MQTT 賦能工業 PLC 數據采集與應用

洞察基

MQTT 協議概述

MQTT 是用于物聯網的標準消息傳遞協議。它被設計為一種非常輕量級的發布/訂閱消息傳送，非常適合以較小的代碼占用量和網絡帶寬連接遠程設備。MQTT 協議具有以下特點：

• 輕巧高效：MQTT 客戶端非常小，需要設備資源少。MQTT 消息頭很小，可以優化網絡帶寬。
• 雙向通訊：MQTT 允許設備到云之間以及云到設備之間的消息傳遞。
• 可靠的消息傳遞：MQTT 具有3種定義的服務質量級別：0-最多一次，1-至少一次，2-恰好一次，可根據業務場景保證消息傳遞的可靠性。
• 支持不可靠網絡：許多物聯網設備通過不可靠的蜂窩網絡進行連接。MQTT 對持久性會話的支持減少了將客戶端與代理重新連接的時間。
• 安全：MQTT 使您可以輕松地使用 TLS 加密消息并使用現代身份驗證協議（例如OAuth）對客戶端進行身份驗證。
  

如今，MQTT 被廣泛應用于汽車、制造業、電信、石油和天然氣等行業。

本系列文章將詳細解讀 MQTT 協議在各行業實際應用場景中是如何發揮作用的。

當前的工業 PLC 數據采集

PLC 即可編程邏輯控制器，是工業自動化領域的核心設備，廣泛應用于各個工業領域。從 PLC 問世至今，一直表現出強大的生命力和高速增長態勢，2020 年全球 PLC 市場的銷售量已經達到了百億 RMB 級別。

德國產業界將 PLC 在生產工藝自動化過程中的廣泛應用定義為「工業 3.0」，其代表了各類數控機床、工業機器人等單機自動化設備在生產環節的推廣及應用。而將無處不在的傳感器、PLC、智能控制系統、通信設施通過 ICT 技術形成一個智能網絡，使人與人、人與機器、機器與機器及服務與服務之間能夠互聯，則是「工業 4.0」的核心要義。人、物、數據通過物聯網技術進行流程再造，由單機智能升級為萬物互聯的智能。

實現工業場景下的萬物互聯離不開對工業自動化設備的數據采集。其中 PLC 常用的工業現場總線協議就多達數十種，此外各大 PLC 廠商基本都有各自的私有總線協議。由于現場總線種類繁多各異，傳統的工業 PLC 數據采集一般通過在設備側部署邊緣網關的方式進行：使用邊緣網關將各類協議統一，再將 PLC 數據采集及匯聚，轉發到 IoT 平臺，以此實現設備間的數據互聯。

然而，基于邊緣網關的數據采集方式，存在以下不足：

• 需要部署邊緣網關硬件，并進行軟件配置，需要投入額外的成本。
• 邊緣網關數據采集頻率只能達到秒級，大部分邊緣網關上報物聯網平臺的數據格式無法修改。
• PLC 與邊緣網關間通訊出現問題，會造成數據采集缺失，無法為高級應用提供有效數據支撐。
  

新趨勢：PLC 集成 MQTT 協議

隨著物聯網、大數據及人工智能的迅速發展，自動化廠商也在加速推進物聯網戰略，推出各自的 IoT 和數字化解決方案。作為主流物聯網協議的 MQTT 協議成為各自動化設備廠商關注的重點。為了加速實現互聯互通的工業物聯網，各大廠商紛紛開始在 PLC 中集成 MQTT 協議，以方便 PLC 數據的采集。

以幾個主流廠商為例：

• 西門子已經將 MQTT 客戶端功能封裝成 PLC 的庫文件，通過西門子 S7-1200、S7-1500 可以實現基于 MQTT 3.1.1 協議的數據上報，完成 PLC 與 MQTT 消息服務器的輕松連接。
• 德國倍福推出了 TF6701 IOT 通訊庫，通過 MQTT 協議可以將 PLC 數據直接發往各大公有云 IoT 平臺以及 MQTT 消息服務器；TF6701 同時支持將 PLC 中數據封裝成 json 格式，完成數據上報，實現 OT 和 IT 領域的數據格式統一化。
  

圖片來源：https://infosys.beckhoff.com

• 菲尼克斯推出的 PLCnext 開放式控制平臺，操作系統采用 RT-Linux 系統，除了傳統的 PLC 的編程功能，還支持 C、Java、Python、JS 等高級語言編程，讓 PLC 可以通過 MQTT SDK 靈活接入物聯網平臺。
  

一網到底：MQTT 賦能工業數據應用場景

那么在實際的工業場景中，MQTT 協議與 PLC 的結合在數據采集中有哪些優勢呢？

精簡資源配置，采集更便捷

將 MQTT 客戶端集成到 PLC 系統后，傳統的自動化工程師通過自己擅長的梯形圖、功能塊圖編程即可實現設備的數據采集和上報，無需采購邊緣網關，更不需要關心邊緣網關的接線及軟件配置工作。

毫秒級時間戳，數據點信息更精確

傳統的邊緣網關數據采集方式，大部分網關設備通過輪詢獲取 PLC 數據，采集精度可以達到秒級。基于 MQTT 和 PLC 融合的方式，數據點可以結合精確到 1 毫秒級的時間戳，通過 MQTT 協議實現工業數據的實時上報。此外，通過 NTP 或者 IEEE 1588 服務器可以對所有 PLC 設備進行時鐘同步，保證智慧工廠、產線等各類生產環節的 PLC 設備具有同一的時間基準，各類智能設備具備時鐘同步性，為后續的大數據分析挖掘提供高效的數據支撐。

數據點靈活配置，上報格式更統一

傳統的邊緣網關數據采集方式，網關設備通過現場總線驅動讀取 PLC 寄存器數據，需要根據 PLC 點位數據類型配置數據點參數，然后數據以固定的 json 格式上報 MQTT 服務器。MQTT 與 PLC 融合，可支持在 PLC 中靈活配置數據點，并通過 json 格式數據上報，實現 OT 和 IT 領域的數據格式統一化。

基于以上優勢，使用 MQTT 進行數據采集與數據上云的 PLC 逐漸被廣泛應用到各個工業場景中。

海量數據全面感知：傳動鏈部件預測性維護

當前，新一輪科技革命和產業變革蓬勃興起，工業生產逐漸成為了人工智能的重點探索方向，工業智能發展的前提是海量數據的全面實時感知。MQTT 與 PLC 在工業現場的融合，完成了高精度數據的實時采集，在云端結合諸如 EMQX 這類具備高吞吐、低延時特性的物聯網消息中間件，可以實進一步現海量工業數據的實時移動、處理、分析及存儲，為工業智能的應用夯實了底層基座。在風電行業，通過實時采集風機傳動鏈狀態監測系統 (CMS) 的振動數據和風機 SCADA 系統的工況運行數據，兩者進行融合分析，建立風機傳動鏈部件的早期失效預警模型，可以及時預警核心部件的早期失效、采取積極預防措施，降低風機核心部件發生重大故障的概率，避免大部件維修成本及其他各項損失。

提高設備利用率：遠程設備診斷

由于 PLC 集成了 MQTT，每個 PLC 掃描周期的數據點可以結合時間戳打包發往 MQTT 消息中間件 EMQX，通過 EMQX 內置的規則引擎，將數據存儲到時序數據庫。結合豐富的可視化工具，可以實現云端的軟件示波器功能，幫助工程師遠程快速定位現場設備故障，降低設備停機時間，提升設備利用率。

決策優化：電網智能調度

基于物聯網的全面感知，結合云端的數據分析和建模，最終要形成決策優化的應用閉環，自下而上的信息流和自上而下的決策流將共同構成工業智能應用的核心鏈路。MQTT 與 PLC 在工業現場的融合，無需邊緣網關及協議轉換，實現了真正的一網到底，在數據中心到工業現場之間，構筑了一條安全、穩定、低時延的通訊鏈路。在新能源發電領域，MQTT 低時延的通訊鏈路直達 PLC，可以在發電側快速響應調度層的電網調頻、無功補償等指令，推進電網的智能化發展。

圖片來源：《工業互聯網體系架構 2.0 報告》

可以看到，集成了 MQTT 協議的 PLC 將使工業數據采集場景變得更加簡單高效。結合服務器端或者云端的高性能 MQTT 消息中間件，工業生產數據更得以輕松上云，使其價值得到充分的發揮。

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