該技術(shù)方案選擇了將Raspberry Pi與UniPi擴(kuò)展板結(jié)合模擬工業(yè)機(jī)器，UniPi擴(kuò)展板為Raspberry Pi提供數(shù)字輸入和繼電器控制，使用CODESYS控制軟件，這些輸入和輸出被映射到Modbus寄存器，并最終由上層通過(guò)工業(yè)控制協(xié)議Modbus來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制操作。然后在邊緣層或霧計(jì)算層，使用OpenPLC充當(dāng)邏輯控制器，OpenPLC是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的軟件PLC，可以運(yùn)行結(jié)構(gòu)化文本（ST）程序。OpenPLC包含一個(gè)Web服務(wù)器，通過(guò)它可以將我們的PLC程序上傳到PLC中運(yùn)行。模擬工業(yè)機(jī)器與PLC之間的通信通過(guò)Modbus完成。最后是PLC需要實(shí)現(xiàn)與工業(yè)云連接，這一步通過(guò)Node-RED工具實(shí)現(xiàn)和OpenPLC的結(jié)合。Node-RED是一個(gè)基于流量的物聯(lián)網(wǎng)工具。它可以連接不同的設(shè)備、API和其他服務(wù)。在邊緣層或霧計(jì)算層中，通過(guò)Node-RED將PLC和OPC UA協(xié)議服務(wù)器連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，并在云端安裝OPC UA客戶端實(shí)現(xiàn)邊緣層或霧計(jì)算層與云端的通訊工作。
　　邊緣層或霧計(jì)算層使用Node-RED作為運(yùn)行時(shí)，OpenPLC作為虛擬PLC。 Modbus消息可以使用外部包發(fā)送和接收。機(jī)器的輸入通過(guò)Modbus節(jié)點(diǎn)讀入并通過(guò)另一個(gè)Modbus節(jié)點(diǎn)發(fā)送給虛擬PLC。虛擬PLC處理這些數(shù)據(jù)并將結(jié)果寫入其內(nèi)部的Modbus寄存器。然后Node-RED對(duì)PLC的輸出進(jìn)行輪詢，并將結(jié)果發(fā)送回機(jī)器。在OPC UA節(jié)點(diǎn)的幫助下，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到OPC UA服務(wù)器，或者可以在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)托管自己的服務(wù)器。然后，IT系統(tǒng)或云端可以通過(guò)這個(gè)OPC UA協(xié)議以統(tǒng)一的方式查閱所有數(shù)據(jù)。
　　這只是一個(gè)基于框架實(shí)現(xiàn)的一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，也是最終實(shí)現(xiàn)比較理解的例子，PLC的虛擬化和軟件定義后，針對(duì)下層IO解耦，將實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的最大靈活性和可擴(kuò)展性，此外還有諸多好處。而在實(shí)現(xiàn)這個(gè)的圖中，目前已有的工業(yè)云平臺(tái)均以兼容傳統(tǒng)PLC架構(gòu)的模式在運(yùn)行。舉例來(lái)說(shuō)，西門子公司的MindSphere工業(yè)云平臺(tái)，該平臺(tái)采用基于云的開放物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，可以將傳感器、控制器以及各種信息系統(tǒng)收集的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，通過(guò)安全通道實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫?，并在云端為企業(yè)提供大數(shù)據(jù)分析挖掘、工業(yè) APP 開發(fā)以及智能應(yīng)用增值等服務(wù)。其架構(gòu)如下圖所示：

　　圖5 MindSphere工業(yè)云平臺(tái)架構(gòu)

　　MindSphere 平臺(tái)包括邊緣連接層、開發(fā)運(yùn)營(yíng)層，應(yīng)用服務(wù)層 三個(gè)層級(jí)。主要包括 MindConnect、MindClound、MindApps 三個(gè)核心要素，其中，MindConnect 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)， MindClound 為用戶提供數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用開發(fā)環(huán)境及應(yīng)用開發(fā)工具，MindApps 為用戶提供集成行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果的工業(yè)智能應(yīng)用。
　　在MindConnect層中，目前主要兼容的還是去采集現(xiàn)場(chǎng)PLC或歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，直接連接到PLC或歷史數(shù)據(jù)庫(kù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，或者通過(guò)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，均以兼容傳統(tǒng)架構(gòu)的方式運(yùn)行。
　　這種模式或技術(shù)解決方案我們可以稱為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的第一階段，要實(shí)現(xiàn)真正意義上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0所構(gòu)建的藍(lán)圖，僅僅將數(shù)據(jù)采集上來(lái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化等還不夠，我們還需要設(shè)備本身?yè)碛兄悄苡?jì)算、智能處理的能力。而這些優(yōu)化和計(jì)算的能力針對(duì)終端來(lái)說(shuō)，可能智能設(shè)備本身的計(jì)算能力即可滿足，但是在真正的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，最終的控制過(guò)程還需要PLC來(lái)進(jìn)行控制，PLC的智能計(jì)算、智能處理必須具有軟件定義的能力，只有通過(guò)軟件定義的PLC，才能夠通過(guò)上層的數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化之后，根據(jù)應(yīng)用功能優(yōu)化和調(diào)整PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的效率提升，同時(shí)也避免了人員的繁瑣調(diào)試等，提高運(yùn)營(yíng)成本。而現(xiàn)有的云平臺(tái)還無(wú)法做到直達(dá)底層的優(yōu)化定義，因此只有在打通關(guān)鍵核心控制設(shè)備PLC后，才能夠打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的第二階段。
　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025本質(zhì)都是互聯(lián)網(wǎng)深度參與到工業(yè)生產(chǎn)中，從而將生產(chǎn)力提升到一個(gè)全新的高度。過(guò)去10年是消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)的10 年。上一波互聯(lián)網(wǎng)浪潮中，互聯(lián)網(wǎng)在全球連接起數(shù)十億人，同時(shí)也造就了Google、亞馬遜這樣的互聯(lián)網(wǎng)巨頭?；ヂ?lián)網(wǎng)在流通、消費(fèi)、零售、溝通行業(yè)的高潮已經(jīng)有目共睹，互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)的領(lǐng)域的浪潮。據(jù)通訊巨頭思科公司估計(jì)，到2020年，互聯(lián)網(wǎng)會(huì)造就150億至500億的連接設(shè)備，同時(shí)還包括人與物、物與物的連接，是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的連接人數(shù)的幾倍甚至更多。