基于工业物联网的鼓风曝气设备远程监控系统*

杨楚歆，李禄达，梁华轩，麦丽菊，沈大财

（广东省机械研究所有限公司，广州 510799）

0 引言

随着物联网技术的不断发展和普及，工业物联网已经成为现代制造业中不可或缺的一部分[1]。国际上主流的物联网开发平台包括亚马逊公司开发的AWS IOT 平台、微软公司开发的Microsoft Azure IoT 平台、以及传统工业龙头企业西门子公司的MindSphere云平台、GE公司的Predix 云平台等等。随着《中国制造2025》的战略发布，国内物联网技术也在蓬勃发展，众多掌握云服务器的厂商都提供了物联网开发平台，如阿里云、腾讯云等等[2]。但工业制造行业细分领域众多，不同应用场景使用的设备及搭建的生产线也无统一标准，尤其体现于非标项目。因此现有的工业物联网平台越来越难以满足企业自身的个性化和定制化需求[3]，技术的不透明以及不菲的授权费用也为企业二次开发增加负担，因而需要企业投入资源，加强自主研发能力，针对自身产品开发定制化的物联网系统。

在环保装备制造领域，鼓风曝气设备是非常关键和重要的设备之一，在污水处理[4]、生物发酵等方面有着广泛的应用，然而，传统的鼓风曝气设备的监测、控制和维护工作中存在许多问题，包括人力物力的消耗，维护的及时性和效率低下，无法远程监控等等[5]。因此本文基于工业物联网技术，依托于多个仿真软件和开源平台，以鼓风曝气设备为研究对象，搭建一套在线远程监测和控制系统，实现的功能包括设备的在线监控和管理，实时获取鼓风曝气设备的运行状态和各种参数，同时进行数据可视化展示，便于分析和处理，另外监测设备的故障报警信息，即时记录且可远程处理等[6]。本研究以鼓风曝气设备为例，验证了一种从工业设备到工业物联网云平台数据交互的流程，为制造企业根据自身产品或生产线个性化开发物联网云平台提供了一种具有参考价值的设计思路和研究方向。

1 系统设计思路与架构组成

1.1 鼓风曝气设备远程监控系统的硬件及整体架构

本研究所用的鼓风曝气设备配备有专用的变频器用于运行参数设置与控制，其含有多个传感器，如风量传感器、温度传感器、压力传感器、噪声探测器等，用于监测鼓风曝气设备运行过程中的物理变量。变频器与传感器均与配备了数字量和模拟量输入输出模块的PLC 连接，由PLC 作为数据采集和控制指令下发的核心部件，且与PLC 直接连接的触摸屏作为可视化控制界面，以上部件构成本地的鼓风曝气设备控制系统。要实现设备的远程监控和管理，预设方案中，要使用工业智能网关与PLC 连接进行数据交互，同时作为MQTT 客户端通过联网模块远程连接MQTT 云服务器进行数据交互，而后工业物联网云平台便可以通过与MQTT 服务器进行数据交互以间接获取设备数据和写入控制指令，打通数据交互路径后便可根据需要进行功能模块设计，包括设备控制、数据可视化、历史数据查询、故障报警信息等等，该预想系统的整体架构图如图1所示。

图1 鼓风曝气设备远程监控系统整体架构图

1.2 鼓风曝气设备远程监控系统方案

由上述讨论可以看出，搭建鼓风曝气设备的远程监控系统的关键技术问题在于如何实现从工业设备到物联网云平台的数据交互，对此本研究结合多个仿真软件和开源平台，测试出了一种实现工业设备与物联网云平台数据交互的方法及流程。该流程的主要模块包括工业设备数据采集模块，由仿真软件ModSim32模拟从PLC寄存器中读取和写入数据；智能网关模块，由开源网关软件Neuron 完成网关的数据采集和监控、协议转换、主题订阅和发布等功能；MQTT云服务器模块，使用MQTT云服务器EMQX 的开源版本；以及物联网云平台模块，由开源工具Node-RED 开发，功能可自定义。各个模块之间的数据交互架构如图2所示。

图2 模块间的数据交互架构图

2 系统重要模块设计

2.1 鼓风曝气设备数据采集模块

工业设备的数据采集通常由传感器（如温度、压力、流量传感器等）、监测仪器（如电能表、频率计、气体分析仪等）、数据采集卡、设备专用的控制器等来实现[7]。采集的数据可通过多种通信协议如Modbus 协议、OPC UA协议、Profibus协议等传递到控制设备或系统中[8]。大型或复杂工业设备通常配备专用控制器集中管理数据，如机床的CNC 数控系统，外围控制设备或系统可直接与设备控制器连接并进行数据交互。中小型或多个设备需要进行数据交互时，通常使用PLC（可编程逻辑控制器）来完成，PLC 可配置多个数字量和模拟量输入输出模块，以及各种通信模块（如以太网、串口通信等），以连接多种不同的传感器或其他监测设备来实现数据采集，并集中保存在内部寄存器中，可以对数据进行使用和管理也可以通过通信接口传递给其他监控设备或系统[9]。

本次研究中，采用仿真软件ModSim32来模拟实时采集并保存在PLC 寄存器中的数据（图3）。ModSim32 是Windows 应用，用来模拟从设备（与之相对的是ModScan32，用于模拟主设备）[10]，可以接收主设备发送的指令报文，根据窗口配置的数据返回主设备需要的指令报文，并可通过Modbus TCP 协议与网关进行数据交互。在本研究中，寄存器地址对应的模拟数据及其模拟方式如表1所示。

表1 ModSim32寄存器地址与数据对应关系

图3 ModSim32仿真软件的使用

2.2 连接设备与云服务器中间模块

工业设备与工业物联网云平台之间进行数据交互需要将从数据采集模块中获取的数据发送至云服务器，实现这一功能就需要一个连接工业设备与云服务器的中间模块，可用的设备包括智能网关、嵌入式开发板、数据采集卡或软件接口等。在工业物联网领域，最常用的中间模块设备是智能网关，其需具备的基础功能包括：协议解析、设备联网、数据双向传输等，除了基础功能外，智能网关还可根据需求拓展其他功能，如数据缓存、边缘计算、安全保障等[11]。

本研究中，采用在Windows 系统下可直接部署使用的开源网关软件Neuron 作为连接ModSim32 仿真软件与MQTT 云服务器的中间模块。Neuron 是一款轻量级工业协议网关软件，可运行在各种边缘硬件上，旨在解决设备数据难以统一访问的问题。Neuron 通过将多种工业协议转换成标准统一的物联网MQTT 消息，进行数据采集和远程控制，实现工业物联网平台与各种设备的互联互通。开源模式下，仅支持智能网关的基础功能，即通信协议解析与转换，连接云服务器，以及数据的双向传输。

2.2.1 Neuron的南向设备管理

仿真数据采集模块的ModSim32 软件作为南向设备，通过Modbus TCP协议与Neuron网关软件连接，IP地址为测试所用的主机本地IP 地址，连接端口号为502，连接后在Neuron 管理平台的界面如图4 所示，连接后所要读取或写入的数据列表如图5 所示。南向连接设置完成，即可在“监控”界面查看或修改（需具备写入属性）点位列表中对应ModSim32的各项数据的仿真数值。

图4 Neuron连接ModSim32

图5 南向设备连接获取的点位列表

2.2.2 Neuron的北向应用管理

北向应用的连接，即连接云服务器，此处以开源MQTT 云服务器EMQX为例，开启MQTT服务器后，只需在应用配置中输入本机IP 地址（服务器部署在本地），端口号为1883，即可连接上EMQX云服务器，如图6所示。

图6 Neuron连接EMQX云服务器

进一步地，在北向应用管理的EMQX 页面中，即可添加云服务器对Neuron 网关的订阅主题，在该主题中，可自定义需要上传的从南向设备中读取的数据，网关软件将该主题按照MQTT 协议，封装为JSON 格式的报文，发布到云服务器中，任何第三方MQTT 客户端只需连接同一个节点的云服务器，订阅该主题，即可获取包含数据的报文。本次实验中Neuron发布的报文实例如图7所示。

图7 Neuron发布的主题报文

2.3 云服务器模块

2.3.1 MQTT协议

云服务器是物联网云平台与智能网关等中间模块进行数据交互的交通枢纽，需要具备的基本功能包括接收来自各个客户端的消息，以及向各个客户端分发消息，在此基础上，可增加连接管理，客户端管理，数据管理，安全保障等功能。适用于工业物联网的云服务器需要支持的通信协议包括MQTT协议、CoAP协议、AMQP协议、OPC UA 协议等。其中，在工业物联网中最常用也是最简洁高效的通信协议是MQTT 协议。MQTT（Message Queue Telemetry Transport）协议是一种轻量级、基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式和消息队列机制的通信协议。MQTT 协议分为客户端和代理服务器两个部分，客户端负责连接到服务器、发布消息、订阅主题等操作，代理服务器负责信息存储、数据路由、消息传递等核心任务[12]。

2.3.2 开源MQTT服务器EMQX

本研究使用开源的MQTT服务器EMQX，EMQX是一款大规模可弹性伸缩的云原生分布式物联网MQTT 消息服务器，开源版即可支持百万个以内的MQTT 连接及十万以内MQTT 消息每秒吞吐量，对于中小型项目来说性能已充足[13]。本研究将EMQX 服务器部署在Windows 系统下，进入EMQX 后台管理界面的连接管理页面，可查看当前连接状态，如图8 所示。在订阅管理页面，可查看当前所有客户端的订阅信息，如图9所示。

图8 EMQX连接管理页面

图9 EMQX订阅管理页面

2.4 物联网云平台模块

2.4.1 物联网云平台开发工具Node-RED

物联网云平台的开发工具通常由提供云服务器的厂商提供，本研究在使用开源云服务器的前提下，采用开源工具Node-RED 来开发物联网云平台。Node-RED 是一个基于Node.js 并且使用可视化交互进行编程的开源工具，它常用于物联网、工作流等领域的开发。

Node-RED 提供了一个可视化的编辑器，让用户可以通过节点间的连接实现数据的处理和交换。在Node-RED 的编辑器中，每个节点表示一个操作项，如设备、函数、流程控制等，连接线则表示数据流的传输方式。用户可以在编辑器中拖拽不同类型的节点进行配置，并将它们通过连接线连接起来，通过这些节点来创建一个完整的、可执行的流程。

2.4.2 Node-RED连接MQTT服务器

Node-RED 可通过“mqtt in”节点连接MQTT 服务器，与MQTT服务器部署在同一本地主机的前提下，只需设置服务端的IP地址和端口号，即可与EMQX服务器建立连接[14]，并选择订阅网关软件Neuron发布的包含仿真数据报文的主题，即可获取JSON格式的数据流，如图10所示。

图10 Node-RED连接EMQX

2.4.3 使用MySQL数据库保存数据

Node-RED 支持使用多种数据库存储和管理数据，如MySQL 和Sqlite 等[15]，在本研究中，采用MySQL 数据库存储设备信息。首先在MySQL 数据库管理平台（本次实验使用的是SQLyog）中新建数据库，并新建表，属性与ModSim32仿真软件中的一致，如图11所示。

图11 使用MySQL数据库创建表

下一步在Node-RED 编辑器中使用“MySQL”节点，输入本地IP地址，默认端口号3306，以及用户密码等登录信息，即可与MySQL数据库建立连接。建立连接后，可使用“function”节点，编写对数据库进行增删改查的SQL语句，连接数据库节点后便可对数据库进行操作。以保存数据为例，正确连接后即可将从EMQX 服务器读取的订阅数据信息，存储到MySQL数据对应表中，如图12所示。

图12 MySQL数据库表中数据

2.4.4 使用Node-RED开发物联网云平台界面

Node-RED 可以通过“dashboard”节点集合进行界面开发，“dashboard”可使用的控件节点有按钮、下拉列表、开关、滑块、数字输入、文本输入、表单、日历、颜色选择器等，可做数据可视化的节点有文本显示、仪表盘（多种形式）、图表（折线图、饼图、柱形图等），并且支持快速开发菜单栏控件，同时可通过节点管理，安装更多控件节点。本研究中将简单设置物联网云平台页面布局，实现设备控制、数据可视化、历史数据查询和故障报警信息等功能，编辑器界面如图13所示。

图13 Node-RED编辑器界面

3 系统运行调试验证

为验证远程监控系统的可行性，搭建了磁悬浮鼓风机试验硬件平台，如图14 所示。将远程监控系统装载在电脑上进行远程试验测试。试验过程中，使用“gauge”节点中的可视化工具实时显示风量、压力、噪声和温度的数值，并设置其表征颜色。当颜色为红色时表示数值过高，颜色为绿色时表示数值过低，触发相应的报警信息，并等待确认。设备的当前状态读取自ModSim32 的寄存器地址为40001 的数据，并且可以通过“开启”和“停止”按钮写入，云平台控制台界面如图15所示。

图14 磁悬浮鼓风机

图15 云平台控制台界面

采用实时更新的折线图形式展示各个物理量随着时间的变化情况，根据需要可选用饼图、柱形图等其他形式展示，并且可基于可视化数据做数据分析，效果如图16所示。

图16 云平台数据可视化界面

数据从云服务器读取后，经过解析与处理，保存于MySQL 数据库中，使用“table”节点进行自定义展示，图17～18 为云平台的历史数据展示界面及故障报警记录界面。

图17 云平台历史数据查询界面

图18 云平台故障报警记录界面

本研究中以基础的设备控制和数据可视化展示功能为例，演示功能模块的开发过程，实验结果表明：该远程监控系统已打通了从数据采集模块到物联网云平台模块的数据交互通道，可以实现设备工作时的状态实时监控，接下来依托云平台可根据项目实际需要自定义开发所需的功能，如用户与权限管理、视频监控界面、组态管理等等。

4 结束语

随着信息技术的飞速发展，工业物联网作为数字化与智能化转型的主要手段和工具已经展现出强大的潜力。本文从企业的实际项目需求出发，基于工业物联网相关技术，以鼓风曝气设备为研究对象，以MQTT 协议为主要框架，利用多个仿真软件和开源平台，针对性开发了一套可在线远程监控和管理鼓风曝气设备的物联网云平台系统，打通了从工业设备到物联网云平台的数据交互渠道，为传统的鼓风曝气设备进行数字化和信息化改造提供了设计思路和参考方向，也为制造企业进行工业数字化转型提供了实验平台。随着工业物联网技术的不断完善和发展，相信它将在未来更广泛的应用和推广中发挥着更为重要的作用和价值，带来更加良好的社会效益和经济效益。