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

        2018-04-02 21:15:03張曉利穆振洲崔桂梅
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2018年11期
        關(guān)鍵詞:環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)

        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),是自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢[2]?,F(xiàn)代企業(yè)要求現(xiàn)場控制必須具備高容錯性、高實(shí)時性、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,搭建全集成自動化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺,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“自動化孤島效應(yīng)問題”,注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合工程實(shí)踐能力,充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的利用率。

        1 全集成自動化網(wǎng)絡(luò)平臺

        目前,我校自動化控制實(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,搭建自動化網(wǎng)絡(luò)平臺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層自動化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        現(xiàn)代自動化網(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)的兩端接到同一個交換機(jī)中。利用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中某個設(shè)備的兩個端口,就可以將線型網(wǎng)絡(luò)連接成一個環(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)測幀會沿著兩個相反的方向在環(huán)網(wǎng)中傳播,最后將到達(dá)另外一個端口。在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下,MRM的兩個冗余環(huán)口會處于相互隔離狀態(tài),這樣有效的阻止了數(shù)據(jù)在傳送時出現(xiàn)幀的循環(huán),整個網(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,它會通過連通一個替代路徑恢復(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)會恢復(fù)原有的線型結(jié)構(gòu)。在一個環(huán)網(wǎng)中,有且僅有一臺交換機(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,并且整個網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)時間小于0.3 s。

        PST(Primary Setup Tool)軟件主要是對西門子系列交換機(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,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、同時也支持基于PC的SIMATIC WinCC自動化系統(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)大量時間集成各個軟件包,同時也顯著降低了成本,是今后工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展方向[7]。

        信息管理層配備兩臺冗余服務(wù)器,兩臺計(jì)算機(jī)分別對應(yīng)工程師站、工作站。工作站用來對現(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)平臺中采用博途W(wǎng)INCC全局腳本實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)存儲功能。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。在平臺中,一臺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PLC中,從而完成運(yùn)行層對現(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)平臺將會采用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,可以保證每個注冊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)時性[11-12]。另外,使用帶有兩個無線接口的接入點(diǎn),可以搭建冗余WLAN,這樣接入點(diǎn)可在兩個頻率上傳輸數(shù)據(jù),同時確保了高數(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,仍可維持系統(tǒng)正常運(yùn)行,增強(qiáng)了自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過測試,網(wǎng)絡(luò)平臺可以基本滿足工業(yè)環(huán)境模擬要求,可開展大型綜合課程設(shè)計(jì)??傊?,自動化全集成網(wǎng)絡(luò)平臺有力推動了“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]。

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