基于物聯網的PLC程序遠程升級系統

摘要：PLC傳統的升級方式需要技術人員到現場進行操作，此方式工作效率低、時間與人力成本高。鑒于此，文章設計并實現了一種基于物聯網的PLC程序遠程升級系統，該系統利用物聯網技術構建一條從組態軟件到生產現場PLC的虛擬串口線，技術人員在辦公室即可實現對生產現場PLC程序的遠程升級，無需到現場操作。實驗結果表明：該系統能夠穩定、可靠的實現PLC程序的遠程升級。

關鍵字：PLC；物聯網；遠程升級；虛擬串口線；GX Works2

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）09-0115-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

PLC 是可編程邏輯控制器（Programmable LogicController） 的縮寫，是一種專門用于工業領域的數字電子設備，可高效、穩定的控制機器和設備的運行，實現自動化生產。通常情況下，當現場PLC的技術需要更新或者程序出現故障時需要對PLC的程序進行更新。此外，當PLC控制系統的生產需求發生變化時，也需要對PLC程序進行更新。在數字化、智能化的工業浪潮中，PLC作為工業自動化系統的核心部件，其程序的更新與維護及其重要。傳統的PLC更新方式往往需要現場工程師的實地操作，這種方式不僅效率低下，而且時間與人力成本較高。

PLC遠程升級技術是指在不關閉PLC系統的情況下，通過遠程方式對PLC程序進行更新升級。國內外的PLC廠商、研究機構都在積極開展PLC遠程升級技術的研究和應用。孟慶龍等[1]提出了一種基于差分技術的PLC固件遠程升級方法，此方式需對PLC固件進行編碼、解碼，過程復雜。國外工控巨頭都推出了工業軟件對自家的PLC產品進行遠程升級[2]，如西門子的TIA Portal軟件，施耐德的Unity Pro軟件等，但對其他廠家的PLC不兼容，缺乏通用性，而且一般要求現場具備有線寬帶或Wi-Fi條件。為解決在不具備有線寬帶的環境下，對不同廠家的PLC實現遠程升級的問題，本文設計了一種基于物聯網的PLC遠程升級系統，利用此系統，可對不同型號的PLC進行遠程升級，具有很好的兼容性。

1 總體架構

利用物聯網技術構建一條從組態軟件直達現場PLC的網絡虛擬串口線，達到遠程下載更新PLC程序的效果。構建虛擬串口線需要建立一個由設備端、云平臺、客戶端、組態軟件構成的物聯網通信系統，系統總體架構圖如圖1所示。1） 設備端，由PLC、網絡模塊組成，PLC與網絡模塊通過串口進行連接。網絡模塊先在云平臺進行注冊，上電后主動連接云平臺，與云平臺之間保持心跳連接，實時的向云平臺上傳采集的PLC數據。2） 云平臺，是整個系統的核心，具有設備管理、用戶管理、設備運行、設備日志等功能，負責整個系統數據的存儲、分發與處理。通過mstc命令方式登錄云平臺，在云平臺創建用戶并為用戶分配所屬的網絡模塊。3） 客戶端，客戶端運行在Windows系統，使用在云平臺創建的用戶和密碼進行登錄，負責對網絡模塊進行串口、網口配置。4） 組態軟件，和客戶端運行在同一臺計算機，對PLC程序的讀取和下載。利用VSPD軟件創建一對虛擬串口[3]，組態軟件通過虛擬串口與客戶端實現數據交互。

2 系統需求分析

實現PLC程序的遠程在線更新是本方案的核心需求，技術人員無需到生產現場，在辦公室就能夠掌握現場PLC的實時狀態，通過組態軟件能夠以無線方式遠程讀取現場PLC的程序，在組態軟件中對程序進行修改完善并下載到PLC中，從而減少工程師的現場操作，提高工作效率、降低生產成本。整個系統的需求按照重要性概括為以下幾點：1） 網絡模塊與云平臺之間的數據傳輸延遲時間控制在0.5秒內，丟包率控制在0.1%以內。2） 對傳輸的數據包建立加解密與校驗機制，建立用戶管理體系，防止未授權用戶訪問并對數據的篡改；3） 能夠兼容多種型號的PLC設備，通過模塊內置的串口或網口與PLC連接，實現數據的采集與轉發。4） PLC狀態數據可視化，能夠對PLC進行遠程故障診斷。

3 關鍵技術

系統采用的關鍵技術包含如下幾點。

1） 設備端與云平臺保持間隔時間為0.5秒的心跳連接，系統采用阿里云服務器，設備端內置云平臺服務器域名，網絡模塊上電連接網絡后直接尋址云平臺服務器，向服務器發送進行連接的請求，服務器收到網絡模塊的連接請求后，打開連接，與網絡模塊保持間隔時間為0.5秒的心跳包連接，通過發送心跳包，網絡模塊實時向平臺上報采集的PLC數據。2） 采用Socket與UDP協議傳輸AES加密的自定義數據報文，UDP協議[4-5]提供快速數據傳輸能力，適用于對設備實時性要求較高的場景，但在網絡數據的可靠傳輸上存在弱點。本系統采用AES算法進行數據加密[6]，在數據報文頭尾部添加CRC校驗碼[7]，通過時序控制按序發送數據包，建立動態緩存區，對接收的報文進行完整性檢驗，保證收、發數據包的完整性、安全性與可靠性。3） 斷線重連機制，網絡模塊與云平臺之間通過心跳連接保持實時連接狀態，若3秒內未接收到模塊數據包，則認為與平臺斷線，網絡模塊將對云平臺發起重新連接。

4） 身份驗證和權限校驗機制，云平臺在接收通道命令前，對客戶端進行身份驗證和權限校驗，只有云平臺創建的用戶才能對PLC程序進行遠程升級，有效防止未授權用戶訪問并篡改數據。

4 系統設計

4.1 物聯網云平臺

物聯網云平臺是整個物聯網系統的樞紐，承擔設備接入、數據通信、遠程監控、數據存儲與處理、數據分發等關鍵任務。物聯網云平臺采用分層架構設計，保證系統的安全性、穩定性與可靠性。1） 接入層，負責PLC設備的接入認證及數據的初步處理，使不同品牌和型號的PLC設備能夠接入平臺，目前，平臺支持三菱、西門子的PLC、支持Modbus協議。2） 通信層，實現PLC設備與云平臺之間的數據通信。采用Socket套接字與UDP協議傳輸自定義的數據報文，對報文進行加密，保障數據傳輸的安全性。3） 處理層，對接收到的數據進行解密解析、處理和存儲。提取出有用的信息，如PLC設備的運行狀態、故障報警等。同時將處理后的數據轉發給相應的應用服務。4） 應用層，提供豐富的應用服務，如遠程監控、程序更新、數據分析等。提供標準的API接口，用戶可以用組態軟件、JAVA、C++等調用API從云平臺獲取數據進行二次開發，實現遠程組態監控、APP監控等。

4.2 網絡模塊及參數設置

網絡模塊分為內置sim卡和帶網口的兩種，通過串口與設備相連，無須設置，上電即可使用。如圖2所示為4G網絡模塊，其性能參數為：1） 丟包率，常規環境下（非理想狀態） 0.1%，即大概 1 000 個包丟 1 個包。2） 通訊速率：快速時為 300 毫秒延時（要求秒內必須有數據包發送） ，慢速時為 1 600 毫秒延時。3） 適用于交互式命令，例如 MODBUS 通信協議和多種 PLC 通信協議。

每個模塊具有一個SN號，使用前在云平臺進行注冊并分配給指定用戶，在云平臺的客戶端通過用戶賬戶及對應的密碼進行登錄，在設備列表中按照SN 號選定模塊，進行串口或網口設置，如圖3所示為在客戶端軟件中設置4G模塊的串口參數。

4.3 應用端軟件

應用端軟件包括安裝在同一臺電腦上的PLC的組態軟件、云平臺客戶端軟件、VSPD虛擬串口工具。不同廠家的PLC采用不同的組態軟件，如三菱的GXWorks2。VSPD虛擬串口工具可創建虛擬串口對，使云平臺客戶端軟件與組態軟件利用虛擬的串口對進行串口通信。

打開客戶端軟件后進入登錄界面，用在云平臺創建的用戶名及密碼進行登錄，登錄成功后在主頁顯示用戶所管理的網絡模塊信息，如圖3所示，顯示網絡模塊的編號，模塊的描述信息、模塊的離、在線狀態、信號強度等信息?？蛻舳说墓δ馨ㄟh程設置、開始設備上下載、停止設備上下載、后臺運行等功能。按照SN 號選定模塊，點擊遠程設置，進入參數設置界面，可按照實際要求對模塊進行設置。然后點擊“開始設備上下載”，打開組態軟件，即可執行遠程讀取、寫入PLC程序操作。操作完成后點擊“停止設備上下載”并退出程序。

5 遠程升級測試與分析

5.1 測試實驗

測試實驗所需的器材包括三菱FX0S型號PLC、遠橋物聯4G模塊、串口連接線、Windows 7系統的電腦，電腦上安裝云平臺PC客戶端軟件、虛擬串口軟件VSPD、三菱PLC 組態軟件GX Works2，電腦上通過mstc命令遠程訪問云平臺。將三菱PLC通過串口與4G模塊連接，如圖4所示。測試流程如下：1） 登錄云平臺，在設備管理模塊添加測試用4G模塊SN號，將模塊添加到數據庫中；2） 在云平臺創建測試賬號與密碼，如賬戶為test，密碼默認123456，將測試模塊的SN 號添加到test賬戶下；3） 利用虛擬串口軟件VSPD創建一對虛擬串口，如圖5所示，云平臺客戶端和三菱PLC的組態軟件GX Works2通過虛擬串口實現數據互通；4） 利用測試賬戶test及密碼登錄云平臺客戶端軟件，對網絡模塊進行遠程設置，選擇端口號，配置與PLC互通的串口參數及PLC設備類型；5） 將PLC通過RS485與網絡模塊連接，連接后對PLC及模塊上電，觀察模塊上RX/TX指示燈是否正常閃爍，閃爍表示通信正常；6） 打開三菱PLC的組態軟件GX Works2，進行20次PLC程序的遠程讀取和寫入測試。

5.2 實驗結果及分析

經過20次測試，采用本系統均能夠成功讀取、寫入PLC 程序，實現了PLC 程序的遠程升級，成功率100%。如圖6、7所示為遠程讀取、寫入PLC程序的界面。經過測試統計，每次讀取、寫入PLC相同程序的耗時在40秒左右。當然，這個時間受PLC程序的大小、4G模塊的網絡環境影響。

6 總結與展望

本文設計并實現了一種基于物聯網的PLC程序遠程升級系統，通過本系統，技術人員在辦公室就可實現對生產現場的PLC程序完成遠程更新。本系統目前支持三菱、西門子、信捷等型號的PLC程序的遠程升級，經過多次測試，均成功完成PLC程序升級，系統性能穩定、安全可靠。在后續，我們將繼續完善系統，提高系統的擴展性，支持更多型號的PLC協議。

此外，將開發移動端的程序，使用戶通過APP即可遠程設置模塊參數、實時查看PLC的狀態信息，進一步豐富系統生態。