隨著工業(yè)化和信息化的深入融合， 工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以實時監(jiān)測和獲取工業(yè)系統(tǒng)的各種參數(shù)，如溫度、濕度、壓力、流量等，為生產(chǎn)管理和決策提供準(zhǔn)確、及時、可靠的數(shù)據(jù)支持，有助于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和保障生產(chǎn)安全。
然而，工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。 首先，工業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)采集器需要具備較高的可靠性和穩(wěn)定性。 其次，工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量龐大，需要采用高效的數(shù)據(jù)處理和存儲技術(shù)。 最后，工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理需要滿足實時性和準(zhǔn)確性的要求， 需要采用先進的通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法。
為了解決上述問題， 本文將針對工業(yè)系統(tǒng)采集技術(shù)進行深入研究， 其中采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)(supOS)作為整個建設(shè)的底座，該平臺核心就是用工業(yè)軟件驅(qū)動模式打破傳統(tǒng)的工業(yè)軟件的架構(gòu)，并且用工廠數(shù)據(jù)全集成的方式作為突破口。實現(xiàn)輕量化的創(chuàng)新模式。 平臺為企業(yè)提供高可靠性、低成本的數(shù)據(jù)化路徑。
以 HCI 中常見的 Web 網(wǎng)頁程序為例， 在對其基本功能和架構(gòu) 分 析 的 基 礎(chǔ) 上 ， 基 于WebSocket通信協(xié)議， 分析了 Web 網(wǎng)頁數(shù)據(jù)交互過程中的通信連接、數(shù)據(jù)傳輸特性等共性技術(shù)，同時對于系統(tǒng)穩(wěn)定性進行測試。
1 supOS 系統(tǒng)維護解決方案
工業(yè)系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)的需求非常重要， 需要及時獲取各個系統(tǒng)之間的參數(shù)、狀態(tài)、指標(biāo)等，未及時獲取該數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生能源浪費、資源利用效率低下等問題。通過 supOS 工業(yè)軟件進行監(jiān)測采集，可以及時并且高效地獲取和處理大量數(shù)據(jù)。 它可以提供快速、實時的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力。 實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，可以檢測異常情況、故障預(yù)警，便于工作人員及時維護，最大程度上減少停工時間和生產(chǎn)損失。 并且該系統(tǒng)可以靈活適配不同的數(shù)據(jù)源和環(huán)境，能夠和多種設(shè)備傳感器相連接。 在與設(shè)備連接中通過采用安全的通信協(xié)議以及加密技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性和完整性，支持多種數(shù)據(jù)格式，解決了傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)軟件對生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理不及時、不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)不同步，以及傳輸過程中所面臨的網(wǎng)絡(luò)安全問題。
圖 1 supOS 系統(tǒng)整體功能圖
2 基于 supOS 數(shù)據(jù)采集技術(shù)分析
相對于傳統(tǒng)的工業(yè)軟件系統(tǒng)，supOS 系統(tǒng)更加靈活， 有更多的擴展性， 它可以通過模塊化的設(shè)計根據(jù)具體需求進行配置及定制，實現(xiàn)不同場景下的數(shù)據(jù)采集和分析，傳統(tǒng)的工業(yè)軟件采集技術(shù)往往是定制化開發(fā)，難以適應(yīng)快速變化的需求。 其中根據(jù)采集技術(shù)分析，supOS 可以通過數(shù)據(jù)采集技術(shù)、 采集精度和速度、采集范圍、采集安全性能等幾個方面進行敘述。 如圖 2 所示。
圖 2 supOS 數(shù)據(jù)采集技術(shù)分析流程圖
2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)
在采集技術(shù)等方面 supOS 軟件系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求選擇合適的方式進行采集， 其中適配市面上大部分采集協(xié)議，例如：HTTP 協(xié)議、FTP 協(xié)議、SMTP 協(xié)議、數(shù)據(jù)庫采集、消息隊列采集等。 并且在與 Web 服務(wù)器進行交互時，支持 GET 和 POST 等請求方式，用來處理各種結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具備強大的跨平臺交互能力，在 Linux、Windows 等平臺中，都可以使用 FTP 客戶端和服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸與采集，并且為了傳輸?shù)?a href=http://www.yizongshi.cn/index.php?m=content&c=index&a=infolist2021&typeid=1&siteid=1&type=keyword&serachType=2&key=%E5%AE%89%E5%85%A8 style='color:#57A306' target='_blank'>安全性， 可以提供匿名登錄和授權(quán)登錄方式采集各種文件和文件夾的數(shù)據(jù)。
在項目實施過程中發(fā)現(xiàn)工廠子系統(tǒng)軟件想采集數(shù)據(jù)時，由于系統(tǒng)使用時間較久， 無法提供對應(yīng)接口，supOS 還可以通過JDBC 等方式連接到數(shù)據(jù)庫，獲取到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，同時還支持各種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的連接。
此外為了擺脫傳統(tǒng)軟件采集數(shù)據(jù)的局限性，supOS 軟件系統(tǒng)還支持自定義數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)采集規(guī)則， 通過這種方式依然能高效獲取數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式進行存儲和處理。 實時數(shù)據(jù)采集流程如圖 3 所示：
圖 3 實時數(shù)據(jù)采集流程圖
2.2 數(shù)據(jù)采集精度和速度
supOS 系統(tǒng)軟件采集具備了可靠的數(shù)據(jù)傳輸和存儲機制，可以保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性， 解決了傳統(tǒng)工業(yè)軟件采集數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)重復(fù)等多種問題。 并且該系統(tǒng)軟件擁有先進的數(shù)據(jù)預(yù)處理和清洗技術(shù)， 可以精確地從原始數(shù)據(jù)中提取所需的信息。
此外， 該系統(tǒng)軟件支持多線程和分布式結(jié)合自動化和智能化采集技術(shù)，可以大大加快數(shù)據(jù)采集的速度。 使用高性能的數(shù)據(jù)采集引擎和并發(fā)處理能力，能夠同時處理多個數(shù)據(jù)請求，并將數(shù)據(jù)迅速傳輸?shù)侥繕?biāo)系統(tǒng)，從而提高數(shù)據(jù)采集的效率和響應(yīng)速度。一定程度解決了傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)污染、 批量處理無法實時監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)等多種問題。
2.3 數(shù)據(jù)采集范圍
supOS 系統(tǒng)支持多樣化的數(shù)據(jù)源：文本數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、接口數(shù)據(jù)等。 無論是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)還是半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，都可以靈活地采集和整合。
傳感器數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)， 該軟件都可以進行全面采集，無論是操作層面的數(shù)據(jù)采集還是戰(zhàn)略層面的數(shù)據(jù)分析，都可以提供數(shù)據(jù)支持， 解決了傳統(tǒng)工業(yè)軟件受限于特定的數(shù)據(jù)源無法適應(yīng)多樣化的數(shù)據(jù)類型等問題。
在不同硬件設(shè)備中， 該系統(tǒng)軟件還可以根據(jù)特定需求進行定制和配置，依據(jù)不同行業(yè)和應(yīng)用場景，滿足企業(yè)工廠不同階段和發(fā)展的數(shù)據(jù)采集要求，進行一體化的數(shù)據(jù)管理，讓用戶可以在一個平臺上進行數(shù)據(jù)查詢和分析。 這種一體化管理有助于提高數(shù)據(jù)的可訪問性和可用性，簡化數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)處理的過程。
2.4 數(shù)據(jù)采集安全性
supOS 軟件系統(tǒng)采用高級加密協(xié)議和技術(shù)， 確保在數(shù)據(jù)傳輸過程中的機密性和完整性。 通過使用安全通信協(xié)議(如HTTPS)和加密算法，在防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊取或篡改的同時，還提供了靈活的訪問控制和權(quán)限管理功能，根據(jù)用戶角色和權(quán)限數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，限制用戶對數(shù)據(jù)的查看、修改和刪除操作，有效避免未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問敏感數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)軟件可以有效進行數(shù)據(jù)備份和災(zāi)難恢復(fù)， 定義備份數(shù)據(jù)，并且在發(fā)生不可逆的生產(chǎn)故障時快速恢復(fù)數(shù)據(jù)。 這種數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)機制可以提高數(shù)據(jù)的可靠性和可用性， 防止數(shù)據(jù)的丟失和損壞。
該系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)采集和訪問行為進行審計和監(jiān)控， 通過記錄和監(jiān)控用戶的操作行為、數(shù)據(jù)訪問日志等，可以及時檢測和響應(yīng)安全事件，保護數(shù)據(jù)的安全性和合規(guī)性。 有助于提高數(shù)據(jù)采集過程的可見性，及早發(fā)現(xiàn)和解決潛在的安全問題。 并且會有專門研發(fā)人員對系統(tǒng)模塊定期進行安全性更新和維護， 包括修補安全漏洞、更新安全補丁、更新加密算法等。 通過持續(xù)改進和維護安全性，確保及時應(yīng)對新的安全威脅和風(fēng)險。
3 基于 supOS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
在系統(tǒng)設(shè)計等方面，supOS 軟件系統(tǒng)是模塊化和可擴展性的架構(gòu)設(shè)計，可以根據(jù)實際需求靈活添加或移除采集設(shè)備，以滿足不斷變化的采集需求。 傳統(tǒng)工業(yè)軟件系統(tǒng)可能由于硬件和軟件的限制，擴展困難。 該系統(tǒng)通過設(shè)計上的優(yōu)化，使得數(shù)據(jù)集成和分析更加高效方便。 其中 supOS 系統(tǒng)設(shè)計可以通過系統(tǒng)需求分析、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)采集算法等幾個方面進行敘述。如圖 4 所示。
圖 4 基于 supOS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)需求分析
在系統(tǒng)需求等方面，supOS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計，可以根據(jù)應(yīng)用場景的需求提供全面的功能和優(yōu)化的性能。 相對于傳統(tǒng)工業(yè)軟件采集系統(tǒng)來說， 該系統(tǒng)可以靈活地適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)采集要求，并具備高速的數(shù)據(jù)采集能力;而且注重界面友好性和操作的簡便性， 讓用戶可以更加方便地配置和管理數(shù)據(jù)采集任務(wù)，觀察數(shù)據(jù)采集狀態(tài)并進行數(shù)據(jù)采集分析。
在性能需求方面 supOS 采集系統(tǒng)通過優(yōu)化硬件和軟件算法，便于提供快速、實時的數(shù)據(jù)采集能力和處理能力，并且會對傳輸數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)加密、訪問控制和身份驗證，以確保數(shù)據(jù)的保密性和完整性。 在采集傳輸過程中，系統(tǒng)會采用相應(yīng)的安全協(xié)議和措施，防止未經(jīng)授權(quán)的惡意攻擊。 相比之下，工廠傳統(tǒng)的采集軟件系統(tǒng)可能會存在處理大量數(shù)據(jù)時延時， 無法滿足實時性要求，并且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全性能保護較低。 軟件系統(tǒng)設(shè)計流程如圖 5 所示：
圖 5 軟件系統(tǒng)設(shè)計流程圖
3.2 硬件設(shè)計
supOS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計通常采用高度集成的硬件平臺，整合多種功能和模塊于一個設(shè)備中，相對于其他采集系統(tǒng)軟件，這樣設(shè)計可以減少硬件的體積和復(fù)雜度，使得系統(tǒng)更加緊湊和便于部署。 硬件設(shè)計支持多樣化的接口和通信協(xié)議，如模擬輸入接口、數(shù)字輸入輸出接口、以太網(wǎng)接口、串口等。 這樣設(shè)計可以適配各種設(shè)備和傳感器，并與其他系統(tǒng)進行高效的數(shù)據(jù)交互。 注重提供高精度和高性能的采集能力，采用了先進的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字信號處理器(DSP)等技術(shù)，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地采集和處理各種類型的數(shù)據(jù)，這些設(shè)計使得 supOS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于更廣泛的工業(yè)應(yīng)用。
3.3 軟件設(shè)計
supOS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計注重靈活性， 可以根據(jù)用戶的需求進行配置和定制。 它能提供可視化的配置界面或者編程接口，使用戶能夠自定義采集參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲方式、采樣頻率等關(guān)鍵設(shè)置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。 該系統(tǒng)擁有強大的數(shù)據(jù)處理和分析能力，提供各種預(yù)算法、濾波技術(shù)、信號分析工具等，能夠?qū)Σ杉降脑紨?shù)據(jù)進行實時處理和分析。
在可視化操作中，能夠提供實時數(shù)據(jù)顯示、圖表繪制、儀表盤等功能，方便用戶查看和控制。 在系統(tǒng)架構(gòu)方面中，用戶還可以根據(jù)需求和場景，設(shè)計合適的系統(tǒng)架構(gòu)，例如分層架構(gòu)、微服務(wù)架構(gòu)等，使得系統(tǒng)提供更高效、可靠、定制化的數(shù)據(jù)采集和分析解決方案，滿足不同的用戶需求。
3.4 數(shù)據(jù)采集算法
數(shù)據(jù)采集通常涉及模擬信號的采樣和數(shù)字化處理，supOS采集軟件采用合適的采樣頻率和采樣精度， 結(jié)合濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。 在采集傳輸?shù)倪^程中傳感器設(shè)備可能存在誤差和偏移， 該系統(tǒng)內(nèi)有校準(zhǔn)和校正算法對采集的數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)和修正，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。 數(shù)據(jù)采集之后，提供數(shù)據(jù)處理和分析算法，如統(tǒng)計分析、趨勢分析等提取數(shù)據(jù)中有用的信息，幫助用戶進行準(zhǔn)確的決策。 在實時同步數(shù)據(jù)的過程中，數(shù)據(jù)的安全性非常重要， 該系統(tǒng)會采用加密算法和數(shù)據(jù)權(quán)限管理策略，在數(shù)據(jù)采集過程中避免惡意攻擊和未授權(quán)訪問等操作。
4 數(shù)據(jù)采集組態(tài)應(yīng)用
根據(jù)本文提出的工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析與設(shè)計方法， 采集到的數(shù)據(jù)分為實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)兩類， 同時可以在系統(tǒng)內(nèi)部模板上設(shè)置該數(shù)據(jù)點位的報警值。 當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)異常，在報警的范圍內(nèi)，則會把該條異常數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)庫中，并且通過協(xié)議采集在頁面上進行展示，可以看到詳細(xì)的報警事件、報警原因、報警等級、滯留時間、用戶是否確認(rèn)等信息，為后期工作人員檢查設(shè)備提供分析依據(jù)。
具備對報警的快速組態(tài)和展示功能，實時報警是用于顯示系統(tǒng)正處于報警狀態(tài)的信息列表，不同級別的報警可設(shè)置顯示為不同的顏色，可確認(rèn)單個或全屏報警，設(shè)置篩選條件過濾顯示報警，讓用戶及時查看所關(guān)注的報警信息。 并且會對數(shù)據(jù)進行全方位的處理，包括不良數(shù)據(jù)硬隔離、敏感數(shù)據(jù)的加密脫敏處理、重要數(shù)據(jù)的定期備份、數(shù)據(jù)銷毀的不可恢復(fù)性等，確保數(shù)據(jù)安全可控。
根據(jù)本文提出的 supOS 工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)分析與設(shè)計技術(shù)開發(fā)的石家莊安全風(fēng)險智能化管控平臺項目已處于運行階段。 根據(jù)用戶需要進行系統(tǒng)點位的更新和迭代，把采集的數(shù)據(jù)更加安全高效地傳送到調(diào)控中心， 為現(xiàn)場工作人員及時監(jiān)護設(shè)備狀態(tài)是否正常提供了重要的幫助。 實時報警界面如圖 6 所示：
圖 6 實時報警
5 結(jié)束語
本文詳細(xì)討論了 supOS 工業(yè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計與應(yīng)用，從應(yīng)用行業(yè)的重要性、系統(tǒng)軟件的設(shè)計、系統(tǒng)的實際應(yīng)用等方面，介紹了 supOS 工業(yè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)在工廠中存在的重要意義。
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