杜才亮 宋小靜 中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院

基于IPSec的MATLAB與組態(tài)王的數(shù)據(jù)通信

杜才亮 宋小靜 中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院

針對(duì)組態(tài)王遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制實(shí)現(xiàn)困難問題，提出了一種基于IPSec的MATLAB與組態(tài)王數(shù)據(jù)通信實(shí)例。方法使用IPSec提供了一條保密數(shù)據(jù)鏈路，并使用一個(gè)公網(wǎng)服務(wù)器與若干內(nèi)網(wǎng)客戶端實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透。通過此鏈路使用OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和MATLAB的連接。實(shí)驗(yàn)表明，此方法可以有效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

IPSec 組態(tài)王 OPC

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了快捷方便的途徑，IPSec(Internet Protocol security)作為一種網(wǎng)際層的協(xié)議被廣泛應(yīng)用。此協(xié)議為一組協(xié)議集，包括數(shù)據(jù)加密、源地址驗(yàn)證、數(shù)據(jù)完整性檢查和防攻擊等[1]。組態(tài)王是一種組態(tài)軟件，并提供多種驅(qū)動(dòng)，方便上位機(jī)與控制系統(tǒng)進(jìn)行連接。但是組態(tài)王無法快捷的加入復(fù)雜控制算法。MATLAB作為一個(gè)專業(yè)科學(xué)語言可以方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法。PCT-II型實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大且重量大，在實(shí)踐中跨校區(qū)兩實(shí)驗(yàn)室只能單實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，利用率低。為了解決這個(gè)問題，本文提出一種基于IPSec的MATLAB與組態(tài)王通信鏈路，實(shí)現(xiàn)跨局域網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控PCT-II型實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)鏈路

數(shù)據(jù)需要跨兩個(gè)局域網(wǎng)，由于一些安全無法實(shí)現(xiàn)基于公網(wǎng)IP的IPSec互聯(lián)。為此需要增加一個(gè)帶有公網(wǎng)IP的服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)。L2TP作為一種虛擬局域網(wǎng)具有轉(zhuǎn)發(fā)速度快和建立方便的優(yōu)勢，但是安全性較差，IPSec安全性好，但是操作系統(tǒng)需要對(duì)等連接[2]。因此兩地實(shí)驗(yàn)室采用L2TP-VPN分別和服務(wù)器連接，然后再次使用IPSec隧道加強(qiáng)安全性。

2.1 路由拓?fù)?/h3>

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別在不同的內(nèi)網(wǎng)中，兩內(nèi)網(wǎng)沒有互通。本文設(shè)計(jì)一個(gè)鏈路，數(shù)據(jù)首先從A校區(qū)上位機(jī)經(jīng)過A校區(qū)內(nèi)網(wǎng)路由器、A校區(qū)網(wǎng)關(guān)、A校區(qū)防火墻，經(jīng)過公網(wǎng)傳輸?shù)焦W(wǎng)服務(wù)器，然后經(jīng)過公網(wǎng)、B校區(qū)防火墻、B校區(qū)網(wǎng)關(guān)、B校區(qū)內(nèi)網(wǎng)路由器傳輸?shù)紹校區(qū)上位機(jī)，路由拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 .a L2TP服務(wù)器

圖2 .b IPSec

2.2 鏈路連接

兩內(nèi)網(wǎng)路由器和公網(wǎng)服務(wù)器均使用Router OS操作系統(tǒng)。L2TP服務(wù)器使用Router OS內(nèi)建L2TP服務(wù)器搭建，如圖2所示。A、B兩校區(qū)路由器使用L2TP隧道和公網(wǎng)服務(wù)器連接，形成兩條虛擬鏈路。兩內(nèi)網(wǎng)路由器分別通過建立好的L2TP隧道建立IPSec連接，并在公網(wǎng)服務(wù)器內(nèi)設(shè)置防火墻規(guī)則，轉(zhuǎn)發(fā)兩網(wǎng)段數(shù)據(jù)。至此鏈路連接建立完畢。

3 組態(tài)王與MATLAB連接

OPC(OLE for Process Control)是一種由微軟提出并推動(dòng)的一種軟件接口，分為OPC Server和OPC Client。OPC服務(wù)器分為三層，分別為server層，group層和item層，三層成樹狀關(guān)系[3]。OPC客戶端使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和OPC連接，客戶端通過group操作item層數(shù)據(jù)。

組態(tài)王集成OPC服務(wù)端[4]。為了可以遠(yuǎn)程連接，本文設(shè)置了組態(tài)王所在計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程讀寫權(quán)限。MATLAB集成OPC客戶端，可以使用GUI或者API接入OPC服務(wù)器。在基于MATLAB的控制系統(tǒng)中，只需讀寫組態(tài)王的寄存器數(shù)據(jù)即可，因此采用API方式。為了方便程序調(diào)用，本文創(chuàng)建了三個(gè)函數(shù)分別完成連接、讀取、寫入功能。

%%%%%連接

function [a,b,c]=linkopc(obj)

da=opcda(obj,'KingView．View．1')；

connect(da)；

grp=addgroup(da)；

a=additem(grp,'IN01．Value')；

b=additem(grp,' IN02．Value')；

c=additem(grp,' OUT01．Value')；

%%%%%讀取

function a=read_opc(obj)

tmp=read(obj)；

a=double(tmp．Value)；

%%%%%%寫入

function write_opc(obj,v)

writeasync(obj,single(v))；

如函數(shù)所示，連接OPC服務(wù)器后先取得group鍵，然后讀取group鍵下的item鍵并返回。因組態(tài)王使用single數(shù)據(jù)類型，所以在讀寫函數(shù)中主要完成數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換功能。

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

為了驗(yàn)證此通信方法的有效性，進(jìn)行了鏈路實(shí)驗(yàn)以及PCTII、組態(tài)王連接實(shí)驗(yàn)。

4.1 鏈路實(shí)驗(yàn)

L2TP 鏈路使用192．168．1．0/24網(wǎng)段，A 校區(qū)路由器設(shè)置 IP：192．168．1．3，B 校區(qū)路由器設(shè) 置 IP：192．168．1．6，使用Router OS內(nèi)Ping工具測試。測試時(shí)間為晚上8點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)最擁堵時(shí)間。測試結(jié)果如表1所示。

表1 L2TP鏈路測試

增加IPSec隧道并在服務(wù)端添加轉(zhuǎn)發(fā)之后，A、B兩校區(qū)電腦之間測試結(jié)果如表2所示。

表2 IPSec隧道測試

因PCT-II實(shí)驗(yàn)設(shè)備采樣時(shí)間為1s，由表1-2可知，此鏈路滿足要求。

4.2 PCT-II、組態(tài)王連接實(shí)驗(yàn)

此實(shí)驗(yàn)為單容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)，需要實(shí)時(shí)獲取液面位置、流量信息，實(shí)時(shí)寫入閥門開度信息。在鏈路暢通之后即可使用連接、讀取、寫入函數(shù)讀寫操作，可實(shí)現(xiàn)和本地相同的效果。如圖3所示實(shí)時(shí)液位控制，其中參數(shù)為Kp=1．8、Ki=0．13、Kd=0

圖 3 液位控制實(shí)驗(yàn)

圖中藍(lán)紅色曲線為實(shí)時(shí)液面，紅色曲線為閥門開度，綠色曲線為誤差。和本地控制效果相同。

5 結(jié)論

IPSec隧道為遠(yuǎn)程控制提供了可能，internet延遲的降低為遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了條件。利用OPC協(xié)議可實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和MATLAB之間的數(shù)據(jù)交互。針對(duì)組態(tài)王復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)困難和實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率地下的問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于IPSec的MATLAB與組態(tài)王的數(shù)據(jù)通信方案。實(shí)驗(yàn)證明，基于IPSec的鏈路可靠通暢，基于OPC的數(shù)據(jù)交換方案穩(wěn)定有效。

[1]Lien C H. Network device, IPsec system and method for establishing IPsec tunnel using the same[J]. 2017

[2]Dayananda M S, Kumar A. Architecture for Inter-cloud Services Using IPsec VPN[J]. 2012:463-467

[3]陳宏希, 鄒益民. 基于 OPC的 Matlab與 S7-200 PLC實(shí)時(shí)通信在過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中應(yīng)用[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2015(5):55-58

[4]馮道寧, 于生. 基于OPC技術(shù)的多現(xiàn)場總線工業(yè)系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2012, 25(11):9-10