張強(qiáng) 莊嚴(yán) 李勇 唐海麗

摘? 要 SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)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(wù)器通過(guò)PLC采集傳感器、儀表等的數(shù)據(jù)，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。主要采用施耐德公司的M241 PLC搭建一個(gè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)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(jiǎn)稱EMSE）軟件的終端系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)采集的工作任務(wù)。

關(guān)鍵詞 職業(yè)院校;教材;PLC控制器;SCADA系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(guó)國(guó)力日漸增強(qiáng)，成為僅次于美國(guó)的世界第二大經(jīng)濟(jì)體，科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，各種新技術(shù)、新設(shè)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(shè)備開(kāi)發(fā)、管理與維護(hù)技能的人才。施耐德電氣（中國(guó)）有限公司為加強(qiáng)與職業(yè)院校的合作，提出“碧播職業(yè)教育計(jì)劃”，準(zhǔn)備針對(duì)施耐德公司的PLC、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備開(kāi)發(fā)一系列適應(yīng)現(xiàn)代化教育形勢(shì)的活頁(yè)式職業(yè)技能培訓(xùn)教材。作為北京電子科技職業(yè)學(xué)院的專業(yè)教師，筆者主要參與進(jìn)行了施耐德PLC教材的編寫(xiě)，重點(diǎn)研究了施耐德M241PLC通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)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(xiě)，是一個(gè)含義較廣的術(shù)語(yǔ)，應(yīng)用于可對(duì)安裝在遠(yuǎn)距離場(chǎng)地的設(shè)備進(jìn)行中央控制和監(jiān)視的系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與測(cè)量、各類信號(hào)報(bào)警、設(shè)備控制以及參數(shù)調(diào)節(jié)等各項(xiàng)功能。SCADA系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造、過(guò)程控制、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、智能建筑等，可以簡(jiǎn)單到只需通過(guò)一對(duì)導(dǎo)線連在遠(yuǎn)端的一個(gè)開(kāi)關(guān)，也可復(fù)雜到一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。它由許多網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備組成，并與安裝在控制區(qū)域內(nèi)或遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)的工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

通常SCADA系統(tǒng)分為兩個(gè)層面，即服務(wù)器與客戶端。服務(wù)器與硬件設(shè)備通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。客戶端用于人機(jī)交互，如用文字、動(dòng)畫(huà)顯示現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，并可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)、閥門進(jìn)行操作。還有一種超遠(yuǎn)程客戶，它可以通過(guò)Web發(fā)布在Internet上進(jìn)行監(jiān)控。硬件設(shè)備（如PLC）

一般既可以通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)方式連接，也可以以總線方式連接到服務(wù)器上。點(diǎn)到點(diǎn)連接一般通過(guò)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(dòng)化系統(tǒng)的人機(jī)界面，是一種軟件平臺(tái)。當(dāng)PLC與SCADA系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí)，PLC通常以服務(wù)器角色為SCADA軟件提供監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)以客戶端角色對(duì)PLC提供的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)報(bào)警、設(shè)備控制以及參數(shù)調(diào)節(jié)等功能操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)視和控制。

本文主要針對(duì)M241采用Modbus TCP以太網(wǎng)通信方式與裝有EMSE的終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生通過(guò)實(shí)際編程、硬件連接、軟件調(diào)試，獲得遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集方法。

1? 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

在甲地安裝PLC控制器模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(guò)Wi-Fi連接電信寬帶，進(jìn)而連接互聯(lián)網(wǎng)。在計(jì)算機(jī)上安裝施耐德PLC編程軟件EcoStruxre Machine Expert（簡(jiǎn)稱ESME），測(cè)試人員使用計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)置路由器、下載M241測(cè)試程序等。

在乙地安裝SCADA終端計(jì)算機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)線或Wi-Fi連接網(wǎng)關(guān)、路由器、熱點(diǎn)等連接互聯(lián)網(wǎng)。測(cè)試人員在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行SCADA終端程序，并在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝ESME，遠(yuǎn)程對(duì)甲地PLC控制器進(jìn)行調(diào)試。

甲地PLC控制器和乙地SCADA終端計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程連接借助于映翰通InConnect平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)如圖1所示。其中包含下列硬件設(shè)備：

1）PLC控制器，采用施耐德TM241CEC24T型PLC（以下簡(jiǎn)稱M241），其特點(diǎn)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(diǎn)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(wú)線路由器，也可選用其他網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，安裝在甲地;

4）調(diào)試用計(jì)算機(jī)，要求已安裝ESME，用于設(shè)置路由器和M241、下載M241測(cè)試程序，安裝在甲地;

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

6）網(wǎng)關(guān)、路由器或熱點(diǎn)等，要求滿足乙地計(jì)算機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商無(wú)特別要求。

2? 實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程

2.1? 注冊(cè)InConnect平臺(tái)賬戶

甲地M241和乙地SCADA終端計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程連接是借助映翰通InHand Connect Service云平臺(tái)（簡(jiǎn)稱InConnect）

來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該平臺(tái)通過(guò)人性化的用戶界面和簡(jiǎn)易的使用流程，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備、信息安全穩(wěn)定地互聯(lián)互通。

在測(cè)試開(kāi)始前，需要到InConnect平臺(tái)網(wǎng)址上注冊(cè)賬戶，注冊(cè)成功后登錄平臺(tái)，點(diǎn)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(diǎn)擊“新建路由器”，填寫(xiě)甲地路由器的名稱（自定義）、型號(hào)、序列號(hào)，點(diǎn)擊確定后，獲取路由器的虛擬IP地址。當(dāng)需要使用乙地計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置甲地路由器時(shí)（前提是甲地路由器已啟用設(shè)備遠(yuǎn)程管理平臺(tái)），可以在瀏覽器中使用這個(gè)虛擬IP地址打開(kāi)甲地路由器管理頁(yè)面。完成上述設(shè)置后，乙地SCADA終端計(jì)算機(jī)在遠(yuǎn)程連接甲地M241時(shí)，不需要登錄InConnect平臺(tái)，只需運(yùn)行其客戶端Open VPN并執(zhí)行連接即可。

2.2? 設(shè)置甲地路由器

1）調(diào)試用計(jì)算機(jī)連接路由器的LAN口，設(shè)置計(jì)算機(jī)IP地址、DNS為“自動(dòng)獲取”。

2）用192.168.2.1打開(kāi)并登錄路由器管理頁(yè)面，用戶名為adm，密碼為123456。

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

4）設(shè)置路由器LAN為靜態(tài)IP，設(shè)置DHCP的IP地址范圍，綁定M241的MAC地址與真實(shí)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(shè)置成同一號(hào)段，例如：WLAN的IP地址為17.7.7.10，LAN的IP地址設(shè)置為17.0.0.30，DHCP的IP地址范圍設(shè)置為17.0.0.31～17.0.

0.254。

5）啟用設(shè)備遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，登錄在InConnect平臺(tái)上注冊(cè)的賬戶。

6）點(diǎn)擊路由器后的“設(shè)備管理”，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框里填寫(xiě)目標(biāo)甲地M241的真實(shí)IP地址、名稱（自定義），點(diǎn)擊“保存”后，獲得甲地M241的虛擬IP地址。

2.3? 設(shè)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(dòng)調(diào)試用計(jì)算機(jī)里的ESME軟件，將MyController

里的連接模式設(shè)置為“自動(dòng)”，刷新到目標(biāo)PLC后，選中，右鍵菜單“處理通訊設(shè)置”里“啟動(dòng)模式”設(shè)置為“DHCP”，并勾選“永久保存設(shè)置”。

3）將測(cè)試程序下載到M241中。

2.4? 遠(yuǎn)程連接

1）根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的類別選擇相應(yīng)的安裝程序安裝InConnect的客戶端Open VPN。

2）將計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，啟動(dòng)Open VPN客戶端，執(zhí)行“導(dǎo)入配置文件”，導(dǎo)入從InConnect平臺(tái)下載的Open VPN配置文件，導(dǎo)入后執(zhí)行“連接”。

3）啟動(dòng)EMSE，運(yùn)行SCADA終端程序，觀察畫(huà)面內(nèi)數(shù)值的變化。如果ESME是安裝在虛擬機(jī)中，虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器采用橋接模式，橋接適配器選擇使計(jì)算機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)的適配器。

4）在安裝Open VPN后，計(jì)算機(jī)或虛擬機(jī)會(huì)新增一個(gè)型號(hào)為“TAP-windows Adapter V9”的網(wǎng)絡(luò)適配器，此適配器不可禁用，一旦禁用，Open VPN將無(wú)法連接。

5）遠(yuǎn)程連接期間乙地SCADA終端計(jì)算機(jī)或虛擬機(jī)應(yīng)保持防火墻、瀏覽器代理關(guān)閉。

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

2.5? 遠(yuǎn)程調(diào)試M241

當(dāng)布置在乙地的計(jì)算機(jī)上安裝了ESME，則乙地測(cè)試人員在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上還可以遠(yuǎn)程對(duì)甲地M241進(jìn)行調(diào)試，甲地路由器和M241的設(shè)置、乙地計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程連接M241的操作步驟與前述方法相同，區(qū)別在于遠(yuǎn)程調(diào)試時(shí)要在ESME軟件中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

1）為Gateway添加遠(yuǎn)程連接。打開(kāi)Gateway Manage-

ment Console，在Static Remote Connection里填寫(xiě)甲地M241的虛擬IP地址，點(diǎn)擊“Add connection”，等待State

顯示為“Connected as a client”。

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

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

2.6? 運(yùn)行測(cè)試程序

測(cè)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(jì)算機(jī)編寫(xiě)測(cè)試程序“M241-InHand-SCADA”并下載到M241，

程序設(shè)計(jì)舉例如圖2所示。提供12個(gè)不同類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中九個(gè)數(shù)值自動(dòng)周期變化，余下三個(gè)供用戶寫(xiě)入。在乙地SCADA終端計(jì)算機(jī)編寫(xiě)測(cè)試程序“XL-M241-remote”，界面實(shí)時(shí)顯示來(lái)自M241的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值。

2）采用OPC UA通信方式，其中在甲地計(jì)算機(jī)編寫(xiě)測(cè)試程序“M241-InHand-SCADA-OPCUA”并下載到M241。提供12個(gè)不同類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中九個(gè)數(shù)值自動(dòng)周期變化，余下三個(gè)供用戶寫(xiě)入。在乙地SCADA終端計(jì)算機(jī)編寫(xiě)測(cè)試程序“XL-M241-OPCUA-remote”，界面實(shí)時(shí)顯示來(lái)自M241的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值。

3? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，成功實(shí)現(xiàn)M241與遠(yuǎn)程SCADA終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)讓學(xué)生硬件組態(tài)、軟件編程、安裝調(diào)試，可以有效提升他們對(duì)現(xiàn)代化設(shè)備的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和維護(hù)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(shù)方向上不斷向前發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。本文所研究的內(nèi)容只是對(duì)這些先進(jìn)技術(shù)的一個(gè)初步探索，將來(lái)還需要大家進(jìn)一步共同努力，為提高我國(guó)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(huì)主義技能型人才，把我國(guó)建設(shè)成為社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的“中國(guó)夢(mèng)”貢獻(xiàn)自己的力量?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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