基于邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的云平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

范曉陽 張立浩 李家旭

摘?要：基于一條直動(dòng)式限位開關(guān)生產(chǎn)線，利用通訊設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，搭建一套完整的網(wǎng)絡(luò)體系，使工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定的與網(wǎng)絡(luò)層云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，工程師可通過移動(dòng)端APP進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理，從而提高信息利用率，生產(chǎn)安全性，以及產(chǎn)品智能化生產(chǎn)。智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)和Internet兩種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。在智能網(wǎng)關(guān)中安裝基于Linux開發(fā)的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)與云平臺(tái)數(shù)據(jù)的映射。智能網(wǎng)關(guān)通過Internet網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化層的數(shù)據(jù)映射到云平臺(tái);云平臺(tái)的各種云應(yīng)用，例如Web端、移動(dòng)客戶端等，通過Internet網(wǎng)絡(luò)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)映射。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān);工業(yè)云平臺(tái);消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸;物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

目前，工業(yè)領(lǐng)域正處于第四次革命，也稱作工業(yè)4.0。工業(yè)4.0旨在提高工廠自動(dòng)化程度并使用智能設(shè)備，利用所有數(shù)據(jù)源使工廠的更高效的完成商品生產(chǎn)，使商品生產(chǎn)具有更高的靈活性，既能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，又可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高度定制化，可以使工廠集效率與規(guī)模于一身，也能更好地滿足客戶需求。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與邊緣計(jì)算技術(shù)是工業(yè)4.0極其重要的組成部分，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備裝配傳感器，保證其IP地址能夠支持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他設(shè)備的連接，利用這種設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接可以收集、分析和交換大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)。目前工廠內(nèi)許多數(shù)據(jù)需要滿足在邊緣位置進(jìn)行分析處理，這意味著要盡可能縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫?yīng)時(shí)間，例如涉及到安全質(zhì)量等問題時(shí)，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)同步的控制，若按照傳統(tǒng)方式將數(shù)據(jù)傳輸至企業(yè)云服務(wù)器再返回現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，過程中可能存在較長(zhǎng)延時(shí)。邊緣計(jì)算還可以將數(shù)據(jù)保存在現(xiàn)場(chǎng)，提高數(shù)據(jù)安全性。

2 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)與工業(yè)云交互方案

2.1邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)

綜合考慮本次設(shè)計(jì)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通訊的需求，選用SIMATIC IOT2050作為此系統(tǒng)的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)。通過IOT2050可與 Industrial Edge 平臺(tái)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云端相連接，實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)計(jì)算，同一系列通訊協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并可對(duì)多種程序語言進(jìn)行預(yù)處理。通過邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，完成生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)解析后傳輸至不同終端，同樣也可以接收來自各終端的控制信息下發(fā)至生產(chǎn)線設(shè)備，完成生產(chǎn)線的聯(lián)網(wǎng)功能，SIMATIC IOT2050使用example image V1.0.2系統(tǒng)版本。系統(tǒng)內(nèi)置Node-RED工具，使用此工具可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、過程分析與輸出。

2.2工業(yè)云平臺(tái)組態(tài)

SIMATIC IOT2050設(shè)備面板的X1 LAN-P2口接入現(xiàn)場(chǎng)端局域網(wǎng)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，X1 LAN-P1口以DHCP方式接入互聯(lián)網(wǎng)以備連接云服務(wù)器，以保證內(nèi)外網(wǎng)隔離。采用騰訊云服務(wù)器的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的云服務(wù)器搭建?；贛ySQL 5.7建立數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問的功能，通過Navicat Premium 15軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理。移動(dòng)端采用微信小程序訪問騰訊云服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)線設(shè)備的各種數(shù)據(jù)。本方案工業(yè)云平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)交互方案

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線設(shè)備的輸入輸出信號(hào)連接至各PLC輸入輸出端子，IOT2050設(shè)備通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)采集PLC變量信號(hào)，IOT2050設(shè)備與云服務(wù)器間、個(gè)人終端與云服務(wù)器間均采用MQTT協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)庫同IOT2050設(shè)備通過以太網(wǎng)連接完成歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問。PLC數(shù)據(jù)由SIMATIC IOT2050內(nèi)置Node-RED工具完成采集、處理與傳輸，首先通過contrib-s7節(jié)點(diǎn)配置IP地址、機(jī)架槽等信息，組態(tài)IOT2050與PLC間通訊，通過contrib-qcloud-iotexplorer節(jié)點(diǎn)配置三元組信息并訂閱發(fā)布topic，組態(tài)IOT2050與騰訊云服務(wù)器間通訊，通過node-MySQL節(jié)點(diǎn)配置IP地址、用戶密碼等信息，組態(tài)SIMATIC IOT2050與數(shù)據(jù)庫間通訊。

通過Function節(jié)點(diǎn)將PLC數(shù)據(jù)解析為騰訊云報(bào)文格式與數(shù)據(jù)庫格式即可完成數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)上報(bào)節(jié)點(diǎn)流搭建如圖2所示，以主件供料站為例，數(shù)據(jù)解析如圖3所示。

4云平臺(tái)應(yīng)用

本方案中，物聯(lián)網(wǎng)模塊IOT2050實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)，除了在本地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大屏的展示之外，更主要的是實(shí)現(xiàn)各類云平臺(tái)應(yīng)用。本方案中選擇騰訊云作為云服務(wù)器，并完成小程序功能開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看生產(chǎn)線工作狀態(tài)、遠(yuǎn)程下發(fā)命令到生產(chǎn)線。

4.1騰訊云物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目配置

在騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)中創(chuàng)建項(xiàng)目，完成小程序自定義功能創(chuàng)建、產(chǎn)品展示配置、快捷入口配置，面板配置等操作，可根據(jù)生產(chǎn)線不同工作站的情況進(jìn)行區(qū)別開發(fā)。本方案小程序項(xiàng)目如圖4所示。

在SIMATIC IOT2050內(nèi)置Node-RED工具中使用contrib-qcloud-iotexplorer節(jié)點(diǎn)配置ID、名稱、密鑰三元組信息以及Topic信息，配置正確后騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)對(duì)應(yīng)項(xiàng)目將被激活，完成通訊連接。

4.2移動(dòng)端數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)計(jì)

根據(jù)前述總體設(shè)計(jì)，在云平臺(tái)數(shù)據(jù)與IOT2050間實(shí)現(xiàn)映射、IOT2050與生產(chǎn)線數(shù)據(jù)（PLC）間實(shí)現(xiàn)映射后，可以開展各種云平臺(tái)應(yīng)用。常見的云平臺(tái)應(yīng)用有基于web端、移動(dòng)端等方式，本方案設(shè)計(jì)基于移動(dòng)端的微信小程序訪問云平臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，管理人員通過掃描二維碼綁定具體設(shè)備，小程序分為設(shè)備總覽界面與生產(chǎn)線詳情界面，進(jìn)入設(shè)備詳情界面即可監(jiān)控各工作站工作狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)線具體信息，并針對(duì)總體生產(chǎn)線或具體工作站進(jìn)行控制，本方案將設(shè)備信息分為工作站IO狀態(tài)監(jiān)控和生產(chǎn)線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)兩類畫面，管理人員可進(jìn)入具體工作站監(jiān)控界面，此界面將監(jiān)控工作站各IO狀態(tài)，同樣可以對(duì)工作站個(gè)別變量進(jìn)行控制;管理人員也可以進(jìn)入生產(chǎn)線總覽界面對(duì)生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃等數(shù)據(jù)做出調(diào)整，如圖5所示。810809B7-C3AC-43E1-85FA-04ED8058FCD0

在生產(chǎn)線管理系統(tǒng)中，重要事件發(fā)生后需要管理人員來及時(shí)做出決策，本方案設(shè)計(jì)可通過多種方式對(duì)管理人員通知告警，有效提升事件處理效率，減少人員疏忽導(dǎo)致事件處理滯后的概率。通過騰訊物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)流開發(fā)，實(shí)現(xiàn)重要事件告警提示，并顯示在移動(dòng)端屏幕上，部分?jǐn)?shù)據(jù)流開發(fā)如圖6所示。

5結(jié)束語

本設(shè)計(jì)為一條直動(dòng)式限位開關(guān)生產(chǎn)線進(jìn)行了工業(yè)云平臺(tái)搭建與應(yīng)用開發(fā)，利用邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)SIMATIC IOT2050將工業(yè)以太網(wǎng)和Internet兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，利用Node-RED完成過程數(shù)據(jù)分析，云端服務(wù)器采用騰訊云服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫基于MySQL5.7進(jìn)行本地部署，移動(dòng)端使用騰訊連連APP完成終端部署，經(jīng)調(diào)試SIMATIC IOT2050通過工業(yè)以太網(wǎng)成功采集現(xiàn)場(chǎng)PLC數(shù)據(jù)，SIMATIC IOT2050與騰訊云服務(wù)器之間上報(bào)下發(fā)數(shù)據(jù)功能正常，移動(dòng)端應(yīng)用數(shù)據(jù)監(jiān)控符合實(shí)際數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線云平臺(tái)的搭建，通過從現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線收集到的數(shù)據(jù)與企業(yè)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，工廠可以實(shí)現(xiàn)信息高度透明化、可視化，利用這些數(shù)據(jù)可以使工廠完成智能化的決策。

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