0 引言

網絡通信技術已經改變了人們的生活，同時也正在改變工業自動化的方方面面。因此，中國電器工業協會通用低壓電器分會在《低壓電器新產品發展總體思路》中明確提出："全面實現低壓電器主要產品網絡化、智能化、可通信化。要求我國第3 代低壓電器主要產品、第4 代低壓電器，全部實現網絡化、智能化、可通信，能與多種現場總線連接，也可直接與工業以太網連接。"鑒于此，近年來，基于現場總線、以太網和互聯網( 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展，在智能電網、樓宇智能化、工業遠程監控等方面得到廣泛應用。低壓電器產品網絡化、智能化的發展大趨勢，也對智能化、網絡化、實時化的信息交互和監控系統提出了新的、更高的要求。

低壓電器信息交互和監控系統可通過無處不在的Internet,進行遠程的數據傳輸和控制，十分方便。但因網絡的實時性較差，傳輸控制信息和數據需建立虛擬局域通道(Virtual Local Area Network,VLAN)；加之傳輸控制協議/互聯網協議( Transmission Control Protocol /Internet Protocol,TCP /IP)的廣泛使用和IP 安全的脆弱性，增加了互聯網傳輸的不安全因素。而智能低壓電器與遠程主機之間的通信數據都是十分重要的生產信息和控制數據，其安全性和實時性要求極高，因此，一般的網絡傳輸無法滿足工業要求。

本文以基于Internet 的觸摸屏的數據庫遠程監控系統為例，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網的智能電器遠程數據交互系統的解決方案。

　　1 配方生產線數據庫遠程監控系統
在飲料、食品、聚氯乙烯片材等行業，需按產品的不同配方自動配置原料并組織生產，該類自動配方生產線一般由HMI、PLC 和繼電器等低壓電器構成。配方信息是企業核心競爭力，需集中管理和統一配置，如可口可樂配方，一直是世界級的秘密，其生產過程中的配方信息對生產者也是保密的。這類企業大多為跨地區、跨國界的大型企業，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廠實時進行配方的下傳、存儲、調用、修改和生產線監控。為此，本課題開發了基于Internet 和MT8000 型HMI 的配方數據庫遠程監控系統。

　　2 通過Internet 訪問HMI 的系統架構
配方數據庫遠程監控系統的網絡拓撲采用課題組開發的S-link 網絡協議，對工業數據安全加密后，通過Internet 進行協議上的轉發，實現PC機與遠程HMI 的數據庫進行安全數據交換的功能，也可實現對電氣控制系統的遠程監控和在線診斷，如圖1 所示。


圖1 配方數據庫遠程監控系統網絡拓撲結構

在生產現場配置的遠程安全通信模塊SYRSCM,具有交換、路由、防火墻、安全網關和VLAN 等功能，可以實現100 Mb /s 的工業數據網絡傳輸。系統通過互聯網，建立起計算機與遠程觸摸屏MT8000、PLC 之間的虛擬局域網VLAN 通道，確保數據交互的安全性。

3 系統的安全通信框架

3. 1 安全通信的協議

在系統中，網絡路由器和安全通信模塊SYRSCM中均內置了安全通信協議S-link,該協議是保證數據安全傳送的重要環節。S-link 通過軟件的高級加密形式對IP 報文封裝，以實現TCP /IP網絡上數據的安全傳送。S-link 屬于OSI 模型的第3 層協議，即網絡層協議，能對所傳數據提供認證和加密( 包括對控制報文和傳輸中的數據加密)，提高了數據傳輸的準確性和安全性，是一種完整的安全解決方案。

S-link 協議的設計目標是為網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、數據源鑒別、重傳攻擊保護、機密性、有限的流量保密等。S-link 協議的主要內容包括： 安全框架- RFC2401; 安全協議：AH 協議- RFC2402、ESP協議- RFC2406.S-link 安全體系結構如圖2 所示。


圖2 S-link 安全體系結構


3. 2 安全通信的密鑰

在S-link 協議中，內置了兩級密鑰體系，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、硬件采取同步內置算法，及時、方便地予以更換。PC 中的S-link 軟件和SY-RSCM網絡安全通信模塊之間，通過參數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，阻止各種網外攻擊，能有效地保證網內數據安全，以確保在SY-RSCM 下端的網絡內的信息不受外來非法攻擊。

　　4 HMI 中數據庫的建立
選用MT8000 HMI 是由于其配有Internet 接口和較大的內部閃存(Flash Memory) 空間[10],可方便地進行遠程網絡通信和數據庫構建。

MT8000 HMI 內部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。設某一產品因原材料組合、配比和工藝要求的不同，有100 個可變參數，每個參數占用一個字，則這100 個參數組成1 個參數頁。60 000個字空間可存儲600 個參數頁，即能存儲600 個不同規格產品的參數，可滿足絕大多數產品的配方存儲要求。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 作為配方數據庫是可行的。

存儲空間能存儲參數頁的數量可由下式計算得出：


 

　　式中P---可分配參數頁總數量

L---HMI 斷電可保存空間總長度( 總字地址數)

Lb---用于其他信息存儲的保留空間總長

度(保留字地址數)

N---一頁參數中參數的個數

Y---各參數所占用的字數

　　5 系統的總線連接及上下載實現
5. 1 現場總線連接的方式

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


圖3 現場總線連接圖

HMI 通過RS - 232 與PLC 進行全雙工通信，實現參數的下載和生產實時數據的上傳。由于現場各類傳感器距離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、壓力等工藝參數對生產線進行閉環控制，同時，將參數上傳至HMI.


5. 2 配方下載至PLC 的方式

下載時，HMI 將原材料配置參數與生產工藝參數傳送至PLC 的相關寄存器中，PLC 則根據預定程序和下載的各類參數控制生產線的閥門、進給速度、流量、溫度、壓力等，實行自動化生產。若PLC 接收HMI 下載的配方數據有n 個參數，每個參數占用一個字地址，設占用D100 ~ D100 +n - 1,并設HMI 當前顯示需要下載的參數在LW0 ~ LW n - 1 中，利用遠程操作觸發下載宏，使當前需要生產的配方參數下載至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 個參數到數組中

SetData(bufer[0],D_Binplc,100,n) ∥將數組中

∥的數據下載到PLC 的D100 開始的連續n個字中

End Macro_Command

5. 3 PLC 實時生產數據上傳的方式

實現參數上傳的方式為：在HMI 中建立讀取參數宏，并使該宏一直處在激活狀態，讀取參數宏的功能是將各工藝參數上傳至HMI 的實時數據監視存儲區。這樣，遠程PC 機讀取HMI 中實時監視存儲區的數據，即可安全、方便地讀取現場生產實時信息。其讀取參數示范宏指令如下：

Macro_Command main()

int bufer[n]∥在觸摸屏內定義一個有n 個元素∥的字數組，n 為需要讀取的PLC 中實時監視數據個數。

GetData(bufer[0],D_Binplc,300,n) ∥獲取PLC中的生產實時數據，上傳至HMI 內數組的n 個元素中。

SetData(bufer[0],LW_Binplc,100,n) ∥將數組中的數據復制到HMI 的LW100 開始的連續n 個字中，供遠程計算機讀取實時的生產數據。

End Macro_Command

　　6 HMI 窗口的配方數據保密措施
PC 通過Internet 對HMI 進行程序和數據的上、下載。在遠程上、下載過程中，需采取保密措施，以使配方數據不外泄。主要保密措施如下：

(1) 下載過程中，HMI 設為顯示進度條狀態，數據在HMI 上不可見，保證了數據不會通過HMI外泄；(2) 在PC 遠程單獨修改HMI 的參數( 如配方數據)時，通過對HMI 的設置，可以在本地不顯示具體的數字，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 上的配方數據安全。

7 結語

本文所述的基于Internet 的HMI 配方數據庫遠程監控系統已在PVC 片材生產線中使用，1 年來的實踐證明，該系統網絡結構簡單、構建方便。

PC 機與HMI 之間的通信數據安全性高、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據連通的領域均可采用該系統。該系統的安全通信機制也可移植到其他對遠程數據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、樓宇、港機、交通設施和生產線等，因此，值得推廣。