基于MQTT的物联网终端的PLC远程工业监控

吕元 夏振华 肖一帆

摘要：站在大数据与智能一体化的发展角度分析早期工业体系，存在三个显著问题：①大量现场设备的分散管理造成了人力资源调度上的匮乏，信息交换的困难;②诸多的传感器数据及工业信息采集无法实时同步更新;③针对每个现场设备的监管存在滞后性潜在隐患，容易造成财产流损。基于此，本文围绕以PLC工业设备为例，通过将大量现场设备接入同一局域网下，利用物联网终端设备对各PLC设施进行数据采集与管理，并通过MQTT（消息队列遥测传输协议）协议上传至云平台进行数据的存储与查询，从而构建工业物联网监管平台，以此满足管理人员对于读取设备信息和监管维护设备的要求。

关键词： MQTT;物联网终端;PLC

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）10-0113-03

由于早期传统工业时代，互联网与科技发展缓慢，工业信息化水平落后，造成工业工厂之间被迫形成相互封闭的局面，使得在处理诸多突发问题时，工业信息存储及数据交换存在困难，对事故與问题发生无法进行及时监管与分析。工作流程的推进也完全依赖现场人员对设备近距离操作。然而伴随着互联网时代的到来，构建工业物联网监管平台成为可能。因此，该系统设计目的皆为实现远程操作下，实时准确地掌握设备的运行情况及工作进度，减少现场人员的工作量，实现跨区域的设备数据交换及物联网终端模块对PLC的管理与监控，从而改善工业生存环境。

1 系统简介

含油污泥主要来源是油田和炼油厂，产生点可能来自开采、输送、炼制和污水处理等工序[1]。本文以含油污泥处理设备为例，进行PLC远程监控系统设计。将PLC远程监控系统分为三个模块，分别是数据采集模块，数据传输模块，云平台模块。其中数据采集模块包括物联网终端模块和PLC控制器;数据传输模块为MQTT协议上传数据;云平台模块由服务器和数据库构成。

2 设计方案与设计流程

首先，PLC控制器对工业现场设备各类传感器数据进行采集。其次，物联网终端模块读取PLC控制器的运行状态，并访问其数据寄存器中的数据。再经MQTT协议上传至云平台，保存在服务器的数据库中。最终由工作人员进行增删改查等操作，实现对PLC设备的参数读写，数据采集，状态监控诊断，数据存储与转发等功能，完成对工业现场设备的远程监管与控制。

因此，本系统分别针对数据采集模块，数据传输模块，云平台模块三个模块进行设计。

2.1 数据采集模块方案

由于PLC产品的人机接口与数据处理的管理能力存在技术局限。在通常的控制系统中，以计算机或工控机为上位机，完成数据通信。以PLC为下位机完成现场数据采集和设备控制，实现管理控制一体化[2]。

本系统中，为解决PLC控制器的数据传输标准问题，将西门子Snap7通信协议和Modbus TCP通信协议移植到物联网终端模块中，实现兼容不同型号的PLC设备的同时，保证数据传输标准的统一。

2.1.1 Snap7通信协议的实现

Snap7开发支持以太网S7协议通信，针对PLC-PC通信，与Profibus，Mpi相比具有很大优势[3]。本系统中直接引用Snap7提供的动态链接库Snap7.dll中的S7Client类，即PLC作为服务器，物联网终端模块树莓派作为客户端。

Snap7应用流程如下：

API中主要应用到的操作如下：

1） Administrative functions，系统操作，包含创建、销毁客户端对象，将客户端对象连接到PLC，设置连接类型（PG/OP/S7Basic），设置连接的地址，本地和远程TSAP等。

2） Data I/O functions，数据读写，包含读写数据区域，读写DB区域，读写IPU区域，读写定时器，读写计数器等。

3） Directory functions，提供PLC块的详细信息，包含AG块数量，AG块阻止列表等。

4） Date/Time functions，读写日期时间，包含读取日期时间，设置日期时间等。

5） System info functions，系统诊断，包含读取SZL-ID和SZL-Index，读取系统状态列表，返回CPU的序列号等。

其中SSL表征系统状态列表。所有的诊断时间按出现的先后顺序登录在诊断缓冲区中，可以通过模块信息和诊断缓冲区等查看系统状态列表信息。使用Snap7调用接口即可获取SSL内容。

PLC内部的数据共享区DB中存放着采集的数据，对此进行如下定义：

物联网终端模块中安装Node.JS和Snap7库。通过运行代码实现对PLC数据寄存器中数据的读取和写入。

2.1.2 Modbus TCP通信协议的实现

物联网终端模块中安装Modbus库。PLC采集到的传感器数据都存放在Modbus的保持寄存器中，分布在不同的地址范围。通过对保持寄存器中的数据进行读/写的部分程序，运行程序从而获取PLC信息。

2.2 数据上报功能实现

传统工业生产过程中的数据通常只在局域网内传输，一般不会面临第三方的恶意嗅探或窃取。然而，随着工业物联网的发展，工业生产过程中越来越多的重要数据需要突破局域网的限制，上传至云端[4]。

本系统中数据传输采用了MQTT协议。其中，MQTT Broker的作用是对数据进行存储与转发，但不对数据进行处理。MQTT只是完成数据传输，但未对数据格式进行要求。考虑到阅读性强，编写简洁，网络传输效率高的特点，本系统采用JSON的数据格式进行数据上传。数据下发包含的信息有：设备id，设备控制，操作节点，修改数值等。

2.3 云平台

云平台以服务器为核心，以MQTT协议为基础。云平台主要由搭建的MQTT Broker服务器和MongoDB数据库组成。其中，MQTT Broker服务器用于接收物联网终端模块上传的数据并对其进行中转处理，数据库主要用来存储相关的设备信息和用户操作日志。

2.3.1 EMQ X MQTT Broker 服务器

MQTT Borker服务器采用了发布/订阅的形式实现双向通信，支持服务端反向控制设备。订阅者通过向服务器订阅它需要的主题负载，发布者发布了一系列固有主题给服务器，服务器通过筛选处理发布者发布的这些主题，选择出订阅者需要的主题，然后将这个主题的信息发给订阅者，订阅者再处理服务器发过来的消息。

此处直接利用EMQ X官网提供的库和各种插件，完成客户端的连接，主題订阅等功能，从而为物联网终端模块，作为客户端连接MQTT Broker上传设备及传感器数据并订阅下发的指令主题。

2.3.2 MongoDB 数据库

数据库存储的数据包括设备的一切信息及用户数据，本篇采用BSON结构对数据进行处理。由Node.js运行MongoDB模块，从而连接到数据库对数据进行处理。

3 测试及结果展示

物联网终端设备收到MQTT下发的消息订阅后，将PLC设备信息和传感器数据进行采集，并打印到树莓派界面中。根据测试图可知，传感器数据可以准确地上传至物联网终端。

为存储多个PLC设备数据，可以通过设置不同id，修改DB数据共享区或Modbus保持寄存器的寄存器地址来实现。

远程工作人员通过Windows连接MQTT客户端，从平台中订阅“upload”主题，物联网终端设备将采集到的PLC设备状态和传感器数据通过MQTT协议传输到云平台，调出数据显示。

由于系统前端采用的B/S架构模式，且物联网终端模块具有定位功能，登录浏览器后，可通过选中工业现场设备的具体位置，实时查看PLC数据寄存器存储的实时数据，数据可呈现成曲线或表格形式。测试图中采用曲线形式，更加直观反映数据变化。

管理员通过登录自己的账号，可远程查询实时数据或历史数据。由于MongoDB数据库能够提供大容量存储，所以可追溯一个月范围内的历史数据。管理员也可主动设置起始时间，灵活筛选显示需要的设备数据。

4 总结

测试环节中，测试了PLC控制器对工业设备及传感器数据的采集情况，并成功上传至物联网终端模块，验证了Snap7通信协议在Linux架构上的成功移植。其次，在Windows系统上通过云平台访问数据库，订阅主题，得到了工业现场的实时数据，达到了远程实时监控设备的效果。

4G技术让物联网技术有了质的飞跃，5G技术让万物互联得以更加的稳定，高效和安全，为实现物联网工业监控提供了巨大的动力和帮助。随着嵌入式领域的发展不断趋向成熟，嵌入式成本也在不断降低，这也为整个工业监控系统降低了不少成本。作为一个软硬件紧密结合的最终系统，可以提高整个系统的可靠性[5]。经由以上的测试结果分析，基于MQTT的物联网终端设备的PLC远程工业监控系统能够实际应用在工业体系中，并且有能力应对多台工业设备同时工作的情况，达到良好的监管效果。

参考文献：

[1] 李忠卫，李朝廷.含油污泥处理技术方案[J].油气田环境保护，2020，30（1）：40-43，62.

[2] 凌建华.关于上位机和西门子PLC通信的研究[J].计算机光盘软件与应用，2014，17（20）：305-306.

[3] 魏学舟，刘涛.基于Snap7的PLC上位机监控软件开发[J].设备管理与维修，2018（14）：129-131.

[4] 牛浩男.基于MQTT的工业物联网接入平台研究与设计[D].桂林：广西师范大学，2018.

[5] 陈启军，余有灵，张伟.嵌入式系统及其应用：基于Cortex-M3内核和STM32F系列微控制器的系统设计与开发[M].2版.上海：同济大学出版社，2014.

【通联编辑：光文玲】

收稿日期：2021-05-27

作者简介：吕元（1997—） ，男，山东邹城人，在读硕士，主要研究方向为嵌入式系统与物联网技术;夏振华（1978—） ，男，湖北黄冈人，讲师，博士，主要研究方向为网络通信、智能控制、物联网技术;肖一帆（2000—） ，男，湖北黄冈人，学士。