做工業(yè)自動(dòng)化的，遲早會(huì)遇到一個(gè)需求：把PLC里的數(shù)據(jù)讀到工控機(jī)上，或者反過(guò)來(lái)從工控機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)到PLC。
這個(gè)需求看著簡(jiǎn)單，但方案選錯(cuò)了，后面維護(hù)起來(lái)特別痛苦。通信不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)延遲高、不同品牌PLC要寫(xiě)不同驅(qū)動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)加一臺(tái)設(shè)備就要改一次程序。這些問(wèn)題在項(xiàng)目初期都看不出來(lái)，等系統(tǒng)跑起來(lái)才發(fā)現(xiàn)全是坑。
今天就把目前主流的三種PLC與工控機(jī)數(shù)據(jù)交互方案掰開(kāi)揉碎了對(duì)比一下，看完你大概就知道自己的項(xiàng)目該選哪種了。
## 方案一：OPC UA
OPC UA現(xiàn)在幾乎是工業(yè)通信的"標(biāo)準(zhǔn)答案"了。西門(mén)子、羅克韋爾、三菱、施耐德，主流PLC品牌基本都支持。
**工作原理：** PLC端跑一個(gè)OPC UA Server，暴露數(shù)據(jù)點(diǎn)。工控機(jī)端跑一個(gè)OPC UA Client，訂閱需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)。Server在數(shù)據(jù)變化時(shí)主動(dòng)推送給Client，不需要Client輪詢(xún)。
**優(yōu)勢(shì)：**
跨品牌兼容是最大的賣(mài)點(diǎn)。不管你底下用的是西門(mén)子S7-1500還是羅克韋爾CompactLogix，OPC UA對(duì)外暴露的接口是統(tǒng)一的。工控機(jī)端的程序不需要針對(duì)不同品牌寫(xiě)不同驅(qū)動(dòng)。
安全機(jī)制完善。OPC UA支持用戶(hù)認(rèn)證、加密傳輸、簽名校驗(yàn)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全這塊，OPC UA是目前做得最好的協(xié)議。
數(shù)據(jù)模型豐富。OPC UA不光傳數(shù)據(jù)，還傳數(shù)據(jù)的語(yǔ)義信息。一個(gè)溫度值，OPC UA告訴你它叫"反應(yīng)釜溫度"，單位是攝氏度，量程是多少�？蛻�(hù)端不用硬編碼這些信息。
**劣勢(shì)：**
實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。PLC端配OPC UA Server不簡(jiǎn)單，要定義節(jié)點(diǎn)、配置地址映射、設(shè)置安全策略。工控機(jī)端也要找靠譜的OPC UA客戶(hù)端庫(kù)，開(kāi)源的有些坑不少。
資源占用大。OPC UA協(xié)議棧比較重，對(duì)PLC的CPU和內(nèi)存有要求。低端PLC跑不動(dòng)OPC UA Server，或者只能跑簡(jiǎn)化版。
延遲方面，OPC UA在正常情況下延遲可以控制在幾十毫秒。但如果數(shù)據(jù)量大，訂閱的點(diǎn)位多，服務(wù)端的處理能力會(huì)成瓶頸。我測(cè)過(guò)西門(mén)子S7-1500，2000個(gè)點(diǎn)的情況下，數(shù)據(jù)更新延遲大概50到100毫秒。
**適用場(chǎng)景：** 多品牌PLC混用、對(duì)安全性要求高、需要標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型的中大型項(xiàng)目。
## 方案二：Modbus TCP
Modbus是最老牌的工業(yè)通信協(xié)議了，雖然年頭長(zhǎng)，但到現(xiàn)在還是用得最多的協(xié)議之一。
**工作原理：** 工控機(jī)作為Master，PLC作為Slave。Master發(fā)請(qǐng)求讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，Slave回應(yīng)。本質(zhì)上是一個(gè)請(qǐng)求-應(yīng)答模式。
**優(yōu)勢(shì)：**
簡(jiǎn)單。Modbus協(xié)議本身極其簡(jiǎn)單，幾十行代碼就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的通信功能。網(wǎng)上各種語(yǔ)言的Modbus庫(kù)滿(mǎn)天飛，隨便找一個(gè)就能用。
幾乎所有設(shè)備都支持。PLC、變頻器、儀表、網(wǎng)關(guān)，不支持Modbus的工業(yè)設(shè)備幾乎找不到。而且Modbus TCP走以太網(wǎng)，不需要額外的通信模塊。
資源占用小。Modbus協(xié)議幀開(kāi)銷(xiāo)很小，對(duì)PLC性能幾乎沒(méi)要求。最便宜的小PLC也能跑。
**劣勢(shì)：**
輪詢(xún)模式是最大的痛點(diǎn)。Modbus是Master主動(dòng)請(qǐng)求，Slave被動(dòng)回應(yīng)。你想知道某個(gè)寄存器變了沒(méi)有，只能不停地去讀它。1秒讀一次？那變化到讀取之間最壞就有1秒延遲。想快點(diǎn)？10毫秒讀一次？那你每秒要發(fā)100個(gè)請(qǐng)求，PLC的連接數(shù)和處理能力扛不住。
不支持事件通知。Slave端數(shù)據(jù)變了不會(huì)主動(dòng)告訴你，你只能盲輪詢(xún)。
安全基本沒(méi)有。Modbus協(xié)議本身不帶任何認(rèn)證和加密。在工業(yè)內(nèi)網(wǎng)里用用還行，一旦暴露到外網(wǎng)就是裸奔。
跨品牌也不完全兼容。雖然協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一的，但不同品牌PLC的寄存器地址映射不同。西門(mén)子的VW100和施耐德的MW100，地址一樣但含義可能完全不同。換PLC就得改映射表。
**適用場(chǎng)景：** 單一品牌PLC、數(shù)據(jù)量不大、對(duì)延遲要求不高、快速開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的小型項(xiàng)目。
## 方案三：MQTT
MQTT本來(lái)是物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，但這兩年在工業(yè)領(lǐng)域用得越來(lái)越多。
**工作原理：** PLC端或者邊緣網(wǎng)關(guān)作為MQTT Publisher，把數(shù)據(jù)發(fā)布到MQTT Broker。工控機(jī)作為Subscriber訂閱感興趣的主題。Broker負(fù)責(zé)消息路由。
**優(yōu)勢(shì)：**
發(fā)布訂閱模式天然支持事件驅(qū)動(dòng)。數(shù)據(jù)變了才發(fā)，不輪詢(xún)，網(wǎng)絡(luò)和CPU開(kāi)銷(xiāo)都小。這一點(diǎn)比Modbus強(qiáng)太多了。
跨網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)。MQTT天然為不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，有QoS（服務(wù)質(zhì)量）級(jí)別保證。斷線重連、消息緩存這些機(jī)制都內(nèi)置了。如果工控機(jī)部署在云端，PLC在工廠里，中間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，MQTT是三個(gè)方案里最穩(wěn)的。
擴(kuò)展性好。加一臺(tái)設(shè)備就加一個(gè)Publisher，工控機(jī)訂閱新主題就行。不用像Modbus那樣改輪詢(xún)列表，也不用像OPC UA那樣重新配置Server節(jié)點(diǎn)。
**劣勢(shì)：**
需要額外的Broker。你要么自己搭一個(gè)Mosquitto或者EMQX，要么用云服務(wù)。增加了一個(gè)組件就意味著多一個(gè)故障點(diǎn)和維護(hù)成本。
工業(yè)語(yǔ)義弱。MQTT只管傳輸，不管數(shù)據(jù)是什么。你發(fā)一個(gè)JSON過(guò)來(lái)，里面{"temp": 35.2}，接收端不知道這個(gè)temp是哪個(gè)設(shè)備的什么溫度。語(yǔ)義層要自己在應(yīng)用層解決。
PLC原生支持差。大部分PLC不直接支持MQTT，需要中間加一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。這個(gè)網(wǎng)關(guān)把PLC的Modbus或OPC UA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成MQTT發(fā)出去。多一層轉(zhuǎn)換就多一層延遲和故障可能。
延遲方面，在本地局域網(wǎng)內(nèi)，MQTT的延遲跟OPC UA差不多，幾十毫秒級(jí)別。但經(jīng)過(guò)Broker轉(zhuǎn)發(fā)，如果Broker性能不行或者網(wǎng)絡(luò)條件差，延遲會(huì)明顯增大。
**適用場(chǎng)景：** 分布式部署、跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備數(shù)量多且會(huì)動(dòng)態(tài)增減的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。
## 三種方案橫向?qū)Ρ?/p>
| 對(duì)比維度 | OPC UA | Modbus TCP | MQTT |
## 怎么選
說(shuō)幾句實(shí)在的。
如果你的項(xiàng)目就一臺(tái)PLC、一臺(tái)工控機(jī)、同在一個(gè)機(jī)柜里、不需要安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)點(diǎn)不超過(guò)幾百個(gè)，直接用Modbus TCP。別想太多，最簡(jiǎn)單的方案就是最好的方案。
如果你的現(xiàn)場(chǎng)有多個(gè)品牌的PLC，或者對(duì)數(shù)據(jù)安全性有要求，或者后期可能接入MES/SCADA系統(tǒng)，選OPC UA。前期配置工作量大一點(diǎn)，但后面擴(kuò)展和維護(hù)省心很多。
如果你的工控機(jī)不在現(xiàn)場(chǎng)，部署在云端或者異地，需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，選MQTT。它對(duì)不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性是另外兩個(gè)比不了的。
混合方案也很常見(jiàn)�，F(xiàn)場(chǎng)用OPC UA或Modbus采集PLC數(shù)據(jù)，通過(guò)MQTT傳到云端。這種邊緣+云的兩層架構(gòu)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目里越來(lái)越主流。
方案選型這東西，沒(méi)有最好只有最合適。先把需求摸清楚：幾臺(tái)設(shè)備、什么品牌、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境怎樣、延遲要求多少、后期會(huì)不會(huì)擴(kuò)展。這些問(wèn)題想明白了，選哪個(gè)方案其實(shí)不難。
