基于邊緣計算網關的云平臺設計及應用

范曉陽 張立浩 李家旭

摘?要：基于一條直動式限位開關生產線，利用通訊設備與網絡平臺，搭建一套完整的網絡體系，使工業生產的應用層數據可以穩定的與網絡層云平臺進行數據交互。通過采集現場數據傳輸到云平臺，工程師可通過移動端APP進行數據監控與處理，從而提高信息利用率，生產安全性，以及產品智能化生產。智能網關實現工業以太網和Internet兩種網絡的互聯。在智能網關中安裝基于Linux開發的操作系統，實現PLC數據與云平臺數據的映射。智能網關通過Internet網絡將自動化層的數據映射到云平臺;云平臺的各種云應用，例如Web端、移動客戶端等，通過Internet網絡與云平臺的數據實現映射。

關鍵詞：邊緣計算網關;工業云平臺;消息隊列遙測傳輸;物聯網

1 引言

目前，工業領域正處于第四次革命，也稱作工業4.0。工業4.0旨在提高工廠自動化程度并使用智能設備，利用所有數據源使工廠的更高效的完成商品生產，使商品生產具有更高的靈活性，既能實現大規模生產，又可實現生產高度定制化，可以使工廠集效率與規模于一身，也能更好地滿足客戶需求。

物聯網技術與邊緣計算技術是工業4.0極其重要的組成部分，將現場設備裝配傳感器，保證其IP地址能夠支持網絡內其他設備的連接，利用這種設備與網絡的連接可以收集、分析和交換大量有價值的數據。目前工廠內許多數據需要滿足在邊緣位置進行分析處理，這意味著要盡可能縮短數據傳輸的響應時間，例如涉及到安全質量等問題時，需要對設備進行近乎實時同步的控制，若按照傳統方式將數據傳輸至企業云服務器再返回現場設備，過程中可能存在較長延時。邊緣計算還可以將數據保存在現場，提高數據安全性。

2 邊緣計算網關與工業云交互方案

2.1邊緣計算網關

綜合考慮本次設計對于網絡通訊的需求，選用SIMATIC IOT2050作為此系統的邊緣計算網關。通過IOT2050可與 Industrial Edge 平臺、工業物聯網和云端相連接，實現高性能的數據計算，同一系列通訊協議進行轉換，并可對多種程序語言進行預處理。通過邊緣計算網關，完成生產線數據的采集，將數據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至生產線設備，完成生產線的聯網功能，SIMATIC IOT2050使用example image V1.0.2系統版本。系統內置Node-RED工具，使用此工具可進行數據的采集、過程分析與輸出。

2.2工業云平臺組態

SIMATIC IOT2050設備面板的X1 LAN-P2口接入現場端局域網完成實時數據采集，X1 LAN-P1口以DHCP方式接入互聯網以備連接云服務器，以保證內外網隔離。采用騰訊云服務器的物聯網開發平臺實現生產線的云服務器搭建?；贛ySQL 5.7建立數據庫，實現數據存儲和訪問的功能，通過Navicat Premium 15軟件進行數據庫管理。移動端采用微信小程序訪問騰訊云服務器，實時查看生產線設備的各種數據。本方案工業云平臺結構如圖1所示。

3 數據交互方案

現場生產線設備的輸入輸出信號連接至各PLC輸入輸出端子，IOT2050設備通過以太網實時采集PLC變量信號，IOT2050設備與云服務器間、個人終端與云服務器間均采用MQTT協議完成數據交換，數據庫同IOT2050設備通過以太網連接完成歷史數據的存儲與訪問。PLC數據由SIMATIC IOT2050內置Node-RED工具完成采集、處理與傳輸，首先通過contrib-s7節點配置IP地址、機架槽等信息，組態IOT2050與PLC間通訊，通過contrib-qcloud-iotexplorer節點配置三元組信息并訂閱發布topic，組態IOT2050與騰訊云服務器間通訊，通過node-MySQL節點配置IP地址、用戶密碼等信息，組態SIMATIC IOT2050與數據庫間通訊。

通過Function節點將PLC數據解析為騰訊云報文格式與數據庫格式即可完成數據交互，數據上報節點流搭建如圖2所示，以主件供料站為例，數據解析如圖3所示。

4云平臺應用

本方案中，物聯網模塊IOT2050實現了生產線數據的上傳和下發，除了在本地進行現場大屏的展示之外，更主要的是實現各類云平臺應用。本方案中選擇騰訊云作為云服務器，并完成小程序功能開發，可以實現遠程查看生產線工作狀態、遠程下發命令到生產線。

4.1騰訊云物聯網項目配置

在騰訊云物聯網開發平臺中創建項目，完成小程序自定義功能創建、產品展示配置、快捷入口配置，面板配置等操作，可根據生產線不同工作站的情況進行區別開發。本方案小程序項目如圖4所示。

在SIMATIC IOT2050內置Node-RED工具中使用contrib-qcloud-iotexplorer節點配置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網開發平臺對應項目將被激活，完成通訊連接。

4.2移動端數據監控設計

根據前述總體設計，在云平臺數據與IOT2050間實現映射、IOT2050與生產線數據（PLC）間實現映射后，可以開展各種云平臺應用。常見的云平臺應用有基于web端、移動端等方式，本方案設計基于移動端的微信小程序訪問云平臺數據實現遠程監控與控制，管理人員通過掃描二維碼綁定具體設備，小程序分為設備總覽界面與生產線詳情界面，進入設備詳情界面即可監控各工作站工作狀態。為實現管理人員遠程監控生產線具體信息，并針對總體生產線或具體工作站進行控制，本方案將設備信息分為工作站IO狀態監控和生產線數據統計兩類畫面，管理人員可進入具體工作站監控界面，此界面將監控工作站各IO狀態，同樣可以對工作站個別變量進行控制;管理人員也可以進入生產線總覽界面對生產線統計數據進行查看，對生產計劃等數據做出調整，如圖5所示。810809B7-C3AC-43E1-85FA-04ED8058FCD0

在生產線管理系統中，重要事件發生后需要管理人員來及時做出決策，本方案設計可通過多種方式對管理人員通知告警，有效提升事件處理效率，減少人員疏忽導致事件處理滯后的概率。通過騰訊物聯網開發平臺進行數據流開發，實現重要事件告警提示，并顯示在移動端屏幕上，部分數據流開發如圖6所示。

5結束語

本設計為一條直動式限位開關生產線進行了工業云平臺搭建與應用開發，利用邊緣計算網關SIMATIC IOT2050將工業以太網和Internet兩種網絡進行互聯，利用Node-RED完成過程數據分析，云端服務器采用騰訊云服務器，數據庫基于MySQL5.7進行本地部署，移動端使用騰訊連連APP完成終端部署，經調試SIMATIC IOT2050通過工業以太網成功采集現場PLC數據，SIMATIC IOT2050與騰訊云服務器之間上報下發數據功能正常，移動端應用數據監控符合實際數據。實現了生產線云平臺的搭建，通過從現場生產線收集到的數據與企業運營數據相結合，工廠可以實現信息高度透明化、可視化，利用這些數據可以使工廠完成智能化的決策。

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