基于PLC和無線網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳欣歡 常輝 李能菲

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)線對自動(dòng)化程度的要求越來越高。保障生產(chǎn)安全、可靠、減小勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)是企業(yè)生存和發(fā)展必須解決的問題。文章針對工廠工藝單元生產(chǎn)線生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)了基于PLC和無線網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以SIMATIC S7-1200PLC系列為主體，通過交換機(jī)將PLC和無線網(wǎng)絡(luò)接入生產(chǎn)主干環(huán)網(wǎng)，遠(yuǎn)程維護(hù)主機(jī)能夠訪問工藝單元中的PLC．從而在線監(jiān)視對工藝單元PLC的變量。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)：S7-1200PLC：無線網(wǎng)絡(luò)接：在線監(jiān)視

中圖分類號(hào)：TP316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 系統(tǒng)需求分析

傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用有線傳輸?shù)姆绞剑蛟O(shè)備負(fù)載及線路損耗導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)受傳輸距離限制，無法滿足系統(tǒng)功能要求，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)逐漸成熟，衍生出一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

某工廠有兩條工藝單元產(chǎn)線，每一條產(chǎn)線主要包含6個(gè)橫向排列的工藝單元，每一條產(chǎn)線工藝單元設(shè)備較近，采用RJ45網(wǎng)線進(jìn)行通信。由于廠區(qū)的磁場干擾信號(hào)比較弱，選用無線模塊進(jìn)行通信。根據(jù)生產(chǎn)需求，產(chǎn)線1 工藝單元1到工藝單元3用于控制內(nèi)部生產(chǎn)加工操作，其中產(chǎn)線1 工業(yè)單元4到T藝單元6主要控制的是高速運(yùn)行的設(shè)備，使用虛擬局域網(wǎng)Virtual Local Area NeUvork（ VLAN）。為了防止來自外網(wǎng)的攻擊，發(fā)生篡改數(shù)據(jù)，出現(xiàn)事故，利用防火墻進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。

工藝單元中的PLC在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的功能是向由交換機(jī)、無線模塊組成的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息。工廠布置如圖1所示。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需求

長期使用會(huì)導(dǎo)致通訊線老化，從而出現(xiàn)故障。合理使用冗余協(xié)議，環(huán)形電纜丟失時(shí)會(huì)自動(dòng)重構(gòu)配置，防止故障時(shí)長時(shí)間停機(jī)。

將交換機(jī)的冗余環(huán)口按要求依次連接構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將一臺(tái)XM408交換機(jī)作為冗余管理器，另外一臺(tái)X208交換機(jī)作為冗余客服端。XM408冗余管理器可以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)及故障信息，當(dāng)冗余網(wǎng)中交換機(jī)出現(xiàn)故障或者連接線斷開時(shí)，自動(dòng)規(guī)劃一條行進(jìn)路線達(dá)到恢復(fù)通信的要求。

考慮到生產(chǎn)控制層中生產(chǎn)工藝單元、控制中心等設(shè)備會(huì)遭到網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊，可使用防火墻技術(shù)控制中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)管理區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隔離。

高速運(yùn)行的設(shè)備采用PROFINET實(shí)時(shí)通訊，極大地縮短了數(shù)據(jù)在通訊棧的處理時(shí)間，從而達(dá)到高速通信的需求。

通信傳輸使工藝單元PLC（A）與工藝單元PLC（C）S7之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，工藝單元PLC（ B）與工藝單元PLC（ D） S7之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)需求設(shè)計(jì)主要包含：生產(chǎn)管理區(qū)、控制中心和工藝單元。

使用西門子安全模塊S615對生產(chǎn)管理區(qū)與控制中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隔離，需在S615中配置時(shí)指定上位機(jī)IP地址從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)隔離作用。將XM408．XB208（A）和XB208（ B）連接成一個(gè)環(huán)形冗余，在連接線松動(dòng)或者故障時(shí)可以快速規(guī)劃出一條路線。工藝單元（C）和工藝單元（D）設(shè)計(jì)為產(chǎn)線1，把工藝單元（A）和工藝單元（B）設(shè)計(jì)為產(chǎn)線2，產(chǎn)線l與產(chǎn)線2通過無線模塊進(jìn)行通信。控制中心的操作站是通過物聯(lián)網(wǎng)方式監(jiān)視生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，通過node - red節(jié)點(diǎn)使用瀏覽器查看數(shù)據(jù)信息，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)實(shí)施

3.1 控制中心功能配置

（l）工程師站IP地址為192. 168.1.100。

（2）配置控制中心的SCALANCE XM408交換機(jī)。

VLAN功能：PI - P4．P8端口屬于VLAN 1．P5端口屬于VLAN 10．P6-P7端口屬于VLAN20。VLAN 1屬于192. 168.1. 0/24網(wǎng)絡(luò)，VLAN 10屬于192. 168. 10. 0/24網(wǎng)絡(luò)，VLAN 20屬于192. 168. 20. 0/24網(wǎng)絡(luò)。

路由功能：配置路由功能，使得VLAN 1．VLAN10與VLAN 20之間可以通信。

3.2 配置界面

配置XM408．選中LaVer 2中的Ring Redundancy，在Ring Redundancy選擇卡啟用環(huán)冗余功能，并配置在冗余環(huán)中使用的Ring Ports，Pl.4和Pl.8．P1.4和P1.8分別是XM408的P4和P8端口（見圖3）。

使用node -red采集T藝單元產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料，存儲(chǔ)到指定數(shù)據(jù)庫中，還能夠以物聯(lián)網(wǎng)方式通過瀏覽器進(jìn)行采樣、控制等；node - red還可以監(jiān)視T廠工業(yè)單元生產(chǎn)狀態(tài)（見圖4）。

3.3 通信測試

選用S7-1200PLC作為系統(tǒng)控制器，該控制器由CPU、輸入輸出模塊、通信模塊與存儲(chǔ)器等組成，具有體積小、響應(yīng)速度快、靈活性高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可滿足系統(tǒng)各控制要求[2]。

將S7-1200PLC的IP地址設(shè)置為192. 168.1.31．IP地址為192. 168. 20. 100的遠(yuǎn)程維護(hù)主機(jī)接入XM408的P7端口。在遠(yuǎn)程維護(hù)主機(jī)的TIA PortalStep7中，可以在線監(jiān)視工藝單元中S7-1200PLC的變量數(shù)值[3]．且撥動(dòng)“工藝單元操作面板”的D10開關(guān)，還可以在線監(jiān)視工藝單元中PLC的變量數(shù)值變化PLC“A”與PLC“C”通信。PLC（ A）“A-加工開關(guān)”接通，如圖5所示；PLC（C）“A-加工運(yùn)行指示燈”接通，如圖6所示。

4 結(jié)語

測試結(jié)果顯示，產(chǎn)線1與產(chǎn)線2通過無線模塊通信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。經(jīng)過現(xiàn)場測試，生產(chǎn)管理區(qū)只有指定外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)才可以訪問控制中心，但控制中心任何一臺(tái)操作站都可以對外網(wǎng)進(jìn)行訪問，不會(huì)使控制中心里的操作站訪問有任何局限。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠滿足生產(chǎn)線集中管理、實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制的目的，提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行水平，具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]周帥．基于PLC與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．機(jī)電工程技術(shù)，2020（ 10）：214-215．

[2]畢志霖．基于PLC與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．機(jī)電工程技術(shù)，2020（ 3）：23 -24 ，123．

[3]王振臣，劉薇，席靜，等．基于PLC網(wǎng)絡(luò)的換熱站無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2004（8）：15-16．

（編輯王永超）