全集成工业自动化网络平台的设计

张晓利， 穆振洲， 崔桂梅

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

0 引 言

在工业通信网络中，各种现场总线占据了整个行业市场，随着信息技术的发展，各种总线已经无法满足企业的信息需要，成为企业信息化的瓶颈[1]。工业以太网技术是未来自动化网络的最佳解决方案，以太网一直延伸到企业现场设备层(即一网到底)，是自动化网络发展的必然趋势[2]。现代企业要求现场控制必须具备高容错性、高实时性、高可靠性的能力。传统的PLC控制系统网络结构单一，信息资源无法共享，导致生产过程缺乏统一管理和协调控制，无法应对现代企业的高标准要求。为解决此问题，学校利用西门子SCALANCE X系列交换机，集成原有实验资源，搭建全集成自动化工业网络实验平台，以环形冗余工业以太网和PROFIBUS-DP网络为主、OPC技术为辅，搭建具有工业现场模式的4层网络结构。使现场设备层与信息管理层完成数据双向交换，实现信息资源的全集成。解决了“自动化孤岛效应问题”，注重培养学生的创新意识和综合工程实践能力，充分发挥实验教学设备的利用率。

1 全集成自动化网络平台

目前，我校自动化控制实验室有THPFSM-I型综合实训装置、PCT-II型过程控制实验装置和PLC实验装置(S7-400、S7-1200和S7-1500等)。该实验平台将实验室现有的分散控制系统整合起来进行集中控制，THPFSM-I型综合实训装置可进行S7-200PLC的初步实践学习，如基本指令、半实物模拟应用。PCT-II型过程控制实验装置可用于典型模拟量的过程控制，如压力、流量、液位的单回路控制，也可以进行复杂过程控制，如四容液位控制、Simth预估控制、解耦控制、变比值控制、预测控制等[3]。由于PLC实验装置无法实现完全彻底的自动化网络控制，故实验资源的全集成化急需解决。

为了真实模拟工业环境，搭建自动化网络平台可以使本科生从上到下、由浅入深地熟练掌握全集成网络的实际应用，使学生可以更直观地了解自动化的网络结构，为“卓越工程师教育培养计划”提供具备时效性和创新性的优质实验资源[4]。

全集成网络实验平台包含S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200、S7-1500、SCALANCE X系列交换机、ET200M、触摸屏、计算机、服务器、S120变频器和若干控制对象等。其中设备间采用工业以太网、现场总线及OPC技术连接起来，构成4层自动化网络控制系统。网络平台结构如图1所示。

现代自动化网络系统通常分为4层：管理层、运行层、控制层、现场层。第1层管理层以PC机为主，用于企业的高层管理，实现过程监控、能源调度、能源管理于一体。第2层运行层以工业PC机、服务器、触摸屏为主，用于企业的集中监控和指令下达。第3层控制层以西门子SCALANCE X系列交换机、S7系列PLC为主，用于提高网络容错的能力，实现PLC的全集成化。第4层现场层直接连接现场的传感器、智能仪表、执行机构等各种设备。

2 基于工业以太网技术的系统集成

2.1 环网冗余配置

在环型网络中各处连接的点可能是普通的外部交换机，也可能是带通讯模块的集成交换机，为了构建具有介质冗余的环形网络，必须将线型网络的两端接到同一个交换机中。利用环形网络中某个设备的两个端口，就可以将线型网络连接成一个环形的网络，这一设备就是冗余管理器(Media Redundancy Manager，MRM)，环网中的其他设备就是冗余客户端(Media Redundancy Client,MRC)。为了保证系统的快速重构和稳定性，最多允许50台交换机连接在环上。冗余管理器可以通过发送监测帧监控网络链路状态，监测帧会沿着两个相反的方向在环网中传播，最后将到达另外一个端口。在网络正常的情况下，MRM的两个冗余环口会处于相互隔离状态，这样有效的阻止了数据在传送时出现帧的循环，整个网络在逻辑结构上保持总线结构。当环网中的网线断开或交换机发生故障时，它会通过连通一个替代路径恢复成另外一种逻辑上的线型结构。如果故障被消除，网络逻辑结构会恢复原有的线型结构。在一个环网中，有且仅有一台交换机设置成冗余管理器[5]。

为了解决环网中“广播风暴”的问题，目前环网冗余技术的核心思想都是基于标准MAC交换+改进的生成树算法+以太网故障检测机制+简单的环网控制协议。通过环网控制协议将物理的环破解成逻辑的链，并利用改进的生成树协议和MAC交换完成保护切换[6]。高速冗余网(High Speed Redundancy,HSR)技术，相比于传统以太环网，占用资源很少，并且整个网络的重构时间小于0.3 s。

PST(Primary Setup Tool)软件主要是对西门子系列交换机(例如SCALANCE X)和PLC以太网通信模块(例如CP443-1)及网关(例如IE/PB LINK PN IO)进行分配IP地址的软件，为SIMATIC NET的网络组件。

以系统中采用的SCALANCE XM416-4C为例，在IE浏览器中输入所配置的IP地址192.168.0.5后，输入密码“admin”就可以打开交换机组态画面。通过勾选“enable ring redundancy”和“Redundancy mode”来激活环网模式，选择“Redundancy Manage”，设置该交换机为冗余管理器。环网中其他3个交换机选择“Redundancy Client”，设置为冗余客户端。此外，在窗口中“Ring Port”下选择环网连接的环口。所有配置完成后，单击set values确定。

当交换机RM LED常亮时，说明环网内通讯正常，环口处于隔离状态；当RM LED变为闪烁时，说明环网中出现故障，环口处于连接状态。

2.2 服务器配置

SIMATIC Step 7 V13sp1是基于TIA博途平台全新的工程组态软件，支持SIMATIC S7-1500、SIMATIC S7-1200、SIMATIC S7-300和SIMATIC S7-400控制器、同时也支持基于PC的SIMATIC WinCC自动化系统。SIMATIC Step 7 V13sp1支持各种可编程控制器，拥有便于快速灵活设计的项目工程组态能力，适用于各种自动化控制系统的设计要求。与传统方法相比，无需花费大量时间集成各个软件包，同时也显著降低了成本，是今后工业自动化领域的发展方向[7]。

信息管理层配备两台冗余服务器，两台计算机分别对应工程师站、工作站。工作站用来对现场设备的监控和控制等操作，工程师站用来修改工程项目文件，优化项目工程中的脚本等。服务器与监控计算机采用C/S架构，由I/O服务器统一采集底层控制系统的信息提供给监控计算机，中控室各监控客户计算机监控画面可进行互相切换，监控范围可任意互换[8]。

服务器操作系统采用Windows2012 server，监控软件和编程软件采用西门子公司的博途V13sp1，数据库软件采用Microsoft SQL Server 2012。实验平台中采用博途WINCC全局脚本实现实时数据存储功能。脚本以ADO DB方式进行访问服务器，用户名、密码及相应权限在服务器中配置。在WINCC画面中，设置按钮实现数据记录的启停，便于操作员根据需要进行操作。

WINCC Web Navigator是WINCC实现B/S结构的组件，通过配置用户管理、Web浏览器发布和Web组态，不同权限的用户根据不同的用户名及密码可连接到对应的Web页面，从而完成相应的实验操作。在客户机上操作控制现场设备时不需要安装WINCC基本系统和数据库存取等，只需通过网页浏览已经存放在服务器上的工程项目即可，因此Web Navigator也被称为“瘦客户”[9]。

2.3 工业无线技术

近年来新兴起的工业无线网络能够在工厂环境下，全集成各种不同厂家的自动化设备，有效地弥补了工业有线网络的不足。GRM200G无线通信模块作为一种工业智能监控终端，兼容不同类型的通信协议，能够实现PLC短信或者GPRS无线报警、查询等功能。在平台中，一台PLC采集的现场数据由无线通信模块GRM200G分享至另一台PLC中，从而完成运行层对现场设备的管理[10]。

2.4 OPC技术

OPC技术是用于过程控制的OLE，提供了统一的数据访问软硬件接口，已经成为工业控制软件公认的标准。实验平台中可以通过OPC技术实现WINCC与MATLAB的连接，其中WINCC作为服务器，MATLAB作为客户端。利用MATLAB中Simulink集成工具箱实现复杂过程控制功能，如预测控制、解耦控制等。

3 工控系统网络安全的研究

为了防止外网非法入侵，网络平台将会采用SCALANCE S615安全模块，用以保护内网的安全。S615模块支持状态包检测，非IP包的过滤，带宽限制等防火墙功能，通过组态设置来决定是否允许某些外部网络到内部网络的数据流通过。并且S615可无缝集成到信息管理层，便于管理网络连接，远程访问分散的设备[5]。

为了弥补常规有线解决方案的不足，网络平台将采用SCALANCE W700系列无线模块，实现工业网络的进一步完善。无线模块可用于对数据要求严格的过程应用(IWLAN)和一般通信应用(WLAN)。W700系列接入点独有的iPCF功能，能够以非常短的时间间隔定期轮询其无线覆盖区域内的客户端，可以保证每个注册客户端有固定的通信资源用于数据传输，从而保证了确定性和实时性[11-12]。另外，使用带有两个无线接口的接入点，可以搭建冗余WLAN，这样接入点可在两个频率上传输数据，同时确保了高数据速率和高可靠性[13-14]。

4 结 语

本次实验平台的搭建，采用了西门子交换机构成工业冗余以太环网，当网络上存在节点故障时，仍可维持系统正常运行，增强了自动化网络系统的可靠性。经过测试，网络平台可以基本满足工业环境模拟要求，可开展大型综合课程设计。总之，自动化全集成网络平台有力推动了“卓越工程师教育培养计划”的实施，提高了课堂教学的综合实践能力和创新能力，培养了学生解决复杂工程问题的能力[15-16]。