全集成工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

張曉利， 穆振洲， 崔桂梅

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中，各種現(xiàn)場總線占據(jù)了整個(gè)行業(yè)市場，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種總線已經(jīng)無法滿足企業(yè)的信息需要，成為企業(yè)信息化的瓶頸[1]。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是未來自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，以太網(wǎng)一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層(即一網(wǎng)到底)，是自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢[2]。現(xiàn)代企業(yè)要求現(xiàn)場控制必須具備高容錯(cuò)性、高實(shí)時(shí)性、高可靠性的能力。傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一，信息資源無法共享，導(dǎo)致生產(chǎn)過程缺乏統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)控制，無法應(yīng)對(duì)現(xiàn)代企業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。為解決此問題，學(xué)校利用西門子SCALANCE X系列交換機(jī)，集成原有實(shí)驗(yàn)資源，搭建全集成自動(dòng)化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以環(huán)形冗余工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)為主、OPC技術(shù)為輔，搭建具有工業(yè)現(xiàn)場模式的4層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。使現(xiàn)場設(shè)備層與信息管理層完成數(shù)據(jù)雙向交換，實(shí)現(xiàn)信息資源的全集成。解決了“自動(dòng)化孤島效應(yīng)問題”，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合工程實(shí)踐能力，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的利用率。

1 全集成自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

目前，我校自動(dòng)化控制實(shí)驗(yàn)室有THPFSM-I型綜合實(shí)訓(xùn)裝置、PCT-II型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置和PLC實(shí)驗(yàn)裝置(S7-400、S7-1200和S7-1500等)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的分散控制系統(tǒng)整合起來進(jìn)行集中控制，THPFSM-I型綜合實(shí)訓(xùn)裝置可進(jìn)行S7-200PLC的初步實(shí)踐學(xué)習(xí)，如基本指令、半實(shí)物模擬應(yīng)用。PCT-II型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置可用于典型模擬量的過程控制，如壓力、流量、液位的單回路控制，也可以進(jìn)行復(fù)雜過程控制，如四容液位控制、Simth預(yù)估控制、解耦控制、變比值控制、預(yù)測控制等[3]。由于PLC實(shí)驗(yàn)裝置無法實(shí)現(xiàn)完全徹底的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制，故實(shí)驗(yàn)資源的全集成化急需解決。

為了真實(shí)模擬工業(yè)環(huán)境，搭建自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以使本科生從上到下、由淺入深地熟練掌握全集成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生可以更直觀地了解自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”提供具備時(shí)效性和創(chuàng)新性的優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源[4]。

全集成網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200、S7-1500、SCALANCE X系列交換機(jī)、ET200M、觸摸屏、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、S120變頻器和若干控制對(duì)象等。其中設(shè)備間采用工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線及OPC技術(shù)連接起來，構(gòu)成4層自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)代自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常分為4層：管理層、運(yùn)行層、控制層、現(xiàn)場層。第1層管理層以PC機(jī)為主，用于企業(yè)的高層管理，實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控、能源調(diào)度、能源管理于一體。第2層運(yùn)行層以工業(yè)PC機(jī)、服務(wù)器、觸摸屏為主，用于企業(yè)的集中監(jiān)控和指令下達(dá)。第3層控制層以西門子SCALANCE X系列交換機(jī)、S7系列PLC為主，用于提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)的能力，實(shí)現(xiàn)PLC的全集成化。第4層現(xiàn)場層直接連接現(xiàn)場的傳感器、智能儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等各種設(shè)備。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)集成

2.1 環(huán)網(wǎng)冗余配置

在環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中各處連接的點(diǎn)可能是普通的外部交換機(jī)，也可能是帶通訊模塊的集成交換機(jī)，為了構(gòu)建具有介質(zhì)冗余的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，必須將線型網(wǎng)絡(luò)的兩端接到同一個(gè)交換機(jī)中。利用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)設(shè)備的兩個(gè)端口，就可以將線型網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)，這一設(shè)備就是冗余管理器(Media Redundancy Manager，MRM)，環(huán)網(wǎng)中的其他設(shè)備就是冗余客戶端(Media Redundancy Client,MRC)。為了保證系統(tǒng)的快速重構(gòu)和穩(wěn)定性，最多允許50臺(tái)交換機(jī)連接在環(huán)上。冗余管理器可以通過發(fā)送監(jiān)測幀監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)，監(jiān)測幀會(huì)沿著兩個(gè)相反的方向在環(huán)網(wǎng)中傳播，最后將到達(dá)另外一個(gè)端口。在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，MRM的兩個(gè)冗余環(huán)口會(huì)處于相互隔離狀態(tài)，這樣有效的阻止了數(shù)據(jù)在傳送時(shí)出現(xiàn)幀的循環(huán)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在邏輯結(jié)構(gòu)上保持總線結(jié)構(gòu)。當(dāng)環(huán)網(wǎng)中的網(wǎng)線斷開或交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，它會(huì)通過連通一個(gè)替代路徑恢復(fù)成另外一種邏輯上的線型結(jié)構(gòu)。如果故障被消除，網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)會(huì)恢復(fù)原有的線型結(jié)構(gòu)。在一個(gè)環(huán)網(wǎng)中，有且僅有一臺(tái)交換機(jī)設(shè)置成冗余管理器[5]。

為了解決環(huán)網(wǎng)中“廣播風(fēng)暴”的問題，目前環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)的核心思想都是基于標(biāo)準(zhǔn)MAC交換+改進(jìn)的生成樹算法+以太網(wǎng)故障檢測機(jī)制+簡單的環(huán)網(wǎng)控制協(xié)議。通過環(huán)網(wǎng)控制協(xié)議將物理的環(huán)破解成邏輯的鏈，并利用改進(jìn)的生成樹協(xié)議和MAC交換完成保護(hù)切換[6]。高速冗余網(wǎng)(High Speed Redundancy,HSR)技術(shù)，相比于傳統(tǒng)以太環(huán)網(wǎng)，占用資源很少，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)時(shí)間小于0.3 s。

PST(Primary Setup Tool)軟件主要是對(duì)西門子系列交換機(jī)(例如SCALANCE X)和PLC以太網(wǎng)通信模塊(例如CP443-1)及網(wǎng)關(guān)(例如IE/PB LINK PN IO)進(jìn)行分配IP地址的軟件，為SIMATIC NET的網(wǎng)絡(luò)組件。

以系統(tǒng)中采用的SCALANCE XM416-4C為例，在IE瀏覽器中輸入所配置的IP地址192.168.0.5后，輸入密碼“admin”就可以打開交換機(jī)組態(tài)畫面。通過勾選“enable ring redundancy”和“Redundancy mode”來激活環(huán)網(wǎng)模式，選擇“Redundancy Manage”，設(shè)置該交換機(jī)為冗余管理器。環(huán)網(wǎng)中其他3個(gè)交換機(jī)選擇“Redundancy Client”，設(shè)置為冗余客戶端。此外，在窗口中“Ring Port”下選擇環(huán)網(wǎng)連接的環(huán)口。所有配置完成后，單擊set values確定。

當(dāng)交換機(jī)RM LED常亮?xí)r，說明環(huán)網(wǎng)內(nèi)通訊正常，環(huán)口處于隔離狀態(tài)；當(dāng)RM LED變?yōu)殚W爍時(shí)，說明環(huán)網(wǎng)中出現(xiàn)故障，環(huán)口處于連接狀態(tài)。

2.2 服務(wù)器配置

SIMATIC Step 7 V13sp1是基于TIA博途平臺(tái)全新的工程組態(tài)軟件，支持SIMATIC S7-1500、SIMATIC S7-1200、SIMATIC S7-300和SIMATIC S7-400控制器、同時(shí)也支持基于PC的SIMATIC WinCC自動(dòng)化系統(tǒng)。SIMATIC Step 7 V13sp1支持各種可編程控制器，擁有便于快速靈活設(shè)計(jì)的項(xiàng)目工程組態(tài)能力，適用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。與傳統(tǒng)方法相比，無需花費(fèi)大量時(shí)間集成各個(gè)軟件包，同時(shí)也顯著降低了成本，是今后工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展方向[7]。

信息管理層配備兩臺(tái)冗余服務(wù)器，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別對(duì)應(yīng)工程師站、工作站。工作站用來對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控和控制等操作，工程師站用來修改工程項(xiàng)目文件，優(yōu)化項(xiàng)目工程中的腳本等。服務(wù)器與監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用C/S架構(gòu)，由I/O服務(wù)器統(tǒng)一采集底層控制系統(tǒng)的信息提供給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，中控室各監(jiān)控客戶計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫面可進(jìn)行互相切換，監(jiān)控范圍可任意互換[8]。

服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows2012 server，監(jiān)控軟件和編程軟件采用西門子公司的博途V13sp1，數(shù)據(jù)庫軟件采用Microsoft SQL Server 2012。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中采用博途W(wǎng)INCC全局腳本實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。腳本以ADO DB方式進(jìn)行訪問服務(wù)器，用戶名、密碼及相應(yīng)權(quán)限在服務(wù)器中配置。在WINCC畫面中，設(shè)置按鈕實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的啟停，便于操作員根據(jù)需要進(jìn)行操作。

WINCC Web Navigator是WINCC實(shí)現(xiàn)B/S結(jié)構(gòu)的組件，通過配置用戶管理、Web瀏覽器發(fā)布和Web組態(tài)，不同權(quán)限的用戶根據(jù)不同的用戶名及密碼可連接到對(duì)應(yīng)的Web頁面，從而完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作。在客戶機(jī)上操作控制現(xiàn)場設(shè)備時(shí)不需要安裝WINCC基本系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫存取等，只需通過網(wǎng)頁瀏覽已經(jīng)存放在服務(wù)器上的工程項(xiàng)目即可，因此Web Navigator也被稱為“瘦客戶”[9]。

2.3 工業(yè)無線技術(shù)

近年來新興起的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)能夠在工廠環(huán)境下，全集成各種不同廠家的自動(dòng)化設(shè)備，有效地彌補(bǔ)了工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)的不足。GRM200G無線通信模塊作為一種工業(yè)智能監(jiān)控終端，兼容不同類型的通信協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC短信或者GPRS無線報(bào)警、查詢等功能。在平臺(tái)中，一臺(tái)PLC采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)由無線通信模塊GRM200G分享至另一臺(tái)PLC中，從而完成運(yùn)行層對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的管理[10]。

2.4 OPC技術(shù)

OPC技術(shù)是用于過程控制的OLE，提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問軟硬件接口，已經(jīng)成為工業(yè)控制軟件公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中可以通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)WINCC與MATLAB的連接，其中WINCC作為服務(wù)器，MATLAB作為客戶端。利用MATLAB中Simulink集成工具箱實(shí)現(xiàn)復(fù)雜過程控制功能，如預(yù)測控制、解耦控制等。

3 工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的研究

為了防止外網(wǎng)非法入侵，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將會(huì)采用SCALANCE S615安全模塊，用以保護(hù)內(nèi)網(wǎng)的安全。S615模塊支持狀態(tài)包檢測，非IP包的過濾，帶寬限制等防火墻功能，通過組態(tài)設(shè)置來決定是否允許某些外部網(wǎng)絡(luò)到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流通過。并且S615可無縫集成到信息管理層，便于管理網(wǎng)絡(luò)連接，遠(yuǎn)程訪問分散的設(shè)備[5]。

為了彌補(bǔ)常規(guī)有線解決方案的不足，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將采用SCALANCE W700系列無線模塊，實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步完善。無線模塊可用于對(duì)數(shù)據(jù)要求嚴(yán)格的過程應(yīng)用(IWLAN)和一般通信應(yīng)用(WLAN)。W700系列接入點(diǎn)獨(dú)有的iPCF功能，能夠以非常短的時(shí)間間隔定期輪詢其無線覆蓋區(qū)域內(nèi)的客戶端，可以保證每個(gè)注冊(cè)客戶端有固定的通信資源用于數(shù)據(jù)傳輸，從而保證了確定性和實(shí)時(shí)性[11-12]。另外，使用帶有兩個(gè)無線接口的接入點(diǎn)，可以搭建冗余WLAN，這樣接入點(diǎn)可在兩個(gè)頻率上傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)確保了高數(shù)據(jù)速率和高可靠性[13-14]。

4 結(jié) 語

本次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，采用了西門子交換機(jī)構(gòu)成工業(yè)冗余以太環(huán)網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上存在節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，仍可維持系統(tǒng)正常運(yùn)行，增強(qiáng)了自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過測試，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以基本滿足工業(yè)環(huán)境模擬要求，可開展大型綜合課程設(shè)計(jì)?？傊詣?dòng)化全集成網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)有力推動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的實(shí)施，提高了課堂教學(xué)的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[15-16]。