德國赫優訊物聯網網關TPI 51——實現EtherNet/IP與MQTT網絡通訊

• 關鍵詞： 德國赫優訊 物聯網網關
• 摘要：德國赫優訊推出的實現自動化網絡與云通訊連接的物聯網網關netIOT Edge Gateway，可以實現安全地將自動化網絡連接至云端或物聯網平臺，產品作為IO現場設備與PLC進行周期數據交換，然后直接通過OPC UA或MQTT云通訊方式連接到IoT設備或平臺中?？梢钥焖俅罱∣T和IT數據的“橋梁”，用于安全地實施工業物聯網和工業4.0等邊緣自動化項目。

1.產品簡介

德國赫優訊推出的實現自動化網絡與云通訊連接的物聯網網關netIOT Edge Gateway，可以實現安全地將自動化網絡連接至云端或物聯網平臺，產品作為IO現場設備與PLC進行周期數據交換，然后直接通過OPC UA或MQTT云通訊方式連接到IoT設備或平臺中?？梢钥焖俅罱∣T和IT數據的“橋梁”，用于安全地實施工業物聯網和工業4.0等邊緣自動化項目。

根據不同的應用場景和項目需求，赫優訊推出的netIOT Edge Gateway可分為以下兩類：

（1）“Connect”：NIOT-E-TPI51-EN-RE適用于傳輸有限數量的物聯網應用，通過Node-RED / Docker進行數據挖掘和數據處理分發；

（2）“On-Promise”：NIOT-E-TIJCX-GB-RE適用于數據密集型和復雜的物聯網應用，對性能、連接性和內存容量要求更高，Node-RED/Docker作為基礎，本地云連接和云計算作為選項。

圖1 netIOT Edge Gateway

本文以“Connect”網關TPI51為實驗對象，針對EtherNet/IP網絡到MQTT通訊的實際應用場景，進行通訊測試和分析。

1.1  Edge Gateway Manager

Edge Gateway Manager是一個帶有瀏覽模塊的網頁，可以快速訪問集成在設備中的應用程序或外部網頁。

圖2 Edge Gateway Manager

訪問方式：

① https://（通過DHCP方式）

② https://（通過固定IP）

注：登錄Edge Gateway Manager，第一次登錄需要通過局域網給設備分配IP地址，可通過交換機將設備與PC同時連接到局域網，然后通過設備名登錄。登陸之后，可設置固定IP登錄方式。

1.2  Control Pannel

使用控制面板，可以配置Edge Gateway并顯示系統信息和特定于設備的信息。

（1）System：包含信息中心、許可證管理、時間設置等，用于顯示系統信息和激活的許可證，上傳或下載許可證文件，設置時間和時間同步等。

（2）Network：可以配置IT和OT網絡（現場總線）的以太網接口、WiFi設置、組態現場總線接口等操作。

（3）Services：顯示、啟動和停止Edge Gateway的服務配置。

（4）User Management：顯示用戶權限。

（5）Security：存儲和管理證書以及密鑰文件。

（6）Node-RED – The wiring editor

1.3  Node-RED

物聯網中的網關的任務是在不同的設備之間建立簡單的可配置的靈活連接，netIOT Edge Gateway使用Node-RED完成基本配置，Node-RED是一個非常靈活的物聯網可視化布線編輯器，基于流的編程模型，表示節點間事件流的消息、觸發以及輸出結果的處理，獨立于平臺。內置節點集，為開發者提供了強大的基礎。

結合物理層面和邏輯應用，Node-RED模型中的“流”與“節點”建立基本模型，代表物聯網中的對象，可將這些對象與物理接口以及邏輯功能相關聯。使用簡單的拖拽和拖放技術，無需編程，只需配置，使用功能塊進行數據連接，縮短應用構建時間。如下圖所示：

圖3 Node-RED與物理接口的關系

在Node-RED中msg對象包含topic和payload。topic定義消息，payload包含傳輸的載荷。

1.4  MQTT通訊

MQTT協議（Message Queuing Telemetry Transport），即遙信消息隊列傳輸，是一種輕量級基于代理的發布/訂閱消息的傳輸協議，其設計思想是開放、簡單、輕量、易于實現，適合在寬帶、計算和處理能力受限的環境下工作。MQTT協議采用客戶端-服務器的基本結構，基于主題訂閱/消息發布進行消息傳輸，使通信的參與者在空間、時間和控制流上完全解耦，在輕松實現拓撲結構擴展的同時，保留了實時的特性以及服務質量的可配置性。所以，MQTT是適合物聯網場景的通訊協議，其協議架構如下圖所示：

圖4 MQTT協議架構

MQTT協議作為物聯網通訊有以下特點：

（1）傳輸消耗少，最短的消息只有兩個字節，可實現最大程度的降低網絡負載；

（2）協議簡單、開放、易于實現，MQTT協議采用訂閱/發布的消息模式，提供從1到n的消息轉發，降低通信雙方的耦合度；

（3）為不同的場景提供三個級別的消息傳輸服務質量；

（4）MQTT的遺囑機制使得客戶端在發生異常連接中斷時，相關終端可以接收到本客戶端的遺囑消息。

2.實驗準備

試驗所需設備：

3.硬件連接

根據實驗要求，赫優訊主站板卡cifX 50-RE/+ML作為EtherNet/IP主站，TPI 51邊緣網關作為EtherNet/IP從站，MQTT.fx作為客戶端通過不同的主題訂閱和發布消息，即可直接接收EtherNet/IP主站發送的數據，同時也可以發送數據到主站。

TPI 51邊緣網關需要24V供電，需連接相應的電源設備。關于邊緣網關的相關配置及硬件LED燈閃爍情況，請參考文檔：Edge Gateway NIOT-E-TPI51-EN-RE UM 08 EN。

4.軟件安裝

本次實驗采用兩臺計算機，分別模擬IT和OT的部分，需要分別安裝網絡組態軟件SYCON.net和MQTT.fx客戶端軟件。通過瀏覽器訪問Edge Gateway Manager主控制界面，然后通過Node-RED進行數據流的創建。

5.測試步驟

5.1 系統配置

登錄Edge Gateway Manager，第一次登錄需要通過局域網給設備分配IP地址，可通過交換機將設備與PC同時連接到局域網，然后通過設備名登錄管理界面。登陸之后，可以通過cmd查看設備的IP地址，然后設置固定IP登錄方式。首次登陸，登錄名和密碼都為admin，然后根據操作提示可更新密碼。

（1）設置固定IP

設備的訪問方式可以通過固定IP的方式登錄，在管理界面的上側菜單欄，點擊NetWork，選擇LAN，設置固定IP即可。注意：通過固定IP登錄時，需要與PC的IP地址在同一個網段之內。

圖5 設置固定IP

（2）Field設置

Edge作為從站設備連接到OT網絡中，目前可支持PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP，需要在Field中選擇相應的協議棧即可。點擊上側菜單欄NetWork，選擇Field，進入Field的配置界面。首先，修改Field的工作模式，Connect邊緣網關作為現場設備，所以設置其為Active模式，然后選擇相應的firmware，本次測試選擇EtherNet/IP Adapter：

 圖6 設置Field網絡

（3）Node-RED設置

需要在Service list中啟動Node-RED選項，才可以在首頁中激活Node-RED功能塊，然后直接進入Node-RED界面進行配置。

圖7 啟動Node-RED

（4）MQTT Broker設置

與Node-RED設置一樣，需要在Service List中啟動MQTT Broker，實現將TPI 51邊緣網關設置為一個MQTT服務器：

圖8 啟動MQTT Broker

5.2 設置Fieldbus節點

Fieldbus節點分為Input和Output節點，用來從現場層（例如PROFINET、EtherNet/IP等實時以太網網絡）接收數據，或者將數據發送至現場層，每個節點都需要信號來尋址數據，所以需要先配置現場總線系統，然后定義信號，將信號用于Fieldbus的輸入和輸出節點。

添加Fieldbus節點，將Fieldbus的輸入和輸出節點直接拖拽至工作區，雙擊節點，進行配置。

圖9 添加Fieldbus節點

雙擊節點，在Fieldbus Interface下拉框中選擇EtherNet/IP Adapter，然后點擊右側圖標，進入打開界面：

圖10 選擇Fieldbus Interface

點擊Fieldbus Configurator的open按鈕，進入Fieldbus配置界面：

圖11入Fieldbus配置器

設置輸入輸出模塊長度分別為：2 send byte（inputs）和2 receive byte（outputs），雙擊IO items中的Send和Receive添加輸入輸出模塊：

圖12添加輸入輸出模塊

添加好輸入輸出模塊，可以直接在Data Length修改長度，測試中選擇2 send byte（inputs）和2 receive byte（outputs）：

圖13設置長度

對于EtherNet/IP從站設備，只需要設置輸入輸出長度，IP地址由主站分配。配置完成之后，點擊Project，選擇Save，保存工程。然后，點擊Download，下載EDS文件，用于在主站配置工具中做網絡組態。

圖14 保存配置

圖15下載EDS文件

5.3 設置MQTT節點

對于MQTT節點的設置，首先需要將MQTT的輸入輸出節點拖拽至工作區，然后雙擊節點圖標進行配置。

圖16 添加MQTT節點

雙擊MQTT out節點，點擊服務端下拉框，選擇MQTT，點擊右側圖標，對MQTT Broker進行配置：

圖17 編輯mqtt out節點

對于MQTT Broker節點配置，服務器選擇與主機TPI51邊緣網關通一個IP地址，端口號默認為1883，客戶端ID在MQTT.fx軟件中自動生成：

圖18 mqtt-broker節點參數設置

服務端信息配置完成之后，點擊更新，保存設置。然后，設置mqtt out節點的主題、遺囑消息的質量和保存，以及節點名稱。主題和遺囑消息的設置需要和MQTT.fx中的設置保持一致：

圖19 MQTT out節點參數配置

同樣的操作，設置MQTT In節點，可以設置不同的主題，便于通訊測試，所以對于MQTT In節點的參數配置如下：

圖20 MQTT in節點的參數配置

5.5 MQTT.fx配置

MQTT.fx作為MQTT客戶端設備，可與服務器建立網絡連接，可保存多個連接配置，支持多種類型TCL加密方式。創建連接時可指定使用HTTP代理服務器，連接成功后可執行發布和訂閱功能。

首先，創建連接配置，點擊配置按鈕，設置連接項參數：

圖21 連接項設置

設置連接項參數時，需參考Node-RED中MQTT節點的參數配置，服務端、端口號等需保持一致。設置完成之后，返回主界面，點擊Connect按鈕創建連接：

圖22 創建連接

5.5 EtherNet/IP網絡組態

對于TPI 51邊緣網關，作為EtherNet/IP網絡中的從站設備，可以獲取EtherNet/IP網絡的過程數據，然后通過MQTT通訊協議上傳至具有物聯網通訊功能的設置。在測試中，選擇赫優訊主站板卡cifX 50-RE/+ML作為EtherNet/IP主站，在SYCON.net軟件中進行網絡配置。

首先，需要將TPI 51邊緣網關的設備描述文件（EDS文件）導入到SYCON.net軟件中，在SYCON.net中添加主站板卡和TPI51邊緣網關進行網絡組態，然后設置從站設備的輸入輸出模塊長度，與在Node-RED中Fieldbus節點的配置一致：

圖23 設置Connect邊緣網關參數

設置完成之后，將從站的配置參數下載在主站中，可以監測到通訊狀態：

圖24 通訊狀態

6.通訊測試

在Node-RED編輯器中，部署創建好的數據流，可以看到所有節點處于運行狀態，在Debug區域可以查看狀態輸出信息。

圖25 部署數據流工程

（1）首先測試TPI 51緣網關實現將Ethernet/IP網絡數據發送至MQTT通訊，可分別在Node-RED和MQTT.fx中監測數據的變化，cifX板卡發送數據1,2：

圖26 主站板卡發送數據

圖27 Node-RED中查看數據

在MQTT.fx軟件中，訂閱topic1主題，可以監測到從cifX主站辦法發送至TPI 51邊緣網關的數據：

圖28 MQTT客戶端訂閱數據

（2）同樣的，通過MQTT客戶端也可以發送數據至主站板卡，實現從MQTT通訊到EtherNet/IP網絡。在MQTT.fx中，設置發布主題為topic2，與Node-RED中設置一致，發送數據[3,4]，可以在Node-RED和SYCON.net中查看接收到的數據變化。

圖29 MQTT.fx發送數據

圖30 Node-RED中數據變化

圖31 cifX主站卡接收到的數據

7.總結

TPI 51邊緣網關可作為標準IO設備無縫集成在自動化網絡中，使用IoT配置工具Node-RED，在現場設備和應用程序間實現快速模型化數據流的創建，直接與云端或物聯網設備進行MQTT通訊，并實現與主站并行傳輸數據。

對于應用需求來說，基于赫優訊的邊緣云網關設置，可實現現場層數據實時訂閱，并快速搭建數據采集通道。從而幫助生產制造業探索最佳的工藝流程，降低生產成本，提高產品質量。