详解西门子S7-1200数据采集：基于边缘网关的S7协议与MQTT实现

原创已于 2025-12-01 17:09:37 修改 · 347 阅读

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于 2025-11-27 14:31:08 首次发布

摘要：本文面向工业物联网（IIoT）开发者，从通信协议层面对比了S7Comm与MQTT的差异。针对西门子S7-1200/1500系列PLC的数据采集痛点，探讨了“边缘计算网关+协议转换”的架构优势。文章将演示如何跳过繁琐的上位机编程，通过边缘侧的协议映射技术，将PLC的DB块、M区数据封装为标准的JSON格式并通过MQTT上报，实现OT数据的高效上云。

导语：在工业现场，开发者采集S7-1200 PLC数据通常有两种路径：一是使用Python(snap7)、C#(S7.Net)编写上位机程序，二是采用工业网关硬件。前者灵活性高但需处理断线重连、包拆分等底层逻辑；后者虽然成本略高，但胜在稳定性。本文将从技术角度出发，以一款支持边缘计算的工业网关为例，详解如何作为“协议代理（Protocol Agent）”，完成从S7二进制流到MQTT JSON的转换。

1. 技术原理：S7Comm协议 vs MQTT协议

在进行采集前，我们需要理解两种协议的本质差异，这决定了我们为什么需要引入“边缘层”。

S7 Communication (S7Comm)：
- 定位： 西门子私有协议，基于TCP/IP（端口102），主要用于PLC与HMI或编程软件通信。
- 机制： 请求/响应模型（Request/Response）。客户端发送读指令（指定DB号、偏移量、数据类型、长度），PLC返回二进制的Raw Data。
- 开发难点： 开发者需要处理大端/小端转换（Big-Endian）、PDU（协议数据单元）长度限制导致的分包处理、以及长连接的保活（Keep-alive）。
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)：
- 定位： 物联网事实标准，基于TCP/IP。
- 机制： 发布/订阅模型（Pub/Sub）。
- 优势： 报文轻量，支持JSON载荷，能够解耦设备端与云端应用，更适合跨网传输。

核心逻辑： 边缘网关的核心作用，就是在边缘侧完成 S7Comm (二进制/大端) 到 MQTT (JSON/UTF-8) 的ETL（抽取、转换、加载）过程。

2. 实战演示：从PLC到云端的三步配置

注：本文实验环境采用 鲁邦通EG5120边缘计算网关 作为协议转换节点，连接西门子S7-1200 CPU 1214C。

Step 1: 物理链路与PLC侧准备

物理连接： 网关LAN口与PLC PROFINET口处于同一网段。
TIA Portal设置（关键）：
1. 在CPU属性中，勾选“允许来自远程对象的PUT/GET通信访问”。
2. 对于需要采集的DB块，取消勾选“优化的块访问”（Optimized block access）。因为第三方工具通常基于绝对地址（Offset）寻址，而优化块使用符号寻址。

Step 2: 南向数据映射 (Southbound Mapping) 在网关的配置界面建立S7连接驱动。

连接参数： 填入PLC IP，机架号(Rack)=0，槽位号(Slot)=1（S7-1200/1500通常为1，S7-300通常为2）。
点位映射： 需将PLC的内存地址映射为网关内部变量。驱动层会自动处理二进制转十进制及大小端问题。
- 示例配置：
  - Temp_Value -> 映射地址 DB1.DBD0 (类型: Real/Float)
  - Pump_Status -> 映射地址 M10.0 (类型: Bool)

Step 3: 北向数据封装 (Northbound Publishing) 配置MQTT北向服务，网关将采集到的标准化变量打包。

Topic设计： iot/factory/line1/plc01/upload

Payload格式： 选择JSON格式，网关会自动序列化数据。

JSON

{
  "ts": 1678886400000,
  "gateway_id": "gw_001",
  "values": {
    "Temp_Value": 23.5,
    "Pump_Status": true
  }
}

发布： 网关按设定的周期（如1s）将JSON包Publish到MQTT Broker。

3. 架构优势：中间件模式 vs 直连模式

相比于直接编写代码连接PLC，引入边缘网关架构具有以下技术优势：

连接复用与包合并（Packet Merging）： S7协议的PDU长度有限（通常240~960字节）。如果读取分散的地址，代码需要发送多次请求。成熟的网关驱动会自动计算最优打包策略，将多个小请求合并为一个大请求，显著降低网络IO开销。
断线重连与看门狗： 工业现场电磁环境复杂，TCP连接易中断。网关内置的守护进程（Watchdog）能实现毫秒级的断线检测与自动重连，无需开发者编写复杂的异常处理逻辑。
安全性隔离： PLC的102端口极其脆弱。网关提供了双网口物理隔离，OT网（内网）与IT网（外网）互不直接路由，有效防止外部恶意扫描直接触达PLC核心控制器。