工厂的 PLC 怎么连接物联网？有没有成熟的产品？

这个问题看似简单，却不好回答，因为技术上都可以实现，一旦要结合实际应用，尤其是工业环境真实工程中plc将各种传感器接入云端，在适用的基础上做到经济，安全，高效，做到可实施可预期并不容易，这个过程本身就是一种创新。应用的产品也是创新型的，一个好的产品并不是只考虑技术因素，还要考虑各种约束条件，可预期性，可行性，经济性等。

透过题主的问题，也反映出题主真正关心的是我们的智能制造如何落地，我们的工业物联网产品，何时能像旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。惠及大众的产品才是真正成熟的产品。

在讲产品和方法之前，我想先思考一下：

工业物联网的意义何在？

先说物联网概念，引用百度百科的内容：

“物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of things（IoT）”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。”

物联网为什么重要？当下计算机技术，网络技术，分布式，虚拟化，数据存储等等技术大发展，计算能力越来越强，人对这个世界的感知有了更高的追求，形成以iot物联网，云计算，大数据，人工智能技术为发展脉络的完整体系，物联网iot完成建模和数字化，通过云平台将数据采集到云端形成大数据，通过对大数据的统计分析和模型学习，形成人预期的效果反过来指导设备运行。

理解整个脉络背景就像理解一个人和这个世界的关系，

首先要学会认知（Learn to know），对应的就是物接入，物解析，物模型的建立，各种协议识别，对象定义，对现实进行数字化的过程。

其次学会做（Learn to do），设计的工艺模型，执行机构不断的去做，按照工艺设计的要求完成一个完整动作或流程，并且在过程中不断的收集传感器数据。

学会赋能洞察自主判断（Learn to be）在传感器数据的基础上，不断的学习改进，有了新的洞察，产生新的价值，像人一样的完成各种设计任务。但是目前几乎所有的任务，人无法完成的，人工智能来完成也是不太可能的，只是人工智能更不容易犯错，更不知疲倦，将人从繁琐重复的劳动中解脱了出来。

学会共存（Learn to live together）人和人工智能和这个世界万物和谐共存，共同发展，万物互联，和谐世界，虚拟现实，混合现实。实现数字化孪生，虚实的平衡。可能话题有点大，有点哲学，但很多真谛其实就是这么简单。

在百度百科物联网嵌入式系统技术中这样描述：如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，控制系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理并反馈给身体的各个部位。

这样的描述也体现了物联网和人的思考行为方式原理都是一样的，是符合自然和社会发展规律的。物联网iot在整个社会发展环节中起了基础作用，没有可感知的世界，就无法认识和改变世界。所以在不断的发展进程中我们需要有更多的传感器，有统一的网络，有快速智能的控制系统等。

一般大家都知道IT指的是信息技术（Information Technology），当人工智能兴起IT代表智能技术（Intelligent Technology）,但是200年前IT指的是工业技术（Industrial Technology），工业是这个决定这个世界的物质基础的，物质基础决定上层建筑。今天我们讲智能制造，产业升级都是为了更好的提升综合国力，更好的实现中国梦，所以也希望大家多多关心我们的实业多多关心工业制造业。

而工业物联网（IIOT）就是要在物联网的基础上结合工业的特点，完成智能制造，产业升级。 实际的生产和实验室实验是完全不同的，满足技术要求的同时还要稳定可靠，经济可实施。

举个例子，我们的国产大飞机C919在做强度破坏性实验的时候，验证最大承压强度时，飞机必须在设计的最大强度的100%-110%之间被完全破坏才算成功，很多人不理解，难道不是承压越大越好吗？其实是因为当飞机承受强度超过设计强度110%飞机还没有被破坏说明用料用多了，强度过高，意味着设计过于保守，裕度过大，会增加结构重量，降低飞机效率，而我们的C919大飞机顺利通过了测试，完全达到预期实验效果。看一下实验图片，静力测试的C919机身上粘有上万个接触点，每个点能承受几百公斤拉力，以检测飞机的肌肉骨骼是否强壮，测试用的上万个传感器，收集数据，不也是工业物联网的一个典型应用吗。

引用自新闻联播及网易航空

图1 C919机翼测试

回到实际工业生产中，物联网应用具体又是如何操作的呢？整个PLC完成数据采集，传输，云端存储，趋势分析等整个链条是怎样的呢？

首先要了解西门子产品组合，均拥有所有四个核心元素，第一个数字化企业套件，第二个工业通讯，第三个工业安全，第四个工业服务。

通过这四个核心元素使得客户可以投资于面向未来的解决方案，逐步实现工业4.0。

数字化企业套件通过数字化企业套件（DES），西门子基于一个统一的数据模型Teamcenter，集成了产品生命周期管理（PLM）、制造运营管理（MOM）和全集成自动化（TIA），并连接至基于云的开放式物联网操作系统MindSphere，

看一下具体的产品是如何体现这4个核心元素的，PLC ，物联网网关，高速采集接口，工业开放式物联网云平台，一个完整链条将这四大块贯穿起来，背后还有专业的工业通讯OPC UA通讯协议，西门子通过“纵深防御”理念的工业安全，和7*24小时的工业服务，因为工业开放式物联网云平台MindSPhere明年才能正式落地中国，我先介绍一下涉及前面的三个部分产品和一些相关应用。

图2 PLC数据到物联网云平台流程

第一部分以西门子的S7-1500 PLC为主要介绍对象

西门子S7-1500 PLC

图3 西门子 S7-1500系列 PLC

S7-1500全系列PLC 都集成了OPC UA Server，首先介绍一下OPC UA是什么，

OPC UA（OPC Unified Architecture）是指OPC统一体系架构，是一种基于服务的、跨越平台的解决方案。

引用OPC基金会的描述：

OPC是自动化行业及其他行业用于数据安全交换时的互操作性标准。它独立于平台，并确保来自多个厂商的设备之间信息的无缝传输，OPC基金会负责该标准的开发和维护。

OPC标准是由行业供应商，终端用户和软件开发者共同制定的一系列规范。这些规范定义了客户端与服务器之间以及服务器与服务器之间的接口，比如访问实时数据、监控报警和事件、访问历史数据和其他应用程序等，都需要OPC标准的协调。

OPC标准于1996年首次发布，其目的是把PLC特定的协议（如Modbus，Profibus等）抽象成为标准化的接口，作为“中间人”的角色把其通用的“读写”要求转换成具体的设备协议，反之亦然，以便HMI/SCADA系统可以对接。这也因此造就了整个行业内手工作坊的蓬勃兴起，通过使用OPC协议，终端用户就可以毫无障碍地使用最好的产品来进行系统操作。

最初，OPC标准仅限于Windows操作系统。因此，OPC是OLE for Process Control的缩写（中文意思：用于过程控制的OLE）。我们所熟知的OPC规范一般是指OPC ClassiC，被广泛应用于各个行业，包括制造业，楼宇自动化，石油和天然气，可再生能源和公用事业等领域。

随着在制造系统内以服务为导向的架构的引入，给OPC带来了新的挑战，如何重新定义架构来确保数据的安全性？这促使OPC基金会创立了新的架构----OPC UA，用以满足这些需求。与此同时，OPC UA也为将来的开发和拓展提供了一个功能丰富的开放式技术平台。

引用自http://opcfoundation.cn/about/what-is-opc/index.aspx

OPC UA具有如下特点：

1) 扩展了OPC的应用平台。传统的基于COM/DCOM 的OPC技术只能基于Windows操作系统，OPC UA支持拓展到Linux和Unix平台。这使得基于OPC UA的标准产品可以更好地实现工厂级的数据采集和管理；

2) 不再基于DCOM通讯，不需要进行DCOM安全设置；

3) OPC UA定义了统一数据和服务模型，使数据组织更为灵活，可以实现报警与事件、数据存取、历史数据存取、控制命令、复杂数据的交互通信；

4) OPC UA比OPC DA更安全。OPC UA传递的数据是可以加密的，并对通信连接和数据本身都可以实现安全控制。新的安全模型保证了数据从原始设备到MES,ERP系统,从本地到远程的各级自动化和信息化系统的可靠传递；

5) OPC UA可以穿越防火墙，实现Internet 通讯。

S7-1500 中打开OPC UA的具体操作见下图：

图4在TIA中激活 OPC UA的服务器

图5根据不同的PLC选择不同的授权

图6设置服务端口和参数

图7 安全策略选择

图8用户名密码设置

西门子高速采集分析工具软件X-Tools

设置完PLC的OPC UA服务器，再介绍数据的采集工具X-Tools，

在工业上有了对应的PLC网关和协议还是不够的，还需要满足高速性和实时性，下面介绍的这款产品是专门实现高速采集和分析的工具合集。

图9 X-Tools 采集工具

X-Tools支持的采集端非常广泛，可以将工厂现有设备中的数据高速采集到物联网网关处

具体的采集数据速度如下：

S7 300/400 PN:
在循环中断中调用功能块 (e.g. OB35) OB35默认是100ms循环中断时间，支持每循环712Byte数据传送(支持178 通道)。

S7 300:
在循环中断中调用功能块 (e.g. OB35) OB35默认是100ms循环中断时间，

支持每循环64Byte数据传送(支持16通道)。

S7 400:
在循环中断中调用功能块 (e.g. OB35) OB35默认是100ms循环中断时间，

支持每循环712Byte数据传送(支持178 通道)。

S7 1200/1500:
在循环中断中调用功能块 (e.g. OB35) OB35默认是100ms循环中断时间，

支持每循环712 Byte数据传送(支持178 通道)。

SIMATIC TDC:
每周期最大250个测量值可被记录 ION 是 512 Byte.

SIMOTION:
支持171个通道每通道4 Byte总共 684 Byte.

图10 X-Tools 数据分析

图11 X-Tools 数据分析

同时还具备对数据进行分析和动态显示的功能

物联网网关产品之一：SIMATIC IOT2040

图12 物联网网关IOT2040

改造能力：

用户可将 SIMATIC IOT2000 方便地集成到现有工厂中。因此，实现对老旧机器设备进行经济、安全的彻底改造。各个机器设备的改造也可逐步进行。久经验证的 SIMATIC 品质，可确保在苛刻的工业环境中长期稳定运行。

应用范围广泛：

机器设备数据和生产数据的使用开创了大量应用可能性。西门子 MindSphere 工业云为各工业企业提供了一种基于 SAP HANA 的开放架构，支持创新的数字化服务。从而，可采用 SIMATIC IOT2000 实现生产与基于云的数据分析之间的链接。

机器设备预防性维护即是这样一个示例：基于相关指标评估，及早发现即将出现的磨损；从而可以高效地将代价高昂的生产设备停机时间降低至最小。SIMATIC IOT2000 采集、保存相关数据并发送给基于云的分析工具，从而实现现有工厂的预防性维护。

具体客户生产需求的实现需要 ERP 系统至生产系统的直接订单数据通信。这种通信意味着，可在相应生产场所自动获得客户对配置或包装的特定需求。SIMATIC IOT2000，可连接至 ERP 系统，并与自动化组件进行相应通信；从而加快生产流程，避免错误，提高订单处理的透明性。

具体操作：

SIMATIC IOT2040联机前首先需要准备三个软件分别为：

1、SD-Card Example Image：这是西门子提供的IOT2000的操作系统的镜像文件，是基于Yocto Linux操作系统。
官方下载地址如下：https://support.industry.siemens.com/cs/document/109741799/simatic-iot2000-sd-card-example-image?dti=0&lc=en-WW
2、PuTTY：这个一个远程桌面的软件用于连接IOT2000。
官方下载地址：https://www.putty.org/
3、Win32 Disk Imager：把1的镜像文件写入SD卡上的软件
官方地址如下：https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/
准备工作做完开始用Win32 Disk Imager把Example Image写到SD卡
详见SIMATIC IOT2000 Getting Started 这本手册
官方下载地址：https://support.industry.siemens.com/tf/ww/en/posts/155643/

参考文档：

\1\ SIMATIC IOT2000 forum
www.siemens.com/iot2000-forum
\2\ SIMATIC IOT2000 Setting Up
https://support.industry.siemens.com/tf/ww/en/posts/155642/
\3\ SIMATIC IOT2000 Getting Started
https://support.industry.siemens.com/tf/ww/en/posts/155643/

图13物联网网关IOT2040 编程界面

想在SIMATIC IOT2040上运行 OPC UA，和西门子s7协议还需要单独安装，安装成功后在Node-RED界面右边会有相应的选项。

图14物联网网关读取S7-1500 数据

IOT2000 Node-RED应用实例

图12物联网网关UI界面显示S7-1500 数据

显示S7-1500 传来的温度值。

IOT2000 Node-RED S7连接WinCC应用实例

图13 物联网网关针对S7的应用

当然只看文档是不够的，还需要了解Linux的操作。

图14 物联网网关 架构位置

IOT2000 和各种TIA应用的关联

看完IoT200对接的C#/Java/JS 是不是觉得要学好IOT2000没点Linux基础是很困难的。有兴趣的朋友在学习Linux之后还可以再学习一下node-red应用。如果觉得咱们工控还是针对工业，学那么多编程也不一定能把项目做好，有没有简单点的既能用上OPC UA·协议，又能很好的对应工程建模呢？看看下面的这款工具能不能满足你的需要。

OPC UA的 建模工具：

独立于平台的 OPC UA 协议采用配套规范扩展，可极大地促进跨制造商通信的标准化进程并减少实施工作量。

公司和组织可使用 OPC UA 通信协议为 OPC UA 信息模型创建其自己的标准。用户可使用这些功能生成标准化的服务器接口。要与系统或系统部件进行通信，OPC UA 客户端仅需了解定义的标准，而无需考虑系统及其设备的详细信息。

许多组织和协会已经针对行业特定系统和解决方案对 OPC UA 信息模型实施标准化。其中包括以下组织，例如：

• Euromap
• AIM
• VDMA
• PLCopen
• OMAC

借助免费的“西门子 OPC UA 建模编辑器”(SiOME) 工具，我们已创建一个用于定义用户自己的 OPC UA 信息模型或将现有配套规范映射到 SIMATIC PLC 的编辑器。使用此工具，可将信息模型导入和编辑为 XML 文件，或生成和导出个性化模型。

图15 SiOME使用

图16 信息模型的导入

通过SiOME工具导出个性化模型。有兴起的用户可以去西门子全球技术资源库中搜索这款免费软件，前提需要先注册哦，此款软件需要申请通过才能下载。

用户的真实需求及成功案例

工业物联网是一个大战略，很多企业都看到了发展趋势，都想从数字化转型中完成产业升级，从数据中发掘价值。但真正做起来又困难重重，面对已经存在的落后产能，有些工厂连自动化还没有实现，盲目跨越发展，很可能步子太大反而连投资都收不回来。

有些企业还在观望真正的成熟方案，很怕技术发展太快,跟不上未来新的技术发展,迟迟不能动手升级，这样的企业，我觉得一定要认识清楚我们的智能制造工业物联网一定是一张蓝图绘到底的，不能再犹豫，只有拥抱数字化才有未来。下面可以参考一下使用西门子的软件和硬件实现数字化转型的成功案例:

案例1：玛莎拉蒂公司为其工厂配备了西门子技术，从产品设计到服务均为完美之选。通过集成，开发时间缩短30％，且整体上市时间从30个月缩短至16个月。尽管具有多达70,000个可能的版本、颜色和其他配置选项组合，但汽车产量却增加了3倍。

案例2：火星车项目，西门子软件协助美国宇航局（NASA）开发“好奇号”火星探测器。极具挑战性的环境所需要的功能通过高级仿真模型实施——首先进行虚拟开发和测试，然后构建。

案例3：艾斯曼（一家中型德国公司）西门子PLC及软件被用于汽车行业浸涂生产线的建设和模拟。提供必要的工艺参数，以便对这座综合工厂进行优化编程——三根用于各类车身驱动、提升和旋转运动的轴线，以及倾斜曲线。

案例4：Amberg通过使用西门子软件及产品，发展情况如下：

• 自1989年开始以来，在员工人数几乎相同（约1,200人）的情况下，产量增加八倍。
• 最小故障率（合格水平：99.9988％）
• 1,000多种采用SIMATIC控制技术的产品
• 每年约有1,500万件产品（每秒一件产品）出厂
• 从最初生产步骤到交货，约使用1,000个SIMATIC控制器
• 75％的价值创造内容由智能机器和计算机进行管理，25％由依赖于信息技术（数字化）帮助的员工决策进行管理。

总结一下，PLC如何接入物联网，有没有成熟的产品？

1. 工业物联网的技术大趋势已经形成，针对的工业应用场合的各种方案，技术实现上已经不是关键问题。

2. OPC UA为将来的开发和拓展提供了一个功能丰富的开放式技术平台，成为未来工业物联网的一个统一基础，今天做好了OPC UA 的应用，才能为将要到来的OPC UA TSN完成最后的统一做好准备，谁将成为最后的工业物联网通信标准让我们拭目以待。

3.PLC接入物联网只是工业4.0和智能制造中的一小步，成熟的产品将会越来越多，当所以的数据都汇聚到云端，人工智能发挥巨大作用，这些都已经在发生了，就像一场春雨，随风潜入夜，润物细无声。

作者：雕刻时光
链接：https://www.zhihu.com/question/267114579/answer/555888179
来源：知乎