4. 虚拟验收数据采集与接口设计

虚拟验收的核心不是“把设备连上”，而是让验收系统在正确的时间拿到正确语义的数据。产线中常见的数据源包括PLC、SCADA、MES、传感器以及数据库，它们的数据模型、刷新频率、时间基准和接口协议各不相同。如果接口设计只关注“能读到值”，往往会在验收判定阶段出现数据错位、状态滞后、批次混淆等问题。因此，本节从数据源特征出发，逐步展开OPC UA、MQTT、数据库接口的选型与配置，并给出数据清洗与时间同步的可执行方法。

一、四类数据源的特征与采集边界

PLC是产线控制层最直接的数据源，典型数据包括工位状态字、节拍计数、报警位、互锁信号、伺服轴位置等。其特点是周期性强、语义明确、但地址空间因厂商和编程习惯而异。SCADA通常聚合多个PLC和仪表，提供画面级变量、报警记录、历史趋势，适合采集产线级KPI，但变量命名可能经过中间层映射，需要核对原始地址。MES提供工单、批次、物料、工艺参数和过站记录，属于业务层数据，刷新频率低但语义丰富，是验收中判定“产品是否按正确工艺生产”的关键依据。传感器（如激光位移、扭矩、温度、视觉结果）往往通过IO-Link、Modbus TCP、EtherNet/IP或专用网关接入，数据频率高、单点价值密度低，适合做过程能力分析而非逐点验收。

采集边界应在接口设计前明确：哪些数据用于实时判定，哪些用于事后追溯，哪些仅用于趋势监控。例如，安全门开关状态属于实时判定，必须进入高频采集通道；而工单完成数量属于追溯数据，可按分钟级从MES拉取。边界不清会导致采集频率被最高要求绑架，造成网络和存储浪费。

二、OPC UA：语义化与信息模型

OPC UA适合作为PLC与SCADA之间的主要采集协议，原因是它不只传值，还传类型、时间戳和节点关系。配置时先建立地址空间映射：将PLC中的DB块或标签映射为OPC UA节点，并统一命名规则，例如 Line1/Station3/CycleTime。关键参数包括采样间隔（SamplingInterval）、发布间隔（PublishingInterval）和队列深度（QueueSize）。对于节拍类信号，采样间隔可设为50ms，发布间隔100ms；对于报警位，队列深度应大于1，避免瞬态报警被覆盖。

节点示例：
ns=2;s=Line1.Station3.CycleTime   Float   ms
ns=2;s=Line1.Station3.State       Int16   0=Idle,1=Run,2=Alarm
ns=2;s=Line1.Station3.PartOK      Boolean
采样间隔：50ms
发布间隔：100ms
队列深度：报警位=5，模拟量=1

需要特别注意的是，OPC UA服务器时间戳与客户端接收时间可能不一致。验收系统应同时记录SourceTimestamp和ServerTimestamp，后续时间同步以SourceTimestamp为基准进行对齐。

三、MQTT与数据库接口：分层与职责

MQTT适合跨车间、跨系统的事件型数据传输，例如工位完成事件、质量判定结果、AGV到位信号。主题设计应体现层级，例如 factory/line1/station3/event/part_complete。QoS选择上，验收关键事件用QoS 1，普通趋势数据用QoS 0。数据库接口则承担持久化和批量查询，常见方式包括时序数据库（如InfluxDB）存传感器高频数据，关系数据库存工单和验收结果。写入时建议采用批量提交，例如每500ms或每200条写入一次，避免逐条写入造成连接压力。

四、数据清洗：从原始值到可用值

清洗不是简单删掉空值，而是建立可判定的质量规则。常见处理包括：去重（同一时间戳重复上报）、补缺（短时丢包用前值保持或线性插值）、量程校验（超出传感器量程标记为Bad）、状态字合法性检查（未定义状态码标记为Uncertain）。例如，某扭矩传感器量程为0～50 N·m，若采集到52.3 N·m，应标记为超量程异常，而不是直接参与均值计算。清洗后的每条记录应携带质量码，验收判定时只使用Good数据，Uncertain数据进入人工复核队列。

五、时间同步：验收判定的基准

产线中PLC、SCADA、MES和传感器的时间基准可能相差几十毫秒到数秒。若不做同步，会出现“PLC已报警但MES仍显示运行”的矛盾。推荐做法是：所有采集节点通过NTP与同一时间服务器同步，精度要求高时使用PTP（IEEE 1588），目标偏差小于1ms。验收系统在入库时统一转换为UTC，并保留原始时区信息。对于跨设备事件关联，以SourceTimestamp为基准，允许窗口设为±20ms；超出窗口的事件标记为“时间不可信”，不参与因果判定。

六、接口设计检查表

完成上述设计后，虚拟验收系统才能在数据层面具备可复现、可追溯、可判定的基础。接口不是一次性工作，而应随产线配置变更同步更新节点映射和清洗规则，否则验收结论会逐渐偏离实际状态。