許澤凱，彭元修,楊誼華

(南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

1 引言

《中國制造 2025戰(zhàn)略》的部署，對制造業(yè)提出了更高的要求，需要制造業(yè)在工廠建設(shè)方面著力發(fā)展智慧工廠[1]，與工業(yè)4.0進行合作與對接。作為工業(yè)4.0三大主題之一的智能工廠，是以數(shù)據(jù)為軸激發(fā)企業(yè)智慧化進程，利用信息化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和編程使用PLC設(shè)備，加強工廠的信息管理，清楚掌握生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)過程可控性，減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)，達到快速準確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)并且合理地調(diào)整生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)進度的工廠。

目前國內(nèi)智能工廠的建設(shè)有智能化設(shè)備但是各領(lǐng)域供應(yīng)商不一且缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，造成優(yōu)化單點業(yè)務(wù)卻未能完全貫通的現(xiàn)狀。信息采集仍停留在產(chǎn)線機床，沒有網(wǎng)絡(luò)連通，導(dǎo)致看上去自動化程度很高但是信息化卻幾乎為零。智能工廠重點就是通過采用智能化設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的物理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方式來實現(xiàn)的[2]。

本文將統(tǒng)一使用德國西門子的PLC設(shè)備，以具體的工廠結(jié)構(gòu)為例設(shè)計一座智能工廠，并且通過實驗證明其可以運用在實際的智能工廠建設(shè)方案中。

2 智能工廠的整體規(guī)劃

智能工廠布置示意圖如圖 1 所示，主要包含3個典型的工廠主體結(jié)構(gòu)，分別是生產(chǎn)管理區(qū)、控制中心和產(chǎn)線。其中生產(chǎn)管理區(qū)與控制中心進行通訊，并且安裝有生產(chǎn)管理系統(tǒng)。生產(chǎn)管理區(qū)的網(wǎng)絡(luò)稱為生產(chǎn)管理層網(wǎng)絡(luò)?？刂浦行闹饕こ處熣?、操作員站和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、存儲和信息可視化系統(tǒng)。產(chǎn)線包含 6 個按直線排列的工藝單元。工廠各區(qū)域電氣干擾較弱。工藝單元包含一個 PLC，用于控制工藝單元內(nèi)部生產(chǎn)加工操作。員工在控制中心操作站上就可以監(jiān)視工廠網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)?？刂浦行?、產(chǎn)線及其之間的網(wǎng)絡(luò)稱為生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò)。

圖1 工廠布置示意

3 智能工廠的技術(shù)實現(xiàn)

設(shè)計一座智能工廠離不開作為工廠工業(yè)控制層面的可編程邏輯控制器，或稱為PLC，是幾乎所有工業(yè)控制系統(tǒng)的核心。通常是應(yīng)用其具有的計算能力和定時的功能對于各類機械裝置和設(shè)備進行有效地控制和操作，把 PLC 相關(guān)技術(shù)和電腦科技有機結(jié)合，能夠更好地對相應(yīng)的程序進行控制，有效應(yīng)對工作中的控制工程相關(guān)的難題[3]。這些設(shè)備通過輸入通道從傳感器獲取數(shù)據(jù)，通過輸出通道控制執(zhí)行器。PLC可以作為獨立設(shè)備進行部署，控制制造過程的某個部分，例如單臺機器。它們也可以作為分布式系統(tǒng)部署，跨越分散位置的多個工廠，具有數(shù)千個I/O點和眾多互聯(lián)部件[4]。產(chǎn)線上的6個PLC是智能工廠的核心，不僅能實現(xiàn)產(chǎn)線上基礎(chǔ)的開關(guān)量控制、運動控制，模擬量控制等基礎(chǔ)功能，還能實現(xiàn)后續(xù)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)及通訊等功能。PLC技術(shù)可使整個過程更加合理，有效控制數(shù)據(jù)運行[5]。

其次要保障的就是工業(yè)信息安全問題。信息安全問題會對企業(yè)經(jīng)濟、運行穩(wěn)定性、安全性造成直接影響，同時也會影響系統(tǒng)建設(shè)的進程[6]。需要在工廠生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)管理層網(wǎng)絡(luò)之間建立防火墻，以確保生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò)中PLC、工程師站等設(shè)備不會被外界惡意攻擊。防火墻實際上是一種隔離技術(shù)，防火墻是在兩個網(wǎng)絡(luò)通信時執(zhí)行的一種訪問控制尺度，它能允許用戶“同意”的人和數(shù)據(jù)進入用戶的網(wǎng)絡(luò)，同時將用戶“不同意”的人和數(shù)據(jù)拒之門外，最大限度地阻止網(wǎng)絡(luò)黑客來訪問用戶的網(wǎng)絡(luò)。換句話說，如果不通過防火墻，公司內(nèi)部的人就無法訪問Internet，Internet上的人也無法和公司內(nèi)部的人進行通信[7]。在該方案中，采用具有防火墻功能的安全模塊s615實現(xiàn)上述功能。通過包過濾、狀態(tài)監(jiān)測、代理服務(wù)等安全控制手段對網(wǎng)絡(luò)進行保護。同時能限制暴露用戶點，它隔開了網(wǎng)絡(luò)中一個網(wǎng)段與另一個網(wǎng)段，這樣能夠防止影響一個網(wǎng)段的問題通過整個網(wǎng)絡(luò)傳播。在這種多方面的保護下，網(wǎng)絡(luò)安全性能進一步提高，確保計算機網(wǎng)絡(luò)運行的安全性，保障工業(yè)資料與信息的完整性。

然后是生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、存儲和信息可視化技術(shù)的實現(xiàn)。對于非數(shù)控類的采用PLC控制類的設(shè)備可以采用組態(tài)軟件來直接讀取PLC中的相關(guān)信息，包括PLC中保存的各種狀態(tài)的I/O點信息和模擬量信息(如溫度、壓力等)，只要將讀取的這些I/O點信息和模擬量信息存入設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫中[8]。再由控制中心的操作員對現(xiàn)場工藝單元生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行歸檔，比如生產(chǎn)數(shù)量、各控制閥的狀態(tài)、報警事故等重要信息需進行保持。將綜合監(jiān)控服務(wù)器的顯示屏設(shè)置為人機交互界面，通過組態(tài)軟件WinCC設(shè)置界面，可以實時觀測到工藝單元生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及其變化趨勢，工藝過程的實時視頻，當某一生產(chǎn)數(shù)據(jù)超過安全閾值時，還可以進行報警[9]。

智能工廠的現(xiàn)場總線以PROFINET為標準。PROFINET是開放的支持標準以太網(wǎng)的技術(shù)[10]，類似于OPC UA協(xié)議獨立于具體制造商，幾乎被所有的西門子設(shè)備所支持。PROFINET最重要的特點是對現(xiàn)場級設(shè)備提供了必要的時間確定性和實時性。它支持總線周期直至31.25μs的I/O數(shù)據(jù)交換、完備的現(xiàn)場設(shè)備診斷機制以及眾多的行規(guī)，比如針對功能安全的PROFINET[11]。通過PROFINET，員工在控制中心的操作員站就可以監(jiān)控工廠的網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)。西門子設(shè)備PROFINET接口的每個端口都有一個LED指示燈。借助于PROFINET設(shè)備的LED的狀態(tài)和錯誤指示燈，可以診斷出通訊中的錯誤或PROFINET模塊的錯誤狀態(tài)。而且PROFINET能夠保證系統(tǒng)在故障后自動恢復(fù)到安全狀態(tài)。當前，PLC工程的接線端口通常采用可以拆卸的方式，因此能夠為相關(guān)作業(yè)人員在完成PLC編程后，提供更加有效的維修工作方式[12]，在發(fā)生故障后馬上認出故障的區(qū)域停止工作，以保護人員和機器安全。

最后，是智能工廠的無線通信技術(shù)。所謂的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，指的就是利用無線電波來進行數(shù)據(jù)傳輸，是一種新型的通信信息系統(tǒng)，為未來通信系統(tǒng)的發(fā)展確立了方向[13]。無線通信的優(yōu)勢在于節(jié)省了大量的設(shè)備成本和安裝成本。沒有電纜、接線，無需安裝橋架、電纜保護管和接線盒，無需大量的機柜和I/O卡件，安裝容易實施。在工藝改造或增加設(shè)備監(jiān)控點時，方便擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。在這里使用西門子無線通信模塊W774和W734實現(xiàn)無線通信功能。西門子 SCALANCE W 產(chǎn)品系列是為 IWLAN 應(yīng)用而 設(shè)計的，其產(chǎn)品具有可靠性、堅固和安全性的特點，適合工業(yè)環(huán)境中自動化客戶使用。其SCALANCE W700產(chǎn)品支持IEEE802.11n/a/b/g 標準。SCALANCE W700產(chǎn)品線的接入點非常適合建立2.4 GHz或5 GHz的工業(yè)無線局域網(wǎng)，可以用于需要較高可靠性的場所，特別是極端環(huán)境下的所有應(yīng)用[14]。此外，工業(yè)無線通信系統(tǒng)還可以將檢測設(shè)備除直接檢測參數(shù)外的大量信息同時傳送到控制系統(tǒng)或資產(chǎn)管理系統(tǒng)，不僅可以對現(xiàn)場儀器儀表提供故障診斷、預(yù)測維護功能，而且可以報告與現(xiàn)場儀器儀表相關(guān)的工藝過 程或工藝設(shè)備的健康狀態(tài)，從而改善生產(chǎn)過程的操作性能[15]。

4 實驗

為了驗證上述智能工廠設(shè)計方案的可行性，將采用相關(guān)設(shè)備進行實驗。實驗將會分別使用SCALANCE S615，SCALANCE W734和SCALANCE W774實現(xiàn)智能工廠的工業(yè)信息安全技術(shù)和無線通信技術(shù)。實驗設(shè)備如圖2所示，第一行中間設(shè)備為S615，第一行與第三行第一個設(shè)備分別為W774和W734。

圖2 設(shè)備展示

首先進行防火墻實驗保障工業(yè)信息安全。采用PST軟件配置SCALANCE S615，然后將電腦通過工業(yè)以太網(wǎng)線與S615相連并打開瀏覽器，在地址欄中輸入PST軟件中顯示的S615IP地址，進入SCALANCE S615的網(wǎng)絡(luò)配置登錄界面。在“IP Rules”頁簽下添加IP過濾規(guī)則，如圖3所示。其中第一條規(guī)則表示：內(nèi)網(wǎng)中任一主機可以訪問外網(wǎng)的任一主機。第二條規(guī)則表示：在外網(wǎng)訪問內(nèi)網(wǎng)方向，外網(wǎng)中只有IP地址為10.10.0.100的主機能夠訪問內(nèi)網(wǎng)，且僅可以訪問內(nèi)網(wǎng)IP地址為192.168.2.100的主機。通過如下設(shè)置即可實現(xiàn)上述所說的通過防火墻控制訪問人員，保護企業(yè)工業(yè)信息安全。

圖3 SCALANCE S615配置

接著進行SCALANCE W700產(chǎn)品的無線通信技術(shù)的實現(xiàn)?；静僮骱颓懊鍿615相同，進入 SALANCE-W700系列模塊設(shè)置界面后，就可以對無線模塊進行系統(tǒng)名字的更改、密碼設(shè)置、接口設(shè)置、安全設(shè)置等。將SALANCE-W774模塊設(shè)置成接入點(AP)模式，SALANCE-W734模塊設(shè)置成客戶端(Client)模式。它們都有2個工業(yè)無線局域網(wǎng)接口，因此可以實現(xiàn)多種應(yīng)用。在Interface菜單中，根據(jù)需求可以配置WLAN1和WLAN2的接口參數(shù)，啟用天線，設(shè)置頻率，設(shè)置功率，和配置SSID等功能。頻段的選擇有2.4 GHz和5.0 GHz。2.4 GHz用的產(chǎn)品比較多衰減比較弱，通信干擾比較大。5 GHz產(chǎn)品相對來說比較少，衰減比較快，通信干擾相對較小，因此在工業(yè)現(xiàn)場一般使用5 GHz頻段，為了接近實際在此也使用5 GHz頻段進行試驗。上述配置完成后使用無線客戶端通訊監(jiān)控界面檢查通訊信號質(zhì)量得到圖4。信號穩(wěn)定且干擾很小，可以滿足智能工廠中的無線通信要求。

圖4 無線通信信號強度

5 結(jié)論與討論

本文從智慧工廠的整體規(guī)劃和主要技術(shù)需求以及實驗3個方面較為詳細地描述了智慧工廠整個設(shè)計方案的構(gòu)思，通過對部分技術(shù)需求的實際操作和實驗證明了該方案的可行性。方案中智能工廠采用了有線與無線相結(jié)合這項關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計工廠。同時即便是工廠高度自動化，員工的作用依舊不可或缺，只不過是從生產(chǎn)流水線解放出來，到現(xiàn)代化崗位工作。不會引起較多工人失業(yè)、社會上無業(yè)人員增多等不穩(wěn)定因素。方案的核心是將Big Data變成Smart Data。隨著自動化技術(shù)、信息管理技術(shù)、計算機技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，機械制造及自動化行業(yè)迎來了前所未有的機遇，“工業(yè)4.0”的提出與實踐可為我國機械制造及自動化行業(yè)發(fā)展提供導(dǎo)向作用。本方案在此基礎(chǔ)上放眼世界，解放思想，創(chuàng)新思維，緊跟時代發(fā)展潮流，也為當前正在發(fā)展進行的《中國制造2025》提供一定的參考，彌補一些市場和技術(shù)上的空白。