0 引言

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)改變了人們的生活，同時(shí)也正在改變工業(yè)自動(dòng)化的方方面面。因此，中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)通用低壓電器分會(huì)在《低壓電器新產(chǎn)品發(fā)展總體思路》中明確提出："全面實(shí)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(guó)第3 代低壓電器主要產(chǎn)品、第4 代低壓電器，全部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可通信，能與多種現(xiàn)場(chǎng)總線連接，也可直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接。"鑒于此，近年來(lái)，基于現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)( Internet)技術(shù)的可編程控制器( Programmable LogicController,PLC)、觸摸屏( Human Machine Interface,HMI)、變頻器、智能開(kāi)關(guān)等各類智能低壓電器得到了長(zhǎng)足發(fā)展，在智能電網(wǎng)、樓宇智能化、工業(yè)遠(yuǎn)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(shì)，也對(duì)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)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(guò)無(wú)處不在的Internet,進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸和控制，十分方便。但因網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性較差，傳輸控制信息和數(shù)據(jù)需建立虛擬局域通道(Virtual Local Area Network,VLAN)；加之傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議( Transmission Control Protocol /Internet Protocol,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蛩亍６悄艿蛪弘娖髋c遠(yuǎn)程主機(jī)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(shí)時(shí)性要求極高，因此，一般的網(wǎng)絡(luò)傳輸無(wú)法滿足工業(yè)要求。

本文以基于Internet 的觸摸屏的數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹一種采用遠(yuǎn)程安全通信模塊SY-RSCM,從而便捷、可靠地構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的智能電器遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)的解決方案。

　　1 配方生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)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(dòng)配置原料并組織生產(chǎn)，該類自動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)力，需集中管理和統(tǒng)一配置，如可口可樂(lè)配方，一直是世界級(jí)的秘密，其生產(chǎn)過(guò)程中的配方信息對(duì)生產(chǎn)者也是保密的。這類企業(yè)大多為跨地區(qū)、跨國(guó)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(duì)世界各地的生產(chǎn)廠實(shí)時(shí)進(jìn)行配方的下傳、存儲(chǔ)、調(diào)用、修改和生產(chǎn)線監(jiān)控。為此，本課題開(kāi)發(fā)了基于Internet 和MT8000 型HMI 的配方數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2 通過(guò)Internet 訪問(wèn)HMI 的系統(tǒng)架構(gòu)
配方數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎谜n題組開(kāi)發(fā)的S-link 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)安全加密后，通過(guò)Internet 進(jìn)行協(xié)議上的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與遠(yuǎn)程HMI 的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行安全數(shù)據(jù)交換的功能，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和在線診斷，如圖1 所示。


圖1 配方數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配置的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)100 Mb /s 的工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，建立起計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)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(guò)軟件的高級(jí)加密形式對(duì)IP 報(bào)文封裝，以實(shí)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(duì)所傳數(shù)據(jù)提供認(rèn)證和加密( 包括對(duì)控制報(bào)文和傳輸中的數(shù)據(jù)加密)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和安全性，是一種完整的安全解決方案。

S-link 協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為網(wǎng)絡(luò)層流量提供靈活的安全服務(wù)，包括：訪問(wèn)控制、無(wú)連接完整性、數(shù)據(jù)源鑒別、重傳攻擊保護(hù)、機(jī)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。


圖2 S-link 安全體系結(jié)構(gòu)


3. 2 安全通信的密鑰

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

(1) WK.可分為用于對(duì)個(gè)人標(biāo)識(shí)碼加密的密鑰及進(jìn)行報(bào)文鑒別的密鑰，均由S-link 的加密機(jī)產(chǎn)生。在每次建立連接時(shí)，利用KEK 加密后下載，并由KEK 加密存儲(chǔ)，S-link 工作密鑰在傳送時(shí)以密文傳送。

(2) KEK.用于對(duì)工作密鑰WK 進(jìn)行加密保護(hù)，共享唯一的KEK.KEK 只能寫(xiě)入并參與運(yùn)算，不能被讀取。KEK 應(yīng)至少有3 個(gè)，以便當(dāng)KEK 泄密時(shí)軟、硬件采取同步內(nèi)置算法，及時(shí)、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(guò)參數(shù)交換的方式約定使用哪個(gè)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(guò)信息過(guò)濾檢查方式，對(duì)非法訪問(wèn)進(jìn)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(lái)非法攻擊。

　　4 HMI 中數(shù)據(jù)庫(kù)的建立
選用MT8000 HMI 是由于其配有Internet 接口和較大的內(nèi)部閃存(Flash Memory) 空間[10],可方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。

MT8000 HMI 內(nèi)部Flash Memory 稱為RW.RW中除保留字外，在不擴(kuò)展外圍存儲(chǔ)器件的情況下，用戶可用空間為60 000 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(gè)可變參數(shù)，每個(gè)參數(shù)占用一個(gè)字，則這100 個(gè)參數(shù)組成1 個(gè)參數(shù)頁(yè)。60 000個(gè)字空間可存儲(chǔ)600 個(gè)參數(shù)頁(yè)，即能存儲(chǔ)600 個(gè)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(chǔ)要求。若存儲(chǔ)空間不夠，可插入閃存(Compact Flash,CF) 卡進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)展。因此，利用HMI 作為配方數(shù)據(jù)庫(kù)是可行的。

存儲(chǔ)空間能存儲(chǔ)參數(shù)頁(yè)的數(shù)量可由下式計(jì)算得出：


 

　　式中P---可分配參數(shù)頁(yè)總數(shù)量

L---HMI 斷電可保存空間總長(zhǎng)度( 總字地址數(shù))

Lb---用于其他信息存儲(chǔ)的保留空間總長(zhǎng)

度(保留字地址數(shù))

N---一頁(yè)參數(shù)中參數(shù)的個(gè)數(shù)

Y---各參數(shù)所占用的字?jǐn)?shù)

　　5 系統(tǒng)的總線連接及上下載實(shí)現(xiàn)
5. 1 現(xiàn)場(chǎng)總線連接的方式

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


圖3 現(xiàn)場(chǎng)總線連接圖

HMI 通過(guò)RS - 232 與PLC 進(jìn)行全雙工通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的下載和生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳。由于現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器距離PLC 較遠(yuǎn)，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(duì)各智能傳感器進(jìn)行讀、寫(xiě)通信。PLC 通過(guò)RS - 485總線，采集重量、溫度、壓力等工藝參數(shù)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)，將參數(shù)上傳至HMI.


5. 2 配方下載至PLC 的方式

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

Macro_Command main()

int bufer[n]∥定義一個(gè)有n 個(gè)元素的字?jǐn)?shù)組

GetData(bufer[0],LW_Binplc,0,n) ∥獲取HMI

∥顯示的需要下載到PLC 的n 個(gè)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(kāi)始的連續(xù)n個(gè)字中

End Macro_Command

5. 3 PLC 實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳的方式

實(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視存儲(chǔ)區(qū)。這樣，遠(yuǎn)程PC 機(jī)讀取HMI 中實(shí)時(shí)監(jiān)視存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)，即可安全、方便地讀取現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息。其讀取參數(shù)示范宏指令如下：

Macro_Command main()

int bufer[n]∥在觸摸屏內(nèi)定義一個(gè)有n 個(gè)元素∥的字?jǐn)?shù)組，n 為需要讀取的PLC 中實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

GetData(bufer[0],D_Binplc,300,n) ∥獲取PLC中的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，上傳至HMI 內(nèi)數(shù)組的n 個(gè)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(kāi)始的連續(xù)n 個(gè)字中，供遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)讀取實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

End Macro_Command

　　6 HMI 窗口的配方數(shù)據(jù)保密措施
PC 通過(guò)Internet 對(duì)HMI 進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)的上、下載。在遠(yuǎn)程上、下載過(guò)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(guò)程中，HMI 設(shè)為顯示進(jìn)度條狀態(tài)，數(shù)據(jù)在HMI 上不可見(jiàn)，保證了數(shù)據(jù)不會(huì)通過(guò)HMI外泄；(2) 在PC 遠(yuǎn)程單獨(dú)修改HMI 的參數(shù)( 如配方數(shù)據(jù))時(shí)，通過(guò)對(duì)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(lái)保密；(3) 在HMI 上，程序的上載通過(guò)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(yǔ)

本文所述的基于Internet 的HMI 配方數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已在PVC 片材生產(chǎn)線中使用，1 年來(lái)的實(shí)踐證明，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)建方便。

PC 機(jī)與HMI 之間的通信數(shù)據(jù)安全性高、保密性好、市場(chǎng)前景廣闊，凡涉及到需配方信息遠(yuǎn)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(jī)制也可移植到其他對(duì)遠(yuǎn)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(jī)、交通設(shè)施和生產(chǎn)線等，因此，值得推廣。