張強 莊嚴 李勇 唐海麗

摘? 要 SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制。PLC在SCADA系統(tǒng)的作用是數(shù)據(jù)采集，服務器通過PLC采集傳感器、儀表等的數(shù)據(jù)，用于實現(xiàn)自動化控制。主要采用施耐德公司的M241 PLC搭建一個技術實驗平臺，通過Modbus TCP以太網(wǎng)通信方式與異地裝有施耐德公司的EcoStruxure Machine SCADA Expert（簡稱EMSE）軟件的終端系統(tǒng)進行通信，完成數(shù)據(jù)采集的工作任務。

關鍵詞 職業(yè)院校;教材;PLC控制器;SCADA系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集;實驗平臺

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）24-0003-04

Data Acquisition of SCADA System to Schneider M241 PLC

Through Ethernet//ZHANG Qiang， ZHUANG Yan， LI Yong， TANG

Haili

Abstract The SCADA system is to control and dispatch the produc-tive process of the automation system based on the computer tech-nology. It can supervise and control the equipment of the production site. The role of the PLC is the data acquisition. The sever can get data from the sensors， meters， etc. to realize the automation. The paper will build an experiment platform based on the Schneider M241 PLC， which can communicate with the remote terminal sys-

tem through the “Modbus TCP” mode， to accomplish the data acqui-

sition， and the terminal system is installed the software “EcoStruxure Machine SCADA Expert” of the Schneider Company.

Key words vocational college; teaching material; PLC controller; SCADA system; data acquisition; experiment platform

0? 前言

目前，我國國力日漸增強，成為僅次于美國的世界第二大經(jīng)濟體，科學技術發(fā)展日新月異，各種新技術、新設備如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，迫切需要職業(yè)院校培養(yǎng)具有現(xiàn)代化設備開發(fā)、管理與維護技能的人才。施耐德電氣（中國）有限公司為加強與職業(yè)院校的合作，提出“碧播職業(yè)教育計劃”，準備針對施耐德公司的PLC、變頻器、伺服驅(qū)動器等設備開發(fā)一系列適應現(xiàn)代化教育形勢的活頁式職業(yè)技能培訓教材。作為北京電子科技職業(yè)學院的專業(yè)教師，筆者主要參與進行了施耐德PLC教材的編寫，重點研究了施耐德M241PLC通過以太網(wǎng)對SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

SCADA是Supervisory Control And Data Acquisition （監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集）的縮寫，是一個含義較廣的術語，應用于可對安裝在遠距離場地的設備進行中央控制和監(jiān)視的系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與測量、各類信號報警、設備控制以及參數(shù)調(diào)節(jié)等各項功能。SCADA系統(tǒng)廣泛應用于生產(chǎn)制造、過程控制、基礎設施建設、智能建筑等，可以簡單到只需通過一對導線連在遠端的一個開關，也可復雜到一個計算機網(wǎng)絡。它由許多網(wǎng)絡終端設備組成，并與安裝在控制區(qū)域內(nèi)或遠程監(jiān)控室內(nèi)的工業(yè)計算機進行通信。

通常SCADA系統(tǒng)分為兩個層面，即服務器與客戶端。服務器與硬件設備通信，進行數(shù)據(jù)處理和運算。客戶端用于人機交互，如用文字、動畫顯示現(xiàn)場的狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場的開關、閥門進行操作。還有一種超遠程客戶，它可以通過Web發(fā)布在Internet上進行監(jiān)控。硬件設備（如PLC）

一般既可以通過點到點方式連接，也可以以總線方式連接到服務器上。點到點連接一般通過串口（RS232），總線方式可以是RS485、以太網(wǎng)（如Modus TCP）等連接方式。

創(chuàng)建SCADA系統(tǒng)的軟件通常被稱為監(jiān)控組態(tài)軟件或組態(tài)軟件，是工業(yè)自動化系統(tǒng)的人機界面，是一種軟件平臺。當PLC與SCADA系統(tǒng)進行通信時，PLC通常以服務器角色為SCADA軟件提供監(jiān)控設備的實時數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)以客戶端角色對PLC提供的設備數(shù)據(jù)進行信號報警、設備控制以及參數(shù)調(diào)節(jié)等功能操作，以實現(xiàn)對現(xiàn)場運行設備的監(jiān)視和控制。

本文主要針對M241采用Modbus TCP以太網(wǎng)通信方式與裝有EMSE的終端計算機進行數(shù)據(jù)交換，搭建一個實驗平臺，使學生通過實際編程、硬件連接、軟件調(diào)試，獲得遠程設備運行數(shù)據(jù)的采集方法。

1? 實驗平臺的設計

在甲地安裝PLC控制器模擬現(xiàn)場設備控制器，其以太網(wǎng)口連接到路由器的LAN口，路由器的WLAN口通過Wi-Fi連接電信寬帶，進而連接互聯(lián)網(wǎng)。在計算機上安裝施耐德PLC編程軟件EcoStruxre Machine Expert（簡稱ESME），測試人員使用計算機來設置路由器、下載M241測試程序等。

在乙地安裝SCADA終端計算機，通過以太網(wǎng)線或Wi-Fi連接網(wǎng)關、路由器、熱點等連接互聯(lián)網(wǎng)。測試人員在這臺計算機上運行SCADA終端程序，并在這臺計算機上安裝ESME，遠程對甲地PLC控制器進行調(diào)試。

甲地PLC控制器和乙地SCADA終端計算機的遠程連接借助于映翰通InConnect平臺來實現(xiàn)，實驗平臺的架構如圖1所示。其中包含下列硬件設備：

1）PLC控制器，采用施耐德TM241CEC24T型PLC（以下簡稱M241），其特點是內(nèi)置以太網(wǎng)接口，支持Modbus TCP通信協(xié)議，安裝在甲地;

2）路由器，采用IR615S型，其特點是內(nèi)置WAN、LAN接口，4G全網(wǎng)通，支持Wi-Fi，安裝在甲地;

3）寬帶光貓，采用聯(lián)通寬帶自帶無線路由器，也可選用其他網(wǎng)絡運營商的網(wǎng)絡，安裝在甲地;

4）調(diào)試用計算機，要求已安裝ESME，用于設置路由器和M241、下載M241測試程序，安裝在甲地;

5）SCADA終端計算機，要求已安裝EMSE，能夠運行SCADA終端程序，安裝ESME后也可以用于遠程調(diào)試甲地M241，安裝在乙地;

6）網(wǎng)關、路由器或熱點等，要求滿足乙地計算機連接互聯(lián)網(wǎng)，對于網(wǎng)絡運營商無特別要求。

2? 實驗調(diào)試過程

2.1? 注冊InConnect平臺賬戶

甲地M241和乙地SCADA終端計算機的遠程連接是借助映翰通InHand Connect Service云平臺（簡稱InConnect）

來實現(xiàn)的，該平臺通過人性化的用戶界面和簡易的使用流程，可以實現(xiàn)設備、信息安全穩(wěn)定地互聯(lián)互通。

在測試開始前，需要到InConnect平臺網(wǎng)址上注冊賬戶，注冊成功后登錄平臺，點擊用戶列表里用戶名稱后的“下載Open VPN配置文件”，將客戶端配置文件下載到本地;然后點擊“新建路由器”，填寫甲地路由器的名稱（自定義）、型號、序列號，點擊確定后，獲取路由器的虛擬IP地址。當需要使用乙地計算機遠程設置甲地路由器時（前提是甲地路由器已啟用設備遠程管理平臺），可以在瀏覽器中使用這個虛擬IP地址打開甲地路由器管理頁面。完成上述設置后，乙地SCADA終端計算機在遠程連接甲地M241時，不需要登錄InConnect平臺，只需運行其客戶端Open VPN并執(zhí)行連接即可。

2.2? 設置甲地路由器

1）調(diào)試用計算機連接路由器的LAN口，設置計算機IP地址、DNS為“自動獲取”。

2）用192.168.2.1打開并登錄路由器管理頁面，用戶名為adm，密碼為123456。

3）設置路由器WLAN模式為STA，在WLAN客戶端連接電信寬帶Wi-Fi。

4）設置路由器LAN為靜態(tài)IP，設置DHCP的IP地址范圍，綁定M241的MAC地址與真實的IP地址。這里要注意LAN口的IP地址與WLAN口的IP地址不能設置成同一號段，例如：WLAN的IP地址為17.7.7.10，LAN的IP地址設置為17.0.0.30，DHCP的IP地址范圍設置為17.0.0.31～17.0.

0.254。

5）啟用設備遠程管理平臺，登錄在InConnect平臺上注冊的賬戶。

6）點擊路由器后的“設備管理”，在隨后出現(xiàn)的對話框里填寫目標甲地M241的真實IP地址、名稱（自定義），點擊“保存”后，獲得甲地M241的虛擬IP地址。

2.3? 設置甲地M241

1）將M241的以太網(wǎng)口連接到路由器的LAN口。

2）啟動調(diào)試用計算機里的ESME軟件，將MyController

里的連接模式設置為“自動”，刷新到目標PLC后，選中，右鍵菜單“處理通訊設置”里“啟動模式”設置為“DHCP”，并勾選“永久保存設置”。

3）將測試程序下載到M241中。

2.4? 遠程連接

1）根據(jù)計算機系統(tǒng)的類別選擇相應的安裝程序安裝InConnect的客戶端Open VPN。

2）將計算機聯(lián)網(wǎng)，啟動Open VPN客戶端，執(zhí)行“導入配置文件”，導入從InConnect平臺下載的Open VPN配置文件，導入后執(zhí)行“連接”。

3）啟動EMSE，運行SCADA終端程序，觀察畫面內(nèi)數(shù)值的變化。如果ESME是安裝在虛擬機中，虛擬機的網(wǎng)絡適配器采用橋接模式，橋接適配器選擇使計算機連接互聯(lián)網(wǎng)的適配器。

4）在安裝Open VPN后，計算機或虛擬機會新增一個型號為“TAP-windows Adapter V9”的網(wǎng)絡適配器，此適配器不可禁用，一旦禁用，Open VPN將無法連接。

5）遠程連接期間乙地SCADA終端計算機或虛擬機應保持防火墻、瀏覽器代理關閉。

6）遠程連接時，SCADA程序數(shù)據(jù)點表里PLC的IP地址是M241的虛擬IP地址10.16.32.1，不是真實IP地址17.0.0.45。

2.5? 遠程調(diào)試M241

當布置在乙地的計算機上安裝了ESME，則乙地測試人員在這臺計算機上還可以遠程對甲地M241進行調(diào)試，甲地路由器和M241的設置、乙地計算機遠程連接M241的操作步驟與前述方法相同，區(qū)別在于遠程調(diào)試時要在ESME軟件中對系統(tǒng)進行相關設置。

1）為Gateway添加遠程連接。打開Gateway Manage-

ment Console，在Static Remote Connection里填寫甲地M241的虛擬IP地址，點擊“Add connection”，等待State

顯示為“Connected as a client”。

2）啟動ESME，在MyController里的連接模式設置為“通過NAT設置IP地址（TCP）”，NAT地址/端口為M241的虛擬IP地址/1105，目標IP地址為M241的真實IP地址，刷新到目標M241后，目標M241的“ConnectMode”顯示為REM，代表是遠程連接到目標M241的。

3）雙擊目標M241，在提示中點擊“Yes”后，連接模式自動變?yōu)椤肮?jié)點名稱”，再次雙擊目標M241并執(zhí)行登錄，則登錄成功。

2.6? 運行測試程序

測試程序主要包含以下部分。

1）采用Modbus TCP協(xié)議直接通信方式，其中在甲地計算機編寫測試程序“M241-InHand-SCADA”并下載到M241，

程序設計舉例如圖2所示。提供12個不同類型的數(shù)據(jù)點，其中九個數(shù)值自動周期變化，余下三個供用戶寫入。在乙地SCADA終端計算機編寫測試程序“XL-M241-remote”，界面實時顯示來自M241的數(shù)據(jù)點數(shù)值。

2）采用OPC UA通信方式，其中在甲地計算機編寫測試程序“M241-InHand-SCADA-OPCUA”并下載到M241。提供12個不同類型的數(shù)據(jù)點，其中九個數(shù)值自動周期變化，余下三個供用戶寫入。在乙地SCADA終端計算機編寫測試程序“XL-M241-OPCUA-remote”，界面實時顯示來自M241的數(shù)據(jù)點數(shù)值。

3? 結語

通過實驗測試，本設計達到預期效果，成功實現(xiàn)M241與遠程SCADA終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，通過讓學生硬件組態(tài)、軟件編程、安裝調(diào)試，可以有效提升他們對現(xiàn)代化設備的應用開發(fā)和維護管理能力，為今后在智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化雙胞胎等新技術方向上不斷向前發(fā)展打下良好的基礎。本文所研究的內(nèi)容只是對這些先進技術的一個初步探索，將來還需要大家進一步共同努力，為提高我國的職業(yè)教育水平，培養(yǎng)出一批又一批德智體美勞全面發(fā)展的社會主義技能型人才，把我國建設成為社會主義現(xiàn)代化強國，實現(xiàn)中華民族偉大復興的“中國夢”貢獻自己的力量?！?/p>

參考文獻

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[3]施耐德電氣（中國）有限公司.施耐德電氣監(jiān)控組態(tài)軟件及應用（試用版）[M].北京：2020.