[论文解读] Inter-communication between Programmable Logic Controllers using IoT technologies: A Modbus RTU/MQTT Approach

Marios Tyrovolas, Tibor Hajnal|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2021

Network Time Synchronization Technologies参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于物联网（IoT）的通信架构，用于两个可编程逻辑控制器（PLCs）之间的通信，采用Modbus RTU实现本地PLC-网关通信，使用MQTT实现网关间数据交换。该解决方案利用西门子Simatic IoT2020网关，实现了在分布式控制系统中实时、可扩展且可靠的PLC间通信，展示了在实验环境中工业协议与现代物联网消息协议有效集成的可行性。

ABSTRACT

Internet of Things (IoT) can be widely used in various applications such as manufacturing industry,achieving high operational efficiency and increased productivity.The exploitation of IoT paradigm made more feasible the use of distributed control systems (DCS) where more than one PLCs implement an industrial application.In case of having more than one PLC,it is obligatory to ensure their inter-communication.In this paper,a solution for PLCs' communication using Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) IoT-protocol is presented.An experimental industrial plant was used,controlled by two PLCs.For the process' implementation,two Siemens gateways Simatic IoT2020 were integrated and communicated with the PLCs through Modbus Remote Terminal Unit (RTU) industrial protocol.Finally,data exchange between the two gateways was established using MQTT protocol.

研究动机与目标

• 解决在分布式控制系统（DCS）中使用现代物联网技术实现多个PLC之间互连通信的挑战。
• 将传统的工业协议（如Modbus RTU）与轻量级物联网消息协议（如MQTT）集成，实现可扩展且实时的数据交换。
• 在真实工业控制环境中验证混合Modbus RTU/MQTT通信架构的可行性与性能。
• 展示使用现成工业网关实现物联网增强型PLC协同控制的实际应用。

提出的方法

• 使用两个西门子Simatic IoT2020网关作为PLC之间的中介，实现协议转换与数据转发。
• 采用Modbus RTU实现每个PLC与其对应网关之间的直接、底层通信。
• 实施MQTT作为网关间通信协议，实现在网络上的异步、事件驱动数据交换。
• 系统配置为发布和订阅MQTT主题，实现两个网关之间的实时数据共享。
• 实验设置包括两台PLC控制一个实际的工业装置，数据通过网关到网关的MQTT通道交换。
• 在真实工业控制环境中测试了该架构的可靠性和延迟性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效结合Modbus RTU与MQTT，实现在分布式控制系统中多个PLC之间的通信？
• RQ2 在通过MQTT实现网关间通信的同时，保持Modbus RTU用于本地控制，其性能与可靠性如何？
• RQ3 与传统PLC网络相比，混合协议架构是否能够降低复杂性并提高工业自动化系统的可扩展性？
• RQ4 在实时控制应用中，将传统工业协议与现代物联网消息协议集成时，面临哪些实际挑战与局限性？

主要发现

• 所提出的Modbus RTU/MQTT架构成功通过中间网关实现了两台PLC之间的实时数据交换。
• 使用MQTT进行网关间通信提供了低延迟、高可靠性和可扩展性，适用于工业物联网应用。
• 西门子Simatic IoT2020网关有效处理了协议转换与网络通信，证明了其在工业边缘计算中的适用性。
• 在测试过程中，系统在全网范围内保持了稳定的数据同步与通信完整性。
• 在真实实验工业装置环境中，Modbus RTU与MQTT的集成被证明是可行且高效的。