基于物联网的PLC程序远程升级系统

摘要：PLC传统的升级方式需要技术人员到现场进行操作，此方式工作效率低、时间与人力成本高。鉴于此，文章设计并实现了一种基于物联网的PLC程序远程升级系统，该系统利用物联网技术构建一条从组态软件到生产现场PLC的虚拟串口线，技术人员在办公室即可实现对生产现场PLC程序的远程升级，无需到现场操作。实验结果表明：该系统能够稳定、可靠的实现PLC程序的远程升级。

关键字：PLC；物联网；远程升级；虚拟串口线；GX Works2

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）09-0115-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

PLC 是可编程逻辑控制器（Programmable LogicController） 的缩写，是一种专门用于工业领域的数字电子设备，可高效、稳定的控制机器和设备的运行，实现自动化生产。通常情况下，当现场PLC的技术需要更新或者程序出现故障时需要对PLC的程序进行更新。此外，当PLC控制系统的生产需求发生变化时，也需要对PLC程序进行更新。在数字化、智能化的工业浪潮中，PLC作为工业自动化系统的核心部件，其程序的更新与维护及其重要。传统的PLC更新方式往往需要现场工程师的实地操作，这种方式不仅效率低下，而且时间与人力成本较高。

PLC远程升级技术是指在不关闭PLC系统的情况下，通过远程方式对PLC程序进行更新升级。国内外的PLC厂商、研究机构都在积极开展PLC远程升级技术的研究和应用。孟庆龙等[1]提出了一种基于差分技术的PLC固件远程升级方法，此方式需对PLC固件进行编码、解码，过程复杂。国外工控巨头都推出了工业软件对自家的PLC产品进行远程升级[2]，如西门子的TIA Portal软件，施耐德的Unity Pro软件等，但对其他厂家的PLC不兼容，缺乏通用性，而且一般要求现场具备有线宽带或Wi-Fi条件。为解决在不具备有线宽带的环境下，对不同厂家的PLC实现远程升级的问题，本文设计了一种基于物联网的PLC远程升级系统，利用此系统，可对不同型号的PLC进行远程升级，具有很好的兼容性。

1 总体架构

利用物联网技术构建一条从组态软件直达现场PLC的网络虚拟串口线，达到远程下载更新PLC程序的效果。构建虚拟串口线需要建立一个由设备端、云平台、客户端、组态软件构成的物联网通信系统，系统总体架构图如图1所示。1） 设备端，由PLC、网络模块组成，PLC与网络模块通过串口进行连接。网络模块先在云平台进行注册，上电后主动连接云平台，与云平台之间保持心跳连接，实时的向云平台上传采集的PLC数据。2） 云平台，是整个系统的核心，具有设备管理、用户管理、设备运行、设备日志等功能，负责整个系统数据的存储、分发与处理。通过mstc命令方式登录云平台，在云平台创建用户并为用户分配所属的网络模块。3） 客户端，客户端运行在Windows系统，使用在云平台创建的用户和密码进行登录，负责对网络模块进行串口、网口配置。4） 组态软件，和客户端运行在同一台计算机，对PLC程序的读取和下载。利用VSPD软件创建一对虚拟串口[3]，组态软件通过虚拟串口与客户端实现数据交互。

2 系统需求分析

实现PLC程序的远程在线更新是本方案的核心需求，技术人员无需到生产现场，在办公室就能够掌握现场PLC的实时状态，通过组态软件能够以无线方式远程读取现场PLC的程序，在组态软件中对程序进行修改完善并下载到PLC中，从而减少工程师的现场操作，提高工作效率、降低生产成本。整个系统的需求按照重要性概括为以下几点：1） 网络模块与云平台之间的数据传输延迟时间控制在0.5秒内，丢包率控制在0.1%以内。2） 对传输的数据包建立加解密与校验机制，建立用户管理体系，防止未授权用户访问并对数据的篡改；3） 能够兼容多种型号的PLC设备，通过模块内置的串口或网口与PLC连接，实现数据的采集与转发。4） PLC状态数据可视化，能够对PLC进行远程故障诊断。

3 关键技术

系统采用的关键技术包含如下几点。

1） 设备端与云平台保持间隔时间为0.5秒的心跳连接，系统采用阿里云服务器，设备端内置云平台服务器域名，网络模块上电连接网络后直接寻址云平台服务器，向服务器发送进行连接的请求，服务器收到网络模块的连接请求后，打开连接，与网络模块保持间隔时间为0.5秒的心跳包连接，通过发送心跳包，网络模块实时向平台上报采集的PLC数据。2） 采用Socket与UDP协议传输AES加密的自定义数据报文，UDP协议[4-5]提供快速数据传输能力，适用于对设备实时性要求较高的场景，但在网络数据的可靠传输上存在弱点。本系统采用AES算法进行数据加密[6]，在数据报文头尾部添加CRC校验码[7]，通过时序控制按序发送数据包，建立动态缓存区，对接收的报文进行完整性检验，保证收、发数据包的完整性、安全性与可靠性。3） 断线重连机制，网络模块与云平台之间通过心跳连接保持实时连接状态，若3秒内未接收到模块数据包，则认为与平台断线，网络模块将对云平台发起重新连接。

4） 身份验证和权限校验机制，云平台在接收通道命令前，对客户端进行身份验证和权限校验，只有云平台创建的用户才能对PLC程序进行远程升级，有效防止未授权用户访问并篡改数据。

4 系统设计

4.1 物联网云平台

物联网云平台是整个物联网系统的枢纽，承担设备接入、数据通信、远程监控、数据存储与处理、数据分发等关键任务。物联网云平台采用分层架构设计，保证系统的安全性、稳定性与可靠性。1） 接入层，负责PLC设备的接入认证及数据的初步处理，使不同品牌和型号的PLC设备能够接入平台，目前，平台支持三菱、西门子的PLC、支持Modbus协议。2） 通信层，实现PLC设备与云平台之间的数据通信。采用Socket套接字与UDP协议传输自定义的数据报文，对报文进行加密，保障数据传输的安全性。3） 处理层，对接收到的数据进行解密解析、处理和存储。提取出有用的信息，如PLC设备的运行状态、故障报警等。同时将处理后的数据转发给相应的应用服务。4） 应用层，提供丰富的应用服务，如远程监控、程序更新、数据分析等。提供标准的API接口，用户可以用组态软件、JAVA、C++等调用API从云平台获取数据进行二次开发，实现远程组态监控、APP监控等。

4.2 网络模块及参数设置

网络模块分为内置sim卡和带网口的两种，通过串口与设备相连，无须设置，上电即可使用。如图2所示为4G网络模块，其性能参数为：1） 丢包率，常规环境下（非理想状态） 0.1%，即大概 1 000 个包丢 1 个包。2） 通讯速率：快速时为 300 毫秒延时（要求秒内必须有数据包发送） ，慢速时为 1 600 毫秒延时。3） 适用于交互式命令，例如 MODBUS 通信协议和多种 PLC 通信协议。

每个模块具有一个SN号，使用前在云平台进行注册并分配给指定用户，在云平台的客户端通过用户账户及对应的密码进行登录，在设备列表中按照SN 号选定模块，进行串口或网口设置，如图3所示为在客户端软件中设置4G模块的串口参数。

4.3 应用端软件

应用端软件包括安装在同一台电脑上的PLC的组态软件、云平台客户端软件、VSPD虚拟串口工具。不同厂家的PLC采用不同的组态软件，如三菱的GXWorks2。VSPD虚拟串口工具可创建虚拟串口对，使云平台客户端软件与组态软件利用虚拟的串口对进行串口通信。

打开客户端软件后进入登录界面，用在云平台创建的用户名及密码进行登录，登录成功后在主页显示用户所管理的网络模块信息，如图3所示，显示网络模块的编号，模块的描述信息、模块的离、在线状态、信号强度等信息。客户端的功能包括远程设置、开始设备上下载、停止设备上下载、后台运行等功能。按照SN 号选定模块，点击远程设置，进入参数设置界面，可按照实际要求对模块进行设置。然后点击“开始设备上下载”，打开组态软件，即可执行远程读取、写入PLC程序操作。操作完成后点击“停止设备上下载”并退出程序。

5 远程升级测试与分析

5.1 测试实验

测试实验所需的器材包括三菱FX0S型号PLC、远桥物联4G模块、串口连接线、Windows 7系统的电脑，电脑上安装云平台PC客户端软件、虚拟串口软件VSPD、三菱PLC 组态软件GX Works2，电脑上通过mstc命令远程访问云平台。将三菱PLC通过串口与4G模块连接，如图4所示。测试流程如下：1） 登录云平台，在设备管理模块添加测试用4G模块SN号，将模块添加到数据库中；2） 在云平台创建测试账号与密码，如账户为test，密码默认123456，将测试模块的SN 号添加到test账户下；3） 利用虚拟串口软件VSPD创建一对虚拟串口，如图5所示，云平台客户端和三菱PLC的组态软件GX Works2通过虚拟串口实现数据互通；4） 利用测试账户test及密码登录云平台客户端软件，对网络模块进行远程设置，选择端口号，配置与PLC互通的串口参数及PLC设备类型；5） 将PLC通过RS485与网络模块连接，连接后对PLC及模块上电，观察模块上RX/TX指示灯是否正常闪烁，闪烁表示通信正常；6） 打开三菱PLC的组态软件GX Works2，进行20次PLC程序的远程读取和写入测试。

5.2 实验结果及分析

经过20次测试，采用本系统均能够成功读取、写入PLC 程序，实现了PLC 程序的远程升级，成功率100%。如图6、7所示为远程读取、写入PLC程序的界面。经过测试统计，每次读取、写入PLC相同程序的耗时在40秒左右。当然，这个时间受PLC程序的大小、4G模块的网络环境影响。

6 总结与展望

本文设计并实现了一种基于物联网的PLC程序远程升级系统，通过本系统，技术人员在办公室就可实现对生产现场的PLC程序完成远程更新。本系统目前支持三菱、西门子、信捷等型号的PLC程序的远程升级，经过多次测试，均成功完成PLC程序升级，系统性能稳定、安全可靠。在后续，我们将继续完善系统，提高系统的扩展性，支持更多型号的PLC协议。

此外，将开发移动端的程序，使用户通过APP即可远程设置模块参数、实时查看PLC的状态信息，进一步丰富系统生态。