4. 数据采集层设计

数据采集层是正反向追溯体系的“神经末梢”。追溯链能否成立，首先取决于采集层能否在正确的工位、正确的时刻，把正确的对象标识与过程参数绑定在一起。本节围绕五类典型采集设备——传感器、扫码枪、PDA、PLC、边缘网关——说明它们各自承担什么角色、如何接入、数据如何规范化，以及如何保证“采集到的数据能用于追溯”而不是只用于现场显示。

一、五类设备的职责边界

追溯采集不是把所有设备都接进来就行，关键是分清每类设备在追溯链中的定位。传感器负责采集连续量或状态量（温度、压力、扭矩、转速、到位信号），它本身不携带物料身份，必须与批次或工单绑定才有追溯意义。扫码枪负责在固定工位读取一维码/二维码，把物料、托盘、载具的身份写入当前工序记录，是“身份锚点”。PDA 用于移动场景，如仓库收发货、线边配送、返修工位，兼具扫码与人工录入能力。PLC 是产线控制核心，掌握设备运行状态、节拍、报警和工艺参数，是过程数据的“第一现场”。边缘网关则是采集层的汇聚与规范化节点，负责协议转换、时间对齐、数据清洗和断网缓存。

二、接入方式与协议选择

传感器接入分两类：模拟量（4-20mA、0-10V）和数字量/总线（IO-Link、Modbus RTU）。模拟量接入 PLC 模拟量模块或远程 IO，再由 PLC 统一上传；IO-Link 传感器可直接输出带设备身份和诊断信息的过程数据，更适合需要追溯传感器自身状态的场景。扫码枪通常以 USB-HID 或虚拟串口方式接入工位终端，也可通过网口以 TCP 客户端方式直连网关。PDA 通过 WiFi 调用后端接口，离线时本地暂存。PLC 接入以 Modbus TCP、Profinet、EtherNet/IP 为主，网关作为客户端周期性读取寄存器或订阅变量。边缘网关向下兼容多种协议，向上统一以 MQTT/HTTPS 上报 JSON 报文。

三、数据规范：让采集数据可追溯

采集层最容易出问题的地方不是“接不上”，而是“接上了但对不上”。因此必须约定统一的数据规范。核心字段包括：对象标识（物料码、托盘码、工单号）、时间戳（事件发生时间，精确到毫秒，统一 NTP 对时）、工位/设备编号、参数名与参数值（含单位）、质量状态（OK/NG/待判）、数据来源（哪类设备、哪个通道）。

编码规则要唯一且可解析。例如物料码采用“品类码+日期+流水号”，托盘码采用固定长度唯一位；工位编号与产线布局一致，避免同一工位多个叫法。时间基准必须统一：PLC 扫描周期、扫码枪触发时刻、传感器采样时刻可能相差几十到几百毫秒，网关需以事件时间为准做对齐，而不是以接收时间为准。

{
  "station": "ASM-03",
  "device": "scanner-01",
  "event_time": "2025-03-18T09:42:17.326+08:00",
  "object": {
    "type": "pallet",
    "code": "PLT2025031800042"
  },
  "params": [
    {"name": "torque", "value": 12.6, "unit": "N·m", "status": "OK"},
    {"name": "angle", "value": 92.4, "unit": "°", "status": "OK"}
  ],
  "source": "PLC-S7-1200",
  "quality": "OK"
}

这份报文的关键在于：对象标识、时间、参数、质量状态四者齐全，且参数带单位。缺少任何一项，后续正向追溯（从原料查成品）或反向追溯（从成品查原料）都会断链。

四、采集触发与绑定逻辑

采集不是持续不断地上传所有数据，而是围绕“事件”触发。典型事件包括：扫码枪读到托盘码、PLC 检测到工位到位信号、传感器采集到关键工艺参数、PDA 提交收发货记录。触发后，网关把同一时刻的对象标识与过程参数绑定为一条追溯事件。

以装配工位为例：托盘到位 → PLC 输出到位信号 → 网关触发采集 → 扫码枪读取托盘码 → PLC 读取扭矩值 → 网关组装报文并上报。若扫码失败或扭矩超差，质量状态置为 NG，同时触发报警。这样，追溯记录不仅记录“做了什么”，还记录“做得合不合格”。

五、异常处理与数据完整性

采集层必须考虑断网、丢包、重复上报和设备离线。边缘网关应具备本地缓存队列，断网时数据落盘，恢复后按时间顺序续传，并支持幂等去重（以事件 ID 或“工位+时间+对象码”作为唯一键）。对于扫码失败，应记录失败事件而非直接丢弃，便于后续排查是码质量问题还是操作问题。对于传感器超量程或 PLC 通信超时，应标记数据质量位，而不是用默认值填充。

六、接入检查清单