項目介紹工業數據采集技術項目四自動化產線數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"項目介紹工業數據采集技術一、項目背景C公司以其先進的自動化產線在業界小有名氣。為了進一步提升生產效率，降低運營成本，C公司的經理決定對這條產線進行升級改造，重點提升產線的數據采集和處理能力。于是，他將這個重任交給了公司的總工程師李工。李工接受任務后，立即組織了一支技術精湛、勇于創新的團隊，著手進行改造工程。在改造過程中，遇到了以下問題。（1）數據采集精度與速度的提升現有的RFID識別設備速度和條形碼掃描的精度匹配不上高速運轉的產線。（2）溫濕度監控的實時性與穩定性現有傳感器的靈敏度和穩定性略差，無法在某些復雜的環境中工作。（3）遠程無線通信的可靠性無線通信的穩定性和可靠性不高，容易造成通信中斷或數據丟失，對生產造成重大影響。（4）PLC控制器的數據處理能力PLC控制器數據處理能力低，無法實時采集、分析并反饋控制信號。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"項目介紹工業數據采集技術針對這些問題，李工走訪同類型企業，調研相關技術企業，給出了一個產線數據采集解決方案。方案中提到，生產線要從條形碼掃描模塊、RFID無線識別模塊、溫濕度監控模塊、遠程無線通信模塊、PLC控制器模塊進行改造，產品換代，技術更新，根本上解決之前的數據采集精度低、速度慢以及通信的可靠性、穩定性差等問題。在向經理匯報方案過程中，李工向經理展示了圖4-1某企業數據采集應用系統案例，并說明了數據采集的預期效果。圖4-1

數據采集應用系統"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"項目介紹工業數據采集技術經理聽取了李工的匯報和案例分析后非常滿意，決定以招標的形式尋找合適的工業互聯網公司，最終Y公司中標。簽訂合同后，Y公司安排周工帶領項目團隊開始生產線數據采集改造工作。經過數月的艱苦努力，改造工程終于圓滿完成。改造后產線的數據采集和處理能力得到了質的飛躍，生產效率也大幅提升。更重要的是，這條產線變得更加智能和靈活，能夠更好地適應市場的變化和客戶的需求。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"項目介紹工業數據采集技術二、項目規劃針對C公司的產線數據采集的需求，本項目圍繞整個產線的數據采集展開。整個項目包括條形碼編號數據、RFID身份編號數據、溫濕度模塊數據、遠程無線模塊、PLC控制器數據采集等。本項目規劃任務如圖4-2生產線數據采集項目規劃所示。圖4-2

生產線數據采集項目規劃"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術任務4.1：條形碼編號數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業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4.1.1任務說明任務描述Y公司的周工率領其專業的現場實施團隊，抵達C公司的生產線，首先聚焦于生產線的倉儲管理系統，針對條形碼倉儲管理系統進行了詳盡的現場調研。基于深入的觀察、細致的分析以及C公司的具體需求，團隊著手規劃并準備對條形碼編號數據采集系統進行全面的升級改造。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業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）培養學生能夠獨立分析并解決問題的能力；2）培養學生在實際生產中擁有嚴謹的科學態度和工匠精神；3）培養學生的邏輯梳理能力和資料查找能力。知識目標1）了解條形碼的定義和分類；2）熟悉條形碼的應用過程；3）掌握條形碼的識別過程。能力目標1）能夠辨別條形碼和二維碼；2）能夠使用掃碼槍進行應用分析；3）能夠利用條形碼技術完成生產數據采集。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.1.2任務實施1．實訓設備及工具（1）工業數據采集實訓臺（2）工業互聯網平臺（3）根云小智1臺（4）條形碼

若干個（5）掃碼槍1部（6）香蕉插頭測試線4根"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2.條形碼編號數據采集任務實施步驟（1）步驟1：電氣連接及調試①根云小智電源連接及檢查a.將24V電源線（棕色）連接根云小智電源正極口（PWR、1號口）。b.將0V電源線（黑色）連接根云小智電源負極口（GND、2號口）。c.將根云小智信號公共端（GND、3口）連接0V端子排。d.用萬用電表蜂鳴擋檢查根云小智電源是否短路。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②掃碼槍信號連接及檢查a.拿起掃碼槍，將掃碼槍的DB9母頭插入到掃碼槍調試端子臺的DB9公頭上，掃碼槍調試端子臺的2號端口（TX），3號端口（RX）已經集成到右側的端子排上了。b.根云小智的RS232通訊端口已集成到實訓臺下方端子排，將根云小智4號端口（RX），5號端口（TX）使用香蕉插頭測試線分別與掃碼槍調試端子臺的2號端口（TX），3號端口（RX）進行連接。c.RS-232調試端子臺的通訊端口已集成到右側的端子排上了，將RS-232調試端子臺2號端口（TX），3號端口（RX）使用香蕉插頭測試線分別與掃碼槍調試端子臺的2號端口（TX），3號端口（RX）進行連接。d.用RS232轉USB數據線DB9公頭插入RS-232調試端子臺調試母頭，USB端連接電腦。圖3-17

掃碼槍與根云小智接線示意圖掃碼槍與根云小智接線示意圖如3-17所示。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）步驟2：小智數采配置①根云小智登錄及配置a.將RS232轉USB線公頭插入RS232調試端子排母頭中，USB插頭端插入電腦USB口。圖3-18

配置根云小智b.打開根云小智配置工具，選擇電腦給RS232轉USB線分配的串口號（COM7），選擇根云小智的波特率（默認115200），選擇根云小智的校驗位（默認為8N1），點擊打開，如圖3-18所示。c.打開成功后，軟件界面如圖3-19所示。圖3-19

根云小智串口打開成功"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②根云小智RS232通訊采集配置a.打開成功后，點擊登錄配置，如圖3-20所示。b.點擊菜單欄中的“串口”選項卡，對RS232通訊端口進行通訊參數配置，對RS232串口配置成“波特率115200，8N1”，如圖3-21所示。圖3-20

根云小智登錄配置圖3-21

通訊參數配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）步驟3：根云小智數據上云①根云平臺修改模型a.登錄根云平臺，點擊接入與建模，打開模型菜單，點擊打開“根云小智_物模型_設備”物模型，如圖3-22所示。圖3-22

打開“根云小智_物模型_設備”物模型"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術b.打開“根云小智_物模型_設備”物模型后，點擊右上角“修改模型”，添加1個“掃碼槍編號”的點位變量，屬性ID為“COM1”，如圖3-23所示。圖3-23

添加1個“掃碼槍編號”的點位變量"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.掃碼槍輸出是RS232串行通訊，RS232串行通訊是字符數據，所以選擇String的數據類型。填寫完成后點擊確定，如圖3-24所示。圖3-24

添加自定義屬性"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②根云小智上云配置a.重新打開根云小智配置工具，選擇對應的串口號，波特率和校驗位打開，點擊登錄配置，如圖3-25所示。圖3-25

重新打開根云小智配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術b.點擊“工作模式”，將“根云小智_物實例_設備”物實例的認證標識復制進ClientID和用戶名中，認證密鑰復制進密碼中，如圖3-26所示。c.點擊“下發配置”，此時根云小智數據上云配置已經全部完成。圖3-26

復制認證標識和密碼"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術③根云小智數據核查a.登錄根云平臺，點擊“接入與建模”，打開實例菜單，點擊打開“根云小智_物實例_設備”，查看根云小智是否上線，如圖3-27所示。圖3-27

檢查根云小智在線狀態b.驗證“掃碼槍編號”數據采集是否正確。“掃碼槍編號”是掃碼槍的掃碼結果，將掃碼槍對準條形碼或二維碼進行掃描，即可觸發掃碼槍輸出掃碼結果，故在初始狀態下，“掃碼槍編號”的值為空的，如圖3-28所示。圖3-28

驗證“掃碼槍編號”數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.完成上一步驟后，用手拿緊掃碼槍，對準條形碼或二維碼，按下掃碼槍的按鈕進行掃描。此時打開“根云小智_物實例_設備”，查看“掃碼槍編號”的值是否發生變化。d.通過重復執行上述步驟，“掃碼槍編號”等于所掃碼條形碼或二維碼的編號，故根云小智數據采集正確無誤，如圖3-29所示。圖3-29

根云小智數據采集正確顯示"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.1.3任務小結"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術任務4.2：RFID身份編號數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業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4.2.1任務說明任務描述Y公司的周工率領其專業的現場實施團隊在對條形碼倉儲管理系統進行全面的升級改造后，又著手于生產線的物料管理。采用RFID進行倉庫物料的日常管理，基于深入的觀察、細致的分析以及C公司的具體需求，團隊著手規劃并準備對RFID身份編號數據采集系統進行全面的升級改造。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業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）培養學生勇于創新和嚴謹細致的工作作風；2）培養學生的邏輯思維能力和綜合分析能力；3）培養學生理論聯系實際、善于發現問題并積極尋求解決問題方法的能力。知識目標1）了解RFID系統的組成、工作原理和分類；2）熟悉RFID技術的基本概念和術語；3）掌握RFID技術在實際應用中的分析方法。能力目標1）能夠使用RFID讀卡器進行應用分析；2）能夠辨析不同RFID技術的特性；3）能夠利用RFID完成生產數據采集。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.2.2相關知識1.RFID（1）RFID的概念RFID即射頻識別，俗稱電子標簽，是一種無線通信技術，用于非接觸式自動識別目標并獲取相關數據。圖4-30所示為RFID標簽。（2）RFID的工作原理當電子標簽進入讀寫器天線的有效工作區域，讀寫器發出的射頻信號激活電子標簽，標簽通過內置天線將自身編碼信息回傳至讀寫器，完成信息的讀取或寫入。讀寫器的接收天線捕獲電子標簽的信號，傳至信號處理模塊解調和解碼，最后將有效信息傳至后臺系統處理。圖4-30

RFID標簽"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）RFID分類RFID有多種分類方式，常見的有按照工作頻率、供電方式、耦合方式、通信方式等。①按照工作頻率分類a.低頻。b.高頻。c.超高頻。d.微波。不同工作頻率的RFID，具有不同的特點，如表4-2所示。表4-2

不同工作頻率的RFID對比分類低頻工作頻段

優點30-300kHz

技術簡單，成熟可靠，無頻

通訊速度低，讀寫距離短，天線

動物耳標識別、商品零售、電子率限制

尺寸大

閉鎖防盜等3-30MHz

相對低頻段，有較高的通訊

通訊速度低，讀寫距離短，天線

電子車票、電子身份證、小區物缺點典型應用高頻速度和較長的讀寫距離，此

尺寸大頻段在非接觸卡中應用廣泛超高頻

433.92MHz及

讀寫距離長，天線尺寸小，

定向識別。各國有不同的頻段管

生產線產品識別、車輛識別、集業管理等860MHz-960MHz可繞開障礙物，無需保持視

制，發射功率受限制，受某些材

裝箱、包裹識別等線接觸，可多標簽同時識別

料影響較大微波2.45GHz或

有超高頻的優點，更高的帶

有超高頻的缺點，此產品擁擠、

ETC高速不停車收費、雷達和無5.8GHz

線導航等寬和通訊速率，更長的識讀

易受干擾，技術相對復雜距離，更小的天線尺寸"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②按照供電方式分類a.無源RFID。b.有源RFID。c.半有源RFID。不同供電方式的RFID對比如表4-3所示。表4-3

不同供電方式的RFID對比分類電源供應特點無源RFID沒有電源，依靠讀寫

成本低、壽命長，但讀取距離相對較器發射的電磁場獲取

短能量有源RFID內部裝有電池有較遠的讀取距離和較大的存儲容量，但成本較高，電池壽命有限半有源RFID

內部電池僅為標簽中

電池無法更換，壽命短，讀寫距離長的芯片供電"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術③按照耦合方式分類a.電感耦合。電感耦合也稱為磁耦合，適用于低頻和高頻頻段的RFID系統。b.電磁反向散射耦合。主要應用于超高頻和微波頻段的RFID系統。④按照通信方式分類a.半雙工通信。在這種通信方式中，讀寫器和標簽之間的通信不能同時進行。b.全雙工通信。讀寫器和標簽能夠同時進行雙向的數據傳輸。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（4）RFID應用RFID技術作為一種自動識別和數據采集技術，被廣泛應用于多個領域。如圖4-31所示。①物流業②零售業⑤身份識別與防偽⑥智慧畜牧③制造業⑦圖書與租賃產品管理④醫療行業圖4-31

RFID應用⑧金融服務"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2.RFID數據采集系統（1）RFID系統的組成RFID系統主要由電子標簽、讀寫器和計算機系統構成。圖4-32為RFID系統的組成。圖4-32

RFID系統的組成①電子標簽電子標簽是一種通信技術中的關鍵組件，是RFID系統的數據載體，通常由芯片和天線組成。RFID電子標簽的特點如圖4-33所示。圖4-33

RFID標簽特點"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②RFID讀寫器RFID讀寫器是一種用于讀取和寫入RFID標簽信息的設備。RFID讀寫器由RFID射頻模塊（發送器和接收器）、控制單元以及閱讀器天線組成。射頻模塊負責發射和接收射頻信號。控制單元負責處理和解碼接收到的數據，并控制整個讀寫器的操作。閱讀器天線則用于與RFID標簽進行無線通信。圖4-34所示為RFID讀寫器組成示意圖。③計算機系統計算機系統一般指帶有應用軟件的計算機，用于實現數據的可視化展示、報表生成、數據分析和預警等功能，是進行人機交互的界面。圖4-34

RFID讀寫器組成示意圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）RFID數據采集系統優勢①非接觸式識別。②實時數據采集。③遠距離識別。④高可靠性。⑤易于集成。RFID數據采集系統優勢如圖4-35所示。圖4-35

RFID數據采集系統優勢"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.2.3任務實施1．實訓設備及工具（1）工業數據采集實訓臺（2）工業互聯網平臺（3）根云小智1臺（4）ID卡1張（5）RFID讀卡器1臺（6）香蕉插頭測試線4根"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2．RFID身份編號數據采集任務實施步驟（1）步驟1：電氣連接及調試①根云小智電源連接及檢查a.將24V電源線（棕色）連接根云小智電源正極口（PWR、1號口）。b.將0V電源線（黑色）連接根云小智電源負極口（GND、2號口）。c.將根云小智信號公共端（GND、3口）連接0V端子排。d.用萬用電表蜂鳴擋檢查根云小智電源是否短路。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②根云小智信號連接及檢查a.ID讀卡器的通訊端口RS485_A（A）和RS485_B（B）已集成到實訓臺下方端子排。b.根云小智的RS485通訊端口已集成到實訓臺下方端子排，將根云小智2號端口（A）、3號端口（B）使用香蕉插頭測試線分別與ID讀卡器的通訊端口RS485_A（A）、RS485_B（B）進行連接。c.RS-232調試端子臺的通訊端口已集成到右側的端子排上了，將RS-232調試端子臺2號端口（TX）、3號端口（RX）使用香蕉插頭測試線分別與根云小智4號端口（RX）、5號端口（TX）進行連接。圖3-36

根云小智與RFID讀卡器接線示意圖d.用RS232轉USB數據線DB9公頭插入RS-232調試端子臺調試母頭，USB端連接電腦。根云小智與RFID讀卡器接線示意圖如圖3-36所示。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）步驟2：小智數采配置①根云小智登錄及配置a.將RS232轉USB線公頭插入RS232調試端子排母頭中，USB插頭端插入電腦USB口。圖3-37

配置根云小智b.打開根云小智配置工具，選擇電腦給RS232轉USB線分配的串口號（COM1），選擇根云小智的波特率（默認115200），選擇根云小智的校驗位（默認為8N1），點擊打開，如圖3-37所示。c.打開成功后，軟件界面如圖3-38所示。圖3-38

根云小智串口打開成功"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②根云小智RS485通訊采集配置a.打開成功后，點擊登錄配置，如圖3-39所示。b.點擊菜單欄中的“串口”選項卡，對RS485通訊端口進行通訊參數配置，RS485串口配置成“波特率9600，8N1”，如圖3-40所示。圖3-39

根云小智登錄配置圖3-40

通訊參數配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）步驟3：根云小智數據上云①根云平臺修改模型a.登錄根云平臺，點擊接入與建模，打開模型菜單，點擊打開“根云小智_物模型_設備”物模型，如圖3-41所示。圖3-41

打開“根云小智_物模型_設備”物模型"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術b.打開“根云小智_物模型_設備”物模型后，點擊右上角“修改模型”，添加1個“ID卡編號”的點位變量，屬性ID為“COM2”。如圖3-42所示。c.掃碼槍輸出是RS485串行通訊，RS485串行通訊是字符數據，所以選擇String的數據類型。填寫完成后點擊確定。圖3-42

添加1個“ID卡編號”的點位變量"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②根云小智上云配置a.重新打開根云小智配置工具，選擇對應的串口號，波特率和校驗位后點擊打開，點擊登錄配置，如圖3-43所示。圖3-43

重新打開根云小智配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術b.點擊“工作模式”，將“根云小智_物實例_設備”物實例的認證標識復制進ClientID和用戶名中，認證密鑰復制進密碼中，如圖3-44所示。c.點擊“下發配置”，此時根云小智數據上云配置已經全部完成。圖3-44

復制認證標識和密碼"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術③根云小智數據核查a.登錄根云平臺，點擊“接入與建模”，打開實例菜單，點擊打開“根云小智_物實例_設備”，查看根云小智是否上線，如圖3-45所示。圖3-45

檢查根云小智在線狀態b.驗證“ID卡編號”數據采集是否正確。“ID卡編號”是RFID讀卡器的讀取結果，將ID卡靠近RFID讀卡器感應器，即可觸發RFID讀卡器輸出讀取結果，故在初始狀態下，“ID卡編號”的值為空的，如圖3-46所示。圖3-46

驗證“ID卡編號”數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.完成上一步驟后，用手拿緊ID卡，將ID卡靠近RFID讀卡器感應器，RFID讀卡器感應到ID卡后會發出“滴”一聲，表示ID卡讀卡完成。此時打開“根云小智_物實例_設備”，查看“ID卡編號”的值是否發生變化。d.通過重復執行上述步驟，ID卡編號等于所讀取ID卡的編號，故根云小智數據采集正確無誤，如圖3-47所示。圖3-47

根云小智數據采集正確顯示"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.2.4任務小結"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術任務4.3：溫濕度模塊數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業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4.3.1任務說明任務描述晨光初破曉，C公司核心區域的生產線便悄然啟動，迎接新一天的生產任務。然而，生產線上的某個環節卻突然出現異常。原本應穩定運行的機器驟然減速，產品質量亦開始出現波動。Y公司周工帶領的技術團隊迅速介入，他們發現工廠內的溫濕度產生了細微的變化，對于精密的生產線而言，足以造成重大影響。生產線歷經一系列的調整與優化，最終恢復正常運行，產品質量也有了顯著提高。而這一切的背后，皆離不開溫濕度傳感器精準的數據采集以及及時的反饋。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術任務說明

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任務實施

任務小結

任務測驗任務目標：素質目標1）培養學生養成科學嚴謹的工作態度；2）塑造學生的工匠精神；3）培養學生的自主學習能力和知識遷移能力。知識目標1）了解傳感器的基本概念和分類；2）熟悉傳感器的組成、工作原理和特性；3）掌握溫濕度傳感器在各個領域的應用。能力目標1）能夠編制溫濕度傳感器的數據采集方案；2）能夠根據各應用場景進行傳感器的選型。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.3.2相關知識1.傳感器圖4-48

傳感器組成框圖（1）傳感器定義傳感器是一種檢測裝置，它能夠感受到被測量的信息，并將這些信息按照一定規律轉換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。①敏感元件敏感元件是傳感器中能直接感受或響應被測量的部分，是傳感器的核心部件。②轉換元件（2）傳感器組成轉換元件負責將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號。傳感器主要由敏感元件、轉換元件、信號調理轉換電路三部分組成。如圖4-48所示。③信號調理轉換電路信號調理轉換電路是對轉換元件輸出的電信號進行進一步處理的部分。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）傳感器分類傳感器的分類方式多種多樣，如圖4-49所示。傳感器的分類方式多種多樣，不同的分類方式可以從不同的角度對傳感器進行描述和分類。在實際應用中，我們需要根據具體的需求和場景來選擇合適的傳感器。圖4-49

傳感器分類方式"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2.溫濕度傳感器（1）溫濕度傳感器定義溫濕度傳感器是能同時測量感知環境溫度和濕度參數的電子裝置，融合了兩種傳感器功能，通過內置元件將信息轉化為電信號等，實現實時準確監測。如圖4-50所示為常見的溫濕度傳感器。圖4-50

溫濕度傳感器"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）溫濕度傳感器類型根據輸出信號不同，溫濕度傳感器可以分為溫濕度模擬量型傳感器、RS485型溫濕度傳感器和網絡型溫濕度傳感器等。①溫濕度模擬量型傳感器②RS485型溫濕度傳感器③網絡型溫濕度傳感器測環境溫濕度，輸出模擬信號，通過內置元件感知環境溫濕度，

集成溫濕度感知、數據處理和網絡通能與多種模擬量輸入設備連接，做后

并轉換為數字信號經RS485接口，

信功能的智能傳感器。如圖4-53所示。續處理、顯示和控制。如圖4-51所示。

與外部設備通信交換數據。如圖4-52所示。圖4-51

溫濕度模擬量型傳感器圖4-52

RS485型溫濕度傳感器圖4-53

網絡型溫濕度傳感器"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）應用場景溫濕度傳感器的應用非常廣泛，幾乎涵蓋了所有需要監測和控制環境溫濕度的領域，如圖4-54所示。①環境監測②農業生產⑤交通運輸⑥氣象預報③工業制造④醫療保健⑦安全環保圖4-54

溫濕度傳感器應用場景"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術3.傳感器選型傳感器選型如圖4-55所示。傳感器選型是一個綜合考慮多個因素的過程，需要根據具體應用場景進行權衡和選擇。圖4-55

傳感器選型"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.3.3任務實施1．實訓設備及工具（1）工業數據采集實訓臺（2）工業互聯網平臺（3）工業連接網關1臺（4）溫濕度傳感器1臺（5）RS485轉USB數據線1根（6）香蕉插頭測試線2根（7）SL2.4一字螺絲刀1把（8）40CM長0.3mm2黑色數據線1根（9）40CM長0.3mm2白色數據線1根"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2.溫濕度模塊數據采集任務實施步驟（1）步驟1：電氣連接及調試①電源連接及檢查工業連接網關電源連接及檢查a.將24V電源線（棕色）連接工業連接網關電源正極口（V+口）。b.將0V電源線（黑色）連接工業連接網關電源負極口（V-）。c.用萬用電表蜂鳴擋檢查工業連接網關電源是否短路。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②信號連接及檢查a.溫濕度模塊配置RS485連接（a）溫濕度模塊的通訊口（A、B）已經集成到下方的端子排上了，只需要用兩根香蕉插頭測試線分別將溫濕度模塊的通訊接口A口（標號為WSD-A）連接RS485調試端子臺右邊的RS485-A，B口（標號為WSD-B）連接RS485調試端子臺右邊的RS485-B。（b）用RS485轉USB數據線DB9公頭插入RS-485端子臺調試母頭，USB端連接電腦。b.工業連接網關與溫濕度模塊通訊連接工業連接網關的RS485通訊接口（標號為：IB-A1、IB-B1）已經集成到下方的端子排中，只需要用兩根香蕉插頭測試線分別將溫濕度模塊的通訊接口A口（標號為WSD-A）連接下方的端子排的工業連接網關的通訊接口A口（標號為IB-A1），溫濕度模塊的通訊接口B口（標號為WSD-B）連接下方的端子排的工業連接網關的通訊接口B口（標號為IB-B1）。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術溫濕度模塊與工業網關連接示意圖如圖3-56所示。圖3-56

溫濕度模塊與工業網關連接示意圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）步驟2：溫濕度模塊參數配置溫濕度模塊Modbus通訊參數配置①打開電腦的設備管理器，查看電腦為RS485轉USB數據線分配的串口號。②打開溫濕度變送器的配置工具，RS485ControlV21。如圖3-57所③設置Modbus通訊參數配置、波特率和地址，其中溫濕度模塊的示。校驗位、數據位、停止位出廠默認為8N1，不可修改。如圖3-58所示。④點擊右上角關閉，溫濕度模塊通訊參數配置完成。圖3-58

設置Modbus通訊參數配置、波特率和地址圖3-57

RS485ControlV21"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）步驟3：工業連接網關配置①工業連接網關數據采集配置圖3-59

輸入工業連接平臺IP和端口a.打開電腦瀏覽器（默認使用谷歌瀏覽器），在網址欄輸入工業連接平臺IP和端口，例如：“11:9882”，其中9882為固定端口。如圖3-59所示。b.在工業連接平臺登錄界面中，輸入工業連接平臺賬號和密碼，admin+Root@LinkADMIN123。如圖3-60所示。圖3-60

工業連接平臺登錄界面"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.打開設備管理下拉菜單，點擊設備列表，點擊創建，新建設備數采連接。如圖3-61所示。d.設備名稱只能使用包含0-9,a-z,A-Z,-，_的字符組合，例如WSD，描述可使用中文，例如溫濕度模塊。在數采配置中，設備協議為ModbusRTU協議，站號填寫上述配置溫濕度模塊的ID地址，端口號選擇/dev/ttyS4，波特率為9600，其余參數按默認配置。填寫完后點擊確定。如圖3-62所示。圖3-61

新建設備數采設備連接圖3-62

數采參數配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②數據采集點表配置a.選擇剛剛創建的溫濕度模塊設備連接，點擊詳情，進入采集點表配置界面。圖3-63所示為采集點表配置界面。圖3-63

采集點表配置界面"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術b.點擊添加點位，新建IO點，填寫名稱，例如采集溫度值則填寫T1，名稱只能使用包含0-9,a-z,A-Z,-，_，描述可以填寫中文，通過溫濕度模塊默認數據點表可知，A相電壓存儲在保持寄存區，因此用03號功能碼，數據地址為1，數據類型為WORD（無符號短整型），其他數據點表按此類推。圖3-64所示為新建IO點。圖3-64

新建IO點"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.點擊確定，溫濕度模塊采集點位配置完成。如圖3-65所示。圖3-65

溫濕度模塊采集點位配置完成d.點擊啟用按鈕，工業連接網關開始采集溫濕度模塊數據。如圖3-66所示。圖3-66

工業連接網關開始采集溫濕度模塊數據"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（4）步驟4：工業連接網關數據驗證①工況監控點擊數據服務下拉菜單，點擊工況監控。如圖3-67所示。圖3-67

工況監控"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②數據采集核驗選中溫濕度模塊設備，驗證溫濕度模塊數據采集是否成功和正確。如圖3-68所示。圖3-68

驗證溫濕度模塊數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.3.4任務小結"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術任務4.4：遠程無線模塊數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業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4.4.1任務說明任務描述傳統的有線數據采集方式不僅布線復雜、維護成本高，而且難以適應生產線快速調整的需求。而遠程無線模塊數據采集技術，則能夠通過無線信號實時傳輸生產數據，包括設備運行狀態、生產效率、產品質量參數等，為管理層提供即時、全面的生產信息。在得到公司高層的大力支持后，周工帶領團隊開始了緊鑼密鼓的籌備工作。他們首先選擇了市場上最先進的遠程無線數據采集模塊，這些模塊體積小、功耗低、傳輸距離遠，非常適合在復雜的工業環境中使用。隨后，團隊對生產線上的每一臺設備進行了改造，確保每一道工序的數據都能被準確捕捉并傳輸至中央控制系統。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術任務說明

相關知識

任務實施

任務小結

任務測驗任務目標：素質目標1）培養學生整合知識和歸納總結的能力；2）塑造學生良好地發現問題、分析問題與解決問題的能力；3）培養學生的自主學習能力和知識遷移能力。知識目標1）了解WiFi無線通信傳輸技術；2）熟悉LoRa終端與LoRa通信傳輸與數據采集組網方式；3）掌握LoRa通信協議以及通信參數配置。能力目標1）能夠根據實際應用場景完成遠程IO模塊選型；2）能夠正確安裝遠程I/O模塊工具軟件。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.4.2相關知識1.無線通信技術（1）無線通信原理無線通信原理是將信息轉換成無線信號，然后通過空氣等介質傳輸到接收端，并再次轉換為可識別的信息。無線通信包括調制、傳輸、接收、解調。如圖4-69所示。圖4-69

無線通信原理"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）無線通信技術類型目前，主流的無線通信技術包括藍牙、WiFi、Zigbee、LoRa、NFC、RFID等。主流無線通信技術不同如下表4-5。表4-5

主流無線通信技術的不同技術藍牙工作頻段2.4GHz的ISM頻

體積小、易集成，低功耗、適用

廣泛應用于智能手機、筆記本電腦、智范圍廣、抗干擾能力較好

能手表、智能音響等設備特點應用段WiFi2.4GHz和5GHz

無線接入、高速傳輸、建設便捷、網絡媒體、掌上設備、日常休閑等覆蓋范圍廣Zigbee

2.4GHz低功耗、可靠性高、低成本、低

智能家居、工業自動化、智能交通、醫時延、低數據量、網絡容量大、

療保健等領域高保密性、全球通用性和開放性好傳輸距離遠、低功耗、低成本LoRaISM頻段433MHz、868MHz、915MHz等13.56MHz智慧城市、工商業管理、農林漁牧等領域NFCRFID通信距離短、使用頻繁包括低頻、高

快速掃描、體積小、形狀多樣化、工業自動化、商業自動化、交通運輸控頻、超高頻

可重復使用

制管理、防偽等領域支付應用、安防應用、標簽應用"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）工業無線通信技術應用工業無線通信技術在工業領域有廣泛應用，如圖4-70所示。①工業自動化控制③遠距離設備管理④高危環境通信②移動設備通信圖4-70

工業無線通信技術的應用"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2.WiFi通信協議（1）WiFi技術簡介WiFi技術，是一種基于IEEE802.11系列標準的無線局域網技術，用于無線數據傳輸和連接設備。（2）技術特點WiFi技術特點如圖4-71所示。圖4-71

WIFI技術特點"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）WiFi的標準和速率WiFi技術遵循IEEE802.11系列標準，涵蓋多個版本，諸如802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax等。這些標準對無線網絡的各個方面進行了規范定義，包括頻率范圍、傳輸速率、頻道寬度、安全性等。不同版本WIFI的標準和速率如下表4-6所示。表4-6

不同版本WiFi的標準和速率版本頻段5GHz2.4GHz2.4GHz2.4GHz和5GHz頻段5GHz2.4GHz和5GHz傳輸速率802.11a802.11b802.11g802.11n802.11ac802.11ax最高54Mbps最高11Mbps最高54Mbps最高600Mbps最高1Gbps最高11Gbps"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（4）WiFi的組網結構在WiFi組網中，比較常見且典型的結構分類方式主要有以下4種。①一對多模式一個中央設備（如無線路由器或接入點）充當網絡的核心，多個終端設備與之相連，具有集中控制和管理的特點。如圖4-72所示。圖4-72

一對多模式圖②點對點模式結構簡單直接，兩個或多個設備直接相互連接，無需中央設備介入。如圖4-73所示。圖4-73

點對點模式圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術③Mesh網絡模式多個節點（可以是AP或終端設備）之間相互連接，形成一個多跳的網絡。如圖4-74所示。圖4-74

Mesh組網模式圖④無線橋接模式用于連接兩個或多個獨立的無線網絡，擴展網絡覆蓋范圍。如圖4-75所示。圖4-75

無線橋接組網模式圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術3.LoRa通信協議（1）LoRa技術簡介LoRa是一種專為物聯網設計的無線通信技術，在物聯網架構中，LoRa處于物聯網的無線終端感知層和網絡傳輸層。（2）LoRa技術特點LoRa技術特點如圖4-76所示。圖4-76

LoRa技術特點"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）LoRa技術應用LoRa技術在物聯網領域得到了廣泛應用。①智能城市對于城市基礎設施應用而言，LoRa技術能夠讓日常生活中的連接照明、廢物清除、車輛服務等變得更加智能。如圖4-77。a.智能路燈。b.智能停車。c.智能交通。圖4-77

LoRa技術應用于智能城市"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②智慧農業由于LoRa技術具有低功耗、遠距離特性和良好的無線質量，所以通過使用LoRa傳感器能夠將信號從農場發送至云，用戶便能利用信號數據改善運營，構建出一個龐大的智慧農業網絡體系，從而改善農業狀況。如圖4-78。a.土壤水分檢測。b.LoRa生物識別傳感器。c.監測水質。圖4-78

LoRa技術應用于智慧農業"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術③智慧醫療LoRa技術適用于醫療應用，改善醫療保健和民生。LoRa技術用于檢測食物溫度，防止食物變質、減少浪費，保障食品安全。如圖4-79。除了以上的場景外，LoRa技術還可以應用于智能家居、建筑設備、家庭安全、智能工業、智能計量、供應鏈和物流等領域。圖4-79

LoRa技術應用于智慧醫療"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（4）LoRaWANLoRaWAN是一種專為低功耗廣域網設計的無線通信協議，旨在實現物聯網設備之間的長距離、低功耗通信。①LoRaWAN網絡架構a.LoRaWAN網絡架構組成LoRaWAN網絡架構主要由四部分組成。如圖4-80所示。（a）終端節點（b）基站（c）網絡服務器

（d）應用服務器圖4-80

LoRaWAN網絡架構組成"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術b.LoRa網絡架構圖LoRa聯盟推薦的LoRa網絡架構圖為4-81。該云平臺能夠從應用服務器中分離出來，位于LoRa的核心網和應用服務器之間，且可以與LoRa的核心網共同部署。*LoRaNode是LoRa終端節點*Concentrator是實現對LoRa終端節點提供接入和匯聚功能的LoRa基站*NetworkServer是LoRa的核心網*ApplicationServer由不同業務領域的服務器組成，并通過Web或手機接入的方式向用戶提供業務服務圖4-81

LoRa網絡架構圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②LoRa和LoRaWAN區別如果把LoRa視作一種語言，那么LoRaWAN就是一套語法規則。LoRa是一種專有的調制技術。LoRaWAN是基于LoRa技術構建的一種網絡協議規范。LoRaWAN為LoRa技術的應用提供了一個標準化的框架，使不同廠家的設備能夠相互兼容和交互。LoRa和LoRaWAN兩者相互配合，共同為物聯網中的低功耗、遠距離通信提供支撐。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.4.3任務實施1．實訓設備及工具（1）工業數據采集實訓臺（2）工業互聯網平臺（3）RJ45網線2根（4）LoRa無線網關1臺（5）工業連接網關1臺"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2.遠程無線模塊數據采集任務實施步驟（1）步驟1：電氣連接及調試①工業連接網關電源連接及檢查a.將24V電源線（棕色）連接工業連接網關電源正極口（V+口）。b.將0V電源線（黑色）連接工業連接網關電源負極口（V-）。c.用萬用電表蜂鳴擋檢查工業連接網關電源是否短路。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②信號連接及檢查a.工業連接網關需要與LoRa無線網關組網才能采集到網關的數據，因此，工業連接網關與LoRa無線網關組網之前，需要確認LoRa無線網關的IP地址是否與工業連接網關的IP地址在同一個網段下，否則不能組網。b.如果工業連接網關的兩個網口都不在LoRa無線網關的IP地址的網段下，則需要對工業連接網關的IP地址進行修改。本實訓平臺的LoRa無線網關默認地址是0，因此可不需要修改工業連接網關的網口的IP。c.用一根RJ45連接工業連接網關的ETH2網口（默認地址08），另一端連接至交換機，再用兩根網線，分別把LoRa無線網關至交換機和電腦至交換機連接起來。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術LoRa無線網關與工業連接網關連接示意如圖3-82。圖3-82

LoRa無線網關與工業連接網關連接示意圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）步驟2：LoRa無線網關數據點表梳理本實訓平臺LoRa無線網關數據點表3-7，數據標識規劃及定義如下。表3-7

LoRa無線網關數據點表標識序號名稱倉位有料（光電傳感器）數據類型地址IN11234BoolBoolBoolBoolIN1IN2IN3IN425261624OUT1

三色燈_綠燈

BoolOUT1OUT2OUT3OUT4BoolBoolBool"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）步驟3：工業連接網關數采配置①LoRa無線網關Modbus通訊參數配置圖3-83

Lora收發模塊與電腦連接通訊a.使用USB轉RS485轉換器將Lora收發模塊與電腦連接通訊，如圖3-83所示。b.打開AMX_MDLORAv20.exe工具對Lora采集模塊進行配置；將串口配置后，點擊“開始掃描”。如圖3-84所示。圖3-84

AMX_MDLORAv20.exe工具對Lora采集模塊進行配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.將無線收發頻率配置后分別點擊發送，如圖3-85所示。d.線串口透傳模塊配置。如圖3-86所示。e.使用PC通過USB轉485轉換器連接Lora無線收發模塊。3-85無線收發頻率配置并發送圖圖3-86

線串口透傳模塊配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術圖3-87

AMXLoraTool.exe工具對Lora收發模塊進行配置f.打開AMXLoraTool.exe工具對Lora收發模塊進行配置。將串口配置后，點擊“打開串口”后再點擊“進入命令模式”。如圖3-87所示。g.將無線收發頻率配置后分別點擊發送。如圖3-88所示。圖3-88

無線收發頻率配置后并發送"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②工業連接網關通訊配置a.用RJ45網線連接電腦與工業連接網關ETH1網口，修改電腦IP地址與連接的工業連接網關的網口的IP地址在同一個網段下，否則無法連接。提醒：工業連接網關4個網口IP地址不同，若是連接工業連接網關1號網口（默認地址11），需修改電腦IP地址在211.211.211.X網段下（X值不可為245，不可與工業連接網關網口IP地址沖突）。b.檢查電腦與工業連接網關是否連接成功。同時按住電腦鍵盤win+R鍵，輸入cmd點擊確定，輸入ping11（此處為所連接的工業連接網關網口的默認地址），按回車，若顯示圖3-89內容則表示連接成功。圖3-89

連接成功顯示"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術③工業連接網關數據采集配置a.打開電腦瀏覽器（默認使用谷歌瀏覽器），在網址欄輸入工業連接平臺IP和端口，例如：“11:9882”，其中9882為固定端口。如圖3-90所示。圖3-90

網址欄輸入工業連接平臺IP和端口b.在工業連接平臺登錄界面中，輸入工業連接平臺賬號和密碼，admin+Root@LinkADMIN123，如圖3-91所示。圖3-91

輸入工業連接平臺賬號和密碼"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.打開設備管理下拉菜單，點擊設備列表，點擊創建，新建設備數采連接。如圖3-92所示。d.設備名稱只能使用包含0-9,a-z,A-Z,-，_的字符組合，例如LoRa，描述可使用中文，例如LoRa無線網關。在數采配置中，設備協議為ModbusRTU協議，站號填寫上述配置LoRa無線網關的ID地址，端口號選擇/dev/ttyS4，波特率為9600，其余參數按默認配置。填寫完后點擊確定。如圖3-93所示。圖3-92

新建設備數采連接e.點擊確定，LoRa無線網關數據采集參數配置完成。圖3-93

LoRa參數配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術④數據采集點表配置a.選擇剛剛創建的LoRa無線網關設備連接，點擊詳情，進入采集點表配置界面。如圖3-94所示。圖3-94

采集點表配置界面"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術b.點擊添加點位，新建IO點，填寫名稱，例如輸入通道1則填寫IN1，名稱只能使用包含0-9,a-z,A-Z,-，_，描述可以填寫中文，通過LoRa無線網關的默認數據點表可知，輸入通道1在輸入寄存區，因此用02號功能碼，數據地址為0，數據類型為bool（布爾型），其他數據點表按此類推。如圖3-95所示。圖3-95

新建IO輸入點"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.點擊添加點位，新建IO點，填寫名稱，例如輸出通道1則填寫OUT1，名稱只能使用包含0-9,a-z,A-Z,-，_，描述可以填寫中文，通過LoRa無線網關的默認數據點表可知，輸出通道1在輸出寄存區，因此用05號功能碼，數據地址為0，數據類型為bool（布爾型），其他數據點表按此類推。如圖3-96所示。圖3-96

新建IO輸出點"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（4）步驟4：數據核驗①工況監控點擊數據服務下拉菜單，點擊工況監控。如圖3-98所示。圖3-98

點擊工況監控"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②數據采集核驗選中LoRa無線網關設備，驗證LoRa無線網關數據采集是否成功和正確，如圖3-99所示。圖3-99

驗證LoRa無線網關數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.4.4任務小結"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術任務4.5：PLC控制器數據采集"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業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4.5.1任務說明任務描述某一天經理把負責的李工叫到辦公室：“之前的工作完成得不錯，接下來要面對PLC控制器。”通過前面任務的學習，我們已經充分了解了采集條形碼、RFID、溫濕度傳感器以及LoRa無線網關，接下來學習較為復雜的西門子PLC設備數據采集。與之前相比，采集數據的個數從單一變為兩個，進而變為多個。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術任務說明

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任務實施

任務小結

任務測驗任務目標：素質目標1）培養學生科學嚴謹的工作態度；2）引導學生體驗工作的成就感，樹立熱愛勞動意識；3）培養學生舉一反三的學習能力。知識目標1）了解S7-1200PLC結構及各模塊性能；2）熟悉S7-1200PLC各模塊接線規則；3）掌握PLC基礎邏輯指令的用法。能力目標1）能夠掌握西門子控制器簡單編程的操作步驟；2）能夠利用S7-1200PLC進行數據采集。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.5.2相關知識1.S7-1200PLC及其相關部件（1）認識S7-1200PLC①S7-1200PLC簡介S7-1200PLC是西門子公司推出的一款PLC，主要面向簡單而高精度的自動化任務。S7-1200PLC設計緊湊、組態靈活、擴展便捷、功能強大，可用于控制各種各樣的設備以滿足自動化需求。如圖4-100所示。圖4-100

S7-1200PLC"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②S7-1200PLC的特點a.高度集成的工程組態系統圖4-101

TiaPortal典型應用TiaPortal典型應用如圖4-101所示。b.集成化用戶環境TiaPortal通過兩種不同的視圖營造了友好的集成化用戶環境。Portal視圖和項目視圖如圖4-102所示。圖4-102

Portal視圖和項目視圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.集成可視化控制在同一個項目中組態和編程，人機界面可以直接使用S7-1200PLC的變量。S7-1200PLC變量表如圖4-103所示。d.集成PROFINET接口S7-1200PLC在CPU模塊上集成了一個工業以太網PROFINET接口，使得編程過程、調試過程、PLC和人機界面的操作、運行及與第三方設備的通信均可采用工業以太網進行。如圖4-104所示。圖4-103

S7-1200PLC變量表圖4-104

S7-1200PLC集成PROFINET接口"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術e.嵌入CPU模塊本體的信號板信號板嵌入在CPU模塊的前端，具有兩個數字量輸入/輸出接口或者一個模擬量輸出，能夠在不增加CPU模塊占用空間的前提下擴展CPU的控制能力。如圖4-105所示。f.高速輸入/輸出具有6個高速計數器（3個100KHz和3個30KHz）、兩個脈寬調制輸出（PWM）和兩個脈沖串（PTO）。g.PID功能16個PID控制回路，支持自適應的快速功能塊、PID自動調節功能。h.庫功能圖4-105

信號板通過庫功能能夠在同一個項目和其他已有項目中調用或移植使用項目的組成部分。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）S7-1200PLC硬件模塊①S7-1200PLC組成S7-1200PLC主要由CPU模塊、通信模塊（CM）、信號模塊（SM）和信號板（SB）及各種附件組成。如圖4-106所示。圖4-106

S7-1200PLC組成"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術a.CPU模塊CPU將微處理器、集成電源、輸入和輸出電路、內置PROFINET、高速運動控制I/O以及板載模擬量輸入組合到一個設計緊湊的外殼中，形成功能強大的控制器。b.通信模塊（CM）S7-1200PLC的CPU最多可以添加三個通信模塊，支持PROFIBUS主從站通信，RS485和RS232通信模塊為點對點的串行通信提供連接及I/O連接主站。如圖4-107所示。圖4-107

通信模塊"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術c.信號板（SB）和信號模塊（SM）圖4-108

信號板如果只需少數輸入/輸出的情況下，可以使用信號板（SB）。通過信號板可以對S7-1200PLC進行擴展，而不增加所需安裝空間。信號板如圖4-108所示。信號模塊（SM）安裝在CPU模塊的右側，使信號模塊的總線連接器伸到CPU中，即為信號模塊建立了機械和電氣連接。信號模塊如圖4-109所示。圖4-109

信號模塊"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）S7-1200PLC的型號S7-1200PLC目前有5款CPU，CPU1211C、CPU1212C、CPU1214C、CPU1215C、CPU1217C。根據電源信號和輸入輸出信號的類型，除了CPU1217C只有一種類型以外其余四款CPU各有三種型號。5款CPU本機自帶數字量、模擬量輸入輸出點數有所差異，如圖4-110所示。圖4-110

5款不同類型的S7-1200PLC對比圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2.S7-1200PLC的接線（1）S7-1200PLC的接線規則①端子塊允許的線徑為0.3-2mm2；

②端子塊允許的最大力矩為0.56N·m。（2）S7-1200PLCCPU接線①CPU1214CAC/DC/Relay

CPU1214CAC/DC/Relay接線如下圖4-111所示。圖4-

111

CPU1214C

AC/DC/Relay接線圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②CPU1214CDC/DC/DC③CPU1214CDC/DC/RelayCPU1214CDC/DC/DC接線如下圖4-112所示。CPU1214CDC/DC/Relay接線如下圖4-113所示。圖4-112

CPU1214CDC/DC/DC接線圖圖4-113

CPU1214CDC/DC/Relay接線圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）S7-1200PLC信號板接線②DI/DQ信號板的接線SB1223DI/DQ信號板有2個輸入、2個晶體管輸出，DI/DQ信號板的接線如圖4-115所示。③AQ信號板的接線SB1232

AQ信號板有1個模擬量輸出，AQ信號板的接線如圖4-116所示。①DQ信號板的接線SB1222DQ信號板有4個晶體管輸出，如圖4-114所示。圖4-114

SB1222DQ信號板的接線圖4-115

SB1223DI/DQ信號板的接線圖4-116

SB1232

AQ信號板的接線"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術3.S7-1200PLC的邏輯應用（1）位邏輯指令位邏輯指令見表4-9所示。表4-9

位邏輯指令表①常開觸點與常閉觸點常開觸點在指定的位為1時閉合，0時斷開。常閉觸點在指定的位為l時斷開，0時閉合。②NOT取反觸點NOT觸點用來轉換能流輸入的邏輯狀態。③輸出線圈線圈通電時寫入1，斷電時寫入0。④置位/復位指令置位指令將指定的地址位置位為1并保持。復位指令將指定的地址位復位為0并保持。PLC常用的位邏輯指令除了所列舉的指令之外，還涵蓋了置位優先鎖存器與復位優先鎖存器、邊沿檢測觸點指令、邊沿檢測線圈指令等指令。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術表4-10

定時器指令表梯形圖線圈

說明梯形圖功能框TP定時器可生成具有預設寬度時間的脈沖。（2）定時器指令S7-1200PLC有4種定時器。①脈沖定時器（TP）。TON定時器在預設的延時過后將輸出Q設置為ON。②接通延時定時器（TON）。③斷開延時定時器（TOF）。④保持型接通延時定時器（TONR）。定時器指令格式如表4-10。TOF定時器在預設的延時過后將輸出Q重設為OFF。TONR定時器在預設的延時過后將輸出Q設置為ON。在使用R輸入重置經過的時間之前，會跨越多個定時時段一直累加經過的時間。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）計數器指令S7-1200PLC有3種計數器：加計數器（CTU），減計數器（CTD）和加減計數器（CTUD）。①加計數器指令（CTU）參數CU的值從0變為1時，CTU使計數值加1，直到CV達到指定的數據類型的上限值，此后，CU狀態的變化，CV值不再增加。如圖4-117所示。②減計數器指令（CTD）圖4-117

加計數器指令圖4-118

減計數器指令參數CD的值從0變為1時，CTD使計數值減1。如果參數CV(當前計數值)的值等于或小于0，則計數器輸出參數Q=1。如圖4-118所示。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術③加減計數器指令（CTUD）加計數（CU）或減計數（CD）輸入的值從0跳變為1時，CTUD會使計數值加1或減1。如果參數CV（當前計數值）的值大于或等于參數PV（預設值）的值，則計數器輸出參數QU=1。如果參數CV的值小于或等于零，則計數器輸出參數QD=1。如圖4-119所示。圖4-119

加減計數器指令"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術4.5.3任務實施1．實訓設備及工具（1）工業數據采集實訓臺（2）工業互聯網平臺（3）RJ45網線2根（4）S7-1200PLC1臺（5）工業連接網關1臺"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術2.PLC控制器數據采集任務實施步驟（1）步驟1：電氣連接及調試①工業連接網關電源連接及檢查a.將24V電源線（棕色）連接工業連接網關電源正極口（V+口）。b.將0V電源線（黑色）連接工業連接網關電源負極口（V-）。c.用萬用電表蜂鳴擋檢查工業連接網關電源是否短路。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②工業連接網關網絡連接及檢查a.工業連接網關需要與PLC組網才能采集到網關的數據，因此，工業連接網關與PLC組網之前，需要確認PLC的IP地址是否與工業連接網關的IP地址在同一個網段下，否則不能組網。b.如果工業連接網關的兩個網口都不在PLC的IP地址的網段下，則需要對工業連接網關的IP地址進行修改。本實訓平臺的PLC默認地址是，因此可不需要修改工業連接網關的網口的IP。c.用一根RJ45連接工業連接網關的ETH2網口（默認地址08），另一端連接至交換機，再用兩根網線，分別把PLC至交換機和電腦至交換機連接起來。"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術PLC與工業連接網關連接示意圖如圖3-120。圖3-120

PLC與工業連接網關連接示意圖"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（2）步驟2：PLC數據點表梳理本實訓平臺PLC數據點表3-11，數據標識規劃及定義如下。表3-11

PLC數據點表序號

標識1

Start2

Stop3

Reset名稱數據類型

地址啟動按鈕停止按鈕復位按鈕BoolBoolBoolBoolBool%I0.0%I0.1%I0.2%I0.3%I0.44

Select_SA1

選擇開關5

ESTOP

急停開關Yellow_ligh6三色燈_黃

Bool%Q0.1t7

green_light

三色燈_綠

Bool8

Red_Light

三色燈_紅

Bool%Q0.2%Q0.3%MW10%MD12910設備啟動次數

Int設備開機率

Real"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術（3）步驟3：工業連接網關數采配置①西門子PLCS7通信協議解析a.S7通信協議是西門子公司用于其S7系列可編程邏輯控制器（PLC）的通信協議。它是一種二進制協議，用于在計算機或者網關和S7PLC之間進行通信。b.S7通信協議支持多種通信方式，包括串口、以太網和專用總線等。它可以實現實時數據讀寫、程序下載、遠程診斷和監控等功能，本例使用以太網的通信方式。c.S7通信協議具有高效性、穩定性和安全性等特點，廣泛應用于自動化控制領域。圖3-84

AMX_MDLORAv20.exe工具對Lora采集模塊進行配置"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技術②西門子PLCS7通信協議配置a.本實訓平臺的PLC的IP地址默認為，可用博圖軟件對PLC的IP地址進行修改。點擊設備組態，點擊PLC，在PROFINET目錄下的以太網地址中修改。如圖3-121所示。圖3-121

修改PLC的IP"以數據為眼，洞察工業深層奧秘，驅動產業升級！"工業數據采集技