基于MQTT的物聯網終端的PLC遠程工業監控

呂元 夏振華 肖一帆

摘要：站在大數據與智能一體化的發展角度分析早期工業體系，存在三個顯著問題：①大量現場設備的分散管理造成了人力資源調度上的匱乏，信息交換的困難;②諸多的傳感器數據及工業信息采集無法實時同步更新;③針對每個現場設備的監管存在滯后性潛在隱患，容易造成財產流損。基于此，本文圍繞以PLC工業設備為例，通過將大量現場設備接入同一局域網下，利用物聯網終端設備對各PLC設施進行數據采集與管理，并通過MQTT（消息隊列遙測傳輸協議）協議上傳至云平臺進行數據的存儲與查詢，從而構建工業物聯網監管平臺，以此滿足管理人員對于讀取設備信息和監管維護設備的要求。

關鍵詞： MQTT;物聯網終端;PLC

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）10-0113-03

由于早期傳統工業時代，互聯網與科技發展緩慢，工業信息化水平落后，造成工業工廠之間被迫形成相互封閉的局面，使得在處理諸多突發問題時，工業信息存儲及數據交換存在困難，對事故與問題發生無法進行及時監管與分析。工作流程的推進也完全依賴現場人員對設備近距離操作。然而伴隨著互聯網時代的到來，構建工業物聯網監管平臺成為可能。因此，該系統設計目的皆為實現遠程操作下，實時準確地掌握設備的運行情況及工作進度，減少現場人員的工作量，實現跨區域的設備數據交換及物聯網終端模塊對PLC的管理與監控，從而改善工業生存環境。

1 系統簡介

含油污泥主要來源是油田和煉油廠，產生點可能來自開采、輸送、煉制和污水處理等工序[1]。本文以含油污泥處理設備為例，進行PLC遠程監控系統設計。將PLC遠程監控系統分為三個模塊，分別是數據采集模塊，數據傳輸模塊，云平臺模塊。其中數據采集模塊包括物聯網終端模塊和PLC控制器;數據傳輸模塊為MQTT協議上傳數據;云平臺模塊由服務器和數據庫構成。

2 設計方案與設計流程

首先，PLC控制器對工業現場設備各類傳感器數據進行采集。其次，物聯網終端模塊讀取PLC控制器的運行狀態，并訪問其數據寄存器中的數據。再經MQTT協議上傳至云平臺，保存在服務器的數據庫中。最終由工作人員進行增刪改查等操作，實現對PLC設備的參數讀寫，數據采集，狀態監控診斷，數據存儲與轉發等功能，完成對工業現場設備的遠程監管與控制。

因此，本系統分別針對數據采集模塊，數據傳輸模塊，云平臺模塊三個模塊進行設計。

2.1 數據采集模塊方案

由于PLC產品的人機接口與數據處理的管理能力存在技術局限。在通常的控制系統中，以計算機或工控機為上位機，完成數據通信。以PLC為下位機完成現場數據采集和設備控制，實現管理控制一體化[2]。

本系統中，為解決PLC控制器的數據傳輸標準問題，將西門子Snap7通信協議和Modbus TCP通信協議移植到物聯網終端模塊中，實現兼容不同型號的PLC設備的同時，保證數據傳輸標準的統一。

2.1.1 Snap7通信協議的實現

Snap7開發支持以太網S7協議通信，針對PLC-PC通信，與Profibus，Mpi相比具有很大優勢[3]。本系統中直接引用Snap7提供的動態鏈接庫Snap7.dll中的S7Client類，即PLC作為服務器，物聯網終端模塊樹莓派作為客戶端。

Snap7應用流程如下：

API中主要應用到的操作如下：

1） Administrative functions，系統操作，包含創建、銷毀客戶端對象，將客戶端對象連接到PLC，設置連接類型（PG/OP/S7Basic），設置連接的地址，本地和遠程TSAP等。

2） Data I/O functions，數據讀寫，包含讀寫數據區域，讀寫DB區域，讀寫IPU區域，讀寫定時器，讀寫計數器等。

3） Directory functions，提供PLC塊的詳細信息，包含AG塊數量，AG塊阻止列表等。

4） Date/Time functions，讀寫日期時間，包含讀取日期時間，設置日期時間等。

5） System info functions，系統診斷，包含讀取SZL-ID和SZL-Index，讀取系統狀態列表，返回CPU的序列號等。

其中SSL表征系統狀態列表。所有的診斷時間按出現的先后順序登錄在診斷緩沖區中，可以通過模塊信息和診斷緩沖區等查看系統狀態列表信息。使用Snap7調用接口即可獲取SSL內容。

PLC內部的數據共享區DB中存放著采集的數據，對此進行如下定義：

物聯網終端模塊中安裝Node.JS和Snap7庫。通過運行代碼實現對PLC數據寄存器中數據的讀取和寫入。

2.1.2 Modbus TCP通信協議的實現

物聯網終端模塊中安裝Modbus庫。PLC采集到的傳感器數據都存放在Modbus的保持寄存器中，分布在不同的地址范圍。通過對保持寄存器中的數據進行讀/寫的部分程序，運行程序從而獲取PLC信息。

2.2 數據上報功能實現

傳統工業生產過程中的數據通常只在局域網內傳輸，一般不會面臨第三方的惡意嗅探或竊取。然而，隨著工業物聯網的發展，工業生產過程中越來越多的重要數據需要突破局域網的限制，上傳至云端[4]。

本系統中數據傳輸采用了MQTT協議。其中，MQTT Broker的作用是對數據進行存儲與轉發，但不對數據進行處理。MQTT只是完成數據傳輸，但未對數據格式進行要求。考慮到閱讀性強，編寫簡潔，網絡傳輸效率高的特點，本系統采用JSON的數據格式進行數據上傳。數據下發包含的信息有：設備id，設備控制，操作節點，修改數值等。

2.3 云平臺

云平臺以服務器為核心，以MQTT協議為基礎。云平臺主要由搭建的MQTT Broker服務器和MongoDB數據庫組成。其中，MQTT Broker服務器用于接收物聯網終端模塊上傳的數據并對其進行中轉處理，數據庫主要用來存儲相關的設備信息和用戶操作日志。

2.3.1 EMQ X MQTT Broker 服務器

MQTT Borker服務器采用了發布/訂閱的形式實現雙向通信，支持服務端反向控制設備。訂閱者通過向服務器訂閱它需要的主題負載，發布者發布了一系列固有主題給服務器，服務器通過篩選處理發布者發布的這些主題，選擇出訂閱者需要的主題，然后將這個主題的信息發給訂閱者，訂閱者再處理服務器發過來的消息。

此處直接利用EMQ X官網提供的庫和各種插件，完成客戶端的連接，主題訂閱等功能，從而為物聯網終端模塊，作為客戶端連接MQTT Broker上傳設備及傳感器數據并訂閱下發的指令主題。

2.3.2 MongoDB 數據庫

數據庫存儲的數據包括設備的一切信息及用戶數據，本篇采用BSON結構對數據進行處理。由Node.js運行MongoDB模塊，從而連接到數據庫對數據進行處理。

3 測試及結果展示

物聯網終端設備收到MQTT下發的消息訂閱后，將PLC設備信息和傳感器數據進行采集，并打印到樹莓派界面中。根據測試圖可知，傳感器數據可以準確地上傳至物聯網終端。

為存儲多個PLC設備數據，可以通過設置不同id，修改DB數據共享區或Modbus保持寄存器的寄存器地址來實現。

遠程工作人員通過Windows連接MQTT客戶端，從平臺中訂閱“upload”主題，物聯網終端設備將采集到的PLC設備狀態和傳感器數據通過MQTT協議傳輸到云平臺，調出數據顯示。

由于系統前端采用的B/S架構模式，且物聯網終端模塊具有定位功能，登錄瀏覽器后，可通過選中工業現場設備的具體位置，實時查看PLC數據寄存器存儲的實時數據，數據可呈現成曲線或表格形式。測試圖中采用曲線形式，更加直觀反映數據變化。

管理員通過登錄自己的賬號，可遠程查詢實時數據或歷史數據。由于MongoDB數據庫能夠提供大容量存儲，所以可追溯一個月范圍內的歷史數據。管理員也可主動設置起始時間，靈活篩選顯示需要的設備數據。

4 總結

測試環節中，測試了PLC控制器對工業設備及傳感器數據的采集情況，并成功上傳至物聯網終端模塊，驗證了Snap7通信協議在Linux架構上的成功移植。其次，在Windows系統上通過云平臺訪問數據庫，訂閱主題，得到了工業現場的實時數據，達到了遠程實時監控設備的效果。

4G技術讓物聯網技術有了質的飛躍，5G技術讓萬物互聯得以更加的穩定，高效和安全，為實現物聯網工業監控提供了巨大的動力和幫助。隨著嵌入式領域的發展不斷趨向成熟，嵌入式成本也在不斷降低，這也為整個工業監控系統降低了不少成本。作為一個軟硬件緊密結合的最終系統，可以提高整個系統的可靠性[5]。經由以上的測試結果分析，基于MQTT的物聯網終端設備的PLC遠程工業監控系統能夠實際應用在工業體系中，并且有能力應對多臺工業設備同時工作的情況，達到良好的監管效果。

參考文獻：

[1] 李忠衛，李朝廷.含油污泥處理技術方案[J].油氣田環境保護，2020，30（1）：40-43，62.

[2] 凌建華.關于上位機和西門子PLC通信的研究[J].計算機光盤軟件與應用，2014，17（20）：305-306.

[3] 魏學舟，劉濤.基于Snap7的PLC上位機監控軟件開發[J].設備管理與維修，2018（14）：129-131.

[4] 牛浩男.基于MQTT的工業物聯網接入平臺研究與設計[D].桂林：廣西師范大學，2018.

[5] 陳啟軍，余有靈，張偉.嵌入式系統及其應用：基于Cortex-M3內核和STM32F系列微控制器的系統設計與開發[M].2版.上海：同濟大學出版社，2014.

【通聯編輯：光文玲】

收稿日期：2021-05-27

作者簡介：呂元（1997—） ，男，山東鄒城人，在讀碩士，主要研究方向為嵌入式系統與物聯網技術;夏振華（1978—） ，男，湖北黃岡人，講師，博士，主要研究方向為網絡通信、智能控制、物聯網技術;肖一帆（2000—） ，男，湖北黃岡人，學士。