将PLC连接到互联网——为新的自动化和信息系统创造更多可能性

  传统的PLC受到来自有线输入/输出（I/O）点和联网智能设备所提供可用信息的限制。但在互联网上，存在大量信息可资利用，最终用户可以通过网页浏览器和应用程序来获取、利用这些信息。许多网站都提供用编程来传递信息的方法，这就是PLC如何获取数据并将其付诸实践的方式。  

  为什么需要连接网络？    

  但是，为什么PLC需要连接到网络呢？原因之一是许多常见的应用程序需要了解当前环境的天气情况。例如，灌溉或冷却塔自动化系统，可以获取实时和预测的温度和局部降水值，以调整运营活动。  

  另一个例子是太阳能设备，该设备从某些网站获取方位角和高度信息，并使用其来优化太阳能电池板的对准方式。从网站获得的信息，可能不直接参与控制活动，但对运营商可能有用。电线生产商可以每日从证券交易所网站获取铜商品的价格，以帮助在人机界面（HMI）上显示近乎实时的利润率。  

  为了以这种方式连接到互联网，PLC需要使用工具来访问超文本传输协议（HTTP）和处理JavaScript对象符号（JSON）。具有这些指令的PLC，可以使用适当的应用程序接口（API）启动与网站的通信，从网站接收数据，并将数据解析为所需的信息。  

  使用浏览器浏览互联网时需要哪些操作？首先，在浏览器地址栏中，键入到达特定网站所需的字符串，我们称之为统一资源定位符（URL），它指向特定的域和网页。在浏览器中键入URL会生成对网页服务器的HTTP请求，并且HTTP响应用于填充浏览器的显示。HTTP请求和响应，是易于理解的轻量级文本文件，易于软件创建和解析。这就是人类使用浏览器与互联网网站进行交互的方式，但是PLC的过程略有不同。  

  了解应用程序接口    

  许多网站都提供API定义，PLC可以使用它们来交换某些数据。PLC社区更感兴趣的是提供可能对自动化机器、设备和系统有用的那种硬数据的站点。当然，PLC必须具有出站访问互联网的权限，才能与提供API的站点连接。信息可能包括当前和未来的天气状况、太阳的位置、商品或能源的当前价格或许多其它可能相关的数据。  

  互联网搜索将指出哪些网站提供访问所需信息的API。一些API允许免费访问，而另一些API则限制用户每天访问的次数。提供更具价值信息的提供商，则可能会收取一定的订阅费。  

  当PLC或其它软件，按照定义的格式发起HTTP请求时，网站将返回JSON格式的响应。用户可以解析此响应以获得特定数据。  

  在尝试将PLC与网站人机界面连接或任何形式的低层级以太网通信时，应为程序员配备一些有用的工具。一种是开源的Wireshark，它将公开HTTP请求和响应数据包。另一个是文本编辑器，可以方便地查看JSON响应。任何文本编辑器都可以，但是有许多免费的编辑器，能够提供增强显示的JSON格式内容以简化工作。  

  使用JSON文件开展工作    

  JSON响应以紧凑的ASCII字符串形式接收，对于工作人员而言，以原始格式阅读并不容易（图1）。使用兼容的文本编辑器查看JSON字符串，可以展示JSON文件中信息对象的分层和嵌套性质（图2）。  

  图2：此高亮显示的JSON示例，展示了信息的分层性质，其中包含可供软件解析的人类可读数据。    

  感兴趣的信息通常向下嵌套几层，必须系统地解析和提取。在图2的示例中，从第0层开始，然后进入第1层的“温度”对象，接着进入第2层的“英制单位”对象，最后获得华氏温度的“值”为44。  

  每个PLC都不同，但是任何PLC都需要支持一些通用的基本功能，例如HTTP请求和JSON响应解析。  

  第一步，PLC设备必须在工厂网络上配置以太网端口，并带有适用的默认网关、域名系统（DNS）、IP地址和子网掩码。同样，用于此目的的以太网端口必须能够通过现场网络连接到因特网。  

  第二步，PLC设备必须可配置为充当传输控制协议（TCP）的客户端。这相当于在PLC中打开逻辑通道，因此HTTP指令可以通过以太网端口，发起网站API请求。  

  第三步，PLC编程必须具有用于定义目标API服务器名称（URL）和其它详细信息的HTTP指令（图3）。此配置包括请求字符串以及响应信息应放置的位置。  

  图3：HTTP指令使PLC可以发起对互联网网站API的请求，从而获取所需的数据。    

  最后，PLC编程软件必须具有可识别JSON的指令，该指令可以解析对象的各个分层，以获得所需的数据（图4）。由于JSON中的嵌套层，此解析操作可能需要执行数个步骤。  

  图4：需要一个解析指令以便PLC可以       挖掘JSON数据有效负载中的对象层，并提取所需的信息。    

  通过联网检查温度    

  一种常见的应用程序，可以提供良好的概念验证，它使用PLC与天气网站联系，以确定当前或预测的本地温度。在此示例中，已通过具有必要指令（HTTP指令和JSON解析）的设计软件对PLC进行配置。  

  例如，AccuWeather网站上，在“API参考”标签下，提供了具有许多详细信息的API。用户应始终向目标网站咨询有关注册、创建应用程序、费用和其它技术细节或限制的信息。创建应用程序时，将提供用户专用的API密钥，这对于启动HTTP通信是必需的。该用户API密钥有点像授权通信的密码。  

  该API提供了许多获取数据的方法。例如，如果PLC在大城市中，则可以在此基础上实现一步获得温度。为了获得更高的准确性，用户可以选择纬度/经度，甚至邮递区号来查找位置键，该位置键用于调用其它API方法。对于此示例，我们将使用后一种方法。  

  搜索参考位置部分，将显示“邮政编码搜索”的“获取”方法，显示所有有效参数并允许用户构建有效的HTTP请求字符串。该工具还可用于执行请求并查看响应消息和有效载荷（JSON数据）的外观。遵循API规则，“键”值包含所需的位置键。  

  接下来，搜索参考的“当前条件”部分，将显示“当前条件”的“获取”方法。如果使用用户的API密钥和新的位置密钥来执行此方法，则将获得另一个包含温度的响应。在开发过程中，可以通过这种方式使用AccuWeather网站来搜索通讯选项。在实际运行时，将PLC配置为可以发出带有正确请求字符串的HTTP命令。收到每个响应时，PLC需要将数据放入字符串变量中，然后发出连续的JSON解析指令，以向下挖掘所需的数据。  

  保证网络的安全性    

  使PLC能够与互联网连接，这开启了无限可能性，但也带来了一些问题。用户必须确保，在工业设备连接到互联网的任何时间点上，都能保证网络的安全性。同样，最终应用程序必须足够强大，以承受任何形式的互联网中断。  

  对于本文中的示例应用程序，安装本地温度变送器可能会更好地为最终用户服务。但是，互联网提供了大量有用的信息，而这些信息无法在本地进行检测。稍加思考和一些额外的编程工作，用户就可以利用基于PLC的HTTP和JSON指令，为应用程序添加新的功能。