基于PCS7的四容水箱控制仿真系統與云平臺的通訊

劉昊

1 工業云的發展

云計算、大數據將成為未來10年乃至更長時間新一代信息技術和產業的關鍵和核心，其和移動互聯網、物聯網等其他新一代信息技術一起正驅動互聯網向傳統工業制造業滲透，推動互聯網企業和傳統工業企業融合發展，并作為現代服務業的有機組成部分，不斷與新業務形態、新商業模式互動融合，催生新產品、新技術、新模式。工業云通常指基于云計算架構的工業云平臺和基于工業云平臺提供的工云服務，涉及產品研發設計、實驗和仿真、工程計算、工藝設計、加工制造及運營管理等諸多環節。工業云基于云計算技術架構，使工業設計和制造、生產運營管理等工具大眾化、簡潔化、透明化，通過工業云計算服務，可大幅提升工業企業全要素勞動生產率。

2 四容水箱的仿真系統在PCS7系統上的實現

本文所使用的控制器是西門子S7300 PLC，其配套的上位機軟件為STEP7，STEP7是一款用于SIMATIC 57300/40GPLC組態及編程的標準軟件，用戶可以使用梯形圖邏輯、功能塊圖、語句表進行程序的編譯。同時為用戶提供了在線診斷、實時在線監測等功能。

首先要進行的是硬件組態。硬件組態就像是一座橋梁，連接上位機與S7300 PLC，進行硬件組態是要將CPU型號，數字量的輸入輸出、模擬量的輸入輸出、電源信息等進行配置，給模塊分配相應的物理地址。在STEP7中進入硬件組態，本文所用的S7300 PLC的CPU型號為“CPU 3152PN/DP”，PN/IO中的PLC的IP地址為192.168.2.4，模擬量輸入為AI8×12Bit，輸入為超聲波傳感器測量的液位值，因此參數配置時測量范圍為4～20mA，模擬量輸出為A08×12Bit，輸出為給電機的電壓信號，因此參數配置為1～5V。

基于PCS7控制仿真的基礎上，通過Profinet將PLC中的實時數據傳輸到網關當中，并在網關中通過赫優訊網關的NODERED工作區間對節點進行編程組態，在通過MQTT協議與阿里云對接，最后在阿里云平臺上對數據做進一步的分析處理。

3 MQTT連接使用說明

首先注冊阿里云賬號開通物聯網套件項目，登錄控制臺創建項目。初步進入控制臺后，需要創建產品。點擊創建產品。產品相當于某一類設備的集合，用戶可以根據產品管理其設備等。

產品名稱：對產品命名，例如可以填寫產品型號。產品名稱在賬號內保持唯一。

productKey：阿里云IoT為產品頒發的全局唯一標識符

設備：指不能掛載子設備的設備，這種設備可以直連IoT Hub，也可以作為網關的子設備連接。

網關：指可以掛載子設備的直連設備，網關具有子設備管理模塊，維持子設備的拓撲關系，并且可以將拓撲關系同步到云端

創建完產品之后，可以為該產品添加設備。進入產品管理頁面下的設備管理，點擊“添加設備”。用戶可以自定義設備名稱，這個名稱即可作為設備唯一標識符，用戶可以基于該設備名稱與IoT Hub進行通信，需要指出的是，用戶需要保證設備名稱產品內唯一。

設備證書：添加設備之后，物聯網套件為設備頒發的唯一標識符，設備證書用于設備認證以及設備通信。

基于TCP連接：阿里云使用MQTT基于TCP的連接方式有兩種：

（1）MQTT客戶端域名直連（資源受限設備推薦）

（2）先HTTPS發送授權后再連接MQTT（一些特殊增值服務，比如設備級別的引流）

根據本課題的情況使用第一種連接方式進行通信。根據阿里云提供的官方文檔說明，需要設備的productKey、deviceName、deviceSecret、clientId。四種參數提供給MQTT以進行連接。

如果clientId = 12345，deviceName = device， productKey = pk， timestamp = 789，signmethod=hmacsha1，deviceSecret=secret，那么使用tcp方式提交給mqtt參數分別如下：

mqttclientId=12345|securemode=3，signmethod=hmacsha1，timestamp=789|

username=device&pk

Password=通過哈希加密算法計算出來的密碼。設備的productKey和用于加密的deviceSecret可以在控制臺的設備詳情中查看。productKey和deviceName在控制臺中創建項目時由阿里云自動提供以作為設備的唯一標識。

到此我們已經得到了用于MQTT協議的所有參數：

productKey：F7PdPm8hkHj 、deviceName：hilscherTIB100

deviceSecret：9GnITgl6AlxOa3M5uft1ztI1gYF5qRp8、clientId：12345、timestamp：隨便設置一個3位數

根據以上信息可以得到哈希加密算法的銘文是：

clientId12345deviceNamehilscherTIB100productKeyF7PdPm8hkHjtimestamp789

帶入到哈希加密計算公式中得到用于網關中的密碼為：

a025f3a1cd250027c4b3f899b7ba91af55dbf97b

將上述參數填入到赫優訊網關的MQTT節點中。點擊連接，可以在阿里云控制臺端看到設備的上線日志。證明通信成功。

4 結語

（1）本文首先通過在西門子PCS軟件中對四容水箱的控制系統進行組態仿真，實現了對水箱水位的實時監控和控制。

（2）通過阿里云平臺與物聯網通訊協議MQTT以及工業網關把PLC中的數據實時的傳輸到了云平臺中，可以高效、便捷的對工業控制器的數據進行處理和分析。

參考文獻：

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