．物聯網技術如何解決智慧工廠項目落地(附IIoT生態系統設計方案)

SIMATIC IOT2040 – the intelligent gateway for industrial IoT solutions

來源：OFweek物联网

工業物聯網(IIoT)和工業4.0的政策驅動下，智慧工廠已經從概念層面深入到落地層面，但就目前而言，僅有極少數的一部分企業，能夠實現簡單化的智慧工廠，整體基礎設施配套，為改變製造業整體落後的局面，提升智慧高精工藝技術發展，和產業整體效能，以及實現自主創新發展之路任重而道遠，在此背景下，智慧工廠的普及應用，是全產業聚焦和關心的熱點。

智慧工廠如何實施？需要哪些技術支撐？現階段需要考慮解決哪些難題？

工業物聯網(IIoT)設備，要想實現智慧工廠，最基本的智慧聯網通信功能，和工業4.0生產製造環境下的可持續性策略，它需要考慮：

1. 如何達到快速連接

智慧工廠車間所產生的大數據和資訊流，可能會讓企業自身網路不堪重負。企業更多需要考慮的，是硬體佈線策略，和軟體通信如何設計優化，來實現改進自動化系統的高效連接功能，使這種設計流程更簡單、同時建立流程檔案，以便管理智慧工廠局部多元化連接策略的版本，迭代控制，以及在相同應用場景中，實現場地連接部署的標準化和可複製性。

2. 即時數據處理

在智慧工廠裡，智慧生產設備機器終端，與智慧感測器，以及品質安檢控制系統的即時數據，同步處理和性能數據分析，需要即時的數據轉化信號聯動，和即時交互，來提升自動化流線生產效率，和保證安全的生產工藝管理。

智慧工廠對即時數據處理，在數據的獲取、回傳信號指令的過程中，有更高的快速響應需求，基於此智慧工廠才能實現，高效的生產加工流程管控，和安全供應鏈管理。

3. 瞭解和升級智慧流水線設備網

在工業自動化系統的基礎上，升級傳統機械化電動化流水線，走向智慧化流水線，是工廠走向智慧化工廠的一個標誌，傳統工控採用PLC、單片機等，電腦一體化統一管理模式。

在智慧工廠下將逐漸暴露諸多弊端，尤其在多負載、高精度、M2M多端交互的生產場景下，傳統工控無法滿足這些需求，採用多元化擁有獨立智慧處理，和決策的智慧模組，集群實現多線程、多業務模式下的負載脫離，和高精度工藝管理，將能有效解決這些弊端。

智慧感測器、智慧傳動組件、智慧控制器、智慧機器人等，智慧電子器件和智慧設備，將組建成一套標準化的智慧流水線設備網，在智慧傳動和智慧控制技術的機器設備網路中，加入盡可能多的智慧、控制功能，改善其傳統從一個中央處理單元(CPU)，來處理所有的加工流線動作。

4. 智慧工廠如何實現智能終端集群互聯?

智慧工廠環境下，智慧化流水線設備集群，如何物聯組網，企業開發者研發打造，擁有自主的物聯網組網管理系統，不是最佳選擇路徑，高昂的研發成本，和耗時長而未知的技術交付週期，讓企業頻頻遇難，對接外部物聯網平台的方式，可以解決工業物聯網(IIoT)賦能智慧工廠的環境下，給企業帶來的複雜性挑戰。

5. 智慧工廠：IIoT生態系統設計技術實現

下面例舉實戰下的，智慧工廠的IIoT生態系統的設計和實現方法，該方法基於西門子Simatic IoT2040，它是一種智慧工業網關，連接到MODBUS感測器，將數據發佈到萬物互聯(NETPIE)平台上。

(1) 要求

西門子Simatic IoT2040

超音波遊俠(SRF485WPR)

電源(Ranger為12V DC，Simatic為24V DC)

Python 3

(2) 超音波遊俠

超音波遊俠用於，透過在擊中目標之後發，送反射回發射器的聲音信號，來檢測目標物體的距離。超音波感測器用於室內和室外的各種應用。超音波感測器帶有10個引腳，用於電源和RS485輸出信號，如圖1所示。

圖1.超音波遊俠

(3) 超音波遊俠RS485通訊

透過向模組發送數據幀，然後監聽響應來讀取數據。每個超音波遊俠都有一個獨特的24位地址，寫在模組的正面，如圖2所示。您發送到SRF485WPR的數據幀如圖3所示。

圖2.超聲波遊俠地址

圖3.數據框表單

中斷 -定義為兩個連續命令請求之間的時間延遲。

命令 -透過發送此資訊，Ultrasonic Ranger會回覆它的響應。

地址H，M，L -它是模組的24位地址。

數據 -如果命令不需要，則是您希望發送到模組的數據，零(0x00)。

CheckSum -它是所有先前字節總和的1的恭維(按位否定)(不計算中斷)。

(4) 命令

圖4.超音波遊俠命令列表

(5) 檢查總和計算

例如，讓我們考慮應該發送到超音波遊俠的幀在圖5中表示。校驗和是針對整個幀計算的，不包括中斷，如下所述：

圖5.數據格式

該檢查總和計算為：(0x51 + 0x01 + 0x89 + 0xAB + 0x00)的低字節。

添加所有項將導致 0x51 + 0x01 + 0x89 + 0xAB + 0x00 = 0x0186。

0x0186的按位表示法是0xFE79。

我們使用0x79的低字節

(6) 連接

準備Siemens Simatic IoT2040

Siemens Simatic IoT2040基於Yocto Linux工作，需要安裝在SD卡上，並應插入Simatic。Yocto Linux可以從西門子網站下載。下載圖像後，將SD卡插入Linux電腦的SD卡插槽，然後按照以下說明操作。

在Linux電腦上，打開終端(ctrl + alt + t)並使用以下命令轉到下載Yocto Linux zip文件的位置：cd Downloads。在這種情況下，zip文件位於下載中。

使用以下命令解壓縮文件夾：

sudo unzip Example_Image_V2.2.0.zip

透過運行以下命令驗證SD卡的位置：

df -h

透過運行以下命令卸載SD卡。將「mmcblk0」替換為電腦顯示的SD卡位置：

unmount / dev / mmcblk0

使用以下命令將Yocto Linux映像刻錄到SD卡上：

sudo dd bs = 1M if = name_of_image = SD card_location

將映像安裝到SD卡上後，將SD卡放入Simatic的SD卡插槽中，如圖6所示。

圖6. Simatic IoT2040上的SD卡安裝

Simatic有兩個名為X1P1LAN和X2P1LAN的以太網端口。第一個以太網端口即。X1P1LAN的默認DHCP地址為192.168.200.1。使用Secure Shell(SSH)，您可以從Linux電腦與Simatic進行通信。為此，請將乙太網電纜的一端，連接到電腦，將乙太網電纜的另一端連接到Simatic的X1P1LAN端口。透過SSH登錄Simatic。

ssh root@192.168.200.1

(7) 在Simatic上安裝Pip

為了使用Simatic從Ultrasonic Ranger讀取數據，使用Python。默認情況下，Python安裝在Yocto Linux上。一些能夠串行發送數據幀的Python庫需要安裝在Simatic上。為此目的，使用pip。Pip是一個用於安裝和管理Python庫的包管理系統。

要在Simatic上安裝pip，應編輯/ etc / opk /opkg.conf文件，並為存儲庫添加以下行：

src iotdk-all http://iotdk.intel.com/repos/2.0/iotdk/all src iotdk-i586 http://iotdk.intel.com/repos/2.0/iotdk/i586 src iotdk-quark http://iotdk.intel.com/repos/2.0/iotdk/quark src iotdk-x86 http://iotdk.intel.com/repos/2.0/iotdk/x86

接下來，應編輯/ etc / opkg /arch.conf文件並插入以下行：

arch i586 12 arch quark 13 arch x86 14

接下來，更新包數據庫：

opkg update

現在我們可以安裝一些有用的包：

opkg install ca-certificates python-json python-io python -re python-xmlrpc python-ctypes openssh-sshd curl - insecure -L「 https://bootstrap.pypa.io/get-pip.py 」> get-pip.py python get-pip.py

配置pip後，我們現在可以安裝python庫：

pip install pyserial pip install microgear pip install serial

創建Python文件

安裝了所有必需的庫後，我們現在開始編寫一個Python代碼，用於讀取Ultrasonic Ranger中的數據。為此，創建一個名為ranger的Python文件，如下所述:

nano ranger.py

使文件可執行，如下所述：

chmod + x ranger.py

使用以下命令運行該文件：

./ ranger.py

完整的源代碼：https://gitlab.com/muthineni/NETPIE-Python

(8) 物聯網平台(NETPIE)

NETPIE是基於物聯網雲平台服務，透過推動從應用程序開發人員或設備製造商手中連接物聯網設備的複雜性，以最無縫和透明的方式將物聯網設備(「事物」)互連在一起到雲端。在NETPIE上，創建應用程序並生成設備密鑰。「board」是為此演示創建的應用程序ID，如圖7所示：