基于PLC應(yīng)用程序的監(jiān)測和控制平臺的發(fā)展

信息與控制工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）英文翻譯基于PLC應(yīng)用程序的監(jiān)測和控制平臺的發(fā)展摘要：本文討論了一個平臺的設(shè)計和實施遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制基于PLC的過程，通過TCP/IP或使用GSM網(wǎng)絡(luò)。該平臺的建成是使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)成的PLC。每個PLC集成通信處理器，可以可用于連接到網(wǎng)絡(luò)和GSM調(diào)制解調(diào)器。通信處理器模塊（以太網(wǎng)模塊），用于這項工作，提供工業(yè)兼容的協(xié)議，通過TCP/IP實現(xiàn)相同的功能，作為PROFINET，但在一個更高的帶寬（10/100Mbps）的。此外，基于移動通信協(xié)議，便于使用SMS消息的PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控和他的控制也已發(fā)展。這里的意圖是提供系統(tǒng)的用戶在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下備份的溝通機(jī)制。關(guān)鍵字：PLC，TCP/IP，GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。1．介紹：最近網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的增長，特別是互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及與促進(jìn)發(fā)展。分布式測量系統(tǒng)為各種工業(yè)所應(yīng)用。這些分布式測量系統(tǒng)可用于在各種儀器的監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)[1,2]?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）是基于微處理器控制系統(tǒng)可以用于編程，激活工業(yè)控制設(shè)備，因此采用了數(shù)字輸入/輸出端子，用于連接到工業(yè)的過程。存儲在PLC內(nèi)存中的一個控制程序確定輸入和輸出之間的關(guān)系在PLC中。PLC是智能自動化臺，擁有非常有益的和可取的特點[3]：

?魯棒性。

?高度可擴(kuò)展性：現(xiàn)代PLC的環(huán)境有一個寬功能易于擴(kuò)展，允許CPU類型的頻譜和性能。?可擴(kuò)展性：PLC的模塊化設(shè)計延長了廣泛的數(shù)字和模擬I/O模塊。此外，各種集成技術(shù)模塊可用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。?先進(jìn)的通信功能：現(xiàn)代的PLC有集中提供通信端口和分布式連接。?強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境：現(xiàn)代PLC開發(fā)環(huán)境來支持可編程的不同的語言，允許圖解和硬件配置，并提供強(qiáng)大的調(diào)試機(jī)制。遠(yuǎn)程訪問控制和監(jiān)測中的各種設(shè)備工業(yè)環(huán)境工程師和自動化設(shè)備的價值。當(dāng)前實現(xiàn)遠(yuǎn)程PLC監(jiān)視和控制使用專用PC或Web服務(wù)器連接到PLC。如圖1

說明了一個共同的架構(gòu)，用于工業(yè)。如上圖所示，PLC是通過一臺計算機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)。在PLC系統(tǒng)通常是連接到這臺計算機(jī)使用串行端口或Profibus。這些類型的系統(tǒng)是專門使用一臺PC訪問PLC系統(tǒng)。該架構(gòu)也不會使電信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。圖1、基于PC機(jī)的遠(yuǎn)程訪問近年來，由于PC的功能不斷增加，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的涌入，一直在設(shè)計和實施激增工業(yè)分布的測量和控制系統(tǒng)應(yīng)用。通常情況下，這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，客戶端服務(wù)器架構(gòu)，同時確保通訊使用的TCP/IP協(xié)議[4-6]?，F(xiàn)代的PLC與嵌入式Web有用的實時信息，提供開放式訪問的服務(wù)器可通過任何標(biāo)準(zhǔn)Web瀏覽器中查看的診斷。這種遠(yuǎn)程訪問提供了更多的幾個優(yōu)勢傳統(tǒng)的解決方案。例如，一個問題可以很容易地也許是固定的遠(yuǎn)程，也可以有工程師診斷和遠(yuǎn)程訪問PLCCPU的配置工具，因此允許通過遠(yuǎn)程上傳/下載和配置Intranet或Internet。在本文中，我們將討論設(shè)計和實施一個網(wǎng)絡(luò)平臺的PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控并控制。各地的西門子S7系列PLC的平臺建立。這些PLC具有一個集成通信處理器，可以用來提供方便的互聯(lián)網(wǎng)。監(jiān)測和控制，可實連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器到PLC站通過指定的IP地址和PLC單元中的S7的CPU地址。PLC的連接過程中的傳感器和執(zhí)行器使用I/O模塊。在服務(wù)器端運行的Java應(yīng)用程序建立后PLC連接使用S7-API的，然后使用Java數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)（JDBC）來存儲檢索，數(shù)據(jù)狀態(tài)反映在的各種PLC參數(shù)與數(shù)據(jù)庫的表格中。JDBC是一種技術(shù)，它允許Java連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。它包含了所需的Java庫，包括連接到所需的所有必要的方法與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并執(zhí)行SQL語句。整個PLC系統(tǒng)允許用戶設(shè)置使用的過程值中。例如，用戶可以設(shè)置輸出（驅(qū)動電機(jī)）改變一個存儲單元的值（內(nèi)存位，字節(jié)，字，標(biāo)志，等）。系統(tǒng)環(huán)境，還提供了為取得輸入值的讀數(shù)（傳感器的讀數(shù)）以及為捕捉為PLC的狀態(tài)。圖表繪圖儀可以用來轉(zhuǎn)換讀數(shù)為圖表其外的PLC。錯誤報告機(jī)制，管理員提供有用的診斷信息中還包括完整的環(huán)境。系統(tǒng)管理員也可以查詢的使用GSM網(wǎng)絡(luò)過程中的地位以SMS消息的形式。最后，建議系統(tǒng)架構(gòu)是一個完整的監(jiān)測能力的可擴(kuò)展性，圍繞內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)傳播的PLC網(wǎng)絡(luò)。3．系統(tǒng)的軟件架構(gòu)在這個項目中使用該系統(tǒng)的軟件分為三個部分組成：?數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)?應(yīng)用模塊（數(shù)據(jù)處理模塊，PLC通訊模塊和GSM調(diào)制解調(diào)器模塊）?用戶界面。圖3描述了系統(tǒng)的軟件和主要部件它們之間的通信方向。詳細(xì)說明每個組件在以下小節(jié)中提供。3.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述使用Oracle9i數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。它包括一套相互關(guān)聯(lián)的表。圖4說明了數(shù)據(jù)庫架構(gòu)用于這項工作。為簡潔起見的簡要說明每個表如下：?站表，其中包含相關(guān)的整個信息如PLC工作站的IP地址，站名等?一個指針表，其中包含每個輸入的信息，輸出或系統(tǒng)正在使用的內(nèi)存。指針代表輸入，輸出，記憶的地址。?一個指針讀數(shù)表，用來存儲讀取的值各種指針指向項目。此表是相似的持有各站的活動日志表。圖4、數(shù)據(jù)庫表之間的關(guān)系圖5、GUI顯示?管理表包含所有系統(tǒng)用戶的信息。A級屬性表示每個管理員的安全水平，例如，主要的管理，監(jiān)督，見習(xí)。更多的信息，包括登錄名，密碼，提示密碼恢復(fù)等屬性。?一個客戶表中包含的所有信息，涉及到每個客戶正在使用的系統(tǒng)，如用戶識別，密碼和電話。?管理的PLC用于設(shè)置客戶端的PLC表相應(yīng)的管理員或客戶到一個特定的站點ID，指針I(yè)D。3.2應(yīng)用模塊這些模塊是在整個系統(tǒng)的軟件組件的心臟。他們管理的用戶界面和數(shù)據(jù)庫之間的通信。他們發(fā)起連接的PLC系統(tǒng)，包含GSM通信所需要的對象。應(yīng)用模塊包括以下三個子模塊：?數(shù)據(jù)操作模塊：這個模塊有幾類，被稱為內(nèi)的用戶界面（GUI）執(zhí)行，如數(shù)據(jù)庫內(nèi)的各種數(shù)據(jù)處理任務(wù)：插入，更新和刪除。例如，插入類是通過用戶界面收到任何新的數(shù)據(jù)插入負(fù)責(zé)。?一個PLC通訊模塊：此模塊包含三類，它們是用來執(zhí)行任務(wù)，如接受站ID用戶，核實，每個站有指針與它相關(guān)聯(lián)，建立連接到PLC站等。?一個GSM模塊：此模塊提供通信與GSM調(diào)制解調(diào)器和通信端口。“用于Java的通信包。此包允許java承認(rèn)的串行和并行端口該系統(tǒng)的一部分。它包含了必要的功能，通過GSM調(diào)制解調(diào)器的AT命令和SMS消息的發(fā)送和接收。3.3用戶界面在這項工作中所使用的用戶界面允許用戶（管理員和客戶端）訪問和操作數(shù)據(jù)庫表和問題的基本控制命令，以不同的PLC站。操縱數(shù)據(jù)庫管理員根據(jù)他/她的排名可以插入，更新或執(zhí)行不同查詢程序.管理員可以也可以執(zhí)行使用這個GUI不同的客戶和管理員發(fā)送短信等其他活動。根據(jù)他的排名上，管理員可以進(jìn)入配置區(qū)域，執(zhí)行活動，如觀看管理員日志，查看幫助文件，觀看教程如何使用的用戶界面，以及控制在站內(nèi)的一些活動。圖5顯示了該系統(tǒng)的GUI屏幕之一。數(shù)字顯示到車站對應(yīng)不同領(lǐng)域中的屬性。用戶可以進(jìn)入到有關(guān)的各種價值觀其IP地址，它的位置，數(shù)量，如特別站輸入和輸出的最大數(shù)量。如左圖所示面板的圖形用戶界面，用戶能夠搜索，查看，配置和更新了某一站的信息。圖5描繪了一個更新命令的GUI屏幕。用戶可以使用此命令來修改，如它的IP地址或位置特別站信息。圖6是一個GUI的用戶開始搜索任務(wù)的快照。圖中所示用戶正在尋找一個PLC站位置。響應(yīng)他的搜索請求的搜索屏幕顯示圖。圖6、GUI顯示示例4．使用TCP/IP協(xié)議與PLC通信CP模塊是用于S7通訊處理器環(huán)境，使PLC的連接到互聯(lián)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)在任何局域網(wǎng)設(shè)置。該模塊支持以下TCP/IP通信服務(wù)[7]：?安全FTP（文件傳輸協(xié)議）和HTTP（超文本傳輸協(xié)議）服務(wù)器的用戶ID和密碼登錄。?嵌入式PLC的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的SMTP郵件服務(wù)器發(fā)送的電子郵件。?FTP文件傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器的客戶服務(wù)。?FTP服務(wù)器文件傳輸?shù)?MB內(nèi)部服務(wù)閃存文件系統(tǒng)的一個遠(yuǎn)程FTP客戶端。?HTTP遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器訪問服務(wù)器服務(wù)。?S7系列的互聯(lián)網(wǎng)通信的程序指令。此外，該模塊還具有以下特點：?通訊基于TCP/IP和ISO標(biāo)準(zhǔn)工廠安裝的MAC地址。?對等通信能力與其它S7設(shè)備。?多個（最多8個）連接。?以太網(wǎng)客戶端或服務(wù)器配置選項。?程序指令進(jìn)行初始化，重新配置，數(shù)據(jù)傳輸。圖7、響應(yīng)屏幕上的“站內(nèi)搜索”一個PLC可以在本地或遠(yuǎn)程編程激活和控制工業(yè)設(shè)備，因此，采用輸入/輸出所使用的終端數(shù)量接口的PLC環(huán)境或過程。每個輸入和輸出的PLC模塊上的連接點具有獨特的解決這一標(biāo)識。使用TCP/IP協(xié)議，PLC的命令類型的地址和該項目的地址（I/O點），被引用都包含在IP數(shù)據(jù)包。PLC的IP地址包含在頭場。被分配的IP數(shù)據(jù)包的有效載荷領(lǐng)域進(jìn)行各種PLC相關(guān)的參數(shù)和命令。圖8顯示了PLC系統(tǒng)的發(fā)送和接收幀的內(nèi)容。內(nèi)存參數(shù)“字段中包含的信息，如該項目的地址進(jìn)行監(jiān)測和/或控制。這項目可以是下列任何一項：?輸入?輸出?內(nèi)存區(qū)?數(shù)據(jù)塊。圖8、幀用于與PLC系統(tǒng)使用在TCP/IP通信中它還包含其他參數(shù)，如數(shù)據(jù)類型（布爾，整數(shù)等），位或字節(jié)偏移量，并依此類推。命令類型字段包含任何以下命令：?設(shè)定值?獲取價值。?獲取狀態(tài)。幀狀態(tài)字段返回的狀態(tài)處理項目。值字段中包含的他的價值處理項目。5．GSM的無障礙低量的潛力預(yù)見的GSM服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸和采集[9-11]我們決定這些服務(wù)納入我們的系統(tǒng)。這里的想法是允許管理員和客戶端訪問的PLC系統(tǒng)通過GSM網(wǎng)絡(luò)，如果需要的話，也可以檢索通過它的狀態(tài)信息。Java的通信包使用的GSM之間的溝通，讓調(diào)制解調(diào)器和PLC和服務(wù)器的各個港口。對于GSM調(diào)制解調(diào)器連接到PLC，梯形圖用ATA命令發(fā)送到調(diào)制解調(diào)器的字符串。同樣作為字符串讀取收到的短信。一個消息通信協(xié)議，使用公共的GSM服務(wù)，是適合這個項目的開發(fā)。協(xié)議使用不同的幀通信系統(tǒng)。圖9描述了用于查詢幀的格式。包括在上述各個領(lǐng)域的一個簡要說明下面給出框架。幀類型（TOF）：這是一個1字節(jié)的字段。用戶（管理員或客戶）應(yīng)該知道什么類型的幀，它被發(fā)送。如需查詢幀，“幀類型”字段應(yīng)設(shè)置為值1。C/A（客戶/管理員）：該字段指示是否寫“C”或?qū)憽癆”的管理員/用戶是一個客戶。這個領(lǐng)域有一個1個字節(jié)的大小。用戶ID：這個字段包含一個ID為每個用戶的長度字段是4字節(jié)。密碼：此字段指示的密碼是否屬于管理員或用戶端。管理員有充分的無障礙,更改設(shè)定的功能，例如通過使用傳感器的狀態(tài)。此字段的最大長度是10字節(jié)，這意味著密碼不能超過10個字符。站編號：這個字段包含站的ID號。在這工作，站的ID被假定為1到9999的范圍內(nèi)。此字段的長度是4個字節(jié)。指針編號：這一領(lǐng)域具有指針身份證號碼。指針“的ID將在1到9999的范圍內(nèi)。這個長度字段是4字節(jié)。查詢的響應(yīng)幀：將發(fā)送響應(yīng)幀從數(shù)據(jù)庫管理員或客戶端狀態(tài)到一個特定的傳感器。如圖10。電臺ID和指針I(yè)D具有相同的含義如上所述。字段中包含的返回值在查詢幀的項目，其地位被審問。需要注意的是在響應(yīng)幀中的第8個字節(jié)用于存儲以下字符串：“PLC/指針的查詢結(jié)果閱讀是。圖11顯示了短信查詢的響應(yīng)。圖9、查詢幀的消息格式。圖10、消息響應(yīng)幀的格式圖11、一個樣本響應(yīng)查詢錯誤幀：此幀通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的管理員或客戶指示發(fā)生錯誤。這可以是在指定的錯誤密碼，例如，或站ID不存在，或指針I(yè)D不存在。錯誤幀格式給出圖12。前8個字節(jié)用于存儲字符串：“錯誤：”。錯誤字段類型說明或澄清錯誤的起源，例如，命令類型是不正確的，或PLC的ID不存在。從命令幀：可以發(fā)送命令幀尋求改變管理員的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或PLC一個特定的指針使用“設(shè)置功能”的狀態(tài)。不同的幀字段如圖、13。下面提供了一個簡要說明每個字段。TOF（幀類型）：對于命令幀，類型，幀字段的值設(shè)置為2。價值：本場將包含值的管理員要解決的具體項目設(shè)置。例如，布爾這是用來設(shè)置輸入和輸出傳感器值為0（假）和1（真）。其他領(lǐng)域進(jìn)行討論的相同涵義以前。圖14是包含單元的手機(jī)屏幕上的鏡頭在SMS消息的形式使用幀的命令格式上面討論。我們還實施了“報告”的機(jī)制SMS消息的自動生成和發(fā)送到管理員定期或在緊急情況下。這些消息包含任何具體臨界狀態(tài)信息PLC站，可能需要立即引起注意。這一機(jī)制的實施，詳述如下。報告框架：從數(shù)據(jù)庫中發(fā)送這些幀服務(wù)器管理員。有兩種類型的報告幀：?定期報告：定期發(fā)送（例如每周）僅用于通知有關(guān)狀態(tài)的管理員一個站。定期報告的幀格式描繪圖、15。前8個字節(jié)代表一個正常的字符串，這是“報告”。時間：時間字段包括日期，每天的時間報告框架產(chǎn)生。站狀態(tài)：此字段包含該站的地位，已定義的管理員或客戶查詢使用站ID。狀態(tài)將0（關(guān)）或1（開）。?緊急報告框架：這類報告發(fā)送由系統(tǒng)只有在緊急情況下，它會通知一個特定的指針狀態(tài)（溢出或管理員）和相應(yīng)的站ID。這些類型的幀的格式由圖、16說明。下面提供的各個領(lǐng)域。指針狀態(tài)：這一領(lǐng)域?qū)⒋_定具體的指針狀態(tài)（根據(jù)具體的指針I(yè)D）。這個長度圖12。消息格式的錯誤幀。圖13、消息格式為命令幀圖14、一個SMSPLC的命令圖15、消息格式的報告框架。圖16、消息格式的緊急報告框架此字段的長度為1字節(jié)。如果指針狀態(tài)字段包含1，這意味著指針狀態(tài)是溢出（它的價值是有限的范圍內(nèi)）。但是，如果指針的狀態(tài)字段包含2，這意味著指針溢（下其價值是有限的范圍內(nèi)）。最后，如果指針狀態(tài)字段包含3個，這意味著在指針狀態(tài)范圍內(nèi)。移動客戶端和PLC系統(tǒng)之間的通信，實施使用CP340的通訊處理器與GSM調(diào)制解調(diào)器，如圖2所示。GSM調(diào)制解調(diào)器可以查詢的消息，但事件中斷機(jī)制也可以使用?？捎砂l(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)起投票過程。GSM調(diào)制解調(diào)器檢查新郵件的命令。如果事件中斷，GSM調(diào)制解調(diào)器發(fā)出了一個信號（消息）或PLC系統(tǒng)通過串口服務(wù)器表示，它已經(jīng)收到新的短訊。中斷閱讀服務(wù)程序?qū)?zhí)行必要的任務(wù)和解析消息，并最終執(zhí)行命令嵌入在消息中。除了SMS內(nèi)置的緊急報告機(jī)制，管理員在服務(wù)器端也將在CPU或任何錯誤或可能發(fā)生的故障通知通訊處理器。例如，如果CPU或在TCP/IP模塊沒有運行系統(tǒng)可能將停止閱讀PLC站的值，并產(chǎn)生了一個錯誤報告或信息，可以幫助管理員識別源錯誤。圖17顯示CPU失敗的例子。圖17、錯誤報告圖18、添加安全功能6．加強(qiáng)安全方面的問題安全是工業(yè)自動化的遠(yuǎn)程訪問網(wǎng)絡(luò)非常重要的部分，最近的文章中強(qiáng)調(diào)，在工業(yè)信息學(xué)領(lǐng)域[12,13]。基于互聯(lián)網(wǎng)的引入獲取在過程控制行業(yè)已增加這些進(jìn)程的脆弱性。該圖描繪了早期建筑增加安全性措施，使互聯(lián)網(wǎng)上的溝通更安全（圖18）。防火墻用來隔離內(nèi)部工業(yè)網(wǎng)絡(luò)從互聯(lián)網(wǎng)大，允許特定的連接通過同時阻止他人，因此保護(hù)的PLC未經(jīng)授權(quán)的訪問。在過程側(cè)的