【PLC】将PLC连接到互联网——为新的自动化和信息系统创造更多可能性

原创 Bill Dehner 控制工程中文版

前言

PLC正获得信息技术（IT）的功能，可以直接与互联网交互，从而为新的自动化和信息系统创造更多可能性。

几十年来，可编程逻辑控制器（PLC）的特征定义都是围绕在可靠、快速地解决工业自动化逻辑问题上。这些基本原则在今天仍然有效，但这并不意味着最终用户只应关注这些功能。现在，PLC 已获得更多高级功能， 其中一些功能有助于解决最终用户的应用问 题。

传统的PLC受到来自有线输入 / 输出（I/O）点和联网智能设备所提供可用信息的限制。但在互联网上，存在大量信息可资利用，最终用户可以通过网页浏览器和应用程序来获取、利用这些信息。许多网站都提供用编程来传递信息的方法，这就是PLC如何获取数据并将其付诸实践的方式。

为什么需要连接互联网？

但是，为什么PLC需要连接到互联网呢？原因之一是许多常见的应用程序需要了解当前环境的天气情况。例如，灌溉或冷却塔自动化系统，可以获取实时和预测的温度和局部降水值，以调整运营活动。

另一个例子是太阳能设备，该设备从某些网站获取方位角和高度信息，并使用其来优化 太阳能电池板的对准方式。从网站获得的信息， 可能不直接参与控制活动，但对运营商可能有用。电线生产商可以每日从证券交易所网站获取铜商品的价格，以帮助在人机界面（HMI）上显示近乎实时的利润率。

为了以这种方式连接到互联网，PLC需要使用工具来访问超文本传输协议（HTTP）和处理 JavaScript 对象符号（JSON）。具有这些指令的 PLC，可以使用适当的应用程序 接口（API）启动与网站的通信，从网站接收 数据，并将数据解析为所需的信息。

使用浏览器浏览互联网时需要哪些操作？首先，在浏览器地址栏中，键入到达特定网站所需的字符串，我们称之为统一资源定位符（URL），它指向特定的域和网页。在浏览器中键入URL会生成对网页服务器的 HTTP 请求，并且 HTTP响应用于填充浏览器的显示。HTTP请求和响应，是易于理解的轻量级文本文件，易于软件创建和解析。这就是人类使用浏览器与互联网网站进行交互的方式，但是PLC的过程略有不同。

了解应用程序接口

许多网站都提供 API 定义，PLC可以使用它们来交换某些数据。PLC社区更感兴趣的是提供可能对自动化机器、设备和系统有用的那种硬数据的站点。当然，PLC必须具有出站访问互联网的权限，才能与提供 API 的站点连接。信息可能包括当前和未来的天气状况、太阳的位置、商品或能源的当前价格或许多其它可能相关的数据。

互联网搜索将指出哪些网站提供访问所需信息的 API。一些 API允许免费访问，而另一些API 则限制用户每天访问的次数。提供更具价值信息的提供商，则可能会收取一定的订阅费。 

当PLC或其它软件，按照定义的格式发起 HTTP 请求时，网站将返回 JSON 格式的响应。用户可以解析此响应以获得特定数据。

在尝试将PLC与网站人机界面连接或任何形式的低层级以太网通信时，应为程序员配备一些有用的工具。一种是开源的 Wireshark，它将公开HTTP请求和响应数据 包。另一个是文本编辑器，可以方便地查看 JSON 响应。任何文本编辑器都可以，但是有许多免费的编辑器，能够提供增强显示的 JSON 格式内容以简化工作。

使用 JSON 文件开展工作

JSON响应以紧凑的ASCII 字符串形式接收，对于工作人员而言，以原始格式阅读并不容易（图1）。使用兼容的文本编辑器查看JSON 字符串，可以展示 JSON 文件中信息对象的分层和嵌套性质（图 2）。

 

图 1 ：典 型 的 JSON 数 据 有 效 负 载， 需 要 进 行 分 析 才 能 提 取 所 需 的 数 据。 

本 文 图 片 来 源 ：Automation Direct

图 2 ：此 高 亮 显 示 的JSON 示例，展示了信息的分层性质，其中包含可供软件解析的人类可读数据。

感兴趣的信息通常向下嵌套几层，必须系统地解析和提取。在图2的示例中，从第0层开始，然后进入第1层的“温度”对象， 接着进入第2层的“英制单位”对象，最后获得华氏温度的“值”为 44。

每个 PLC 都不同，但是任何PLC都需要支持一些通用的基本功能，例如 HTTP 请求和 JSON 响应解析。

1

第一步

PLC 设备必须在工厂网络上配置以太网端口，并带有适用的默认网关、域名系统（DNS）、IP地址和子网掩码。同样，用于此目的的以太网端口必须能够通过现场网络 连接到因特网。

 

2

第二步

PLC设备必须可配置为充当传输控制协议（TCP）的客户端。这相当于在 PLC中打开逻辑通道，因此 HTTP 指令可以通过以太网端口，发起网站 API 请求。

 

3

第三步

PLC 编程必须具有用于定义目标 API 服务器名称（URL）和其它详细信息的 HTTP 指令（图 3）。此配置包括请求字符串以及响应信息应放置的位置。

图 3 ：HTTP 指令使 PLC 可以发起对互联网网站 API 的请求，从而获取所需的数据。

4

最后

PLC 编程软件必须具有可识别 JSON 的指令，该指令可以解析对象的各个分层，以获得所需的数据（图4）。由于 JSON 中的嵌套层，此解析操作可能需要执行数个步骤。

图 4 ：需要一个解析指令以便 PLC 可以挖掘 JSON 数据有效负载中的对象层，并提取所需的信息。

通过互联网检查温度

一种常见的应用程序，可以提供良好的概念验证，它使用PLC与天气网站联系，以确定当前或预测的本地温度。在此示例中，已通过具有必要指令（HTTP 指令和 JSON 解析）的设计软件对 PLC 进行配置。

例如，AccuWeather 网站上，在“API 参考” 标签下，提供了具有许多详细信息的API。用户应始终向目标网站咨询有关注册、创建应用程序、费用和其它技术细节或限制的信息。创建应用程序时，将提供用户专用的 API 密钥， 这对于启动 HTTP 通信是必需的。该用户 API 密钥有点像授权通信的密码。

该API 提供了许多获取数据的方法。例如， 如果 PLC 在大城市中，则可以在此基础上实 现一步获得温度。为了获得更高的准确性，用 户可以选择纬度 / 经度，甚至邮递区号来查找位置键，该位置键用于调用其它 API 方法。对于此示例，我们将使用后一种方法。

搜索参考位置部分，将显示“邮政编码搜索”的“获取”方法，显示所有有效参数并允许用户构建有效的 HTTP 请求字符串。该工具还可用于执行请求并查看响应消息和有效载荷 （JSON 数据）的外观。遵循 API 规则，“键” 值包含所需的位置键。

接下来，搜索参考的“当前条件”部分， 将显示“当前条件”的“获取”方法。如果使 用用户的 API 密钥和新的位置密钥来执行此方法，则将获得另一个包含温度的响应。在开发过程中，可以通过这种方式使用 AccuWeather 网站来搜索通讯选项。在实际运行时，将 PLC 配置为可以发出带有正确请求字符串的 HTTP 命令。收到每个响应时，PLC 需要将数据放入字符串变量中，然后发出连续的 JSON 解析指令，以向下挖掘所需的数据。

保证网络的安全性

使 PLC 能够与互联网连接，这开启了无限可能性，但也带来了一些问题。用户必须确保，在工业设备连接到互联网的任何时间点上，都能保证网络的安全性。同样，最终应用程序必须足够强大，以承受任何形式的互联网中断。

对于本文中的示例应用程序，安装本地温度变送器可能会更好地为最终用户服务。但是，互联网提供了大量有用的信息，而这些信息无法在本地进行检测。稍加思考和一些额外的编程工作，用户就可以利用基于 PLC 的 HTTP 和 JSON 指令，为应用程序添加新的功能。

关键概念 ： 

■ PLC 可连接到互联网，以为用户收集有用的实时信息。 

■将 PLC 连接到互联网需要对互联网如何运行和共享信息有基本的了解。 

■互联网可以增加价值， 但 是 将 PLC 连接到互联网的用户，需要注意网络安全问题。

思考一下 ：

将 PLC 连接到互联网，如何使您的公司受益？欢迎在文后留言。

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本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2020年01-02月刊《封面故事》栏目，原标题为：将 PLC 连接到互联网的好处

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