引言

    網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)改變了人們的生活,同時(shí)也正在改變工業(yè)自動(dòng)化的方方面面。因此,中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)通用低壓電器分會(huì)在《低壓電器新產(chǎn)品發(fā)展總體思路》中明確提出:“全面實(shí)現(xiàn)低壓電器主要產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可通信化。要求我國(guó)第3代低壓電器主要產(chǎn)品、第4代低壓電器,全部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可通信，能與多種現(xiàn)場(chǎng)總線連接，也可直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接。”鑒于此，近年來(lái)，基于現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)和直聯(lián)網(wǎng)(Internel)技術(shù)的可編程控制器(Programmable Logic Condoner，PLC)、觸摸屏(Human Machlne Interface，HMI)、變額器，智能開戈等各類智能低壓電器得到了民足發(fā)展，在智能電網(wǎng)、樓字智能化、工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。低壓電器產(chǎn)品剛絡(luò)化、智能化的發(fā)展大趨勢(shì)，也對(duì)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化的信息交互和監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的、更高的要求。

    低壓電器信息交互和臨控系統(tǒng)可通過(guò)無(wú)處不在的Internet，進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸和控制，十分方便。但因網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性較差。傳輸控制信息和數(shù)據(jù)需建市虛擬局域通道(VinnaI Local Area Network，VLAN)；加之傳輸控制協(xié)議／互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Transmission Control Protocol／Internet Protocol．TCP／IP)的廣泛使用和IP安全的脆弱性，增加了互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)牟话踩�因素。而智能低壓電器與遠(yuǎn)程主機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)都是十分重要的生產(chǎn)信息和控制數(shù)據(jù)，其安全性和實(shí)時(shí)性要求極高，因此，一般的網(wǎng)絡(luò)傳輸無(wú)法滿足工業(yè)要求。

    本文以基于Internet的觸摸屏的數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹一種采用遠(yuǎn)程安全通信模塊SY-HSCM，從而便捷、可靠地構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的智能電器遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)的解決方案。

1配方生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

    在飲料、食品、聚氯乙烯片材等行業(yè)，需按產(chǎn)品的不同配方自動(dòng)配置原料并組織生產(chǎn)，該類自動(dòng)配方生產(chǎn)線一般由HMI, PLC和繼電器等低壓電器構(gòu)成。配方信息是企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，需集中管理和統(tǒng)一配置，如可口可樂(lè)配方，一直是世界級(jí)的秘密，其生產(chǎn)過(guò)程中的配方信息對(duì)生產(chǎn)者也是保密的。這類企業(yè)大多為跨地區(qū)、跨國(guó)界的大型企業(yè)，因此，迫切需要在安全、保密的前提下，可在公司總部對(duì)世界各地的生產(chǎn)廠實(shí)時(shí)進(jìn)行配方的下傳、存儲(chǔ)、調(diào)用、修改和生產(chǎn)線監(jiān)控。為此，本課題開發(fā)了基于Internet和MT8000型HMI的配方數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

2通過(guò)Internet訪問(wèn)HMI的系統(tǒng)架構(gòu)

    配方數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎谜n題組開發(fā)的S-fink網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)安全加密后，通過(guò)Internet進(jìn)行協(xié)議上的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與遠(yuǎn)程HMI的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行安全數(shù)據(jù)交換的功能，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和在線診斷，如圖1所示。

    在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配置的遠(yuǎn)程安全通信模塊SY-RSCM，具有交換、路由、防火墻、安全網(wǎng)關(guān)和VLAN等功能，可以實(shí)現(xiàn)100Mb/ s的工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，建立起計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程觸摸屏MT8000、PLC之間的虛擬局域網(wǎng)VLAN通道，確保數(shù)據(jù)交互的安全性。

    圖1配方數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3系統(tǒng)的安全通信框架

    3.1安全通倍的協(xié)議

    在系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)路由器和安全通信模塊SY-RSCM中均內(nèi)置了安全通信協(xié)議S-link，該協(xié)議是保證數(shù)據(jù)安全傳送的重要環(huán)節(jié)。S-link通過(guò)軟件的高級(jí)加密形式對(duì)IP報(bào)文封裝，以實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的安全傳送。S-link屬于OSI模型的第3層協(xié)議，即網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，能對(duì)所傳數(shù)據(jù)提供認(rèn)證和加密(包括對(duì)控制報(bào)文和傳輸中的數(shù)據(jù)加密)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和安全性，是一種完整的安全解決方案。

    S-link協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為網(wǎng)絡(luò)層流量提供靈活的安全服務(wù)，包括:訪問(wèn)控制、無(wú)連接完整性、數(shù)據(jù)源鑒別、重傳攻擊保護(hù)、機(jī)密性、有限的流量保密等。S-link協(xié)議的主要內(nèi)容包括:安全框架一RFC2401；安全協(xié)議:AH協(xié)議一RFC24U2、ESP協(xié)議一RFC2406。S-link安全體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖2  S-link安全體系結(jié)構(gòu)

    3. 2安全通信的密鑰

    在S-link協(xié)議中，內(nèi)置了兩級(jí)密鑰體系，即工作密鑰( Working Key, WK)和密鑰加密密鑰( KeyEneryplion Key，KEK）。

    （1）WK。可分為用于對(duì)個(gè)人標(biāo)識(shí)碼加密的密鑰及進(jìn)行報(bào)文鑒別的密鑰，均由S-link的加密機(jī)產(chǎn)生。在每次建立連接時(shí)，利用xEx加密后下載，并由KEK加密存儲(chǔ)，S-link工作密鑰在傳送時(shí)以密文傳送。

    (2）KEK。用于對(duì)工作密鑰WK進(jìn)行加密保護(hù)，共享唯一的KEK。KEK只能寫人并參與運(yùn)算，不能被讀取。KEK應(yīng)至少有3個(gè)，以便當(dāng)KEK泄密時(shí)軟、硬件采取同步內(nèi)置算法，及時(shí)、方便地予以更換。PC中的S-link軟件和SY-RSCM網(wǎng)絡(luò)安全通信模塊之間，通過(guò)參數(shù)交換的方式約定使用哪個(gè)KEK。

    3. 3安全通信模塊的防火墻功能

    安全通信模塊SY-RSCM內(nèi)設(shè)硬件防火墻，通過(guò)信息過(guò)濾檢查方式，對(duì)非法訪問(wèn)進(jìn)行攔截，阻止各種網(wǎng)外攻擊，能有效地保證網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)安全，確保在SY-RSCM下端的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息不受外來(lái)非法攻擊。

4  HMI中數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

    選用MT8000 HMI是由于其配有Internet接口和較大的內(nèi)部閃存(Flash Memory）空間，可方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。MT8000 HMI內(nèi)部Flash Memory稱為RW.RW中除保留字外，在不擴(kuò)展外圍存儲(chǔ)器件的情況下，用戶可用空間為60000字。設(shè)某一產(chǎn)品因原材料組合、配比和工藝要求的不同，有l(wèi)00個(gè)可變參數(shù)，每個(gè)參數(shù)占用一個(gè)字，則這100個(gè)參數(shù)組成1個(gè)參數(shù)頁(yè)。60000個(gè)字空間可存儲(chǔ)60U個(gè)參數(shù)頁(yè)，即能存儲(chǔ)600個(gè)不同規(guī)格產(chǎn)品的參數(shù)，可滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品的配方存儲(chǔ)要求。若存儲(chǔ)空間不夠，可插入閃存(Compact Flash, CF）卡進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)展。因此，利用HMI作為配方數(shù)據(jù)庫(kù)是可行的。

    存儲(chǔ)空間能存儲(chǔ)參數(shù)頁(yè)的數(shù)量可由下式計(jì)算得出;

    式中P—可分配參數(shù)頁(yè)總數(shù)量

    L——HMI斷電可保存空間總長(zhǎng)度(總字地址數(shù))

    Lb—用于其他信息存儲(chǔ)的保留空問(wèn)總長(zhǎng)度(保留字地址數(shù))

    N一頁(yè)參數(shù)中參數(shù)的個(gè)數(shù)

    Y——各參數(shù)所占用的字?jǐn)?shù)

5 系統(tǒng)的總線連接及上下載實(shí)現(xiàn)

    5.1現(xiàn)場(chǎng)總線連接的方式

    遠(yuǎn)程通信模塊SY-HSCM通過(guò)WAN接口連接Internet，并通過(guò)LAN接口連接至各生產(chǎn)線的HMI。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的總線連接如圖3所示。

    圖3現(xiàn)場(chǎng)總線連接圖

    HMI通過(guò)RS一232與PLC進(jìn)行全雙工通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的下載和生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳。由于現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器距離PLC較遠(yuǎn)，考慮總線的抗干擾能力及成本因素，故本系統(tǒng)采用RS一485總線對(duì)各智能傳感器進(jìn)行讀、寫通信。PLC通過(guò)RS -485總線，采集重量、溫度、壓力等工藝參數(shù)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行閉環(huán)控制。同時(shí)，將參數(shù)上傳至HMI。

    5.2配方下載至PLC的方式

    下載時(shí)，HMI將原材料配置參數(shù)與生產(chǎn)工藝參數(shù)傳送至PLC的相關(guān)寄存器中，PLC則根據(jù)預(yù)定程序和下載的各類參數(shù)控制生產(chǎn)線的閥門、進(jìn)給速度、流量、溫度、壓力等，實(shí)行自動(dòng)化生產(chǎn)。若PLC接收HM1下載的配方數(shù)據(jù)有n個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)占用一個(gè)字地址，設(shè)占用D100~D100+n一1，并設(shè)HMl當(dāng)前顯示需要下載的參數(shù)在LWO一LW n一1中，利用遠(yuǎn)程操作觸發(fā)下載宏，使當(dāng)前需要生產(chǎn)的配方參數(shù)下載至PLC，下載宏示范如下:

    5. 3  PLC實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳的方式

    實(shí)現(xiàn)參數(shù)上傳的方式為:在HMI中建立讀取參數(shù)宏，并使該宏一直處在激活狀態(tài)，讀取參數(shù)宏的功能是將各工藝參數(shù)上傳至HMI的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視存儲(chǔ)區(qū)。這樣，遠(yuǎn)程PC機(jī)讀取HMI中實(shí)時(shí)監(jiān)視存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)，即可安全、方便地讀取現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息。其讀取參數(shù)示范宏指令如下:

6  HMI窗口的配方數(shù)據(jù)保密措施

    PC通過(guò)Internet對(duì)HMI進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)的上、下載。在遠(yuǎn)程上、下載過(guò)程中，需采取保密措施，以使配方數(shù)據(jù)不外泄。主要保密措施如下:

    (1)下載過(guò)程中，HMI設(shè)為顯示進(jìn)度條狀態(tài)，數(shù)據(jù)在HMI上不可見，保證了數(shù)據(jù)不會(huì)通過(guò)HMI外泄;

    (2)在PC遠(yuǎn)程單獨(dú)修改HMI的參數(shù)(如配方數(shù)據(jù))時(shí)，通過(guò)對(duì)HMI的設(shè)置，可以在本地不顯示具體的數(shù)字，而是以顯示“***”字符，來(lái)保密;

    (3)在HMI上，程序的上載通過(guò)密碼加密方式，以保證本HMI上的配方數(shù)據(jù)安全。

7 結(jié)語(yǔ)

    本文所述的基于Internet的HMI配方數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已在PVC片材生產(chǎn)線中使用，1年來(lái)的實(shí)踐證明，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)建方便。PC機(jī)與HMI之間的通信數(shù)據(jù)安全性高、保密性好、市場(chǎng)前景廣闊，凡涉及到需配方信息遠(yuǎn)程保密傳輸和數(shù)據(jù)連通的領(lǐng)域均可采用該系統(tǒng)。該系統(tǒng)的安全通信機(jī)制也可移植到其他對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信安全性要求較高的智能電器控制領(lǐng)域，如智能配電管理系統(tǒng)、樓宇、港機(jī)、交通設(shè)施和生產(chǎn)線等，因此，值得推廣。

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本文標(biāo)題：基于Internet的觸摸屏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

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