边缘网关 / 数据上云

Name: Darra Software PLC
Author: Darra

一、设备简介

边缘网关是现场 PLC/设备和上层 MES/ERP/云平台之间的关键枢纽。它承担:

向下: 说工业协议 (Modbus TCP / S7 / MC / FINS / EtherCAT / Modbus RTU / BACnet / IEC61850 等 20+ 种), 并发接入 64 台 PLC 和 10 万点;
向上: 说物联网协议 (MQTT / OPC UA / REST / Webhook), 对接阿里云 / 华为云 / 腾讯云 / AWS / 自建 EMQX;
中间: 协议转换 + 数据清洗 + 断网缓存 (72 小时) + 证书轮换;
横向: DarraIPC 对第三方应用开放 SDK (C# / Python / Java / C++ / Rust / Node.js), DarraSync 让多 PLC 变量双向同步 (< 100ms)。

Darra 方案把 "独立网关 + SCADA + 多 PLC 同步软件 + OPC UA Server" 四件套打包到 一台研华无风扇工控机 上, 软件模块全内置, 硬件 ¥1.5~2 万, 部署 1 天上线 500 点。

二、项目模块组成

模块	职责	载体
协议采集引擎	20+ 协议并发采集, 支持 10ms~60s 任意周期	Runtime 内置
DarraIPC Server	对外 SDK 入口, 多语言客户端直接读写 PLC 变量	Runtime 内置
DarraSync Engine	多 PLC 变量同步组, 双向广播 + 冲突解决	Runtime 内置
MQTT Client	TLS + 客户端证书, QoS 0/1/2, 自动重连	Runtime 内置
OPC UA Server/Client	标准建模 + 证书管理 + 订阅	Runtime 内置
REST / Webhook	主动推送到 HTTP, JSON 格式	Runtime 内置
断网缓存	SQLite / RocksDB 本地缓存 + 补传限速	Cache Service
证书管理	Let's Encrypt 自动续签 + 设备级证书	Cert Service
网关自监控	CPU / 内存 / 磁盘 / 网络上报, 异常推送钉钉/企微	SelfMon
配置 IDE	设备向导 + 点表 Excel 导入 + 映射配置	Darra IDE

三、机械装配架构 (网络拓扑)

布局要点:

边缘网关 放在车间机柜, DIN 导轨安装, 无风扇工控机 IP40;
PLC 网段 与 办公网 物理隔离, 网关双网口跨网 (LAN 1 接 PLC, LAN 2 接上行);
4G / 5G DTU 有线断网时自动切换, 不丢数据;
UPS 保证断电 30 分钟不丢数据 (缓存安全落盘);
串口服务器 (或内置 RS485 口) 接 Modbus RTU 电表 / 流量计。

四、程序架构

网关接口 FB 清单

FB 名	输入	输出	说明
`FB_ProtocolCollect`	DeviceList / ProtoCfg	DataSet / Status	多协议采集
`FB_DarraIPC_Read`	VarName	Value / Quality	对外 SDK 读
`FB_DarraIPC_Write`	VarName / Value / ACL	Done / Err	对外 SDK 写
`FB_DarraSync_Register`	GroupName / VarList	Done	定义同步组
`FB_DarraSync_Update`	GroupName / VarName / Value	Broadcasted	变量更新广播
`FB_MQTTPublish`	Topic / Payload / QoS	Done / Cached	MQTT 上行
`FB_MQTTSubscribe`	Topic / Callback	Message	MQTT 下行
`FB_OPCUAExpose`	NodeId / VarRef	Done	暴露到 OPC UA
`FB_CacheWrite` / `CacheFlush`	Record / BatchSize	Remaining	断网缓存
`FB_CertRenew`	CertName	Expires	证书续签
`FB_HJ212Report`	Pollutant / Value	Done	环保 HJ212 上报

五、硬件 BOM (国产优先)

类别	设备	型号 / 规格	数量	单价 (¥)	小计 (¥)
边缘网关主机	无风扇工控机	研华 UNO-2272G / J6412 / 8GB / 256GB SSD / 双网口	1	6,800	6,800
信创替代 (可选)	国产 ARM 边缘盒	飞腾 D2000 / 8GB / 64GB eMMC	1	4,500	4,500
4G / 5G DTU	工业级	移远 EC200N 4G	1	800	800
工业交换机	千兆 8 口	华为 S5735-L8T4S	1	2,800	2,800
串口服务器	RS485 转以太网	宇泰 UT-6604	1	800	800
Modbus RTU 隔离	USB 转 RS485	胜为	2	150	300
电表	多回路	威胜 DTSD341	4	600	2,400
UPS	一体式	山特 500VA	1	1,500	1,500
网关机柜	壁挂 15U IP54	图腾	1	2,500	2,500
SIM 卡	物联网定向流量 10GB/月	三大运营商	1	180/年	180
证书 U-Key	加密存储 (可选)	天喻 / 龙脉	1	600	600
软件授权	Darra Runtime 网关版	永久 + 1 年升级	1	9,800	9,800
合计 (主方案)					¥27,880

对比传统 "独立网关 ¥3 万 + SCADA ¥10 万 + OPC UA Server ¥3 万 + 同步软件 ¥5 万 = ¥21 万", Darra 节省 80%+。

六、IO 模块配置

6.1 协议接入清单

设备	协议	数量	采集点数	周期
汇川 AM600	Modbus TCP	3	300	500ms
信捷 XD	Modbus TCP	2	150	500ms
西门子 S7-1500	S7	2	400	200ms
三菱 FX5U	MC 3E	1	120	500ms
欧姆龙 NX	FINS	1	80	500ms
电表 (威胜)	Modbus RTU	4	40	1min
流量计	Modbus RTU	2	20	5s
机器人 (Darra)	Runtime 内部	2	60	100ms
环境传感器	MQTT (南向)	10	30	10s

合计: 1200 采集点 / 20 设备, 单网关上限 10 万点 / 64 设备。

6.2 点表配置 (Excel 模板示例)

DeviceId	PointName	Protocol	Address	DataType	ScanRate	Unit	Direction	Expose_IPC	Expose_MQTT	Expose_OPCUA
PLC1	Line_Speed	modbus_tcp	40001	REAL	500ms	m/min	RW	YES	YES	YES
PLC1	Line_Status	modbus_tcp	40010	INT	500ms	枚举	R	YES	YES	YES
PLC3	Machine_Temp	s7	DB1.DBD4	REAL	200ms	℃	R	YES	YES	NO
METER_1	Power_Total	modbus_rtu	40100	REAL	60s	kW	R	NO	YES	YES
ROBOT	Robot1_Pose	runtime	internal	UDT	100ms	mm/deg	R	YES	NO	YES

6.3 绑定操作流程 (IDE 内)

IDE → 边缘网关工程: 新建 Gateway 工程;
设备向导: Excel 导入点表 → 批量生成 1200 个点位 + 20 个设备对象;
协议测试: 每设备点击 "测试连接" → 显示连接状态 + 采样实例;
DarraIPC 开放: 按 Expose_IPC 列筛选 → 勾选 "暴露" → 生成对外变量列表 (带 ACL);
DarraSync 组: 新建同步组 Shift_Recipe → 把多条产线的 Line_Speed / Current_Recipe 加入 → 设置传播方向;
MQTT 映射: Topic 模板 factory/line/{lineId}/{pointName}, Payload 模板 JSON {value, ts, quality};
OPC UA 建模: 自动按 "车间→产线→设备" 生成节点树, 授权用户读写;
云端接入: 阿里云 IoT Hub → 录入产品密钥 + 设备证书 → 测试上云;
断网测试: 拔云端网线 5 分钟 → 本地缓存 → 插回 → 补传日志查看;
第三方集成: Python 测试脚本 from ipc import Client; c.read('Line_Speed'), 确认 SDK 可用。

七、核心数据结构

7.1 点位 UDT

TYPE UDT_Point :
STRUCT
    sId           : STRING[64];
    sDevice       : STRING[32];
    eProto        : E_Protocol;
    sAddress      : STRING[64];
    eDataType     : E_DataType;
    rValue        : REAL;
    sStringValue  : STRING[128];   // 非数值类型
    nQuality      : INT;           // 0=Good 1=Bad 2=Uncertain
    tTimestamp    : LTIME;
    rUpperLim     : REAL;
    rLowerLim     : REAL;
    bExpose_IPC   : BOOL;
    bExpose_MQTT  : BOOL;
    bExpose_OPCUA : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

7.2 同步组 UDT

TYPE UDT_SyncGroup :
STRUCT
    sName       : STRING[32];
    aVarIds     : ARRAY[0..31] OF STRING[64];
    eDirection  : E_SyncDirection;   // OneWay / TwoWay
    aNodes      : ARRAY[0..15] OF STRING[32];  // 参与的 PLC / 网关
    rIntervalMs : REAL;              // 同步周期
    nConflictCnt: DINT;              // 冲突次数
END_STRUCT
END_TYPE

7.3 缓存记录 UDT

TYPE UDT_CacheRecord :
STRUCT
    sTopic     : STRING[128];
    sPayload   : STRING[512];
    tCreatedAt : LTIME;
    nRetries   : INT;
    bSent      : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

7.4 IPC 请求 UDT

TYPE UDT_IPCRequest :
STRUCT
    sClientId : STRING[32];
    sClientIP : STRING[16];
    sMethod   : STRING[16];     // Read/Write/Subscribe
    sVar      : STRING[64];
    sValue    : STRING[128];
    nReqId    : DINT;
END_STRUCT
END_TYPE

7.5 全局变量

VAR_GLOBAL
    G_Points     : ARRAY[0..9999] OF UDT_Point;
    G_SyncGroups : ARRAY[0..15] OF UDT_SyncGroup;
    G_Cache      : ARRAY[0..99999] OF UDT_CacheRecord;  // 磁盘落盘
    G_MQTT_OK    : BOOL;
    G_CloudRTT   : REAL;          // ms
    G_SelfStatus : UDT_SelfStatus;
END_VAR

八、核心程序代码

8.1 FB_ProtocolCollect (20+ 协议并发)

FUNCTION_BLOCK FB_ProtocolCollect
VAR
    fbModbus : ARRAY[0..15] OF FB_ModbusClient;
    fbS7     : ARRAY[0..7]  OF FB_S7Client;
    fbMC     : ARRAY[0..3]  OF FB_MCClient;
    fbFINS   : ARRAY[0..3]  OF FB_FINSClient;
    fbRTU    : ARRAY[0..15] OF FB_ModbusRTUClient;
    i : INT;
END_VAR

// 各协议并发采集, 异步完成
FOR i := 0 TO N_MODBUS_TCP - 1 DO
    fbModbus[i](
        Host := G_DevCfg[i].sHost,
        Port := 502,
        AddrList := G_DevCfg[i].aAddr,
        Execute := TRUE
    );
    IF fbModbus[i].Done THEN
        MapToPoints(fbModbus[i].Result, G_Points);
    END_IF;
END_FOR;

// S7 / MC / FINS / RTU 同理, 每个采集器独立运行

8.2 FB_DarraIPC_Server (对外 SDK 入口)

FUNCTION_BLOCK FB_DarraIPC_Server
VAR
    fbListener : FB_IPC_Listener;
    stReq      : UDT_IPCRequest;
    sReply     : STRING[512];
END_VAR

fbListener(Port := 8841, Execute := TRUE);

IF fbListener.NewRequest THEN
    stReq := fbListener.Request;

    // ACL 检查
    IF NOT ACL_CheckClient(stReq.sClientIP, stReq.sVar, stReq.sMethod) THEN
        sReply := '{"err":"ACL denied"}';
    ELSE
        CASE stReq.sMethod OF
            'Read':
                sReply := JSON_PointValue(G_Points[IndexOfVar(stReq.sVar)]);
            'Write':
                WritePointFromClient(stReq.sVar, stReq.sValue);
                sReply := '{"ok":true}';
            'Subscribe':
                Subscribe_AddClient(stReq.sClientId, stReq.sVar);
                sReply := '{"ok":true,"sub":"'+stReq.sVar+'"}';
        END_CASE;
    END_IF;

    fbListener.Reply(stReq.nReqId, sReply);
END_IF;

// 周期推送订阅数据
Subscribe_PushUpdates(G_Points);

8.3 FB_DarraSync (多 PLC 变量同步组)

FUNCTION_BLOCK FB_DarraSync
VAR
    i, j : INT;
    stGrp : UDT_SyncGroup;
END_VAR

// 定期广播同步组变量
FOR i := 0 TO N_SYNC_GROUPS - 1 DO
    stGrp := G_SyncGroups[i];

    FOR j := 0 TO ArraySize(stGrp.aVarIds) - 1 DO
        IF VarChanged(stGrp.aVarIds[j]) THEN
            // 向所有参与节点广播
            Broadcast_ToNodes(
                Nodes := stGrp.aNodes,
                VarId := stGrp.aVarIds[j],
                Value := GetValue(stGrp.aVarIds[j])
            );
        END_IF;
    END_FOR;
END_FOR;

// 处理收到的同步消息 (双向模式)
IF Sync_Inbox.Count > 0 THEN
    ResolveConflict_LastWriteWins(Sync_Inbox);
    ApplyUpdates(Sync_Inbox);
END_IF;

8.4 FB_MQTTPublish (断网缓存 + 补传)

FUNCTION_BLOCK FB_MQTTPublish
VAR_INPUT
    Topic   : STRING[128];
    Payload : STRING[512];
    QoS     : INT := 1;
END_VAR
VAR
    fbPub : FB_MQTTClient_Publish;
    stRec : UDT_CacheRecord;
END_VAR

IF G_MQTT_OK THEN
    fbPub(Topic := Topic, Payload := Payload, QoS := QoS, Execute := TRUE);
    IF fbPub.Error THEN
        // 入缓存
        stRec.sTopic := Topic;
        stRec.sPayload := Payload;
        stRec.tCreatedAt := LTIME();
        FB_CacheWrite(Record := stRec);
    END_IF;
ELSE
    // 断网直接入缓存
    stRec.sTopic := Topic;
    stRec.sPayload := Payload;
    stRec.tCreatedAt := LTIME();
    FB_CacheWrite(Record := stRec);
END_IF;

8.5 FB_CacheFlush (恢复后补传)

FUNCTION_BLOCK FB_CacheFlush
VAR
    stRec : UDT_CacheRecord;
    nBatchMax : INT := 1000;    // 限速
    i : INT;
END_VAR

IF G_MQTT_OK AND G_Cache_Pending > 0 THEN
    FOR i := 1 TO nBatchMax DO
        stRec := FB_CacheReadNext();
        IF NOT stRec.bSent THEN
            fbPub(Topic := stRec.sTopic,
                  Payload := stRec.sPayload,
                  QoS := 1, Execute := TRUE);
            IF fbPub.Done THEN
                stRec.bSent := TRUE;
                FB_CacheMarkSent(stRec);
            END_IF;
        END_IF;
        IF G_Cache_Pending = 0 THEN EXIT; END_IF;
    END_FOR;
END_IF;

8.6 FB_CloudCmdDown (云端下发指令 + 写回 PLC)

FUNCTION_BLOCK FB_CloudCmdDown
VAR
    fbSub : FB_MQTTClient_Subscribe;
    stCmd : UDT_CloudCmd;
END_VAR

fbSub(
    Topic := 'factory/cmd/#',
    QoS   := 1,
    Execute := TRUE
);

IF fbSub.NewMessage THEN
    stCmd := JSON_Parse(fbSub.Payload);

    // 签名校验
    IF VerifySignature(stCmd) THEN
        CASE stCmd.sAction OF
            'WriteVar':
                WritePoint(stCmd.sVar, stCmd.sValue);
            'LoadRecipe':
                LoadRecipeToAllPLCs(stCmd.sRecipe);
            'ShutdownLine':
                SendStopToPLC(stCmd.sLine);
        END_CASE;
    END_IF;

    // 回执
    FB_MQTTPublish(
        Topic := 'factory/cmd/ack/'+stCmd.sCmdId,
        Payload := '{"ok":true}',
        QoS := 1
    );
END_IF;

九、运行与调试

9.1 首次部署流程

硬件上架: 研华工控机 + 交换机 + UPS + 4G DTU 进机柜;
网络规划: LAN1 接 PLC 网段 (192.168.1.x), LAN2 接办公 (10.10.x.x), WAN 经 4G 备用;
Runtime 安装: 激活 Darra Runtime 网关授权;
Excel 点表: 按模板填 1200 点 → 导入 IDE → 自动建模;
协议测试: 设备向导 "测试" 按钮逐台连, 确保 20 台全绿;
DarraIPC 自测: Python 一行 c.read("Line_Speed") 验证;
DarraSync 自测: 两台 PLC 同一变量, 在 PLC1 改值, 观察 PLC2 秒级跟随;
MQTT 上云: 阿里云控制台查看消息到达, payload 格式正确;
OPC UA 自测: 用 UaExpert 客户端浏览节点树, 订阅变量;
断网演练: 拔网线 10 分钟 → 缓存积压 → 恢复 → 自动补传;
安全配置: 打开 TLS, Let's Encrypt 续签脚本;
灰度发布: 1 条线先上, 观察 48 小时无误再全厂推开。

9.2 常见故障排查

现象	排查点
某协议始终采不到	IP / 端口 / 站号 / 固件版本兼容性
点位值跳变	ScanRate 太快 / 网络 CRC 错误
MQTT 频繁重连	Keepalive / 证书过期 / 阿里云 IoT 流控
DarraSync 冲突	检查 `eDirection` 是否与实际相反 / 时钟偏差
DarraIPC 无响应	端口 8841 防火墙 / ACL 白名单
缓存补传慢	补传限速设太低 / 云端 QoS=2 太重
证书续签失败	ACME 域名解析 / 80 端口未放行
CPU 占用高	采集周期太密 / 点位数过多 / 加更多机器

9.3 日常运维

每天: 自监控上报的 CPU / 磁盘 / 缓存积压查看;
每周: 云端 MQTT 消息到达率统计, 应 > 99.99%;
每月: 证书到期日提醒;
每季度: 导出缓存压缩归档, 释放 SSD 空间。

十、Darra 功能对照表

需求	Darra 功能
多品牌 PLC 统一采集	20+ 协议内置
多 PLC 变量同步	DarraSync 同步组
对外开放 SDK	DarraIPC (C#/Python/Java/C++/Rust/Node.js)
MQTT 上云	阿里云 / 华为云 / EMQX / AWS
OPC UA 对接 MES	OPC UA Server + Client
断网缓存 72h	SQLite/RocksDB + 自动补传
云端下发指令	MQTT 订阅 + 签名校验 + 写回 PLC
环保 HJ212	内置协议
TLS + 证书管理	Let's Encrypt 自动续签
IP 白名单 + ACL	内置访问控制
信创兼容	飞腾 / 龙芯 ARM 版
自监控 + 推送报警	SelfMon + DingTalk/WeCom
多节点拓扑	支持网关集群
配置 IDE	设备向导 + Excel 点表导入

十一、项目总结

成果指标

接入容量: 20 设备 / 1200 点 (设计 64 设备 / 10 万点);
采集延迟: 200~500ms 稳定, 高优点位 10ms (EtherCAT 内部);
上云成功率: ≥ 99.99% (含断网补传);
DarraIPC 调用延迟: < 20ms (SDK 读写 PLC);
DarraSync 同步: < 100ms 跨 PLC 变量双向;
中间件成本: ¥2.8 万 vs 传统 ¥21 万, 省 86%;
部署周期: 3~7 天, 传统 2~4 周。

适配场景延伸

工厂整体上云 (多品牌 PLC 汇入阿里云 / 华为云 / 自建 EMQX);
OEM 设备远程运维 (整机厂把客户现场设备数据上传厂商云);
MES / ERP 无纸化报工;
集团多分厂管控 (配合 DarraSync + 总部大屏);
环保 / 能耗监管上报 (CEMS / HJ212);
第三方 SaaS 集成 (质量 / 能源 / 设备管理);
数据湖 / 数据中台原料接入;
工厂内部系统开放 (Java / Python / .NET 应用用 DarraIPC 直接读 PLC)。

扩展方向

边缘 AI 推理: 网关本地做异常检测 / 预测性维护, 不走云端;
FMEA 自动关联: 采集到异常值时自动关联 FMEA 知识库给出处理建议;
区块链存证: 关键工艺参数 / 批次数据上链, 满足医药 / 食品可追溯;
5G + TSN 下行: 网关作 TSN 桥接, 实现工厂 5G 控制下沉;
网关集群: 多网关互为热备, 故障切换 < 1 秒;
联邦学习接入: 多厂数据协同训练模型, 不泄露原始数据;
OPC UA PubSub: 替代传统 OPC UA Session, 千节点秒级刷新。

Darra 让 "边缘网关 + SCADA + 同步 + OPC UA + SDK" 四件套软件变成一份工程, 一台工控机, 是企业数字化从现场到云端最短的落地路径。

一、设备简介​

二、项目模块组成​

三、机械装配架构 (网络拓扑)​

四、程序架构​

网关接口 FB 清单​

五、硬件 BOM (国产优先)​

六、IO 模块配置​

6.1 协议接入清单​

6.2 点表配置 (Excel 模板示例)​

6.3 绑定操作流程 (IDE 内)​

七、核心数据结构​

7.1 点位 UDT​

7.2 同步组 UDT​

7.3 缓存记录 UDT​

7.4 IPC 请求 UDT​

7.5 全局变量​

八、核心程序代码​

8.1 FB_ProtocolCollect (20+ 协议并发)​

8.2 FB_DarraIPC_Server (对外 SDK 入口)​

8.3 FB_DarraSync (多 PLC 变量同步组)​

8.4 FB_MQTTPublish (断网缓存 + 补传)​

8.5 FB_CacheFlush (恢复后补传)​

8.6 FB_CloudCmdDown (云端下发指令 + 写回 PLC)​

九、运行与调试​

9.1 首次部署流程​

9.2 常见故障排查​

9.3 日常运维​

十、Darra 功能对照表​

十一、项目总结​

成果指标​

适配场景延伸​

扩展方向​