引言

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)改變了人們的生活，同時也正在改變工業(yè)自動化的方方面面。因此，中國電器工業(yè)協(xié)會通用低壓電器分會在《低壓電器新產(chǎn)品發(fā)展總體思路》中明確提出："全面實現(xiàn)低壓電器主要產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可通信化。要求我國第3代低壓電器主要產(chǎn)品、第4代低壓電器，全部實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可通信，能與多種現(xiàn)場總線連接，也可直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接。"鑒于此，近年來，基于現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)(Internet)技術(shù)的可編程控制器(ProgrammableLogicController,PLC)、觸摸屏(HumanMachineInterface,HMI)、變頻器、智能開關(guān)等各類智能低壓電器得到了長足發(fā)展，在智能電網(wǎng)、樓宇智能化、工業(yè)遠程監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。低壓電器產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展大趨勢，也對智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實時化的信息交互和監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的、更高的要求。

低壓電器信息交互和監(jiān)控系統(tǒng)可通過無處不在的Internet,進行遠程的數(shù)據(jù)傳輸和控制，十分方便。但因網(wǎng)絡(luò)的實時性較差，傳輸控制信息和數(shù)據(jù)需建立虛擬局域通道(VirtualLocalAreaNetwork,VLAN)；加之傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol,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蛩?。而智能低壓電器與遠程主機之間的通信數(shù)據(jù)都是十分重要的生產(chǎn)信息和控制數(shù)據(jù)，其安全性和實時性要求極高，因此，一般的網(wǎng)絡(luò)傳輸無法滿足工業(yè)要求。

1配方生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)

在飲料、食品、聚氯乙烯片材等行業(yè)，需按產(chǎn)品的不同配方自動配置原料并組織生產(chǎn)，該類自動配方生產(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)核心競爭力，需集中管理和統(tǒng)一配置，如可口可樂配方，一直是世界級的秘密，其生產(chǎn)過程中的配方信息對生產(chǎn)者也是保密的。這類企業(yè)大多為跨地區(qū)、跨國界的大型企業(yè)，因此，迫切需要在安全、保密的前提下，可在公司總部對世界各地的生產(chǎn)廠實時進行配方的下傳、存儲、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)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

2通過Internet訪問HMI的系統(tǒng)架構(gòu)

配方數(shù)據(jù)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用課題組開發(fā)的S-link網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對工業(yè)數(shù)據(jù)安全加密后，通過Internet進行協(xié)議上的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)PC機與遠程HMI的數(shù)據(jù)庫進行安全數(shù)據(jù)交換的功能，也可實現(xiàn)對電氣控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和在線診斷，如圖1所示。

在生產(chǎn)現(xiàn)場配置的遠程安全通信模塊SYRSCM,具有交換、路由、防火墻、安全網(wǎng)關(guān)和VLAN等功能，可以實現(xiàn)100Mb/s的工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)，建立起計算機與遠程觸摸屏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。

3系統(tǒng)的安全通信框架

3.1安全通信的協(xié)議

在系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)路由器和安全通信模塊SYRSCM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通過軟件的高級加密形式對IP報文封裝，以實現(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，能對所傳數(shù)據(jù)提供認證和加密(包括對控制報文和傳輸中的數(shù)據(jù)加密)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_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)計目標是為網(wǎng)絡(luò)層流量提供靈活的安全服務(wù)，包括：訪問控制、無連接完整性、數(shù)據(jù)源鑒別、重傳攻擊保護、機密性、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-RFC2401;安全協(xié)議：AH協(xié)議-RFC2402、ESP協(xié)議-RFC2406.S-link安全體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2安全通信的密鑰

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

(1)WK.可分為用于對個人標識碼加密的密鑰及進行報文鑒別的密鑰，均由S-link的加密機產(chǎn)生。在每次建立連接時，利用KEK加密后下載，并由KEK加密存儲，S-link工作密鑰在傳送時以密文傳送。

(2)KEK.用于對工作密鑰WK進行加密保護，共享唯一的KEK.KEK只能寫入并參與運算，不能被讀取。KEK應(yīng)至少有3個，以便當KEK泄密時軟、硬件采取同步內(nèi)置算法，及時、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，通過參數(shù)交換的方式約定使用哪個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，可通過信息過濾檢查方式，對非法訪問進行攔截，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，以確保在SY-RSCM下端的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息不受外來非法攻擊。

4HMI中數(shù)據(jù)庫的建立

選用MT8000HMI是由于其配有Internet接口和較大的內(nèi)部閃存(FlashMemory)空間[10],可方便地進行遠程網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。

MT8000HMI內(nèi)部FlashMemory稱為RW.RW中除保留字外，在不擴展外圍存儲器件的情況下，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100個可變參數(shù)，每個參數(shù)占用一個字，則這100個參數(shù)組成1個參數(shù)頁。60000個字空間可存儲600個參數(shù)頁，即能存儲600個不同規(guī)格產(chǎn)品的參數(shù)，可滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品的配方存儲要求。若存儲空間不夠，可插入閃存(CompactFlash,CF)卡進行存儲擴展。因此，利用HMI作為配方數(shù)據(jù)庫是可行的。

存儲空間能存儲參數(shù)頁的數(shù)量可由下式計算得出：

式中P---可分配參數(shù)頁總數(shù)量

L---HMI斷電可保存空間總長度(總字地址數(shù))

Lb---用于其他信息存儲的保留空間總長

度(保留字地址數(shù))

N---一頁參數(shù)中參數(shù)的個數(shù)

Y---各參數(shù)所占用的字數(shù)

5系統(tǒng)的總線連接及上下載實現(xiàn)

5.1現(xiàn)場總線連接的方式

遠程通信模塊SY-RSCM通過WAN接口連接Internet,并通過LAN接口連接至各生產(chǎn)線的HMI.生產(chǎn)現(xiàn)場的總線連接如圖3所示。

HMI通過RS-232與PLC進行全雙工通信，實現(xiàn)參數(shù)的下載和生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的上傳。由于現(xiàn)場各類傳感器距離PLC較遠，考慮總線的抗干擾能力及成本因素，故本系統(tǒng)采用RS-485總線對各智能傳感器進行讀、寫通信。PLC通過RS-485總線，采集重量、溫度、壓力等工藝參數(shù)對生產(chǎn)線進行閉環(huán)控制，同時，將參數(shù)上傳至HMI.

5.2配方下載至PLC的方式

下載時，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、進給速度、流量、溫度、壓力等，實行自動化生產(chǎn)。若PLC接收HMI下載的配方數(shù)據(jù)有n個參數(shù)，每個參數(shù)占用一個字地址，設(shè)占用D100~D100+n-1,并設(shè)HMI當前顯示需要下載的參數(shù)在LW0~LWn-1中，利用遠程操作觸發(fā)下載宏，使當前需要生產(chǎn)的配方參數(shù)下載至PLC,下載宏示范如下：

Macro_Commandmain()

intbufer[n]∥定義一個有n個元素的字數(shù)組

GetData(bufer[0],LW_Binplc,0,n)∥獲取HMI

∥顯示的需要下載到PLC的n個參數(shù)到數(shù)組中

SetData(bufer[0],D_Binplc,100,n)∥將數(shù)組中

∥的數(shù)據(jù)下載到PLC的D100開始的連續(xù)n個字中

EndMacro_Command

5.3PLC實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳的方式

實現(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的實時數(shù)據(jù)監(jiān)視存儲區(qū)。這樣，遠程PC機讀取HMI中實時監(jiān)視存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，即可安全、方便地讀取現(xiàn)場生產(chǎn)實時信息。其讀取參數(shù)示范宏指令如下：

Macro_Commandmain()

intbufer[n]∥在觸摸屏內(nèi)定義一個有n個元素∥的字數(shù)組，n為需要讀取的PLC中實時監(jiān)視數(shù)據(jù)個數(shù)。

GetData(bufer[0],D_Binplc,300,n)∥獲取PLC中的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，上傳至HMI內(nèi)數(shù)組的n個元素中。

SetData(bufer[0],LW_Binplc,100,n)∥將數(shù)組中的數(shù)據(jù)復(fù)制到HMI的LW100開始的連續(xù)n個字中，供遠程計算機讀取實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

EndMacro_Command

6HMI窗口的配方數(shù)據(jù)保密措施

PC通過Internet對HMI進行程序和數(shù)據(jù)的上、下載。在遠程上、下載過程中，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)下載過程中，HMI設(shè)為顯示進度條狀態(tài)，數(shù)據(jù)在HMI上不可見，保證了數(shù)據(jù)不會通過HMI外泄；(2)在PC遠程單獨修改HMI的參數(shù)(如配方數(shù)據(jù))時，通過對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，來保密；(3)在HMI上，程序的上載通過密碼加密方式，以保證本HMI上的配方數(shù)據(jù)安全。

7結(jié)語

本文所述的基于Internet的HMI配方數(shù)據(jù)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)已在PVC片材生產(chǎn)線中使用，1年來的實踐證明，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)建方便。

PC機與HMI之間的通信數(shù)據(jù)安全性高、保密性好、市場前景廣闊，凡涉及到需配方信息遠程保密傳輸和數(shù)據(jù)連通的領(lǐng)域均可采用該系統(tǒng)。該系統(tǒng)的安全通信機制也可移植到其他對遠程數(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、交通設(shè)施和生產(chǎn)線等，因此，值得推廣。