基于西门子S7-1200 PLC间点对点LoRa的液位监测与控制系统

《Telecom》：IoT System for Level Monitoring and Control with Point-to-Point LoRa Between Siemens S7-1200 PLCs

　　

工业监控可通过物联网（IoT）扩展，而无需将控制逻辑移出可编程逻辑控制器（PLC）。本研究评估了一种使用两个西门子S7-1200 PLC之间点对点LoRa链路的液位监测与控制架构；LoRaWAN仅作为概念性架构参考，未实现网关、网络服务器或OTAA/ABP流程。配备以太网扩展板W5100的Arduino Uno通过Modbus TCP与PLC交换变量，并通过UART将变量传输至Heltec LoRa ESP32模块。Factory I/O模拟过程，Adafruit IO提供远程监控。现场测试覆盖10至120 m的十二个位置，共传输1200帧。记录了接收率、丢包率、接收信号强度指示（RSSI）、信噪比（SNR）以及固件计算的时延值。总体接收率为94.17%，丢包率为5.83%，平均时延值为727.17 ms。主要贡献在于将本地控制与无线通信分离，并对链路进行定量评估。由于PLC在帧丢失时仍保持控制，该方案适用于慢速过程监控，但不适用于关键回路。结果仅针对所评估的无线电和固件配置有效。

**论文解读：基于点对点LoRa的液位监测与控制系统研究**

**1. 研究背景与问题**
工业4.0、物联网（IoT）和工业物联网（IIoT）的普及推动了自动化系统向灵活、可互操作的架构发展。可编程逻辑控制器（PLC）作为工业控制的核心，其控制逻辑通常需要保持本地化以确保可靠性。然而，现有研究多将控制决策嵌入微控制器或云端，导致PLC的原有控制功能被削弱。此外，LoRa和LoRaWAN技术因低功耗、远距离传输优势被广泛用于远程监控，但多数系统将控制与通信耦合，缺乏对无线链路质量的系统评估。本研究旨在解决以下问题：（1）能否在不改变PLC程序的前提下，通过PLC-Arduino-LoRa路径传输变量？（2）接收率、RSSI、SNR和时延随距离如何变化？（3）记录时延和丢包对监控及未来控制动作有何影响？该研究的意义在于将本地控制与无线监督分离，并定量评估链路性能，为慢速过程监控提供可行性验证。

**2. 研究方法与关键技术**
研究人员采用实验方法，构建了由西门子S7-1200 PLC、Arduino Uno（配W5100以太网扩展板）、Heltec LoRa ESP32模块组成的系统。Factory I/O模拟液位过程，Adafruit IO提供远程可视化。关键技术包括：（1）Modbus TCP协议实现PLC与Arduino之间的有线通信；（2）UART接口（9600 bit/s，8N1格式）连接Arduino与LoRa模块；（3）点对点LoRa无线链路（915 MHz，125 kHz带宽），发射天线高5 m，接收天线高2 m。现场测试在厄瓜多尔拉塔昆加市Lasso的开放区域进行，接收节点从10 m至120 m按10 m间隔移动，每个位置传输100帧，共1200帧。记录RSSI、SNR、时延、接收率和丢包率。LoRaWAN仅作为概念参考，未实现网关或网络服务器。

**3. 研究结果**
- **功能验证**：两个S7-1200 PLC通过PLC-Arduino-LoRa路径成功交换信息。Arduino桥接器读取PLC寄存器并转发至LoRa模块，PLC继续执行液位控制程序。Factory I/O模拟过程正常，液位阈值触发泵和阀门状态改变。
- **链路性能**：整体接收率94.17%，丢包率5.83%，平均时延727.17 ms（范围361–1382 ms）。RSSI平均-112.42 dBm（范围-91至-126 dBm），SNR平均0.17 dB。距离10–60 m平均接收率98.33%，70–120 m降至90.00%。RSSI和时延随距离呈整体下降趋势（回归斜率分别为-0.238 dBm/m和8.69 ms/m，R2分别为0.654和0.672），但局部点存在非单调变化（如10 m处RSSI劣于20 m）。
- **时延与丢包影响**：平均时延727.17 ms表明系统运行在百毫秒级别，5.83%丢包率对应约每17帧丢失1帧。PLC本地控制未受影响，但远程命令可能因帧丢失而延迟或失败。
- **远程监控**：Adafruit IO仪表板显示液位设定值、实测液位、泵状态、阀门状态、报警、LoRa链路状态及RSSI、SNR、时延等指标，实现统一监控界面。
- **链路质量指标**：RSSI、SNR和接收率描述链路不同方面，三者联合评估可识别通信余量不足的位置。例如，100 m处RSSI为-115 dBm但接收率仅89%，而70 m处RSSI更低（-121 dBm）但接收率达90%。

**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，该架构将PLC控制与外部IoT层分离，符合IIoT和工业5.0的韧性目标。与嵌入式计算方案（如Abubeker和Nuthalapati的ESP32系统）相比，本研究保留了PLC的工业控制角色。研究局限性包括：过程在模拟环境而非物理工厂中验证，每个距离仅一次100帧会话，天线增益和辐射模式未校准，SF、编码率、发射功率未保留可验证记录，且未进行时钟同步验证。因此，时延被解释为固件指示而非精确单向时延。结论部分强调，该研究提供了一种模块化方法，在不将过程控制移出PLC的情况下添加和评估通信层。现场测试得到94.17%接收率、5.83%丢包率和727.17 ms平均时延，支持该链路用于慢速过程监控，但不足以证明其适用于时间关键的控制回路。结果仅适用于所测试的配置（915 MHz LoRa、5 m发射天线、2 m接收天线、未验证的固件参数），未声称任何经济性、能效或确定性控制优势。