基于MQTT技术的SCADA应用实践.pdf

28 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期应用研究 APPLICATION RESEARCH基于MQTT技术的SCADA应用实践SCADA Application Practice Based on MQTT Technology刘圣林 包 卿（明度智云（浙江）科技有限公司，浙江 杭州 310012）Liu ShengLin,Bao Qing(Mingdu Zhiyun(Zhejiang)Technology Co.,Ltd.,Hangzhou Zhejiang 310012)摘要：MQTT通信协议最初由IBM于20世纪90年代发明，是基于TCP/IP的通信消息协议。随着物联网信息技术的高速发展，MQTT增长迅速并逐渐成为物联网领域热门的通信协议，同时也是主流物联网平台常见的传输协议。传统的工业现场数据采集与监控软件（如SCADA系统）正面临越来越多的物联网技术挑战例如如何将SCADA系统实时数据通过MQTT传输到物联网云平台。本文研究MQTT技术在SCADA数据采集应用过程中的实践，通过内置的MQTT服务，将现场生产过程数据开放给物联网云平台，提供了 一种行之有效的解决方案。关键词：SCADA MQTT 数据融合Abstract：MQTT communication protocol,originally invented by IBM in the 1990s,is a communication message protocol based on TCP/IP.Recently,with the rapid development of information technology in the Internet of Things,MQTT has grown rapidly and gradually become a popular communication protocol in the field of the Internet of Things,and is also a common transmission protocol in mainstream Internet of Things platforms.Traditional industrial field data acquisition and monitoring software,such as SCADA system,is facing more and more Internet of Things technical challenges,such as how to transmit real-time data of SCADA system to the Internet of Things cloud platform through MQTT.This paper studies the practice of MQTT technology in the SCADA data acquisition application process,and opens the on-site production process data to the Internet of Things cloud platform through the built-in MQTT service,providing an effective solution.Key words：MQTT SCADA Data fusion收稿日期：2023-04-04作者简介：刘圣林（1987-），男，浙江杭州，工学学士，高级工程师，一级建造师，致力于人工智能、5G工业互联网、SCADA等方向的研究。化软件，负责采集现场各种过程数据（例如温度、压力、流量）等，并将现场过程数据通过协议转换，例如OPC DA协议，开放给上层的信息化系统14。在解决工业现场“数据孤岛”方面起着决定性的作用。随着物联网技术的不断发展，越来越多的工业设备也需要将数据上传到云平台，借助于SCADA工业数据采集的强大能力，可以通过SCADA采集现场数据，统一发送给云端。但传统SCADA在对接云平台方面涉及较少，这对其应用场景是一次全新的挑战。引言数据采集与监控软件SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）作为传统的工业信息29中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期APPLICATION RESEARCH 应用研究的身份，来保证数据的安全传输1214。其通信原理图如图2所示。其中，MQTT订阅者用于订阅其他MQTT客户端发布的主题实时消息；MQTT消息发布者将关键信息通过主题的形式发布到其他MQTT客户端。实质上，MQTT订阅者和发布者都是MQTT客户端，区别在于如果该客户端正在发布消息，它此时的角色为MQTT发布者，如果该客户端正在接收消息，它此时的角色为MQTT接收者。一个客户端可以同时充当MQTT订阅者和发布者。消息队列遥测传输MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种非常简单和轻量级的发布/订阅消息传递协议。设计初衷是用于大距离石油管道的数据监控，通过少量网络带宽和资源需求，同时确保可靠性和稳定性58。因此，它常用于受限制的设备（如无线设备）、传输有延迟的不可靠的网络。本项目中通过传统的工业自动化可编程逻辑控制器PLC和数据采集与监控软件SCADA采集现场实时数据，并通过MQTT传输协议将关键数据发送给MQTT客户端，实现从自动化到物联网技术打通的数据采集和监视的目标，解决了传统工业监控系统SCADA和新型物联网系统平台之间数据交互的难题。本文基于此目的给出了一种切实可行的解决方案和应用实践。1 系统架构设计1.1 架构设计本项目中，西门子1200可编程逻辑控制器部署在现场，采集现场过程数据。西门子1200可编程逻辑控制器通过S7协议将现场实时数据传输给SCADA服务器910；SCADA服务器采集现场数据同时作为MQTT客户端，通过主题发布相关实时数据与MQTT服务器进行数据对接。本项目采用开源软件EMQX作为MQTT服务器管理软件，提供高效可靠海量物联网设备连接和MQTT服务管理，MQTT服务器与SCADA服务器合并部署在一台服务器中11；最后，使用开源软件MQTTX作为第三方MQTT客户端订阅SCADA发布的主题，通过EMQX服务器实现对现场1200可编程逻辑控制器设备数据的实时监控。系统网络架构图如图1所示。1.2 协议简介MQTT因其轻巧、低功耗、高可靠性的特效，适合与数据分发，同时MQTT v5.0提供增强的安全认证机制，可以使用用户名加密码的安全认证方式，并且支持证书认证。例如可以使用TLS密码通信框架，此时客户端可以使用服务端发送的证书验证服务端图1 系统网络架构图图2 MQQTT通信原理图30 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期应用研究 APPLICATION RESEARCH端口号。START为TRUE，则MQTT Broker服务启用；START为FALSE，则MQTT Broker服务将不会运行。SCADA系统启用MQTT Broker服务后，通过后续组态配置，现场实时数据可以由SCADA通过MQTT Broker发布，订阅者可以接收最新的现场实时数据，实现数据与第三方MQTT客户端的 交互。2.3 发布数据（1）新建一个MQTT客户端的组态，选择通信协议为“MQTT Client”。（2）填写MQTT客户端的名称，注意名称不能与其他设备重复。（3）配置MQTT客户端的参数，具体包括：客户端IP地址（其他客户端可以通过该地址访问数据地址）、端口号（数据交互端口号）、客户端ID（可选）、发布的主题名称（其他客户端可以通过该主题订阅数据）、刷新周期（单位为s）。（4）添加该客户端需要发布的具体数据点名，例如PT001、PT002、PT003、PT004、PT005等。（5）配置完成后，点击应用，该配置生效。后续该新建的客户端按照配置的刷新周期向MQTT Broker发布数据。2.4 订阅数据（1）同样新建一个MQTT客户端的组态，填写MQTT客户端的名称，注意名称不能与其他设备重复。（2）配置MQTT客户端的参数，具体包括：客户端IP地址（与上文配置相同）、端口号（与上文配置相同）、用户名（可选）、密码（可选）、SSL/TLS（不启用）、证书不启用，同时选择MQTT版本为3.1.1。（3）连接服务器，显示连接成功。（4）新建一个订阅，主题名与上文配置相同，QoS（Quality of Service）与上文配置相同。（5）配置完成后，点击应用，即可以接收到上文配置的客户端发来的数据。本项目中SCADA系统MQTT通信参数如表1所示。M Q T T 协议的订阅与发布是 基于主 题的（Topic），MQTT主题是MQTT代理用于为MQTT客户端筛选消息的关键字。MQTT代理（Broker）是协调不同客户端之间消息的后端系统，提供接收和筛选消息、识别订阅消息的客户端，以及数据的转发、暂存和推送等功能。本项目数据流向为：（1）SCADA服务器作为客户端连接到MOTT Broker服务器代理。（2）第三方客户端MQTTX连接到MOTT Broker服务器代理，并订阅主题Scada_Realtime_Read。（3）SCADA服务器发送给MOTT Broker服务器代理一条消息，主题为Scada_Realtime_Read。（4）MOTT Broker服务器代理收到SCADA服务器的消息，发现第三方客户端MQTTX订阅了Scada_Realtime_Read，然后将消息转发到第三方客户端MQTTX。（5）第三方客户端MQTTX从MOTT Broker服务器代理接收到该消息。2 系统方案设计2.1 设备数据采集本项目西门子PLC主要是采集现场过程数据，例如压力、温度、流量、开关量等；并通过西门子S7协议将过程数据传输到SACAD服务器。现场数据采集和SCADA配置属于常规方案，不再赘述。2.2 MQTT服务器启动本项目中SCADA服务器内置MQTT Broker代理服务，通过以下配置项启用MQTT Broker服务。打开SCADA安装目录下的mqtt.conf文件，设置为如下数据：MQTTSERVER:PORT:1883,START:TRUE其中，PORT：1883是MQTT通信需要使用的31中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期APPLICATION RESEARCH 应用研究内容如下JSON所示：2023-02-28 13:51:25.770 TopicScada_Realtime_Write:MODBUS.PT004:40 ,MODBUS.PT005:50 ,MODBUS.PT006:60 MQTTX客户端通过主题Scada_Realtime_Write发布上述指令，可以实现将现场PT004、PT005、PT006 3个过程值修改为设定目标值，其中PT004修改为40、PT005修改为50、PT006修改 为60。3 结论作为目前热门的物联网协议MQTT协议，相比HTTP超文本传输协议，在低带宽、低功耗的应用场景下，MQTT有巨大的优势。同时，MQTT提供3种类型的QoS消息质量控制，满足用户个性化场景对消息质量等级的不同需求，因此MQTT应用场景和领域呈现越来越多、越来越广的趋势15。SCADA系统作为老牌自动化采集系统，如何更好地实现与MQTT系统的对接和融合，是十分有必要的。本文提出的基于MQTT协议的数据对接方案已经有成功案例落地，同时随着技术的发展，新一代SCADA系统在设计之初就考虑到了MQTT协议的对接，从底层上实现MQTT系统服务的集成，这也为SCADA系统开辟了一个全新的应用领域。参考文献1 邱昌胜.中哈天然气管道SCADA中心控制技术的实现J.化工自动化及仪表，2022，49（04）：表1 MQTT通信参数序号名称参数通信点1IP地址mqtt:/127.0.0.12端口号18833TOPIC1（主题1）Scada_Realtime_ReadPT001T002PT0034TOPIC2（主题2）Scada_Realtime_WritePT004PT005PT0065QoS（服务质量）QoS 1最少1次6用户名N/A7密码N/A8证书N/A2.5 读取多个数据MQTTX作为第三方MQTT客户端，通过订阅TOPIC1：Scada_Realtime_Read读取SCADA系统实时过程数据PT001、PT002、PT003，实现多个数据的读取，SCADA系统通过TOPIC1发布如下JSON（JavaScript Object Notation，是一种轻量级的、基于文本的、开放的数据交换格式）信息：2023-02-28 13:49:23.520 TopicScada_Realtime_Read:MODBUS.PT001:40.01758 ,MODBUS.PT002:29588 ,MODBUS.PT003:14464 MQTTX客户端通过对上述关键信息解读，可以实时显示现场PT001、PT002、PT003 3个温度传感器实时值。其中，PT001为40.01758、PT002为29588、PT003为14464。2.6 写入多个数据MQTTX作为第三方MQTT客户端，通过订阅TOPIC2：Scada_Realtime_Write，实现修改SCADA系统实时数据PT004、PT005、PT006的目的，指令32 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期应用研究 APPLICATION RESEARCH9 叶興.基于MQTT协议的光伏发电智能监控系统研究D.华南理工大学，2020.10 张玉广，杨莉.西门子S7-1200 PLC以太网通信研究J.现代计算机，2021（20）：147151.11 姬广龙，孙丹，王珍珍，等.关于MQTT通信协议的分析与研究J.物联网技术，2023，13（01）：6366.12 谷正川.面向零信任的MQTT安全关键技术研究D.战略支援部队信息工程大学，2020.13 张诗怡，朱豪杰，黄明浩，等.MQTT协议安全加固研究J.通信技术，2022，55（12）：16261635.14 幸大树，佘文魁，顾思明，等.基于Emqx broker架构的物联平台设备数据安全研究J.科技资讯，2021，19（12）：5457.15 马鑫龙，艾冬生，孙发鱼，等.基于MQTT的遥测数据无线传输J.探测与控制学报，2020，42（02）：6164.516521.2 苏爱军.天然气长输管线SCADA系统的设计J.仪器仪表用户，2022，29（08）：59.3 叶强，申荣春.SCADA系统在沙特SWCC输水项目中的应用J.智能计算机与应用，2022，12（05）：119122+128.4 黄栋斐，程明，章朝阳.一种基于SCADA的数据采集与监视控制系统的开发与应用J.制造业自动化，2022，44（01）：15+18.5 李康，陈清华，卢金星.MQTT协议研究综述J.信息系统工程，2021（05）：126129.6 马帅帅，吴桂初，梁步猛，等.基于MQTT协议的电能监控系统设计及其应用J.现代建筑电气，2022，13（02）：914.7 王腾，郑静.基于MQTT协议的服务器中间消息队列设计与实现J.电脑编程技巧与维护，2022（03）：5255.8 闫少石.基于云平台和物联网技术的电机远程监测系统的研究D.华东交通大学，2022.办刊宗旨：传播仪器仪表和自动化控制科技知识，跟踪国际技术进展，探讨企业技术创新，交流产品开发和成果应用经验，宣传优秀企业与企业家，架设技术推广桥梁。主要特点：权威性、综合性、实用性。读者对象：中国仪器仪表杂志发行量大，覆盖面广。国内外公开发行，大16开本，月刊，每月25日出版。每本定价10元，全年12期计120元，含邮寄费。杂志面向国民经济各部门、各行业用户；面向从事仪器仪表科研、设计、制造、管理、销售、使用与维修等工作的企业管理人员、产品设计工程师、生产工程师、系统设计工程师、现场维护人员、质量检测人员、系统集成商与工程咨询等。广告服务：产品介绍和推广、企业介绍和推广、网络推广 联系方式：地址：北京市广安门外大街甲397号105室 邮编：100055 电话：[phone] E-mail：中国仪器仪表杂志创刊于1981年，由中国机械工业联合会主管，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中国仪器仪表行业协会共同主办，中国仪器仪表学会、中国文化办公设备制造行业协会等单位协办的优秀科技期刊；至今已经有40余年的历史，在仪器仪表和自动化领域享有较高的声誉。国内统一刊号：CN11-3359/TH，国际标准刊号：ISSN1005-2852诚征 中国仪器仪表 杂志广告