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将过程数据以物联网为基础从PLC转移传递到云平台的可能性
Antonin Gavlas * .Jan Zwierzyna * Jiri Koziorek *
VSB-俄斯特拉发技术大学，FEECS，控制论与生物医学工程系，
17. listopadu 15，捷克共和国俄斯特拉发
（电子邮件：antonin.gavlas@vsb.cz; jan.zwierzyna.st@vsb.cz; jiri.koziorek@vsb.cz）
摘要：
本文基于PLC通过互联网使用云平台对现实设备进行高效且对用户友好的远程控制。对于控制，它使用工业物联网网关，通过多个CLOUD平台存储和处理数据。本文主要目的是介绍VSB中的工业自动化和分布式控制系统实验室中PLC和云平台之间的过程数据传输解决方案 --俄斯特拉发技术大学。它可用于实验室中的物联网概念机电任务。另一个重要部分是比较延迟真实设备（机电一体化任务）和CLOUD平台之间的过程数据。使用此解决方案的演示示例比较两个云平台。第一个商业平台来自IBM公司，第二个免费平台来自公司Ubidots.部分示范达成结果也可用于可视化。
2018，IFAC（国际自动控制联合会）由Elsevier Ltd.主办。保留所有权利。
关键词：物联网；PLC；网关；云；IBM；Ubidots
1，介绍
我们周围的世界不断发展，随之而来的是人们和公司对我们每天周围的技术的需求。行业越来越关注更有效地利用资源，提高工作效率，降低运营成本，确保工人的安全，并将革命性的物联网（IoT）带入所有这一切。
图1，物联网的基本部分
根据许多定义之一，物联网是一个互连对象（对象）的网络，它是唯一可寻址的，网络基于标准化通信协议，以交换或共享数据和信息，以实现更高的附加值。因此，IoT是一个概念，可以通过Internet共享数据的物理和虚拟对象（事物）。为了实现更高的目标（新功能，更复杂的任务等），可以基于IoT链接“事物”。
1.1物联网的发展
从物联网的发展来看，逐渐形成了两个主要方向（图1），但它们并不相互竞争，因为它们专注于其独特的使用领域。 第一部分（工业物联网）基于M2M（机器到机器），并增加了通过云平台分析数据的能力。物联网设备之间的通信建立在与现有M2M概念（机器到机器）的通信不同的原则上。 .M2M概念解决了一次性和预编程的通信（图2）。
物联网中的“事物”以一种不稳定的，随机的方式和所有时间相互通信。例如，它用于工业自动化，运输或能源行业。第二部分关注消费者（图3）。电子设备用于简化日常工作。这是家庭自动化，智能设备（电视，可穿戴电子产品）领域 。
图2，M2M与物联网的区别
从技术角度来看，有几种可能的方式在各个设备内进行通信。在业界，由于数据传输的可靠性，通常更好地使用有线传输（例如以太网，profinet，profibus）。但是，无线通信还使用Wi-Fi，蓝牙（能源密集程度较低），NFC，ZigBee，Z-Wave等公交车.Pohanka（2017）
如图3所示，基于物联网的设备之间的通信（在消费者物联网中使用的可能性）
在这项研究中，最重要的部分是工业物联网（IIoT），它代表了物联网在制造业中的应用，通过实现更大量数据的可访问性和远比以前更有效率地来改进制造。它不仅仅是想象，因为几家创新公司已经开始实施IIoT。这些公司通过可预见的维护，提高安全性和更高的运营效率，从低消耗中获益.IIoT的网络可以大大提高互连性，效率，可扩展性，节省时间，这些网络还使行业组织能够将所有员工，数据和流程与工厂联系起来。公司领导者可以使用IIoT数据来全面，准确地了解他们的业务运作方式，这将有助于他们在不同情况下做出更好的决策：绿色（2017）和电感自动化（2018）。
互操作性和安全性可能是实施IIoT的两大挑战。切换到IIoT时可能遇到的问题之一是独特设备使用不同的协议来发送和接收过程数据。目前正在使用一些不同的通信协议（例如OPC-UA）。但是，MQTT传输协议成为IIoT的标准（图4）。
图4，基于MQTT协议的通信
此通信协议的工作原理是在连接到服务器的客户端（MQTT Broker）之间传输消息。每个客户端可以是订阅者或发布者。发布者通常会获得一个传感器，将测量值发送给代理；订阅者通常是一个处理值然后使用它们的控制单元.MQTT的主要优点包括节能，发布/订阅模型和双向通信（通过双向）功能。
2，解决方案的设计
通常，学生在实验室工作，包含各种设备和特定的实验室任务。因此，在这种情况下，无法远程访问各个任务。本文的主要目的是基于IIoT（PLC和选定的CLOUD平台的控制）为实验室中的过程数据处理提供用户友好的解决方案。 。该解决方案被设想为远程控制和相关数据处理。它允许客户（学生）通过实验室外的基于Web的界面访问实际项目。
2.1现有解决方案
传统控制（在特定公司的软件界面中编程）与提供的控制之间的区别是相当大的。首先，你需要构建程序，编译程序，将其上传到PLC，并测试功能。当然，这些步骤需要在测试期间要重复多次。所有操作必须始终在机器上进行，以便立即看到结果，并且程序员可以正确地将代码写入设备以实现该功能。
2.2基于云平台的解决方案
该解决方案代表了在处理过程数据（PLC，物联网网关和CLOUD平台之间的传输）方面的重大进展。从一开始就有必要创建“原始”程序。基于它，不需要显着干扰标准编程接口（测试解决方案，未来不会发生相关变化）。这种数据处理方法提供了几种好处：
（1）在云平台中备份（归档）数据（从安全角度来看，最好使用商业云平台）。
（2）PLC外部的数据处理（通过互联网进行真实实验）.PLC甚至可以直接从云平台进行控制（在实际演示中）。
（3）如果软件PLC程序在PLC中正确编程，那么它确实是一个用户友好的解决方案，它是工业应用中教学和高效数据处理的有用工具。
（4）可安装IP摄像机，以便更好地进入实验室外。
本研究是一种解决方案（图5），它允许通过在PLC和物联网网关之间传输过程数据来远程控制设备（它必须连接到互联网）。通过库提供这些设备之间的双向通信，这些库可用于连接硬件设备的强大编程工具， API和其他在线服务。这个工具是Node-RED。最初，在IBM Technologies成员组中创建了一个开源项目（本文使用直接来自IBM公司的商业云平台实际演示结果）。因此，主要目的是简化连接系统和传感器的过程，以便为客户构建技术。Node-Red提供了一个编辑器，可以通过互联网浏览器（多平台解决方案）轻松地通过调色板中的各种节点（例如，MQTT协议的节点）链接流。
图5，将过程数据从PLC传输到云平台之一并返回
云平台之间的通信由MQTT协议提供（在1.1节中描述）。但是，整个解决方案取决于可以定义为可能限制的几个因素：
（1）PLC和主要受控设备可以运行数天（更高的能量消耗）。
（2）IIoT网关必须连接到Internet（通常通过VPN客户端进行远程控制，一些大公司可能会遇到“来自外部”访问的问题）。
（3）通过这种方式，您可以控制设备的各个部分，但它不是一个复杂的工具，对于程序员来说，直接在设备旁边（主要是工作安全）通常非常重要。
（4)选定的流程数据可以通过传输到（来自）云平台来延迟（当它在免费的云平台上运行时，这是一个很大的问题）。最终，在随机网络中断导致某些变形或过程数据丢失的情况下，可能会发生这种情况。
相对于技术部分来说，通过将数据移动到云平台，可以实现数据备份，由于双向通信可以控制PLC，因此可以进一步利用数据备份。但是，Free Cloud Ubidots允许控制一些变量（Bool， Word）直接来自云平台，基于仪表板（可编程界面）中的可视化元素.IBM商业解决方案不提供此选项。
2.3 可用的硬件
作为工业4.0的一部分，IIoT继续扩展。在云中收集和评估处理过的数据以优化生产。在这种情况下，基于现有设备的网络是一个巨大的挑战，因为来自不同公司和不同技术的机器通常不会使用相同的数据语言进行通信。解决方案通常很耗时。智能网关协调不同数据源之间的通信，分析并将数据传输给适当的接收者。物联网网关，能够接受和处理来自PLC的过程数据，用于将过程数据从PLC存储到云平台，然后通过Web应用程序远程控制真实设备。控制可以在IoT网关级别或直接从CLOUD平台进行（这两个例子都可以在结果的实际演示中获得）。
西门子公司（Simatic IoT 2040）的IIoT Gateway被选中用于过程数据的收集，处理和传输。它是一个可靠的网关，可用作云平台和生产之间的接口。它可以从设备收集数据，也可以将分析的数据
从云平台传输到设备。支持多种通信协议和以更高编程语言编写代码的系统的开放性指向在特定解决方案的上下文中使用的更广泛的领域。Simatic IoT2040可轻松集成到现有设备中。因此，它是旧机器的完整附加设备的经济且安全的替代方案。该设备支持一些编程语言，例如C ，Java或Python，并且可以通过各种通信协议（例如MQTT，SQLITE3）连接或执行外围设备的本地或远程控制。IOT2040具有IP20防护等级，可确保安全地安装在机器和电气面板上。防护罩由耐用的工业部件制成，因此即使在苛刻的条件下也可以连续运行。
3，基于物联网概念的实验室
工业自动化和分布式控制系统实验室位于VSB - 俄斯特拉发技术大学的电气工程和计算机科学学院。在这个实验室中可以找到来自不同公司的工业PLC。还提供实时控制设备，包括由西门子PLC（Simatic S7-1200）控制的机电一体化任务。每个PLC必须包含，如前所述（它基于图5 - 在PLC中的部分“数据”），基本程序。它创建了该程序的基本概念（图。6）。程序的主要目标将逐步改变预定义变量或可通过IIoT网关或直接云平台定义的不同结构的状态。
PLC和物联网网关之间的通信可以通过官方的S7库进行。这些库可以整理出大量所需的PLC项目，并决定占用哪些总数据块。然后将它们分成几个小块。 一起请求一个或多个数据包，最大尺寸，PLC支持。随后可以一次发送更多的数据包以获得最大速度。使用的输入和输出不断更新（在可能的短期断开后它将起作用）来自电源）。库需要通过“机架插槽1”进行访问，并且在可编程接口中，TIA Portal必须优化对已经使用的块的访问。此外，必须在S7-1200控制器中启用硬件配置中的PUT / GET访问。图的蓝色部分显示使用可编程接口Node-RED，其包含修改的决策逻辑。根据该逻辑，可以控制远程可用的机电任务。
图6，PLC程序的基本概念
3.1测试硬件的描述
机电一体化任务代表了冰球生产的减少形式，通过六个工作台逐步修改，以便潜在客户将获得成品。由此产生的软件应用程序使用各种传感器和元件来移动冰球，以防止潜在的产品质量下降， 它将发送给最终客户。第一个工作台包含一个堆栈，逐渐将圆盘移动到传送带上。这是冰球对生产技术部分的第一个重要举措。在另一个工作台上， 通过控制探针测量圆盘的深度，该控制探针是活动的，基于圆盘被挡板阻挡。在第三张工作台上有模拟钻孔，冲压和吹制的设备。在此过程之后， 通过由伺服电动机控制的抽吸臂将圆盘移动到下一个工作台上。这个工作台是根据公认的冰球颜色设计的产品质量较差的产品。最后一张工作台用于存放成品（冰球）。随后它更详细地描述了它作为一个应用程序演示设备，允许从PLC发送，处理和接收过程数据到几个云平台。冰球库存，分别用于放置冰球的工作场所（图7），代表设备是本文实验中最重要的部分之一。
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图7，工作表编号6 - 冰球股票
第一个重要元素是传送带，由直流电机供电。在传送带的末端有一个处理单元，用于将圆盘从装载位置传送到光学颜色传感器和磁感应传感器的颜色测试位置。之后，将冰球转移到商店的某个位置，该位置有4个级别（位置），基于装载的颜色。装有夹具的机械手由两个伺服电机控制，允许机械手垂直移动或水平到预定位置。
3.2证明达到了结果
可以基于Node-RED平台（通过节点，功能块编程）实现实际演示（图8）和各个C
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资料编号：[1407]
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