0 引言

網(wǎng)絡通信技術已經(jīng)改變了人們的生活，同時也正在改變工業(yè)自動化的方方面面。因此，中國電器工業(yè)協(xié)會通用低壓電器分會在《低壓電器新產(chǎn)品發(fā)展總體思路》中明確提出："全面實現(xiàn)低壓電器主要產(chǎn)品網(wǎng)絡化、智能化、可通信化。要求我國第3 代低壓電器主要產(chǎn)品、第4 代低壓電器，全部實現(xiàn)網(wǎng)絡化、智能化、可通信，能與多種現(xiàn)場總線連接，也可直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接。"鑒于此，近年來，基于現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)( Internet)技術的可編程控制器( Programmable LogicController,PLC)、觸摸屏( Human Machine Interface,HMI)、變頻器、智能開關等各類智能低壓電器得到了長足發(fā)展，在智能電網(wǎng)、樓宇智能化、工業(yè)遠程監(jiān)控等方面得到廣泛應用。低壓電器產(chǎn)品網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展大趨勢，也對智能化、網(wǎng)絡化、實時化的信息交互和監(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)可通過無處不在的Internet,進行遠程的數(shù)據(jù)傳輸和控制，十分方便。但因網(wǎng)絡的實時性較差，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?。而智能低壓電器與遠程主機之間的通信數(shù)據(jù)都是十分重要的生產(chǎn)信息和控制數(shù)據(jù)，其安全性和實時性要求極高，因此，一般的網(wǎng)絡傳輸無法滿足工業(yè)要求。

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

　　1 配方生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)
在飲料、食品、聚氯乙烯片材等行業(yè)，需按產(chǎn)品的不同配方自動配置原料并組織生產(chǎn)，該類自動配方生產(chǎn)線一般由HMI、PLC 和繼電器等低壓電器構成。配方信息是企業(yè)核心競爭力，需集中管理和統(tǒng)一配置，如可口可樂配方，一直是世界級的秘密，其生產(chǎn)過程中的配方信息對生產(chǎn)者也是保密的。這類企業(yè)大多為跨地區(qū)、跨國界的大型企業(yè)，因此，迫切需要在安全、保密的前提下，可在公司總部對世界各地的生產(chǎn)廠實時進行配方的下傳、存儲、調(diào)用、修改和生產(chǎn)線監(jiān)控。為此，本課題開發(fā)了基于Internet 和MT8000 型HMI 的配方數(shù)據(jù)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2 通過Internet 訪問HMI 的系統(tǒng)架構
配方數(shù)據(jù)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲采用課題組開發(fā)的S-link 網(wǎng)絡協(xié)議，對工業(yè)數(shù)據(jù)安全加密后，通過Internet 進行協(xié)議上的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)PC機與遠程HMI 的數(shù)據(jù)庫進行安全數(shù)據(jù)交換的功能，也可實現(xiàn)對電氣控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和在線診斷，如圖1 所示。


圖1 配方數(shù)據(jù)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

在生產(chǎn)現(xiàn)場配置的遠程安全通信模塊SYRSCM,具有交換、路由、防火墻、安全網(wǎng)關和VLAN 等功能，可以實現(xiàn)100 Mb /s 的工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸。系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)，建立起計算機與遠程觸摸屏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 通過軟件的高級加密形式對IP 報文封裝，以實現(xiàn)TCP /IP網(wǎng)絡上數(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)絡層協(xié)議，能對所傳數(shù)據(jù)提供認證和加密( 包括對控制報文和傳輸中的數(shù)據(jù)加密)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和安全性，是一種完整的安全解決方案。

S-link 協(xié)議的設計目標是為網(wǎng)絡層流量提供靈活的安全服務，包括：訪問控制、無連接完整性、數(shù)據(jù)源鑒別、重傳攻擊保護、機密性、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)構如圖2 所示。


圖2 S-link 安全體系結(jié)構


3. 2 安全通信的密鑰

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

(1) WK.可分為用于對個人標識碼加密的密鑰及進行報文鑒別的密鑰，均由S-link 的加密機產(chǎn)生。在每次建立連接時，利用KEK 加密后下載，并由KEK 加密存儲，S-link 工作密鑰在傳送時以密文傳送。

(2) KEK.用于對工作密鑰WK 進行加密保護，共享唯一的KEK.KEK 只能寫入并參與運算，不能被讀取。KEK 應至少有3 個，以便當KEK 泄密時軟、硬件采取同步內(nèi)置算法，及時、方便地予以更換。PC 中的S-link 軟件和SY-RSCM網(wǎng)絡安全通信模塊之間，通過參數(shù)交換的方式約定使用哪個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)設硬件防火墻，可通過信息過濾檢查方式，對非法訪問進行攔截，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)絡內(nèi)的信息不受外來非法攻擊。

　　4 HMI 中數(shù)據(jù)庫的建立
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],可方便地進行遠程網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)庫構建。

MT8000 HMI 內(nèi)部Flash Memory 稱為RW.RW中除保留字外，在不擴展外圍存儲器件的情況下，用戶可用空間為60 000 字。設某一產(chǎn)品因原材料組合、配比和工藝要求的不同，有100 個可變參數(shù)，每個參數(shù)占用一個字，則這100 個參數(shù)組成1 個參數(shù)頁。60 000個字空間可存儲600 個參數(shù)頁，即能存儲600 個不同規(guī)格產(chǎn)品的參數(shù)，可滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品的配方存儲要求。若存儲空間不夠，可插入閃存(Compact Flash,CF) 卡進行存儲擴展。因此，利用HMI 作為配方數(shù)據(jù)庫是可行的。

存儲空間能存儲參數(shù)頁的數(shù)量可由下式計算得出：


 

　　式中P---可分配參數(shù)頁總數(shù)量

L---HMI 斷電可保存空間總長度( 總字地址數(shù))

Lb---用于其他信息存儲的保留空間總長

度(保留字地址數(shù))

N---一頁參數(shù)中參數(shù)的個數(shù)

Y---各參數(shù)所占用的字數(shù)

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

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


圖3 現(xiàn)場總線連接圖

HMI 通過RS - 232 與PLC 進行全雙工通信，實現(xiàn)參數(shù)的下載和生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的上傳。由于現(xiàn)場各類傳感器距離PLC 較遠，考慮總線的抗干擾能力及成本因素，故本系統(tǒng)采用RS - 485 總線對各智能傳感器進行讀、寫通信。PLC 通過RS - 485總線，采集重量、溫度、壓力等工藝參數(shù)對生產(chǎn)線進行閉環(huán)控制，同時，將參數(shù)上傳至HMI.


5. 2 配方下載至PLC 的方式

下載時，HMI 將原材料配置參數(shù)與生產(chǎn)工藝參數(shù)傳送至PLC 的相關寄存器中，PLC 則根據(jù)預定程序和下載的各類參數(shù)控制生產(chǎn)線的閥門、進給速度、流量、溫度、壓力等，實行自動化生產(chǎn)。若PLC 接收HMI 下載的配方數(shù)據(jù)有n 個參數(shù)，每個參數(shù)占用一個字地址，設占用D100 ~ D100 +n - 1,并設HMI 當前顯示需要下載的參數(shù)在LW0 ~ LW n - 1 中，利用遠程操作觸發(fā)下載宏，使當前需要生產(chǎn)的配方參數(shù)下載至PLC,下載宏示范如下：

Macro_Command main()

int bufer[n]∥定義一個有n 個元素的字數(shù)組

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

∥顯示的需要下載到PLC 的n 個參數(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 開始的連續(xù)n個字中

End Macro_Command

5. 3 PLC 實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳的方式

實現(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 的實時數(shù)據(jù)監(jiān)視存儲區(qū)。這樣，遠程PC 機讀取HMI 中實時監(jiān)視存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，即可安全、方便地讀取現(xiàn)場生產(chǎn)實時信息。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)定義一個有n 個元素∥的字數(shù)組，n 為需要讀取的PLC 中實時監(jiān)視數(shù)據(jù)個數(shù)。

GetData(bufer[0],D_Binplc,300,n) ∥獲取PLC中的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，上傳至HMI 內(nèi)數(shù)組的n 個元素中。

SetData(bufer[0],LW_Binplc,100,n) ∥將數(shù)組中的數(shù)據(jù)復制到HMI 的LW100 開始的連續(xù)n 個字中，供遠程計算機讀取實時的生產(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Internet 對HMI 進行程序和數(shù)據(jù)的上、下載。在遠程上、下載過程中，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) 下載過程中，HMI 設為顯示進度條狀態(tài)，數(shù)據(jù)在HMI 上不可見，保證了數(shù)據(jù)不會通過HMI外泄；(2) 在PC 遠程單獨修改HMI 的參數(shù)( 如配方數(shù)據(jù))時，通過對HMI 的設置，可以在本地不顯示具體的數(shù)字，而是以顯示"****"字符，來保密；(3) 在HMI 上，程序的上載通過密碼加密方式，以保證本HMI 上的配方數(shù)據(jù)安全。

7 結(jié)語

本文所述的基于Internet 的HMI 配方數(shù)據(jù)庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)已在PVC 片材生產(chǎn)線中使用，1 年來的實踐證明，該系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構簡單、構建方便。

PC 機與HMI 之間的通信數(shù)據(jù)安全性高、保密性好、市場前景廣闊，凡涉及到需配方信息遠程保密傳輸和數(shù)據(jù)連通的領域均可采用該系統(tǒng)。該系統(tǒng)的安全通信機制也可移植到其他對遠程數(shù)據(jù)通信安全性要求較高的智能電器控制領域，如智能配電管理系統(tǒng)、樓宇、港機、交通設施和生產(chǎn)線等，因此，值得推廣。