燈會閃爍當裝置通過RS485通信進行數據傳遞時，該燈會閃爍"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（6）液晶顯示：智能電表可通過液晶屏查看電壓、電流、功率等實時數據，默認界面顯示正向有功電能。如想查看其他顯示內容，請按照附錄D使用說明進行操作。（7）按鍵：通過按鍵可實現切換顯示數據、設置密碼、退出設置等功能，具體功能如表3-3所示；表3-3

按鍵功能按鍵短按說明切換顯示數據的組別（實時數據、參數查詢）/輸入密碼/修改設置參數退出設置新密碼頁面▼長按短按長按確認設置參數進入/退出參數設定界面?（8）智能電表的接線端口：智能電表的接線端口如圖3-11所示。智能電表的接線端口號及端子定義如表3-4所示。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術表3-4

智能電表的接線端口號及端子定義序號①端子號V1、V2、V3、VNDO11、DO12、DO21、DO22端口數量

輸入/輸出

端子定義4輸入電壓端子繼電器輸出端子②4輸出③④1、2（?Ir，Ir-）3~10（TC1~TC4）I11、I12、I21、I22、I31、I32DIC、DI1、DI2、DI3、DI428輸入輸入剩余電流端子測溫端子電流端子⑤⑥65輸入輸入開關量輸入端子⑦⑧D+、D-L/+、N/-11通信電源輸入RS485通信端子電源端子圖3-11

智能電表的接線端口"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術2.智能電表的組網方式智能電表具有RS485通信接口可以實現總線通信方式組網，同時又具有無線通信模塊功能可以實現無線通信方式組網。采用有線方式進行組網時，利用智能電表的RS485通信接口來實現高效的數據傳輸。通過這一標準化的串行數據接口，智能電表能夠穩(wěn)定、可靠地與數據采集網關相連接。數據采集網關作為數據傳輸的中樞，負責將數據轉發(fā)至工業(yè)互聯網平臺或指定的其他采集服務器。采用無線方式進行組網時，智能電表提供了靈活多樣的通信選擇，包括GPRS無線通信、LoRa通信、NB-IoT通信以及4G通信。通過智能電表無線模塊，直接將智能電表等設備采集的數據轉發(fā)至工業(yè)互聯網平臺或其他采集服務器。這種無線組網方式顯著減少了現場布線的需求，不僅降低了布線成本和施工復雜度，還提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（1）RS485總線通信組網RS485總線通信是一種在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應用的通信方式，其特點包括差分信號傳輸、高抗干擾能力、支持長距離通信和多節(jié)點連接等。RS485接口也稱為TIA-485(-A)或EIA-485接口，是一種定義UART串行通信系統(tǒng)中使用的驅動器和接收器的電氣特性的標準。RS485通信采用的是差分信號負邏輯控制模式，即2～6V表示“0”，-6～-2V表示“1”。差分信號傳輸方式使得RS485具有很強的抗干擾能力。RS485通信有兩線制和四線制兩種接線方式。目前廣泛采用的是兩線制，即總線式拓樸結構，屬于半雙工傳輸方式。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術RS485組網方式分為：①總線式組網：所有RS485節(jié)點全部掛在一對RS485總線上，實現多點通信。總線長度可達上千米，節(jié)點數可以多達256個（使用特制芯片可達400個）。②菊花鏈式組網：每個節(jié)點必須是全雙工的，每個節(jié)點只能夠接收上一個節(jié)點發(fā)送的數據、只能夠向下一個節(jié)點發(fā)送數據。如果要跨過一個節(jié)點傳輸數據，必須通過下一個節(jié)點轉發(fā)。③星形組網：需要采用RS485集線器來實現。集線器可以將多個RS485總線連接在一起，形成星形結構。④單環(huán)冗余型組網：由特定的轉換器實現，將RS485總線開叉并在遠端閉合，形成單環(huán)結構。當總線出現斷線時，可以通過冗余路徑實現自愈。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術智能電表RS485接口通信，使用的通信協議為ModbusRTU，波特率可選1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps，奇偶校驗位和停止位都可以進行設置。智能電表采用總線式組網方式，該組網方式適用于設備集中安裝場所，如工廠內部，大型商場等。RS485組網方式如圖3-12所示。圖3-12

智能電表RS485組網方式"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（2）GPRS無線通信組網GPRS是在現有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數據承載業(yè)務，支持TCP/IP協議，可以與分組數據網（如Internet）直接互通。GPRS是介于第二代（2G）和第三代（3G）移動通信技術之間的一種技術，通常被稱為2.5G。GPRS采用分組交換技術，可以提供較高的數據傳輸速率，最高可達114Kbps，適合中小流量的數據傳輸。用戶可以隨時隨地進行數據通信，無需像傳統(tǒng)GSM那樣每次通信都要重新建立呼叫連接。GPRS以傳輸的數據量而非連接時間來計費，使得用戶可以根據實際使用情況靈活控制費用。由于GPRS基于GSM網絡，因此其覆蓋范圍與GSM網絡相同，非常廣泛。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術智能電表采用高效的客戶端模式，通過GPRS信道連接至遠端服務器，實現穩(wěn)定的數據通信。其工作模式設計為永久在線，確保一旦電表上電并檢測到GSM網絡穩(wěn)定可用，立即主動向主站發(fā)起連接請求。一旦連接成功建立，該模塊便持續(xù)處于活躍的數據交換狀態(tài)，不間斷地進行數據收發(fā)，為電力系統(tǒng)的實時監(jiān)控和精準管理提供強有力的支持。該組網方案適用于設備分散、距離較遠，對數據實時性要求較高的場所。GPRS組網方式如圖3-13所示。圖3-13

智能電表GPRS組網方式"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（3）LORa無線通信組網LoRa（Long

Range

Radio）由Semtech公司研發(fā)并推廣。在城鎮(zhèn)環(huán)境中，LoRa的通信距離可達3-5公里，在郊區(qū)等開闊地帶，通信距離可達15公里甚至更遠。其低功耗特性使得設備可以使用較小的電池長時間運行，有的甚至能達到數年之久。LoRa網絡能夠支持大量的終端設備同時接入，一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節(jié)點。LoRa采用擴頻調制技術，具有較強的抗干擾能力，能夠在復雜環(huán)境中穩(wěn)定工作。智能電表LoRa通信技術選用專為無線電計量儀表設計的470-510MHz頻段，電表支持透傳功能，在透傳模式下，電表能夠將LoRa或RS485接口接收到的數據報文，直接轉發(fā)至對應的RS485或LoRa接口，實現了數據在不同通信協議間的自由轉換與傳輸。該組網方案適用于距離較遠且分散安裝的環(huán)境設備場景，比如商業(yè)區(qū)、工業(yè)園區(qū)等場所。LoRa組網方式如圖3-14所示所示。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術圖3-14

智能電表LoRa組網方式"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（4）NB-IOT無線通信組網NB-IoT（Narrow

BandInternet

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Things）是指窄帶物聯網技術，是一種低功耗廣域（LPWA）網絡技術標準，基于蜂窩技術，用于連接使用無線蜂窩網絡的各種智能傳感器和設備。NB-IoT設備在生命周期內大部分時間處于極低功耗狀態(tài)，一般用電池可滿足5到10年壽命的需求。NB-IoT比LTE和GPRS（2G）提升20dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力，能夠深入到地下室、地下管道等傳統(tǒng)無線通信技術難以觸及的區(qū)域。NB-IoT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數，可支持5萬至10萬級別的用戶規(guī)模。NB-IoT的上行理論峰值速率為15.6Kbps，下行理論峰值速率為21.25Kbps，NB-IoT設備硬件成本低并且繼承4G網絡安全能力，適用于小數據量、小速率的應用場景。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術智能電表的N

B

-

I

o

T

通信中，使用U

D

P（UserDatagram

Protocol，用戶數據報協議）協議進行數據傳輸。裝置通過NB-IoT信道向指定的服務器和端口發(fā)送UDP鏈接的數據，并且可以接收服務器發(fā)送的請求命令。該組網方案適用低功耗、廣覆蓋、傳輸數據量小且更新頻率也不高的無線通信設備，如抄表（水、氣、電、熱）、智能路燈、智能停車、可穿戴設備、資產跟蹤、設備狀態(tài)監(jiān)控、能源設施監(jiān)控等各種戶外場景。NB-IoT組網方式如圖3-15所示。圖3-15

智能電表NB-IoT組網方式"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（5）4G無線通信組網4G工業(yè)通信是一種基于4G網絡技術的工業(yè)級數據傳輸方案，它利用4G網絡的高速、穩(wěn)定、可靠等特點，為工業(yè)現場提供無線數據傳輸服務。通過4G工業(yè)通信，企業(yè)可以實現對工業(yè)設備的遠程監(jiān)控、數據采集、故障診斷等功能，提高生產效率和設備管理水平。4G通信速度可以達到100Mbps甚至更高，能夠滿足工業(yè)現場對數據傳輸速度的需求。智能電表內置4G通信模塊，工作模式為永久在線模式。一旦設備通電并確認LTE網絡狀態(tài)正常，該模塊便會立即啟動，主動與主站（遠端服務器）構建起穩(wěn)定的數據通信鏈路。一旦連接成功建立，該4G通信模塊便進入持續(xù)的數據交換狀態(tài)，不間斷地與主站進行數據的收發(fā)處理。該組網方案適用于超遠距離、不方便布線、網絡穩(wěn)定的場合比如：工業(yè)設備監(jiān)控、能源管理、智能交通等。4G組網方式如圖3-16所示。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術圖3-16

智能電表4G組網方式"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.智能電表的優(yōu)勢智能電表是智能電網（特別是智能配電網）數據采集的基本設備之一，承擔著原始電能數據采集、計量和傳輸的任務，是實現信息集成、分析優(yōu)化和信息展現的基礎。智能電表除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計量功能以外，還具有一下優(yōu)點：（1）精準計量與高效計費高精度計量：多費率計費：（2）實時監(jiān)測與遠程管理實時監(jiān)測：遠程抄表：遠程控制："以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（3）節(jié)能減排與能源優(yōu)化節(jié)能減排：（4）故障檢測與安全保障故障檢測：安全保障：（5）數據服務與智能分析數據服務：智能分析：（6）用戶體驗與便捷性提升用戶體驗：便捷支付："以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.2.3任務實施1．實訓設備及工具（1）工業(yè)數據采集實訓臺、智能電表；（2）常用電工工具包括低壓絕緣手套、萬用表、螺絲刀、壓線鉗、剝線鉗、斜口鉗、線鼻子、網線、水晶頭、網線鉗、網線測試儀等。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術2.智能電表數據采集設備安裝調試實施步驟（1）步驟1：設備安裝①對電表外觀進行檢查，查看說明書相關參數是否滿足設計要求。②檢查安裝地點環(huán)境、設備負荷是否符合設計要求，要球安裝地點周圍無振動、強電磁干擾和易燃易爆物品，以及無液體、腐蝕氣體等。③檢查安裝點的溫度和濕度不應超過智能電表規(guī)定的工作溫濕度范圍。④檢查安裝位置空間和位置，應有足夠的放置空間和擴展空間，用于放置智能電表、電線、端子排等設備。⑤確保關閉設備電源。⑥首先安裝35mm標準導軌式，然后將智能電表放置在導軌上，如圖2-17所示。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術圖2-17

智能電表安裝圖⑦數據采集網關同樣采用標準導軌式安裝。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（2）步驟2：網線、信號線、電源線及端子制作①網線制作網線制作步驟如表2-5所示，T568B標準網線制作如圖2-18所示。表2-5

網線制作步驟序號

步驟1使用網線鉗或剝線器將網線外皮剝去約1.5-2cm的長度，去除多余的編織線、鋁箔。將網線內的8根芯線分開，按照T568B標準線序：橙白、橙、綠白、藍、藍白、綠、棕白、棕排列。23456使用網線鉗的剪線口將排列好的芯線剪齊，保留約1.4cm左右的長度。將剪齊的芯線按照順序插入水晶頭的8個線槽中，注意方向要正確。將插入芯線的水晶頭放入網線鉗的8P槽內，用力壓緊。重復上述步驟制作另一頭。使用測線儀對制作好的網線進行測試。將測線儀兩端各接水晶頭，打開測線儀，觀察指示燈的閃爍情況。如果測試儀上8個指示燈依次綠燈閃過，表示網線制作成功，連通性良好。7"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術圖2-18

T568B標準網線制作"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術②信號線、電源線及端子制作剝線：使用剝線鉗對電源線的絕緣保護層進行剝離，根據電源線的截面積選擇對應的缺口，剝離電源線長度需長于線鼻子，如圖2-19所示，本任務需要4條電源線，其中紅色電源線是用于連接正極，黑色電源線是用于連接負極。圖2-19

剝線"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術端子制作：將電源線插入線鼻子中（電源線需出頭），使用壓線鉗對線鼻子的金屬部分進行擠壓，如圖2-20所示。擠壓后可輕輕拔動線鼻子，確保線鼻子與線芯緊密貼合，未壓接側線芯部分不能外露。若不貼合請更換新的線鼻子，重新使用壓線鉗壓線；若線芯部分外露請重新制作。修剪：使用斜口鉗（或剪刀）將超出線鼻子金屬部分的電源線剪去，如圖2-21所示。圖2-21

修剪端子頭圖2-20

端子制作"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（3）步驟3：設備接線①智能電表接線原理圖：如圖2-22所示是本任務使用的智能電表接線原理圖。2-22

智能電表接線原理圖"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術②輸入電流接線：本任務采集的設備能源數據的工作電壓為220V的單相電壓，因此采集單相電流使用的是5A的電流互感器，電流互感器電流數據輸出端口接入智能電表電流采集端口，其接線圖如圖2-23所示。2-23

智能電表電流采集接線圖"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術③輸入電壓接線：智能電表兼容220V單相或380V三相（星形/Y形）的電力系統(tǒng)，無需額外設備即可直接接入。當面對更高電壓等級的系統(tǒng)時，為了確保電表的安全運行及準確測量，確實需要采用電壓互感器（PT）來按比例降低電壓至電表可接受的輸入范圍內。本任務的設備電壓為220V，無需電壓互感器，輸入電壓接線圖如圖2-24所示。圖2-24

輸入電壓采集接線圖"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術④供電電源接線：智能電表需要220V交流電壓供電，相線接L/+端，中性線接N/-端。將220V電源按照下圖2-25所示正確的連接到L/+、L/-處。圖2-25

智能電表供電電源接線"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術⑤通信接線：在部署通信電纜系統(tǒng)時，推薦采用標準的屏蔽雙絞線，為保證信號傳輸的穩(wěn)定性和效率總長度不超過1200米，電纜的屏蔽層在系統(tǒng)的一端進行可靠接地處理，以有效抑制電磁干擾，保護信號傳輸質量。當電纜長度較長時，為了進一步增強通信的可靠性和穩(wěn)定性，在電纜的遠端（即遠離信號源的一端）接入一個約120Ω的終端電阻。這一措施有助于消除信號反射，優(yōu)化信號波形，從而提高通信質量。屏蔽雙絞線通信接線如圖2-26所示。圖2-26

屏蔽雙絞線通信接線"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術智能電表和數據采集網關調試需要通過RS-485/USB轉換器與上位機連接以便軟件調試，RS485通信接線如圖2-27所示。智能電表的D+接口需要對應轉換器的T/R+接口，以及對應數據采集網關Gbox上的A1接口；智能電表的D-接口對應轉換器的T/R-接口，以及對應數據采集網關GBox上的B1接口相接。最后用網線將數據采集網關與交換機連接。圖2-27

通信線接線圖"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（4）步驟4：網關接線用網線將數據采集網關網口1與交換機連接，電源端口接入24V電源，并將4GSIM卡安裝到卡槽內，接線位置和安裝圖如圖2-28所示，任務1.3認識工業(yè)數據采集設備中已經詳細講述，這里不再敘述。2-28

數據采集網關接線位置和安裝圖"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（5）步驟5：安全檢查，通電測試①智能電表和數據采集網關上電測試之前，需要認真檢查接線，對照原理圖查看電源線連接位置是否正確，使用萬用表測量電表供電電壓是否為交流220V，使用萬用表測量數據采集網關供電電壓是否為直流24V，以下操作步驟請在佩戴絕緣手套后進行。②合上外部電源開關，為電表和數據采集網關供電。③智能電表上電后，如果連接正常，則Run指示燈每隔1秒亮一次，持續(xù)時間1秒，RS485通信正常時，Comm燈會閃爍，連接正常如圖2-29所示。如果出現指示燈不亮或者通信指示燈異常，需要根據前面的步驟排查問題，經過上電測試確認沒有問題之后，智能電表安裝調試的任務完成。④網關上電后，如果連接正常，則PWR指示燈為綠色常亮，RUN指示燈閃綠燈，否則需要根據前面的步驟排查問題。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術圖2-29

智能電表上電后狀態(tài)"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（6）步驟5：智能電表常見故障排查

智能電表常見故障及解決方法如表2-6所示。序號故障現象電表運行燈不亮解決方法①?檢查電源電壓和其他接線是否正確，電源電壓應在工作范圍以內；②?關閉裝置和上位機，再重新開機。1電表上電后工作不正常2①?關閉裝置和上位機，再重新開機。①?檢查接線模式設置是否與實際接線方式相符；②?檢查電流互感器（CT）變比是否設置正確；③?檢查GND是否正確接地；④?檢查屏蔽是否接地；⑤?檢查電流互感器（CT）是否完好。電

壓

或

電

流讀數不正確3功率或功率因數讀數不正確①?如果功率或功率因數讀數不正確，但電壓和電流讀數正確，則需對比實際接線和接線圖的電壓和電流輸入，檢查相位關系是否正確。45①?檢查上位機的通信波特率、ID和通訊規(guī)約設置是否與裝置一致；②?檢查數據位、停止位、校驗位的設置和上位機是否一致；③?檢查RS232/RS485轉換器是否正常；④?檢查整個通信網線路有無問題（短路、斷路、接地、屏蔽線是否正確單端接地等）；⑤?關閉裝置和上位機，再重新開機；RS485通信不正常⑥?通訊線路長建議在通訊線路的末端并聯約100～200歐的匹配電阻。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.2.4任務小結"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務3.3：智能電表數據采集設備參數配置"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務說明

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任務實施

任務小結

任務測驗3.3.1任務說明任務描述孫工率領施工團隊完成智能電表和網關的安裝與接線任務后，需要對智能電表和網關進行參數配置。在本任務中，智能電表和網關參數配置之前，需要確保已安裝相應的串口驅動程序、軟件以及符合要求的軟件協議版本。當智能電表通過RS485轉USB串口連接到電腦后，需使用軟件在線配置設備參數和通信參數，并修改網關IP地址，配置成功后檢查智能電表采集的實時數據是否與輸入的電壓和電流值相同。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務說明

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任務實施

任務小結

任務測驗素質目標任務目標：1）培養(yǎng)綠色生產、節(jié)約能源的意識；2）培養(yǎng)具有精益求精的工匠精神；3）培養(yǎng)安全操作規(guī)范和安全意識；4）培養(yǎng)在工業(yè)現場環(huán)境中保持不怕苦不怕累的艱苦奮斗精神。知識目標1）了解現場總線的分類；2）了解Modbus協議的概念；3）掌握Modbus的優(yōu)點；4）掌握Modbus協議的3種傳輸類型；5）掌握Modbus協議的通信過程。能力目標1）能正確安裝串口驅動；3）能正確安裝智能電表、網關的配置軟件；2）能把智能電表、網關接入電腦；4）能在智能電表、網關軟件中配置參數；5）能正確修改網關IP地址和下載網關工程；6）能在智能電表軟件中查看實時采集電壓電流等數據。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.3.2相關知識1.現場總線現場總線(FieldBus)是近年來迅速發(fā)展的一種工業(yè)數據總線，它主要解決工業(yè)現場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現場控制設備間的數字通信，以及這些現場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現場總線簡單、可靠、經濟、實用等一系列突出的優(yōu)點，因此受到了許多標準機構和計算機廠商的高度重視。簡單地說，現場總線就是以數字通信替代了傳統(tǒng)4~20mA模擬信號及普通開關信號的傳輸，是連接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的全數字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。目前國際上有40多種現場總線，按其傳輸數據的大小可分為3類：傳感器總線，屬于位傳輸；設備總線，屬于字節(jié)傳輸；現場總線，屬于數據流傳輸。比較常用的現場總線有PROFIBUS、DeviceNet、Modbus、FOUNDATION

Fieldbus、LonWorks、CAN等。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術2.Modbus通信協議簡介Modbus通信協議是一種由Modicon公司（現為施耐德電氣的一部分）于1979年開發(fā)的串行通信協議，最初設計用于可編程邏輯控制器（PLC）之間的通信。經過多年的發(fā)展，Modbus已成為工業(yè)領域通信協議的業(yè)界標準，廣泛應用于各種工業(yè)電子設備之間的數據交換。該協議采用主/從（Master/Slave）架構或稱為客戶端/服務器（Client/Server）架構，是一種請求/應答協議，提供統(tǒng)一的功能碼用于數據傳輸服務。Modbus協議支持通過串行通信和TCP/IP等多種網絡方式進行數據傳輸，其應用廣泛，包括自動化設備之間的通信、人機界面（HMI）與PLC或傳感器之間的通信等。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.Modbus通信協議的優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）簡單、靈活、易于實現：Modbus協議基于簡單的客戶機/服務器架構，易于部署和維護。（2）開放標準：Modbus協議公開發(fā)表且無版權要求，有利于設備的互聯互通和系統(tǒng)集成。（3）廣泛應用：由于上述優(yōu)點，Modbus協議已被廣泛應用于工業(yè)自動化、智能家居等領域。缺點：（1）安全性較差：Modbus協議自身沒有提供高級別的安全機制來保護數據傳輸過程中的安全性。（2）傳輸速率較慢：相對于以太網等高速通信協議而言，Modbus協議的傳輸速率較慢。這可能在某些對實時性要求較高的應用場景中成為瓶頸。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術4.Modbus通信協議的傳輸類型Modbus協議支持多種通信方式，包括ASCII、RTU、TCP三種報文類型；Modbus-RTU和Modbus-ASCII協議是基于串行鏈路的，其物理層可以是RS232或者RS485；而Modbus-TCP的物理層是以太網。這些通信方式使得Modbus協議能夠適應不同的應用場景和需求。（1）Modbus-RTU：數據按照標準串口協議進行編碼，其報文格式采用十六進制表示數據的方式，緊湊且高效。它使用串行通信方式，并通過循環(huán)冗余校驗（CRC）來確保數據的準確性。Modbus-RTU的幀結構如圖3-30所示。圖3-30

Modbus-RTU的幀結構"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（2）Modbus-ASCII：采用ASCII碼表示數據，每個字節(jié)都被轉換為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式數據冗，因為通信效率太低，在實際工業(yè)應用場合使用較少。它同樣使用串行通信方式，并通過縱向冗余校驗（LRC）來確保數據的準確性。Modbus-ASCII的幀結構如圖3-31所示。圖3-31

Modbus-RTU的幀結構（3）Modbus-TCP：基于以太網傳輸，使用TCP/IP協議進行通信。這種方式不需要校驗和計算，因為TCP協議本身已經提供了可靠的數據傳輸機制，其服務器（Server）的默認端口是502。幀結構可以分為兩部分：MBAP（ModbusApplicationProtocol）報文頭和PDU（ProtocolDataUnit）數據單元，如圖3-32所示。圖3-32

Modbus-TCP的幀結構"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（4）Modbus-RTU與Modbus-ASCII在報文數據發(fā)送格式幾乎一樣，也存在一些區(qū)別，具體體現在以下幾個方面。①Modbus-ASCII有開始字符（：）和結束字符（CRLF），可以作為一幀數據開始和結束的標志；而Modbus-RTU沒有這樣的標志，需要用時間間隔來判斷一幀報文的開始和結束。協議規(guī)定的時間為3.5個字符周期，就是說一幀報文開始前，必須有大于3.5個字符周期的空閑時間，一幀報文結束后，也必須有3.5個字符周期的空閑時間，否則就會出現粘包的情況。注意：針對3.5個字符周期，其實是一個具體的時間，但是這個時間跟波特率相關。在串口通信中，1個字符包括1位起始位、8位數據位（一般情況）1位校驗位（或者沒有）、1位停止位（一般情況下），因此1個字符包括11位，那么3.5個字符就是38.5位，波特率表示的含義是每秒傳輸的二進制位的個數。如果波特率是9600波特，3.5個字符周期=1000/9600x38.5=4.01(ms)。②兩者校驗方式不同，Modbus-RTU采用循環(huán)冗余校驗，Modbus-ASCII采用縱向冗余校驗。③在Modbus標準中，RTU是必須要求的，而ASCII是可選項，即作為一個Modbus通信設備，可以只支持RTU,也可以同時支持RTU和ASCII,但不能只支持ASCII。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術5.Modbus通信過程Modbus協議采用“主/從”通信模式，實現一對多的連接方式。在這種模式下，一個主控制器（主站）能夠連接并管理多達247個從屬控制器（從站），本項目中主機為數據采集網，從機為智能電表和其他設備如圖3-33主從機通信所示。通信過程由主站發(fā)起，向從站發(fā)送數據請求消息。從站在接收到正確的消息后，會向主站發(fā)送數據以響應請求。此外，主站還具有直接向從站發(fā)送消息以修改其數據的能力，從而實現雙向讀寫功能。圖3-33

主從機通信"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術主站設備在Modbus通信中既可以與單個從站設備進行通信，也能夠以廣播方式同時與所有從站設備進行通信。在單獨通信的情況下，從站設備會返回一條消息作為對主站請求的回應；如果主站以廣播方式發(fā)送查詢，那么從站設備通常不單獨回應消息。每個從機設備都具有不同的設備地址，范圍是1~247，網絡地址也不能相同。對于ModbusRTU和ModbusASCII來說，主站是Master，從站是Slave；對于ModbusTCP而言，主站通常稱為Client，從站稱為Server。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.3.3任務實施1．實訓設備及工具（1）電腦、智能電表、數據采集網關、RS485/USB串口、螺絲刀；（2）配置軟件和驅動。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術2.智能電表數據采集設備參數配置實施步驟（1）步驟1：轉換器驅動安裝①使用RS485/USB轉換器進行調試，需要安裝RS485串口協議驅動，在資料中找到RS485串口（CDM21226_setup）驅動如圖2-34，鼠標右鍵以管理員身份運行驅動軟件，根據安裝向導一步步進行安裝，驅動安裝完成后如圖2-35所示。圖2-35

驅動安裝完成圖2-34

RS485串口協議驅動"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術②驅動安裝成功后，將RS485/USB轉換器插入電腦USB接口。③選擇“此電腦”，鼠標右鍵選擇“屬性”如圖2-6所示，打開“控制面板”中的“設備管理器”查看端口是否成功識別，端口識別成功效果如圖2-37所示，如果安裝不成功則需要卸載驅動再重新安裝。圖2-37

設備管理器中查看端口圖2-36

打開電腦屬性"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（2）步驟2：安裝智能電表配置軟件在資料中找到“RootBand-Pro(Z)”軟件并鼠標右鍵以管理員身份運行，如圖2-38所示，按照提示步驟完成安裝后，在桌面上會出現如圖2-39所示的圖標。圖2-38

“RootBand-Pro(Z)”軟件運行圖2-39

安裝完成后軟件圖標"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（3）步驟3：安裝智能電表Modbus協議智能電表與數據采集網關GBox的通信，使用的串口協議是RS485，而通信協議是Modbus，因此需要在網關調試軟件中的擴展管理器安裝對應的Modbus協議版本。①雙擊打開桌面上的“PMC-EasyConfig”圖標，打開菜單欄“工具”窗口，選擇“擴展管理器（K）”選項，如圖2-40所示。圖2-40

打開擴展管理器"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術②在“擴展管理器”面板中選擇聯機應用，通過搜索“6.5”關鍵詞快速找到所需的Modbus協議，選擇安裝“PMC-EasyConfigV1.1

350Modbus協議6.5”，如圖2-41所示，注意此步驟需要在聯網環(huán)境下操作。圖2-41

在線安裝協議"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術③若沒有聯網，可以選擇“擴展管理器”面板中的本地資源選項，找到本地資源“ModbusV6.5”文件夾并選中，單擊“確定”安裝，如圖2-42所示。圖2-42

本地安裝協議"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（4）步驟4：智能電表參數配置①打開“PMC-EasyConfig”軟件，單擊“新建配置”快捷工具或者選擇文件新建，在“新建配置”窗口的參數配置如圖2-43所示，自定義配置文件名稱和保存路徑。圖2-43

新建配置窗口"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術②選擇“通信”菜單下的“連接設備”子菜單，在彈出的窗中的配置參數，裝置型號選擇默認的PMC-350；規(guī)約類型選擇默認的Modbus；通信方式選擇本電腦的設備管理器識別到的COM3口；波特率選擇默認的9600，表示傳輸速率；校驗方式選擇默認的8E1，表示8個數據位，偶校驗，1個停止位。設備ID為根云小匠面板上的硬件序列號后2位，如圖所示圖2-44。設置完成后，單擊“連接”按鈕完成連接設備。如圖2-45所示。圖2-44

設備ID位置圖2-45

連接設備參數配置"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術說明：若需調整智能電表的參數配置，例如修改RS485參數，可在左側目錄樹中找到對應選項進行修改。完成修改后，請點擊“寫入配置”標簽，以便將新配置下發(fā)至智能電表，如圖2-46所示。圖2-46

修改智能電表參數注意：在修改智能電表的參數配置后，請確保記住新的配置參數。因為后續(xù)重新連接設備或配置網關GBox時，需要填寫這些修改后的參數。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（5）步驟5：網關IP修改數據采集網關GBox默認網口1的IP地址是45；網口2的IP地址是45。網關GBox的默認配置參數可查看網關的左面板獲取，如圖2-47所示。圖2-47

默認配置參數"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術實施工程師按照設計方案要求需要將網關IP地址與生產車間PLC、電腦和網絡設備設置在同一網段，現場設備IP地址范圍為~50，因此設置網關IP地址為15，如圖2-48所示。任務1.3認識工業(yè)數據采集設備中修改網關IP地址已經詳細講述，這里不再敘述。圖2-48

IP修改界面"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（6）步驟6：安裝網關配置軟件在資源中找到“GBox開發(fā)系統(tǒng)”安裝包并右鍵以管理員身份運行，按照安裝向導，一步一步往下操作。安裝完成后，會自動在桌面生成如圖2-49所示的“GBox開發(fā)系統(tǒng)”“GBox網管系統(tǒng)”2個圖標。說明：如果安裝的不是最新版本或者需要更新組件，需要打開GBox開發(fā)系統(tǒng)進行在線更新組件庫。圖2-49

安裝網關配置軟件"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（7）步驟7：新建網關工程①雙擊打開GBox開發(fā)系統(tǒng)圖標，在“工程管理”窗口中點擊右鍵或者點擊文件新建，選擇“新建項目”，在“項目”對話框中輸入項目名稱和描述，選擇保存路徑，單擊“確定”按鈕完成項目的創(chuàng)建，如圖2-50所示。圖2-50

新建項目"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術②新項目創(chuàng)建完成后，選中“工業(yè)數據采集”項目右鍵，在右鍵列表中選擇“新建工程”在“工程-新建”對話框中，輸入新建工程名稱，其他數據使用默認參數，最后單擊“OK”按鈕，完成新工程創(chuàng)建并保存，如圖2-51所示。圖2-51

新建工程"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（8）步驟8：查看實時電能數據雙擊打開PMC-EasyConfig軟件，在PMC-EasyConfig軟件的左側目錄樹中，選擇“基本實時數據”選項，即可查看智能電表采集到的實時電能源數據如圖2-52所示。本次任務是測量220V的單相電壓，圖中A相電壓數據在允許誤差范圍內。圖2-52

實時電能數據"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.3.4任務小結"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務3.4：智能電表數據接入平臺"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務說明

相關知識

任務實施

任務小結

任務測驗3.4.1任務說明任務描述孫工率領施工團隊完成智能電表和網關等設備的安裝、接線、調試及參數配置后，接下來要通過網關采集智能電表的數據并上傳到工業(yè)互聯網平臺。在本任務中，孫工首先需要在工業(yè)互聯網平臺上添加物模型屬性，添加智能電表采集數據在物模型中對應的連接變量屬性；注冊網關物實例；然后使用網關配置軟件配置網關GBox與智能電表的通信協議；添加IO采集點，更新網關工程，最后轉發(fā)數據到工業(yè)互聯網平臺。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術任務說明

相關知識

任務實施

任務小結

任務測驗素質目標任務目標：）培養(yǎng)綠色生產、節(jié)約能源的意識；12）培養(yǎng)精益求精的工匠精神；3）培養(yǎng)安全操作規(guī)范和安全意識；4）培養(yǎng)在工業(yè)現場環(huán)境中保持不怕苦不怕累的艱苦奮斗精神；5）培養(yǎng)動手實踐能力。知識目標1）了解MQTT通信協議的起源；2）掌握MQTT通信協議的優(yōu)勢；3）了解MQTT通信協議的客戶端與服務器；4）了解MQTT通信協議的發(fā)布者、訂閱者、中介；5）熟悉MQTT通信協議的通信機制；6）熟悉物模型的定義和屬性；7）熟悉物實例的定義和屬性。能力目標1）能使用批量添加的方法快速更新物模型屬性；2）能新建智能電表物模型和物實例；3）能新建智能電表的I/O采集點；4）能下載網關工程；5）能在工業(yè)網關和工業(yè)互聯網平臺校驗電能數據。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.4.2相關知識1.MQTT通信協議的概念及發(fā)展MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport），是一種根據發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通訊協議，該協議構建于TCP/IP協議上。MQTT協議的發(fā)展歷史可以追溯至1999年，由IBM的AndyStanford-Clark和ArlenNipper共同發(fā)布。這一協議最初被設計用于通過衛(wèi)星連接石油管道的遙測系統(tǒng)。MQTT協議主要分為兩個大版本：MQTTv3和MQTTv5。其中，MQTTv3.1.1是最常用的版本，而MQTTv5則于2018年發(fā)布，提供了更多的功能和改進，但目前在應用上仍相對有限。MQTT協議的發(fā)展，不僅推動了物聯網技術的快速發(fā)展，也為各類智能設備之間的通信提供了強有力的支持。目前，MQTT協議已經成為物聯網系統(tǒng)事實上的網絡協議標準。大多數工業(yè)互聯網平臺都不約而同選擇MQTT協議作為設備聯網的“第一語言”，如樹根互聯的根云平臺、華為云、騰訊云、阿里云，以及國外微軟的Azure等。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術2.MQTT通信協議的特點（1）發(fā)布/訂閱模式：MQTT支持發(fā)布者（publishers）將消息發(fā)布到特定的主題（topics），訂閱者（subscribers）可以訂閱特定的主題來接收消息。這種發(fā)布/訂閱模式使得消息傳遞更加靈活和可擴展。（2）輕量級：MQTT的協議設計非常輕量級，占用的帶寬和資源較少。這使得MQTTBroker非常適合在資源受限的設備和網絡條件下使用，如物聯網設備和低帶寬網絡等。（3）可靠性：MQTT提供了一些可靠性保證機制，如QoS（QualityofService）等級。QoS級別分為0、1和2三個級別，提供了不同的消息傳遞保證和可靠性。（4）擴展性：MQTT可以支持大量的發(fā)布者和訂閱者，并且支持多種不同的消息傳遞場景。通過合理的架構設計和配置，可以實現高可擴展性和高并發(fā)性。（5）安全性：MQTT支持基于用戶名和密碼的身份驗證，以及TLS/SSL等加密通信方式，保證消息傳遞的安全性。（6）靈活性：MQTT可以與其他系統(tǒng)和服務進行集成，如消息隊列、數據庫和Web應用等。這使得MQTT在各種應用場景中都能靈活使用。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術3.MQTT通信協議的通信機制MQTT是一種能實現一對多通信（人們稱之為發(fā)布或訂閱型）的協議。它由3種身份構成，分別是中介（broker）、發(fā)布者（publisher）和訂閱者（subscriber）如圖3-53所示。圖3-53

MQTT三種身份"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術中介承擔著轉發(fā)MQTT通信的服務器的作用。相對而言，發(fā)布者和訂閱者則起著客戶端的作用。發(fā)布者是負責發(fā)送消息的客戶端，而訂閱者是負責接收消息的客戶端。MQTT交換的消息都附帶“主題”地址，各個客戶端把這個“主題”視為收信地址，對其執(zhí)行傳輸消息的操作。形象地比喻一下，中介就是接收郵件的郵箱。MQTT通信的機制如圖3-54所示

，首先，中介在等待各個客戶端對其進行連接。訂閱者連接中介，把自己想訂閱的主題名稱告訴中介，這就叫作訂閱。然后發(fā)布者連接中介，以主題為收信地址發(fā)送消息。這就是發(fā)布。發(fā)布者一發(fā)布主題，中介就會把消息傳遞給訂閱了該主題的訂閱者。圖3-54

MQTT通信機制"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術如果訂閱者訂閱了主題A，那么只有在發(fā)布者發(fā)布了主題A的情況下，中介才會把消息傳遞給訂閱者。訂閱者和中介總是處于連接狀態(tài)，而發(fā)布者則只需在發(fā)布時建立連接，不過要在短期內數次發(fā)布時，就需要保持連接狀態(tài)了。因為中介起著轉發(fā)消息的作用，所以各個客戶端彼此之間沒有必要知道對方的IP地址等網絡上的收信地址。又因為多個客戶端可以訂閱同一個主題，所以發(fā)布者和訂閱者是一對多的關系。在設備和服務器的通信中，設備相當于發(fā)布者，服務器則相當于訂閱者。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術4.客戶端與服務器（1）MQTT客戶端（Client）MQTT客戶端是發(fā)送和接收消息的應用程序。它可以是任何類型的應用程序，包括但不限于嵌入式設備、PC應用程序、Web應用程序以及各類傳感器等。MQTT客戶端的主要功能包括：連接：客戶端通過TCP/IP協議與MQTT服務器建立連接，可以選擇使用TLS/SSL加密來實現安全通信。發(fā)布：客戶端可以向特定主題發(fā)布消息。發(fā)布消息時，需要指定發(fā)布的主題和消息的內容。訂閱：客戶端可以訂閱一個或多個主題，以接收發(fā)布者發(fā)布的消息。當訂閱的主題有消息發(fā)布時，MQTT服務器會將消息轉發(fā)給訂閱了該主題的客戶端。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術（2）MQTT服務器（MQTTBroker）MQTT服務器是處理客戶端請求的關鍵組件，它負責消息的轉發(fā)和客戶端的管理。MQTT服務器的主要功能包括：連接管理：接受客戶端的連接請求，管理客戶端的連接狀態(tài)。消息轉發(fā)：接收客戶端發(fā)布的消息，并根據訂閱關系將消息轉發(fā)給相應的訂閱者。主題管理：管理MQTT主題，確保消息能夠準確地按照主題進行發(fā)布和訂閱。MQTT服務器通常是一臺運行MQTT協議的應用程序，它能夠處理大量的客戶端連接和消息轉發(fā)，是MQTT信息傳輸的樞紐。一個高效強大的MQTT服務器能夠輕松應對海量連接和百萬級消息吞吐量，從而幫助物聯網服務提供商專注于業(yè)務發(fā)展，快速構建可靠的MQTT應用。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術5.發(fā)布者、訂閱者、中介（1）發(fā)布者（Publisher）發(fā)布者是MQTT通信協議中的消息發(fā)送者，負責向中介（Broker）發(fā)布消息并指定發(fā)布的主題（Topic）。發(fā)布者通過向中介發(fā)送發(fā)布請求來發(fā)布消息，中介將消息路由轉發(fā)給訂閱了相應主題的訂閱者。（2）訂閱者（Subscriber）訂閱者是MQTT通信協議中的消息接收者，負責訂閱感興趣的主題并接收相應的消息。訂閱者通過向中介發(fā)送訂閱請求來訂閱特定的主題或主題模式，一旦有消息發(fā)布到該主題，訂閱者就會收到該消息。（3）中介（Broker）中介是MQTT通信協議中的核心組件，負責接收、轉發(fā)和處理消息。中介扮演著中介的角色，連接發(fā)布者和訂閱者，實現消息的可靠傳輸和交換。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術6.訂閱、主題、會話（1）MQTT訂閱MQTT訂閱是客戶端（Subscriber）向消息服務器（Broker）表達其對某個或某些主題（Topic）上消息的接收意愿的過程。一旦訂閱成功，消息服務器會將該主題下的所有消息轉發(fā)給訂閱了該主題的客戶端。（2）MQTT主題MQTT主題是一個UTF-8編碼的字符串，用于標識消息的類型或分類。它類似于URL路徑，使用斜杠（/）進行分層，以便更靈活地組織和匹配消息。（3）MQTT會話MQTT會話是客戶端與服務器之間建立的有狀態(tài)連接，用于在多個消息交換過程中保持上下文信息。會話使得客戶端和服務器能夠跨越多個連續(xù)的網絡連接保持通信狀態(tài)的一致性。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術7.物模型物模型指將物理空間中的實體在進行數字化，在工業(yè)互聯網平臺構建該實體的數據模型，是對一類實體硬件設備的抽象描述，代表此類設備的共性。由于物模型是基于共同的抽象特征，因此可以讓應用程序不再針對一個個產品設備，而是同一類設備采用相同的處理邏輯。比如是不同品牌、不同類型、不同功率的電機，其屬性基本上是一樣，一般情況可以共用物模型。物模型由屬性、報警、指令等所組成，用于設備管理和數據交互，屬性、報警、指令說明如表3-7所示。表3-7

物模型屬性、報警、指令說明類型說明屬性的屬性值來源有3種，分別是連接變量、規(guī)則指定、手動寫值；當屬性值來源為連接變量時，則主要用于描述設備生產運行的狀態(tài)，如瞬時流量、累積流量、供水溫度、回水溫度、熱功屬性

率等；當屬性值來源為規(guī)則指定，則主要用于對原始狀態(tài)進行一定的規(guī)則計算而來的統(tǒng)計分析數據，如故障次數、停機時長等；當屬性值來源為手動寫值，則主要用于輔助規(guī)則計算的常量實現靈活配置或是對基本信息的描述，如設備編號、型號等。報警

設備運行時，產生的事件。例如，設備發(fā)生故障或超溫告警等，報警也可以在物模型中基于屬性值，通過配置規(guī)則來觸發(fā)。指令

設備可被外部下發(fā)的操作，例如，設備的開關機操作，故障復位，或者工藝設置等。"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術8.物實例物實例是物理實體對象的在工業(yè)互聯網平臺一一對應的數字化映射。它基于物模型注冊，攜帶了認證標識、認證密鑰、物標識等唯一標識，用于執(zhí)行物理設備接入平臺、監(jiān)控設備工況、下發(fā)指令、查看設備報警等操作。物實例和物模型是多對一的繼承關系，如圖3-55所示。當需要對屬性、指令、報警的信息進行調整時，僅修改物模型并發(fā)布，就可將修改同步到所有具備繼承關系的物實例上。圖3-55

物實例和物模型對應關系"以數據為眼，洞察工業(yè)深層奧秘，驅動產業(yè)升級！"工業(yè)數據采集技術9.工業(yè)互聯網平臺（1）工