基于PLC的信息化網絡化智能工廠設計

許澤凱，彭元修,楊誼華

(南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063)

1 引言

《中國制造 2025戰略》的部署，對制造業提出了更高的要求，需要制造業在工廠建設方面著力發展智慧工廠[1]，與工業4.0進行合作與對接。作為工業4.0三大主題之一的智能工廠，是以數據為軸激發企業智慧化進程，利用信息化網絡化技術和編程使用PLC設備，加強工廠的信息管理，清楚掌握生產過程，提高生產過程可控性，減少生產線上人工的干預，達到快速準確地采集生產線數據并且合理地調整生產計劃與生產進度的工廠。

目前國內智能工廠的建設有智能化設備但是各領域供應商不一且缺乏統一規劃，造成優化單點業務卻未能完全貫通的現狀。信息采集仍停留在產線機床，沒有網絡連通，導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備和網絡的物理信息系統相結合的方式來實現的[2]。

本文將統一使用德國西門子的PLC設備，以具體的工廠結構為例設計一座智能工廠，并且通過實驗證明其可以運用在實際的智能工廠建設方案中。

2 智能工廠的整體規劃

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構，分別是生產管理區、控制中心和產線。其中生產管理區與控制中心進行通訊，并且安裝有生產管理系統。生產管理區的網絡稱為生產管理層網絡?？刂浦行闹饕こ處熣尽⒉僮鲉T站和生產數據采集、存儲和信息可視化系統。產線包含 6 個按直線排列的工藝單元。工廠各區域電氣干擾較弱。工藝單元包含一個 PLC，用于控制工藝單元內部生產加工操作。員工在控制中心操作站上就可以監視工廠網絡的運行狀態?？刂浦行?、產線及其之間的網絡稱為生產控制層網絡。

圖1 工廠布置示意

3 智能工廠的技術實現

設計一座智能工廠離不開作為工廠工業控制層面的可編程邏輯控制器，或稱為PLC，是幾乎所有工業控制系統的核心。通常是應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備進行有效地控制和操作，把 PLC 相關技術和電腦科技有機結合，能夠更好地對相應的程序進行控制，有效應對工作中的控制工程相關的難題[3]。這些設備通過輸入通道從傳感器獲取數據，通過輸出通道控制執行器。PLC可以作為獨立設備進行部署，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部署，跨越分散位置的多個工廠，具有數千個I/O點和眾多互聯部件[4]。產線上的6個PLC是智能工廠的核心，不僅能實現產線上基礎的開關量控制、運動控制，模擬量控制等基礎功能，還能實現后續的數據采集、監控、聯網及通訊等功能。PLC技術可使整個過程更加合理，有效控制數據運行[5]。

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

然后是生產數據采集、存儲和信息可視化技術的實現。對于非數控類的采用PLC控制類的設備可以采用組態軟件來直接讀取PLC中的相關信息，包括PLC中保存的各種狀態的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計好的數據庫中[8]。再由控制中心的操作員對現場工藝單元生產數據進行歸檔，比如生產數量、各控制閥的狀態、報警事故等重要信息需進行保持。將綜合監控服務器的顯示屏設置為人機交互界面，通過組態軟件WinCC設置界面，可以實時觀測到工藝單元生產數據以及其變化趨勢，工藝過程的實時視頻，當某一生產數據超過安全閾值時，還可以進行報警[9]。

智能工廠的現場總線以PROFINET為標準。PROFINET是開放的支持標準以太網的技術[10]，類似于OPC UA協議獨立于具體制造商，幾乎被所有的西門子設備所支持。PROFINET最重要的特點是對現場級設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數據交換、完備的現場設備診斷機制以及眾多的行規，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控工廠的網絡運行狀態。西門子設備PROFINET接口的每個端口都有一個LED指示燈。借助于PROFINET設備的LED的狀態和錯誤指示燈，可以診斷出通訊中的錯誤或PROFINET模塊的錯誤狀態。而且PROFINET能夠保證系統在故障后自動恢復到安全狀態。當前，PLC工程的接線端口通常采用可以拆卸的方式，因此能夠為相關作業人員在完成PLC編程后，提供更加有效的維修工作方式[12]，在發生故障后馬上認出故障的區域停止工作，以保護人員和機器安全。

最后，是智能工廠的無線通信技術。所謂的無線網絡通信技術，指的就是利用無線電波來進行數據傳輸，是一種新型的通信信息系統，為未來通信系統的發展確立了方向[13]。無線通信的優勢在于節省了大量的設備成本和安裝成本。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備監控點時，方便擴展現有網絡規模。在這里使用西門子無線通信模塊W774和W734實現無線通信功能。西門子 SCALANCE W 產品系列是為 IWLAN 應用而 設計的，其產品具有可靠性、堅固和安全性的特點，適合工業環境中自動化客戶使用。其SCALANCE W700產品支持IEEE802.11n/a/b/g 標準。SCALANCE W700產品線的接入點非常適合建立2.4 GHz或5 GHz的工業無線局域網，可以用于需要較高可靠性的場所，特別是極端環境下的所有應用[14]。此外，工業無線通信系統還可以將檢測設備除直接檢測參數外的大量信息同時傳送到控制系統或資產管理系統，不僅可以對現場儀器儀表提供故障診斷、預測維護功能，而且可以報告與現場儀器儀表相關的工藝過 程或工藝設備的健康狀態，從而改善生產過程的操作性能[15]。

4 實驗

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

圖2 設備展示

首先進行防火墻實驗保障工業信息安全。采用PST軟件配置SCALANCE S615，然后將電腦通過工業以太網線與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的網絡配置登錄界面。在“IP Rules”頁簽下添加IP過濾規則，如圖3所示。其中第一條規則表示：內網中任一主機可以訪問外網的任一主機。第二條規則表示：在外網訪問內網方向，外網中只有IP地址為10.10.0.100的主機能夠訪問內網，且僅可以訪問內網IP地址為192.168.2.100的主機。通過如下設置即可實現上述所說的通過防火墻控制訪問人員，保護企業工業信息安全。

圖3 SCALANCE S615配置

接著進行SCALANCE W700產品的無線通信技術的實現。基本操作和前面S615相同，進入 SALANCE-W700系列模塊設置界面后，就可以對無線模塊進行系統名字的更改、密碼設置、接口設置、安全設置等。將SALANCE-W774模塊設置成接入點(AP)模式，SALANCE-W734模塊設置成客戶端(Client)模式。它們都有2個工業無線局域網接口，因此可以實現多種應用。在Interface菜單中，根據需求可以配置WLAN1和WLAN2的接口參數，啟用天線，設置頻率，設置功率，和配置SSID等功能。頻段的選擇有2.4 GHz和5.0 GHz。2.4 GHz用的產品比較多衰減比較弱，通信干擾比較大。5 GHz產品相對來說比較少，衰減比較快，通信干擾相對較小，因此在工業現場一般使用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控界面檢查通訊信號質量得到圖4。信號穩定且干擾很小，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 結論與討論

本文從智慧工廠的整體規劃和主要技術需求以及實驗3個方面較為詳細地描述了智慧工廠整個設計方案的構思，通過對部分技術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合這項關鍵技術設計工廠。同時即便是工廠高度自動化，員工的作用依舊不可或缺，只不過是從生產流水線解放出來，到現代化崗位工作。不會引起較多工人失業、社會上無業人員增多等不穩定因素。方案的核心是將Big Data變成Smart Data。隨著自動化技術、信息管理技術、計算機技術等相關領域技術的發展，機械制造及自動化行業迎來了前所未有的機遇，“工業4.0”的提出與實踐可為我國機械制造及自動化行業發展提供導向作用。本方案在此基礎上放眼世界，解放思想，創新思維，緊跟時代發展潮流，也為當前正在發展進行的《中國制造2025》提供一定的參考，彌補一些市場和技術上的空白。