Possibilities of transfer process data from PLC to Cloud platforms based on IoT
The world around us is constantly evolving and with it the demands of people and companies on the technologies that surround us every day. The industry is increasingly focusing on more efficient use of resources, increasing productivity of work, reducing operating costs, ensuring safety of workers, and bringing revolutionary Internet of Things (IoT) to all of this.
According to one of many definitions, it is a network of interconnected objects (objects), that are uniquely addressable with the network being based on standardized communications protocols to exchange or share data and information to achieve higher added value. IoT is therefore a concept for physical and virtual objects (things) that can share data over the Internet. To achieve higher aims (new functionalities, more complex tasks, etc.), “Things” can be linked based on IoT. Greengard (2015)
1.1 Development of IoT
From the point of view of the development of IoT, two main directions (Fig. 1) have been gradually created, but they do not compete with each other, because they are focused on their unique area of use. The first segment (Industrial IoT) is based on M2M (Machine to Machine) and adds the ability to analyse data through Cloud Platform. Communication between IoT devices is built on a different principle than the communication of the existing M2M concept (Machine to Machine). The M2M concept solves one-time and pre-programmed communication (Fig. 2). Pohanka (2017)
'Things' in IoT communicate with each other in an unsettled, random way and all the time. It is used, for example, in industrial automation, transport or energetic industry. The second segment focuses on consumers (Fig. 3). Electronic devices are used to simplify everyday work. This is the field of home automation, smart devices (television, wearable electronics). Pohanka (2017)
From the technological point of view, there are several possible ways to communicate within individual devices. In the industry, it is often better to use cable transmission (e.g. ethernet, profinet, profibus) due to the reliability of data transmission. However, wireless communication buses such as Wi-Fi, Bluetooth (less energy-intensive), NFC, ZigBee, Z-Wave and more are also used. Pohanka (2017)
In this study is the most relevant part the segment of Industrial IoT (IIoT), which represents application of the IoT to the manufacturing industry, improves manufacturing by enabling accessibility of far greater amounts of data and far more efficiently than before. It is not only a future, because several innovative companies have started to implement the IIoT. These companies find benefits from lower consumption as a result of foreseeable maintenance, improved safety and more operational efficiency. Networks of IIoT can greatly improve interconnection, efficiency, scalability, time savings, and cost savings for industrial organizations. The networks also enable industry organizations to link all their employees, data and processes from the factory. Leaders of companies can use IIoT data to get a complete and accurate idea of how their business works, which will help them to make better decisions in different situations. Green (2017) and Inductive automation (2018)
Interoperability and safety are probably the two biggest challenges in implementing of IIoT. One of the problems that can be encountered when switching to IIoT is the fact that unique devices use different protocols for sending and receiving process data. There are a few of different communication protocols which are currently in use (for example OPC-UA). However, the MQTT transmission protocol becomes the standard for IIoT (Fig. 4). Inductive automation (2018)
This communication protocol works on the principle of transmissioning messages between clients who are connected to the server (MQTT Broker). Each client can be either Subscriber or Publisher. The publisher is usually given a sensor that sends measured values to a broker. A subscriber is usually a control unit that processes the values and then works with them. The main advantages of MQTT include energy saving, publish/subscribe model and two-way communication (via both directions) capabilities. Inductive automation (2018)
2. DESIGN OF SOLUTION
Usually, students work on projects in laboratories, which contain various devices and specific laboratory tasks. Therefore, in this case, it is not possible to access the individual tasks remotely. The main aim of this article is to present a user-friendly solution for process data processing in the laboratory based on IIoT (control of PLC and selected CLOUD platforms). This solution is conceived as remote control and processing of relevant data. It allows to clients (students) access real projects via a web-based interface outside the laboratory. Johnson (2013) and Colak et al. (2007)
2.1 Existing solution
The difference between traditional control (programming in software interface from specific company) and offered control is considerable. At first, you need to build the program, compile it, upload it to the PLC, and test the functionality. Of course, these steps need to be repeated several times during testing. All operations have to always take place on the machine, so that the result is immediately visible, and the programmer can correctly writes a code to the device for the function.
2.2 Solution based on Cloud platforms
This solution represents significant progress in work with process data (transmission between PLC, IoT Gateway and CLOUD platforms). From the beginning it is necessary to create the “raw” program. Based on it there is no need to significantly interfere to the standard programming interface (solution tested, no relevant changes are expected in the future). This method of data processing offers several advantages:
- B
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基于物联网的PLC向云平台传输过程数据的可能性
Antonin Gavlas*. Jan Zwierzyna*
Jiri Koziorek*
摘要：本文基于PLC,利用云平台通过internet对真实设备进行高效、友好的远程控制。为了进行控制，它使用了工业物联网网关，通过几个云平台来存储和处理数据。本文介绍了一种在奥斯特拉瓦VSB技术大学工业自动化和分布式控制系统实验室的PLC和云平台之间传输过程数据的解决方案。它可以用于实验室的物联网概念机电一体化任务。另一个重要的部分是比较真实设备（机电一体化任务）和云平台之间的数据延迟。使用此解决方案的演示示例比较了两个云平台。第一个商业平台来自IBM公司，第二个免费平台来自Ubidots公司。所获得结果的一部分演示也是可视的。
一。导言
我们周围的世界在不断变化，人们和公司对技术的需求也随之变化。行业越来越注重更有效地利用资源，提高工作效率，降低运营成本，确保工人的安全，并为所有这些带来革命性的物联网（IoT）。
根据众多定义之一，它是由相互连接的对象（对象）组成的网络，这些对象（对象）是唯一可寻址的，网络基于标准化的通信协议来交换或共享数据和信息，以实现更高的附加值。因此，物联网是一个物理和虚拟对象（事物）的概念，可以通过互联网共享数据。为了实现更高的目标（新功能、更复杂的任务等），可以基于物联网将“事物”连接起来。格林加德（2015）
1.1物联网的发展
从物联网的发展来看，已经逐渐形成了两个主要方向（图1），但它们并不相互竞争，因为它们专注于各自独特的使用领域。第一部分（工业物联网）基于M2M（机器对机器），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（机器对机器）通信不同的原理上。M2M概念解决一次性和预编程通信（图2）。波汉卡（2017）
物联网中的“事物”总是以一种不确定的、随机的方式相互沟通。例如，它用于工业自动化、运输或能源工业。第二部分着重于消费者（图3）。电子设备被用来简化日常工作。这是家庭自动化、智能设备（电视、可穿戴电子产品）领域。波汉卡（2017）
从技术的角度来看，有几种可能的方法可以在单个设备内进行通信。在工业中，由于数据传输的可靠性，通常最好使用电缆传输（如以太网、profinet、profibus）。然而，无线通信总线，如Wi-Fi、蓝牙（低能耗）、NFC、ZigBee、Z-Wave等也被使用。波汉卡（2017）
在这项研究中，最相关的部分是工业物联网（IIoT）部分，它代表物联网在制造业中的应用，通过使更多数据的可访问性大大提高了制造业的效率。这不仅仅是一个未来，因为一些创新型公司已经开始实施IIoT。由于可预见的维护、改进的安全性和更高的运行效率，这些公司从较低的消耗中获益。IIoT网络可以极大地提高工业组织的互连、效率、可扩展性、时间节约和成本节约。这些网络还使工业组织能够将工厂的所有员工、数据和流程连接起来。公司的领导者可以使用IIoT数据来获得他们的业务运作的完整和准确的想法，这将帮助他们在不同的情况下做出更好的决策。绿色（2017）和感应自动化（2018）
互操作性和安全性可能是实现IIoT的两大挑战。切换到IIoT时可能遇到的一个问题是，唯一的设备使用不同的协议来发送和接收过程数据。目前有几种不同的通信协议正在使用（例如OPC-UA）。然而，MQTT传输协议成为IIoT的标准（图4）。感应自动化（2018）
此通信协议的工作原理是在连接到服务器（MQTT代理）的客户端之间传输消息。每个客户端可以是订阅服务器或发布服务器。发布服务器通常被赋予一个传感器，该传感器将测量值发送给代理。订户通常是一个控制单元，它处理这些值，然后与它们一起工作。MQTT的主要优点包括节能、发布/订阅模型和双向通信（双向）功能。感应自动化（2018）
2解决方案设计
通常，学生在实验室里做项目，包括各种设备和特定的实验室任务。因此，在这种情况下，不可能远程访问各个任务。本文的主要目的是提出一种基于IIoT（PLC控制和选定的云平台）的实验室过程数据处理的用户友好解决方案。这个解决方案被设想为远程控制和处理相关数据。它允许客户（学生）通过实验室外基于web的界面访问真实的项目。Johnson（2013）和Colak等人。（2007年）
2.1现有解决方案
传统控制（在特定公司的软件接口中编程）和提供的控制之间的差别是相当大的。首先，您需要构建程序，编译它，将它上传到PLC，并测试其功能。当然，这些步骤需要在测试期间重复几次。所有的操作都必须在机器上进行，这样结果就可以立即看到，并且程序员可以正确地将代码写入该功能的设备。
2.2基于云平台的解决方案
此解决方案代表了处理数据（可编程逻辑控制器、物联网网关和云平台之间的传输）方面的重大进展。从一开始就必须创建“原始”程序。基于此，无需对标准编程接口造成重大干扰（经过解决方案测试，预计未来不会有相关变化）。这种数据处理方法有几个优点：
-在云平台中备份（归档）数据（从安全角度看，最好使用商用云平台）
-PLC外部的数据处理（通过互联网进行真实的实验）。甚至可以从云平台直接控制PLC（在实际演示中）。
-如果PLC软件程序能在PLC中正确编程，那么它确实是一个用户友好的解决方案，对于工业应用中的教学和高效的数据处理是一个有用的工具。
-可以安装一个IP摄像机，以便更好地进入实验室外部
本研究是一种解决方案（图5），允许通过在可编程逻辑控制器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）。这些设备之间可以通过库进行双向通信，这些库在连接硬件设备、API和其他在线服务的强大编程工具中可用。此工具为红色节点。最初，在IBM Technologies组的成员中创建了一个开源项目（本文在实际演示结果时直接使用IBM公司的商业云平台）。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，使得在internet浏览器（multiplatform解决方案）中通过调色板中的广泛节点（例如，用于MQTT协议的节点）很容易链接流。海多洛夫（2015）
云平台之间的通信由MQTT协议提供（在第1.1章中描述）。然而，整个解决方案取决于几个可以定义为可能限制的因素：
-可编程序控制器和主控装置可运行数天（能耗较高）。
-IIoT网关必须连接到Internet（远程控制通常通过VPN客户端，一些较大的公司可能存在“从外部”访问的问题）。
-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（主要是为了工作安全）往往更为重要。
-选定的流程数据可以通过传输到（从）云平台来延迟（在免费云平台上工作时这是一个大问题）。最终，当随机网络中断时，过程数据会发生一些变形或丢失。
通过将数据移动到云平台，可以实现数据备份，这可以进一步利用与PLC控制的双向通信，分别属于技术部分。然而，自由云Ubidots允许基于仪表板（可编程接口）中的可视化元素直接从云平台控制一些变量（Bool，Word）。IBM商业解决方案不提供此选项。
2.3可用硬件
作为工业4.0的一部分，IIoT继续扩展。处理后的数据在云中收集和评估，以优化生产。在这种情况下，基于现有设备建立网络是一个巨大的挑战，因为来自不同公司和不同技术水平的机器通常不使用相同的数据语言进行通信。解决方案往往是耗时的。一个智能网关，协调不同数据源之间的通信，是分析和传输数据给适当的收件人。物联网网关能够接收和处理来自PLC的过程数据，然后用于将来自PLC的过程数据存储到云平台中，然后通过web应用程序远程控制真实设备。控制可以在物联网网关级别进行，也可以直接从云平台进行（两个示例都可以在结果的实际演示中获得）。选择西门子公司的IIoT网关（Simatic IoT 2040）进行过程数据的采集、处理和传输。它是一个可靠的网关，可以用作云平台和生产之间的接口。它可以从设备收集数据，也可以将分析数据从云平台传输到设备。该系统支持多种通信协议和用高级编程语言编写代码的开放性意味着在特定解决方案的上下文中有更广泛的应用领域。Simatic IoT2040可以很容易地集成到现有设备中。因此，它是一个经济和安全的替代品，以完成旧机器的额外设备。此设备支持一些编程语言，如C 、Java或Python，并且可以通过各种通信协议（如MQTT、SQLITE3）连接或执行外设的本地或远程控制。IOT2040具有IP20保护，确保机器和电气面板的安全安装。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能连续工作。W3siemens（2017）和Rs online（2017）
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奥斯特拉瓦VSB技术大学电气工程和计算机科学学院。在这个实验室里有来自不同公司的工业可编程逻辑控制器。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。如前所述，每个可编程逻辑控制器都必须包含基本程序（基于图5——在可编程逻辑控制器的“数据”部分）。它是这个程序的一个基本概念（图6）。程序的主要目标是逐渐改变预定义变量或不同结构的状态，这些状态可以通过IIoT网关或直接通过云平台定义。
可编程逻辑控制器和物联网网关之间的通信可通过官方的S7库进行。这些库对大量需要的PLC项进行排序，并决定将占用的数据块总数。然后分成几个小组
请求一起放入一个或多个数据包中，直至达到可编程逻辑控制器支持的最大大小。随后可以一次以最大速度发送更多的包。持续刷新已用输入和输出（可能在短期断开电源后工作）。库需要通过“机架插槽1”进行访问，在可编程接口中，TIA门户必须对已在使用的块进行优化访问。此外，必须在S7-1200控制器内启用硬件配置中的输入/获取访问。图中蓝色部分显示了使用可编程接口节点RED，其中包含修改后的决策逻辑。根据这种逻辑，可以控制远程可用的机电一体化任务。
3.1测试硬件说明
机电一体化任务代表了冰球生产的一种减少形式，它通过六个工作台逐步修改，以便潜在客户能够收到成品。由此产生的软件应用程序使用各种传感器和元件来移动圆盘，以防止产品质量可能更差，从而发送给最终客户。第一个工作台包含一个堆栈，该堆栈逐渐将圆盘移动到传送带。这是冰球向生产工艺部分的第一个重要动作。在另一个工作台上，冰球的深度由一个控制探头测量，该探头处于活动状态，基于冰球被一个阻挡屏障阻挡。在第三个工作台上有模拟钻孔、冲压和吹气的装置。在这个过程之后，冰球通过一个由伺服电机控制的吸气臂移动到下一个工作台。这张工作台是专为质量较差的产品而设计的，根据识别出的冰球颜色进行分类。用来存放成品的最后一张工作台。它作为一个应用程序演示设备，允许将过程数据从PLC发送、处理和接收到多个云平台，随后对其进行了更详细的描述。储存冰球，分别是储存冰球的工作场所（图7），是本文实验中最重要的部分之一。
第一个重要的元件是传送带，它由直流电动机供电。在传送带的末端有一个处理单元，用于将圆盘从装载位置转移到光学颜色传感器和磁感应传感器所在的颜色测试位置。之后，冰球被转移到商店的某个位置，根据加载的颜色有4个级别（位置）。配备有夹持器的机械手由两个伺服电机控制，允许机械手垂直或水平移动到预定位置。
3.2成果展示
基于Node RED平台（通过节点、功能块编程），可以实现单个云数据系统的实际演示（图8）和比较。第一个节点（库存红球计数器）从PLC接收库存红球数量的信息。此节点的设置显示在图像的底部（黑色矩形）。最重要的参数是IP地址、模式（变量/结构）、变量/结构选择和唯一标识名。根据决策交换节点的输出值，将正确的值存储到选定的云平台。在这张图片中，这些平台以节点的形式显示，意思是蓝色
（IBM cloud—商业数据存储）和pink（Ubidots cloud—免费数据存储）节点。为了在IBM cloud上保存数据，在一个叫做IBM Watson物联网平台的特殊网站上注册一个设备是很重要的。此平台表示用于生成新设备的接口，该设备必须包含唯一的ID、类型和授权令牌。在免费云平台Ubidots上保存数据采用协议MQTT的形式。此协议必须包含参数主题和授权令牌（在注册时分配给用户）。基于从所选云平台接收到的数据，流程可以反转（除非只需要一些数据备份）。之后，可以直接从选定的云平台（此功能仅包含免费的云平台Ubidots）或IIoT网关控制PLC。以下程序块（图8）用于打开机电一体化任务的实验室模型。为了更好地比较这两个云平台，有一个图（图10），它比较了更改过程数据时的响应速度。它是单个股票头寸中的一个圆盘计数器。图表显示，添加或移除冰球时，两个云平台的延迟都有很大不同。根据测量结果，有可能认为商业解决方案IBM Cloud的反应最大延迟为1秒。第二个云，自由平台Ubidots，显示出更糟糕的结果。根据输入的数据，通过与商用IBM Cloud（高达5秒）的比较，总是测量出更长的意外延迟。
在云平台（从两个平台中选择的元素）中，创建了一个基本可视化（图9），以显示库存中单个位置的圆盘计数器。对于这两个平台，它都可以在图形界面（仪表板）中使用控制面板（开关、滑块）和可视化元素（指示器、图表）。打开带式输送机（图像左上角）后，圆盘移动到测试颜色的位置。根据冰球的正确颜色，它将在库存中移动到正确的位置。所有内容都以节点红色连续同步。为了对所有相关状态进行绝对控制，还创建了事件，这些事件可以发送电子邮件，例如在发生报警状态（图像的右上角）时。在适当的库存位置，通过指示器显示冰球计数器的结果，指示器还检测
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