《Telecom》：IoT Architecture Based on the OSI Model for Industrial Interconnection Using PLC and Modbus Gateway
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工业物联网(Industrial Internet of Things, IoT)可使传统机电系统与数字化监控及控制平台相连，尤其适用于现场设备使用工业协议且需在不变动其主要运行的情况下集成至Web服务中的场景。研究人员实现了一种基于开放系统互连(Open S
工业物联网(Industrial Internet of Things, IoT)可使传统机电系统与数字化监控及控制平台相连，尤其适用于现场设备使用工业协议且需在不变动其主要运行的情况下集成至Web服务中的场景。研究人员实现了一种基于开放系统互连(Open Systems Interconnection, OSI)模型的物联网(IoT)架构，通过西门子LOGO! 可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、人机界面(Human–Machine Interface, HMI)、ZLAN5143D网关、Node-RED、消息队列遥测传输(Message Queuing Telemetry Transport, MQTT)协议及Adafruit IO，对两台变频器(Variable Frequency Drive, VFD)进行互联。该通信系统在现场层集成RS485/Modbus RTU，在上层网络通过网关进行协议转换采用Modbus TCP/IP over Ethernet。研究人员通过Modbus Poll、变量采集、MQTT发布及Web可视化进行了验证。结果表明：系统具备本地通信响应能力，可采集频率、电压、电流及每分钟转速(Revolutions Per Minute, RPM)，并可远程控制启动、停止、频率设定值及旋转方向。该架构被证明是一种具有IoT扩展性的机电应用模块化解决方案。
一、研究背景与意义
当前工业自动化正处于传统机电系统需具备更高通信、监控及可扩展能力的整合阶段，电机、变频器(VFD)、可编程逻辑控制器(PLC)、人机界面(HMI)及工业网络虽仍是生产核心，但日益需要与能进行数据可视化的数字平台连接以实现远程监控。现有研究表明工业物联网(IIoT)可提升运营效率与决策水平，但仍面临异构设备间互操作性、安全性、扩展性及兼容性的挑战——典型如广泛使用的Modbus、RS485、PLC及VFD本身可完成本地功能，却无法直接接入Web平台、IoT服务或远程可视化工具。虽然部分研究认为Modbus TCP足以满足某些联网环境，也有研究指出网关在连接工业设备与高级监控工具时具更高灵活性，这一差异取决于工艺类型、设备数量、预期响应时间及所需监控层级，使网关成为本地控制与数字层间的扩展要素。开放系统互连(Open Systems Interconnection, OSI)模型可作为概念指导梳理从物理介质到应用层Web可视化的通信过程。本研究由研究人员发表于期刊《Telecom》，旨在提出并实现一种基于OSI模型、通过PLC与Modbus网关实现工业互联的IoT架构，突出基于网关的扩展性、Node-RED集成及Adafruit IO作为IoT监控Web平台的价值，在不改动本地控制逻辑前提下将机电系统数据传输至IoT平台。
二、主要关键技术方法
研究人员采用应用实验法，搭建含工业电机、两台LS iE5/iG5系列变频器(VFD)、西门子LOGO! PLC、HMI、ZLAN5143D串口服务器/Modbus网关、以太网交换机及工业电机的试验台。架构分三层：现场层（电机与VFD，RS485/Modbus RTU，9600 bps，8数据位，偶校验，1停止位）、控制层（LOGO! PLC经以太网连交换机，HMI通过S7通信连网，ZLAN5143D网关IP 192.168.100.200 TCP服务端端口4196做Modbus TCP/IP?Modbus RTU双向转换）、监控层（Node-RED组织信息流，经TLS加密端口8883版MQTT v3.1.1发布至Adafruit IO云平台可视化）。VFD控制与监控分别映射保持寄存器h0005（频率设定）、h0006（启停及方向控制命令）、h0009（电流）、h000A（实际频率）、h000B（电压）、h0015（RPM）。验证先用Modbus Poll模拟Modbus TCP主站测网关响应与延迟，再接入Node-RED与Adafruit IO测IoT集成效果，安全配置含Adafruit IO用户名+AIO密钥认证、MQTT over TLS及网关Web访问密码保护。
三、研究结果
3.1. Validation of Modbus TCP/IP Communication via Gateway（通过网关的Modbus TCP/IP通信验证）
研究人员在未接入Node-RED前用笔记本电脑运行Modbus Poll作为Modbus TCP/IP主站，连接ZLAN5143D网关（192.168.100.200:4196）向从站地址01与02的VFD发起FC03读寄存器与FC06写寄存器请求。300秒分析窗口内记录597次发送(Tx)与597次有效接收(Rx)响应，通信响应率(Response Rate)=597/597×100%=100%；延迟(Latency)按接收与发送时间戳差计算平均约67.50 ms，低于轮询周期（约20 ms查询间隔，有效约1.99次/秒），证实网关正确将以太网端Modbus TCP/IP帧（含MBAP头Transaction ID、Protocol ID、Length、Unit ID+Function Code+Data）转为RS485端Modbus RTU帧（Address+Function Code+Data+CRC）且不丢失现场查询本质信息，本地通信路径通畅。
3.2. Dynamic Frequency Response in Variable Frequency Drives（变频器动态频率响应）
研究人员通过导出Modbus采集数据绘图分析，VFD 1与VFD 2均记录到最大寄存器值6000（按0.01 Hz比例换算为60.00 Hz），VFD 1呈现约8 Hz、30 Hz、50 Hz、60 Hz及停机段变化，VFD 2呈约18 Hz、30 Hz、40 Hz、60 Hz及停机段变化，采样间隔约1.01 s。表明架构可区分采集各VFD变量并能反映两台逆变器运行中的工况切换。
3.3. Output Voltage Behavior（输出电压行为）
VFD 1输出电压寄存器最大值2020（按0.1 V比例换算202.0 V），曲线出现近1000、1360、1680、2020各区段后归零；VFD 2记录最大值198（按该通道直接无比例换算读取198 V）。实测三相输出端与之相符。说明架构成功捕获并显示两逆变器电压随时间演变，需注意不同VFD通道缩放准则可能不同。
3.4. Output Current Behavior（输出电流行为）
电流按0.1 A比例换算，VFD 1最大寄存器值12即1.2 A（均值约1.11 A），VFD 2最大11即1.1 A（均值约0.96 A），停机后归零。结果补充了频率与电压读数，证实架构可采集与电机真实行为关联的电气变量。
3.5. IoT Integration Using Node-RED, MQTT, and Adafruit IO（基于Node-RED、MQTT和Adafruit IO的IoT集成）
本地通信验证后研究人员用Node-RED构建数据流，分别对两台VFD设频率/电压/电流/RPM采集节点及启动/停止/转向控制节点，经MQTT over TLS发布至Adafruit IO对应Feed并在Dashboard中生成 gauges与buttons。测试证实可通过Web界面修改频率设定值、发送启动/停止指令及选择正反转，MQTT实现Node-RED与Adafruit IO间双向数据发布与订阅，PLC与VFD底层控制逻辑未被替代，仅监控与部分遥控上移至数字接口。
四、讨论与结论翻译
讨论部分指出：所实现架构在本地通信阶段表现稳定，300秒内Modbus TCP/IP验证获100%响应率、平均延迟约67.50 ms，表明ZLAN5143D网关在实验室条件下完成RS485/Modbus RTU与Ethernet/Modbus TCP/IP转换无可见通信丢失，为将现场层设备连入以太网监控工具提供合适接口及本地稳定性量化证据。监测变量证明架构可在300秒测试窗口内获取两VFD差异化信息（频率达60.00 Hz，VFD 1电压按0.1 V缩放VFD 2直接读取198 V，电流处于试验台中等值）。安全配置涵盖TLS上MQTT端口8883、Adafruit IO凭据、Dashboard访问控制及网关Web密码，主要关联OSI模型传输层(TLS)与应用层(MQTT认证、Dashboard权限)，适合实验室原型保护范围。本工作贡献属应用型技术上叠加而非新通信协议或基础IoT框架，在同一机电试验台内整合既有工业通信、本地验证、MQTT发布、远程控制及配置级安全防护。
结论部分翻译如下：
研究人员提出的物联网(IoT)架构通过由LOGO! PLC、HMI、ZLAN5143D网关、Node-RED、MQTT及Adafruit IO组成的集成结构，实现了对两台变频器(VFD)的远程监测与控制。该实现保留了现场设备原有的RS485/Modbus RTU通信，并通过Modbus TCP/IP与MQTT将其变量扩展至基于以太网及云的环境。这证实了传统机电设备可在不替换现场通信基础设施的前提下连接至IoT平台。实验验证确认了稳定的本地通信及频率、电压、电流的差异化采集，以及通过频率设定值、启动、停止和旋转方向命令进行的远程干预。基于TLS、凭据认证、受限Dashboard访问及网关密码保护的安全配置为该实验室原型提供了相称的保护层。本工作的主要贡献在于一种可复现的集成方案，在同一试验台内连接了工业协议转换、本地验证、Web可视化与远程控制，为IoT教学及小规模自动化研究提供了实用基础。
