基于边缘计算网关的云平台设计及应用

范晓阳 张立浩 李家旭

摘 要：基于一条直动式限位开关生产线，利用通讯设备与网络平台，搭建一套完整的网络体系，使工业生产的应用层数据可以稳定的与网络层云平台进行数据交互。通过采集现场数据传输到云平台，工程师可通过移动端APP进行数据监控与处理，从而提高信息利用率，生产安全性，以及产品智能化生产。智能网关实现工业以太网和Internet两种网络的互联。在智能网关中安装基于Linux开发的操作系统，实现PLC数据与云平台数据的映射。智能网关通过Internet网络将自动化层的数据映射到云平台;云平台的各种云应用，例如Web端、移动客户端等，通过Internet网络与云平台的数据实现映射。

关键词：边缘计算网关;工业云平台;消息队列遥测传输;物联网

1 引言

目前，工业领域正处于第四次革命，也称作工业4.0。工业4.0旨在提高工厂自动化程度并使用智能设备，利用所有数据源使工厂的更高效的完成商品生产，使商品生产具有更高的灵活性，既能实现大规模生产，又可实现生产高度定制化，可以使工厂集效率与规模于一身，也能更好地满足客户需求。

物联网技术与边缘计算技术是工业4.0极其重要的组成部分，将现场设备装配传感器，保证其IP地址能够支持网络内其他设备的连接，利用这种设备与网络的连接可以收集、分析和交换大量有价值的数据。目前工厂内许多数据需要满足在边缘位置进行分析处理，这意味着要尽可能缩短数据传输的响应时间，例如涉及到安全质量等问题时，需要对设备进行近乎实时同步的控制，若按照传统方式将数据传输至企业云服务器再返回现场设备，过程中可能存在较长延时。边缘计算还可以将数据保存在现场，提高数据安全性。

2 边缘计算网关与工业云交互方案

2.1边缘计算网关

综合考虑本次设计对于网络通讯的需求，选用SIMATIC IOT2050作为此系统的边缘计算网关。通过IOT2050可与 Industrial Edge 平台、工业物联网和云端相连接，实现高性能的数据计算，同一系列通讯协议进行转换，并可对多种程序语言进行预处理。通过边缘计算网关，完成生产线数据的采集，将数据解析后传输至不同终端，同样也可以接收来自各终端的控制信息下发至生产线设备，完成生产线的联网功能，SIMATIC IOT2050使用example image V1.0.2系统版本。系统内置Node-RED工具，使用此工具可进行数据的采集、过程分析与输出。

2.2工业云平台组态

SIMATIC IOT2050设备面板的X1 LAN-P2口接入现场端局域网完成实时数据采集，X1 LAN-P1口以DHCP方式接入互联网以备连接云服务器，以保证内外网隔离。采用腾讯云服务器的物联网开发平台实现生产线的云服务器搭建。基于MySQL 5.7建立数据库，实现数据存储和访问的功能，通过Navicat Premium 15软件进行数据库管理。移动端采用微信小程序访问腾讯云服务器，实时查看生产线设备的各种数据。本方案工业云平台结构如图1所示。

3 数据交互方案

现场生产线设备的输入输出信号连接至各PLC输入输出端子，IOT2050设备通过以太网实时采集PLC变量信号，IOT2050设备与云服务器间、个人终端与云服务器间均采用MQTT协议完成数据交换，数据库同IOT2050设备通过以太网连接完成历史数据的存储与访问。PLC数据由SIMATIC IOT2050内置Node-RED工具完成采集、处理与传输，首先通过contrib-s7节点配置IP地址、机架槽等信息，组态IOT2050与PLC间通讯，通过contrib-qcloud-iotexplorer节点配置三元组信息并订阅发布topic，组态IOT2050与腾讯云服务器间通讯，通过node-MySQL节点配置IP地址、用户密码等信息，组态SIMATIC IOT2050与数据库间通讯。

通过Function节点将PLC数据解析为腾讯云报文格式与数据库格式即可完成数据交互，数据上报节点流搭建如图2所示，以主件供料站为例，数据解析如图3所示。

4云平台应用

本方案中，物联网模块IOT2050实现了生产线数据的上传和下发，除了在本地进行现场大屏的展示之外，更主要的是实现各类云平台应用。本方案中选择腾讯云作为云服务器，并完成小程序功能开发，可以实现远程查看生产线工作状态、远程下发命令到生产线。

4.1腾讯云物联网项目配置

在腾讯云物联网开发平台中创建项目，完成小程序自定义功能创建、产品展示配置、快捷入口配置，面板配置等操作，可根据生产线不同工作站的情况进行区别开发。本方案小程序项目如图4所示。

在SIMATIC IOT2050内置Node-RED工具中使用contrib-qcloud-iotexplorer节点配置ID、名称、密钥三元组信息以及Topic信息，配置正确后腾讯云物联网开发平台对应项目将被激活，完成通讯连接。

4.2移动端数据监控设计

根据前述总体设计，在云平台数据与IOT2050间实现映射、IOT2050与生产线数据（PLC）间实现映射后，可以开展各种云平台应用。常见的云平台应用有基于web端、移动端等方式，本方案设计基于移动端的微信小程序访问云平台数据实现远程监控与控制，管理人员通过扫描二维码绑定具體设备，小程序分为设备总览界面与生产线详情界面，进入设备详情界面即可监控各工作站工作状态。为实现管理人员远程监控生产线具体信息，并针对总体生产线或具体工作站进行控制，本方案将设备信息分为工作站IO状态监控和生产线数据统计两类画面，管理人员可进入具体工作站监控界面，此界面将监控工作站各IO状态，同样可以对工作站个别变量进行控制;管理人员也可以进入生产线总览界面对生产线统计数据进行查看，对生产计划等数据做出调整，如图5所示。810809B7-C3AC-43E1-85FA-04ED8058FCD0

在生產线管理系统中，重要事件发生后需要管理人员来及时做出决策，本方案设计可通过多种方式对管理人员通知告警，有效提升事件处理效率，减少人员疏忽导致事件处理滞后的概率。通过腾讯物联网开发平台进行数据流开发，实现重要事件告警提示，并显示在移动端屏幕上，部分数据流开发如图6所示。

5结束语

本设计为一条直动式限位开关生产线进行了工业云平台搭建与应用开发，利用边缘计算网关SIMATIC IOT2050将工业以太网和Internet两种网络进行互联，利用Node-RED完成过程数据分析，云端服务器采用腾讯云服务器，数据库基于MySQL5.7进行本地部署，移动端使用腾讯连连APP完成终端部署，经调试SIMATIC IOT2050通过工业以太网成功采集现场PLC数据，SIMATIC IOT2050与腾讯云服务器之间上报下发数据功能正常，移动端应用数据监控符合实际数据。实现了生产线云平台的搭建，通过从现场生产线收集到的数据与企业运营数据相结合，工厂可以实现信息高度透明化、可视化，利用这些数据可以使工厂完成智能化的决策。

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