MQTT 賦能工業(yè) PLC 數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用

洞察基

MQTT 協(xié)議概述

MQTT 是用于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)消息傳遞協(xié)議。它被設(shè)計(jì)為一種非常輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱消息傳送，非常適合以較小的代碼占用量和網(wǎng)絡(luò)帶寬連接遠(yuǎn)程設(shè)備。MQTT 協(xié)議具有以下特點(diǎn)：

• 輕巧高效：MQTT 客戶端非常小，需要設(shè)備資源少。MQTT 消息頭很小，可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬。
• 雙向通訊：MQTT 允許設(shè)備到云之間以及云到設(shè)備之間的消息傳遞。
• 可靠的消息傳遞：MQTT 具有3種定義的服務(wù)質(zhì)量級(jí)別：0-最多一次，1-至少一次，2-恰好一次，可根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景保證消息傳遞的可靠性。
• 支持不可靠網(wǎng)絡(luò)：許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)不可靠的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。MQTT 對(duì)持久性會(huì)話的支持減少了將客戶端與代理重新連接的時(shí)間。
• 安全：MQTT 使您可以輕松地使用 TLS 加密消息并使用現(xiàn)代身份驗(yàn)證協(xié)議（例如OAuth）對(duì)客戶端進(jìn)行身份驗(yàn)證。
  

如今，MQTT 被廣泛應(yīng)用于汽車、制造業(yè)、電信、石油和天然氣等行業(yè)。

本系列文章將詳細(xì)解讀 MQTT 協(xié)議在各行業(yè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中是如何發(fā)揮作用的。

當(dāng)前的工業(yè) PLC 數(shù)據(jù)采集

PLC 即可編程邏輯控制器，是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的核心設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。從 PLC 問(wèn)世至今，一直表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2020 年全球 PLC 市場(chǎng)的銷售量已經(jīng)達(dá)到了百億 RMB 級(jí)別。

德國(guó)產(chǎn)業(yè)界將 PLC 在生產(chǎn)工藝自動(dòng)化過(guò)程中的廣泛應(yīng)用定義為「工業(yè) 3.0」，其代表了各類數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等單機(jī)自動(dòng)化設(shè)備在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的推廣及應(yīng)用。而將無(wú)處不在的傳感器、PLC、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過(guò) ICT 技術(shù)形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，則是「工業(yè) 4.0」的核心要義。人、物、數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行流程再造，由單機(jī)智能升級(jí)為萬(wàn)物互聯(lián)的智能。

實(shí)現(xiàn)工業(yè)場(chǎng)景下的萬(wàn)物互聯(lián)離不開對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。其中 PLC 常用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議就多達(dá)數(shù)十種，此外各大 PLC 廠商基本都有各自的私有總線協(xié)議。由于現(xiàn)場(chǎng)總線種類繁多各異，傳統(tǒng)的工業(yè) PLC 數(shù)據(jù)采集一般通過(guò)在設(shè)備側(cè)部署邊緣網(wǎng)關(guān)的方式進(jìn)行：使用邊緣網(wǎng)關(guān)將各類協(xié)議統(tǒng)一，再將 PLC 數(shù)據(jù)采集及匯聚，轉(zhuǎn)發(fā)到 IoT 平臺(tái)，以此實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

然而，基于邊緣網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集方式，存在以下不足：

• 需要部署邊緣網(wǎng)關(guān)硬件，并進(jìn)行軟件配置，需要投入額外的成本。
• 邊緣網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集頻率只能達(dá)到秒級(jí)，大部分邊緣網(wǎng)關(guān)上報(bào)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式無(wú)法修改。
• PLC 與邊緣網(wǎng)關(guān)間通訊出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)造成數(shù)據(jù)采集缺失，無(wú)法為高級(jí)應(yīng)用提供有效數(shù)據(jù)支撐。
  

新趨勢(shì)：PLC 集成 MQTT 協(xié)議

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的迅速發(fā)展，自動(dòng)化廠商也在加速推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，推出各自的 IoT 和數(shù)字化解決方案。作為主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的 MQTT 協(xié)議成為各自動(dòng)化設(shè)備廠商關(guān)注的重點(diǎn)。為了加速實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，各大廠商紛紛開始在 PLC 中集成 MQTT 協(xié)議，以方便 PLC 數(shù)據(jù)的采集。

以幾個(gè)主流廠商為例：

• 西門子已經(jīng)將 MQTT 客戶端功能封裝成 PLC 的庫(kù)文件，通過(guò)西門子 S7-1200、S7-1500 可以實(shí)現(xiàn)基于 MQTT 3.1.1 協(xié)議的數(shù)據(jù)上報(bào)，完成 PLC 與 MQTT 消息服務(wù)器的輕松連接。
• 德國(guó)倍福推出了 TF6701 IOT 通訊庫(kù)，通過(guò) MQTT 協(xié)議可以將 PLC 數(shù)據(jù)直接發(fā)往各大公有云 IoT 平臺(tái)以及 MQTT 消息服務(wù)器；TF6701 同時(shí)支持將 PLC 中數(shù)據(jù)封裝成 json 格式，完成數(shù)據(jù)上報(bào)，實(shí)現(xiàn) OT 和 IT 領(lǐng)域的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化。
  

圖片來(lái)源：https://infosys.beckhoff.com

• 菲尼克斯推出的 PLCnext 開放式控制平臺(tái)，操作系統(tǒng)采用 RT-Linux 系統(tǒng)，除了傳統(tǒng)的 PLC 的編程功能，還支持 C、Java、Python、JS 等高級(jí)語(yǔ)言編程，讓 PLC 可以通過(guò) MQTT SDK 靈活接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
  

一網(wǎng)到底：MQTT 賦能工業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景

那么在實(shí)際的工業(yè)場(chǎng)景中，MQTT 協(xié)議與 PLC 的結(jié)合在數(shù)據(jù)采集中有哪些優(yōu)勢(shì)呢？

精簡(jiǎn)資源配置，采集更便捷

將 MQTT 客戶端集成到 PLC 系統(tǒng)后，傳統(tǒng)的自動(dòng)化工程師通過(guò)自己擅長(zhǎng)的梯形圖、功能塊圖編程即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和上報(bào)，無(wú)需采購(gòu)邊緣網(wǎng)關(guān)，更不需要關(guān)心邊緣網(wǎng)關(guān)的接線及軟件配置工作。

毫秒級(jí)時(shí)間戳，數(shù)據(jù)點(diǎn)信息更精確

傳統(tǒng)的邊緣網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集方式，大部分網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)輪詢獲取 PLC 數(shù)據(jù)，采集精度可以達(dá)到秒級(jí)。基于 MQTT 和 PLC 融合的方式，數(shù)據(jù)點(diǎn)可以結(jié)合精確到 1 毫秒級(jí)的時(shí)間戳，通過(guò) MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上報(bào)。此外，通過(guò) NTP 或者 IEEE 1588 服務(wù)器可以對(duì)所有 PLC 設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘同步，保證智慧工廠、產(chǎn)線等各類生產(chǎn)環(huán)節(jié)的 PLC 設(shè)備具有同一的時(shí)間基準(zhǔn)，各類智能設(shè)備具備時(shí)鐘同步性，為后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析挖掘提供高效的數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)據(jù)點(diǎn)靈活配置，上報(bào)格式更統(tǒng)一

傳統(tǒng)的邊緣網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集方式，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線驅(qū)動(dòng)讀取 PLC 寄存器數(shù)據(jù)，需要根據(jù) PLC 點(diǎn)位數(shù)據(jù)類型配置數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)，然后數(shù)據(jù)以固定的 json 格式上報(bào) MQTT 服務(wù)器。MQTT 與 PLC 融合，可支持在 PLC 中靈活配置數(shù)據(jù)點(diǎn)，并通過(guò) json 格式數(shù)據(jù)上報(bào)，實(shí)現(xiàn) OT 和 IT 領(lǐng)域的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化。

基于以上優(yōu)勢(shì)，使用 MQTT 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)上云的 PLC 逐漸被廣泛應(yīng)用到各個(gè)工業(yè)場(chǎng)景中。

海量數(shù)據(jù)全面感知：傳動(dòng)鏈部件預(yù)測(cè)性維護(hù)

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，工業(yè)生產(chǎn)逐漸成為了人工智能的重點(diǎn)探索方向，工業(yè)智能發(fā)展的前提是海量數(shù)據(jù)的全面實(shí)時(shí)感知。MQTT 與 PLC 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的融合，完成了高精度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，在云端結(jié)合諸如 EMQX 這類具備高吞吐、低延時(shí)特性的物聯(lián)網(wǎng)消息中間件，可以實(shí)進(jìn)一步現(xiàn)海量工業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)移動(dòng)、處理、分析及存儲(chǔ)，為工業(yè)智能的應(yīng)用夯實(shí)了底層基座。在風(fēng)電行業(yè)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (CMS) 的振動(dòng)數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī) SCADA 系統(tǒng)的工況運(yùn)行數(shù)據(jù)，兩者進(jìn)行融合分析，建立風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈部件的早期失效預(yù)警模型，可以及時(shí)預(yù)警核心部件的早期失效、采取積極預(yù)防措施，降低風(fēng)機(jī)核心部件發(fā)生重大故障的概率，避免大部件維修成本及其他各項(xiàng)損失。

提高設(shè)備利用率：遠(yuǎn)程設(shè)備診斷

由于 PLC 集成了 MQTT，每個(gè) PLC 掃描周期的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以結(jié)合時(shí)間戳打包發(fā)往 MQTT 消息中間件 EMQX，通過(guò) EMQX 內(nèi)置的規(guī)則引擎，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)合豐富的可視化工具，可以實(shí)現(xiàn)云端的軟件示波器功能，幫助工程師遠(yuǎn)程快速定位現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障，降低設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提升設(shè)備利用率。

決策優(yōu)化：電網(wǎng)智能調(diào)度

基于物聯(lián)網(wǎng)的全面感知，結(jié)合云端的數(shù)據(jù)分析和建模，最終要形成決策優(yōu)化的應(yīng)用閉環(huán)，自下而上的信息流和自上而下的決策流將共同構(gòu)成工業(yè)智能應(yīng)用的核心鏈路。MQTT 與 PLC 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的融合，無(wú)需邊緣網(wǎng)關(guān)及協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了真正的一網(wǎng)到底，在數(shù)據(jù)中心到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)之間，構(gòu)筑了一條安全、穩(wěn)定、低時(shí)延的通訊鏈路。在新能源發(fā)電領(lǐng)域，MQTT 低時(shí)延的通訊鏈路直達(dá) PLC，可以在發(fā)電側(cè)快速響應(yīng)調(diào)度層的電網(wǎng)調(diào)頻、無(wú)功補(bǔ)償?shù)戎噶睿�推進(jìn)電網(wǎng)的智能化發(fā)展。

圖片來(lái)源：《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu) 2.0 報(bào)告》

可以看到，集成了 MQTT 協(xié)議的 PLC 將使工業(yè)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景變得更加簡(jiǎn)單高效。結(jié)合服務(wù)器端或者云端的高性能 MQTT 消息中間件，工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)更得以輕松上云，使其價(jià)值得到充分的發(fā)揮。

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