工廠的 PLC 怎麽連線物聯網？有沒有成熟的產品？

這個問題看似簡單，卻不好回答，因為技術上都可以實作，一旦要結合實際套用，尤其是工業環境真實工程中plc將各種傳感器接入雲端，在適用的基礎上做到經濟，安全，高效，做到可實施可預期並不容易，這個過程本身就是一種創新。套用的產品也是創新型的，一個好的產品並不是只考慮技術因素，還要考慮各種約束條件，可預期性，可行性，經濟性等。

透過題主的問題，也反映出題主真正關心的是我們的智慧制造如何落地，我們的工業物聯網產品，何時能像舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家。惠及大眾的產品才是真正成熟的產品。

在講產品和方法之前，我想先思考一下：

工業物聯網的意義何在？

先說物聯網概念，參照百度百科的內容：

物聯網為什麽重要？當下電腦技術，網路技術，分布式，虛擬化，數據儲存等等技術大發展，計算能力越來越強，人對這個世界的感知有了更高的追求，形成以iot物聯網，雲端運算，大數據，人工智慧技術為發展脈絡的完整體系，物聯網iot完成建模和數位化，透過雲平台將數據采集到雲端形成大數據，透過對大數據的統計分析和模型學習，形成人預期的效果反過來指導裝置執行。

理解整個脈絡背景就像理解一個人和這個世界的關系，

首先要學會認知（Learn to know），對應的就是物接入，物解析，物模型的建立，各種協定辨識，物件定義，對現實進行數位化的過程。

其次學會做（Learn to do），設計的工藝模型，執行機構不斷的去做，按照工藝設計的要求完成一個完整動作或流程，並且在過程中不斷的收集傳感器數據。

學會賦能洞察自主判斷（Learn to be）在傳感器數據的基礎上，不斷的學習改進，有了新的洞察，產生新的價值，像人一樣的完成各種設計任務。但是目前幾乎所有的任務，人無法完成的，人工智慧來完成也是不太可能的，只是人工智慧更不容易犯錯，更不知疲倦，將人從繁瑣重復的勞動中解脫了出來。

學會共存（Learn to live together）人和人工智慧和這個世界萬物和諧共存，共同發展，萬物互聯，和諧世界，虛擬現實，混合現實。實作數位化孿生，虛實的平衡。可能話題有點大，有點哲學，但很多真諦其實就是這麽簡單。

在百度百科物聯網嵌入式系統技術中這樣描述：如果把物聯網用人體做一個簡單比喻，傳感器相當於人的眼睛、鼻子、皮膚等感官，網路就是神經系統用來傳遞資訊，控制系統則是人的大腦，在接收到資訊後要進行分類處理並反饋給身體的各個部位。

這樣的描述也體現了物聯網和人的思考行為方式原理都是一樣的，是符合自然和社會發展規律的。物聯網iot在整個社會發展環節中起了基礎作用，沒有可感知的世界，就無法認識和改變世界。所以在不斷的發展行程中我們需要有更多的傳感器，有統一的網路，有快速智慧的控制系統等。

一般大家都知道IT指的是資訊科技（Information Technology），當人工智慧興起IT代表智慧技術（Intelligent Technology）,但是200年前IT指的是工業技術（Industrial Technology），工業是這個決定這個世界的物質基礎的，物質基礎決定上層建築。今天我們講智慧制造，產業升級都是為了更好的提升綜合國力，更好的實作中國夢，所以也希望大家多多關心我們的實業多多關心工業制造業。

而工業物聯網（IIOT）就是要在物聯網的基礎上結合工業的特點，完成智慧制造，產業升級。 實際的生產和實驗室實驗是完全不同的，滿足技術要求的同時還要穩定可靠，經濟可實施。

參照自新聞聯播及網易航空

圖1 C919機翼測試

回到實際工業生產中，物聯網套用具體又是如何操作的呢？整個PLC完成數據采集，傳輸，雲端儲存，趨勢分析等整個鏈條是怎樣的呢？

首先要了解西門子產品組合，均擁有所有四個核心元素，第一個數位化企業套件，第二個工業通訊，第三個工業安全，第四個工業服務。

透過這四個核心元素使得客戶可以投資於面向未來的解決方案，逐步實作工業4.0。

數位化企業套件透過數位化企業套件（DES），西門子基於一個統一的數據模型Teamcenter，整合了產品生命周期管理（PLM）、制造營運管理（MOM）和全整合自動化（TIA），並連線至基於雲的開放式物聯網作業系統MindSphere，

看一下具體的產品是如何體現這4個核心元素的，PLC ，物聯網閘道器，高速采集介面，工業開放式物聯網雲平台，一個完整鏈條將這四大塊貫穿起來，背後還有專業的工業通訊OPC UA通訊協定，西門子透過「縱深防禦」理念的工業安全，和7*24小時的工業服務，因為工業開放式物聯網雲平台MindSPhere明年才能正式落地中國，我先介紹一下涉及前面的三個部份產品和一些相關套用。

圖2 PLC數據到物聯網雲平台流程

第一部份以西門子的S7-1500 PLC為主要介紹物件

西門子S7-1500 PLC

圖3 西門子 S7-1500系列 PLC

S7-1500全系列PLC 都整合了OPC UA Server，首先介紹一下OPC UA是什麽，

OPC UA（OPC Unified Architecture）是指OPC統一體系架構，是一種基於服務的、跨越平台的解決方案。

參照OPC基金會的描述：

OPC是自動化行業及其他行業用於數據安全交換時的互操作性標準。它獨立於平台，並確保來自多個廠商的裝置之間資訊的無縫傳輸，OPC基金會負責該標準的開發和維護。

OPC標準是由行業供應商，終端使用者和軟體開發者共同制定的一系列規範。這些規範定義了客戶端與伺服器之間以及伺服器與伺服器之間的介面，比如存取即時數據、監控報警和事件、存取歷史數據和其他應用程式等，都需要OPC標準的協調。

OPC標準於1996年首次釋出，其目的是把PLC特定的協定（如Modbus，Profibus等）抽象成為標準化的介面，作為「中間人」的角色把其通用的「讀寫」要求轉換成具體的裝置協定，反之亦然，以便HMI/SCADA系統可以對接。這也因此造就了整個行業內手工作坊的蓬勃興起，透過使用OPC協定，終端使用者就可以毫無障礙地使用最好的產品來進行系統操作。

最初，OPC標準僅限於Windows作業系統。因此，OPC是OLE for Process Control的縮寫（中文意思：用於過程控制的OLE）。我們所熟知的OPC規範一般是指OPC classiC，被廣泛套用於各個行業，包括制造業，樓宇自動化，石油和天然氣，可再生能源和公用事業等領域。

隨著在制造系統內以服務為導向的架構的引入，給OPC帶來了新的挑戰，如何重新定義架構來確保數據的安全性？這促使OPC基金會創立了新的架構----OPC UA，用以滿足這些需求。與此同時，OPC UA也為將來的開發和拓展提供了一個功能豐富的開放式技術平台。

參照自http:// opcfoundation.cn/about/ what-is-opc/index.aspx

OPC UA具有如下特點：

1) 擴充套件了OPC的套用平台。傳統的基於COM/DCOM 的OPC技術只能基於Windows作業系統，OPC UA支持拓展到Linux和Unix平台。這使得基於OPC UA的標準產品可以更好地實作工廠級的數據采集和管理；

2) 不再基於DCOM通訊，不需要進行DCOM安全設定；

3) OPC UA定義了統一數據和服務模型，使數據組織更為靈活，可以實作報警與事件、數據存取、歷史數據存取、控制命令、復雜數據的互動通訊；

4) OPC UA比OPC DA更安全。OPC UA傳遞的數據是可以加密的，並對通訊連線和數據本身都可以實作安全控制。新的安全模型保證了數據從原始裝置到MES,ERP系統,從本地到遠端的各級自動化和資訊化系統的可靠傳遞；

5) OPC UA可以穿越防火墻，實作Internet 通訊。

S7-1500 中開啟OPC UA的具體操作見下圖：

圖4在TIA中啟用 OPC UA的伺服器

圖5根據不同的PLC選擇不同的授權

圖6設定伺服端口和參數

圖7 安全策略選擇

圖8使用者名稱密碼設定

西門子高速采集分析工具軟體X-Tools

設定完PLC的OPC UA伺服器，再介紹數據的采集工具X-Tools，

在工業上有了對應的PLC閘道器和協定還是不夠的，還需要滿足高速性和即時性，下面介紹的這款產品是專門實作高速采集和分析的工具合集。

圖9 X-Tools 采集工具

X-Tools支持的采集端非常廣泛，可以將工廠現有裝置中的數據高速采集到物聯網閘道器處

具體的采集數據速度如下：

S7 300/400 PN:
在迴圈中斷中呼叫功能塊 (e.g. OB35) OB35預設是100ms迴圈中斷時間，支持每迴圈712Byte數據傳送(支持178 通道)。

S7 300:
在迴圈中斷中呼叫功能塊 (e.g. OB35) OB35預設是100ms迴圈中斷時間，

支持每迴圈64Byte數據傳送(支持16通道)。

S7 400:
在迴圈中斷中呼叫功能塊 (e.g. OB35) OB35預設是100ms迴圈中斷時間，

支持每迴圈712Byte數據傳送(支持178 通道)。

S7 1200/1500:
在迴圈中斷中呼叫功能塊 (e.g. OB35) OB35預設是100ms迴圈中斷時間，

支持每迴圈712 Byte數據傳送(支持178 通道)。

SIMATIC TDC:
每周期最大250個測量值可被記錄 ION 是 512 Byte.

SIMOTION:
支持171個通道每通道4 Byte總共 684 Byte.

圖10 X-Tools 數據分析

圖11 X-Tools 數據分析

同時還具備對數據進行分析和動態顯示的功能

物聯網閘道器產品之一：SIMATIC IOT2040

圖12 物聯網閘道器IOT2040

改造能力：

使用者可將 SIMATIC IOT2000 方便地整合到現有工廠中。因此，實作對老舊機器裝置進行經濟、安全的徹底改造。各個機器裝置的改造也可逐步進行。久經驗證的 SIMATIC 品質，可確保在苛刻的工業環境中長期穩定執行。

套用範圍廣泛：

機器裝置數據和生產數據的使用開創了大量套用可能性。西門子 MindSphere 工業雲為各工業企業提供了一種基於 SAP HANA 的開放架構，支持創新的數位化服務。從而，可采用 SIMATIC IOT2000 實作生產與基於雲的數據分析之間的連結。

機器裝置預防性維護即是這樣一個範例：基於相關指標評估，及早發現即將出現的磨損；從而可以高效地將代價高昂的生產裝置停機時間降低至最小。SIMATIC IOT2000 采集、保存相關數據並行送給基於雲的分析工具，從而實作現有工廠的預防性維護。

具體客戶生產需求的實作需要 ERP 系統至生產系統的直接訂單資料通訊。這種通訊意味著，可在相應生產場所自動獲得客戶對配置或包裝的特定需求。SIMATIC IOT2000，可連線至 ERP 系統，並與自動化元件進行相應通訊；從而加快生產流程，避免錯誤，提高訂單處理的透明性。

具體操作：

SIMATIC IOT2040線上前首先需要準備三個軟體分別為：

參考文件：

圖13物聯網閘道器IOT2040 編程界面

想在SIMATIC IOT2040上執行 OPC UA，和西門子s7協定還需要單獨安裝，安裝成功後在Node-RED界面右邊會有相應的選項。

圖14物聯網閘道器讀取S7-1500 數據

IOT2000 Node-RED套用例項

圖12物聯網閘道器UI界面顯示S7-1500 數據

顯示S7-1500 傳來的溫度值。

IOT2000 Node-RED S7連線WinCC套用例項

圖13 物聯網閘道器針對S7的套用

當然只看文件是不夠的，還需要了解Linux的操作。

圖14 物聯網閘道器 架構位置

IOT2000 和各種TIA套用的關聯

看完IoT200對接的C#/Java/JS 是不是覺得要學好IOT2000沒點Linux基礎是很困難的。有興趣的朋友在學習Linux之後還可以再學習一下node-red套用。如果覺得咱們工控還是針對工業，學那麽多編程也不一定能把計畫做好，有沒有簡單點的既能用上OPC UA·協定，又能很好的對應工程建模呢？看看下面的這款工具能不能滿足你的需要。

OPC UA的 建模工具：

獨立於平台的 OPC UA 協定采用配套規範擴充套件，可極大地促進跨制造商通訊的標準化行程並減少實施工作量。

公司和組織可使用 OPC UA 通訊協定為 OPC UA 資訊模型建立其自己的標準。使用者可使用這些功能生成標準化的伺服器介面。要與系統或系統部件進行通訊，OPC UA 客戶端僅需了解定義的標準，而無需考慮系統及其裝置的詳細資訊。

許多組織和協會已經針對行業特定系統和解決方案對 OPC UA 資訊模型實施標準化。其中包括以下組織，例如：

借助免費的「西門子 OPC UA 建模編輯器」(SiOME) 工具，我們已建立一個用於定義使用者自己的 OPC UA 資訊模型或將現有配套規範對映到 SIMATIC PLC 的編輯器。使用此工具，可將資訊模型匯入和編輯為 XML 檔，或生成和匯出個人化模型。

圖15 SiOME使用

圖16 資訊模型的匯入

透過SiOME工具匯出個人化模型。有興起的使用者可以去西門子全球技術資源庫中搜尋這款免費軟體，前提需要先註冊哦，此款軟體需要申請透過才能下載。

使用者的真實需求及成功案例

工業物聯網是一個大戰略，很多企業都看到了發展趨勢，都想從數位化轉型中完成產業升級，從數據中發掘價值。但真正做起來又困難重重，面對已經存在的落後產能，有些工廠連自動化還沒有實作，盲目跨越發展，很可能步子太大反而連投資都收不回來。

有些企業還在觀望真正的成熟方案，很怕技術發展太快,跟不上未來新的技術發展,遲遲不能動手升級，這樣的企業，我覺得一定要認識清楚我們的智慧制造工業物聯網一定是一張藍圖繪到底的，不能再猶豫，只有擁抱數位化才有未來。下面可以參考一下使用西門子的軟體和硬體實作數位化轉型的成功案例:

案例1：瑪莎拉蒂公司為其工廠配備了西門子技術，從產品設計到服務均為完美之選。透過整合，開發時間縮短30％，且整體上市時間從30個月縮短至16個月。盡管具有多達70,000個可能的版本、顏色和其他配置選項組合，但汽車產量卻增加了3倍。

案例2：火星車計畫，西門子軟體協助美國國家航空暨太空總署（NASA）開發「好奇號」火星探測車。極具挑戰性的環境所需要的功能透過高級仿真模型實施——首先進行虛擬開發和測試，然後構建。

案例3：艾斯曼（一家中型德國公司）西門子PLC及軟體被用於汽車行業浸塗生產線的建設和模擬。提供必要的工藝參數，以便對這座綜合工廠進行最佳化編程——三根用於各類車身驅動、提升和旋轉運動的軸線，以及傾斜曲線。

案例4：Amberg透過使用西門子軟體及產品，發展情況如下：

總結一下，PLC如何接入物聯網，有沒有成熟的產品？

1. 工業物聯網的技術大趨勢已經形成，針對的工業套用場合的各種方案，技術實作上已經不是關鍵問題。

2. OPC UA為將來的開發和拓展提供了一個功能豐富的開放式技術平台，成為未來工業物聯網的一個統一基礎，今天做好了OPC UA 的套用，才能為將要到來的OPC UA TSN完成最後的統一做好準備，誰將成為最後的工業物聯網通訊標準讓我們拭目以待。

3.PLC接入物聯網只是工業4.0和智慧制造中的一小步，成熟的產品將會越來越多，當所以的數據都匯聚到雲端，人工智慧發揮巨大作用，這些都已經在發生了，就像一場春雨，隨風潛入夜，潤物細無聲。