基于PLC的信息化网络化智能工厂设计

许泽凯，彭元修,杨谊华

(南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063)

1 引言

《中国制造 2025战略》的部署，对制造业提出了更高的要求，需要制造业在工厂建设方面着力发展智慧工厂[1]，与工业4.0进行合作与对接。作为工业4.0三大主题之一的智能工厂，是以数据为轴激发企业智慧化进程，利用信息化网络化技术和编程使用PLC设备，加强工厂的信息管理，清楚掌握生产过程，提高生产过程可控性，减少生产线上人工的干预，达到快速准确地采集生产线数据并且合理地调整生产计划与生产进度的工厂。

目前国内智能工厂的建设有智能化设备但是各领域供应商不一且缺乏统一规划，造成优化单点业务却未能完全贯通的现状。信息采集仍停留在产线机床，没有网络连通，导致看上去自动化程度很高但是信息化却几乎为零。智能工厂重点就是通过采用智能化设备和网络的物理信息系统相结合的方式来实现的[2]。

本文将统一使用德国西门子的PLC设备，以具体的工厂结构为例设计一座智能工厂，并且通过实验证明其可以运用在实际的智能工厂建设方案中。

2 智能工厂的整体规划

智能工厂布置示意图如图 1 所示，主要包含3个典型的工厂主体结构，分别是生产管理区、控制中心和产线。其中生产管理区与控制中心进行通讯，并且安装有生产管理系统。生产管理区的网络称为生产管理层网络。控制中心主要包含工程师站、操作员站和生产数据采集、存储和信息可视化系统。产线包含 6 个按直线排列的工艺单元。工厂各区域电气干扰较弱。工艺单元包含一个 PLC，用于控制工艺单元内部生产加工操作。员工在控制中心操作站上就可以监视工厂网络的运行状态。控制中心、产线及其之间的网络称为生产控制层网络。

图1 工厂布置示意

3 智能工厂的技术实现

设计一座智能工厂离不开作为工厂工业控制层面的可编程逻辑控制器，或称为PLC，是几乎所有工业控制系统的核心。通常是应用其具有的计算能力和定时的功能对于各类机械装置和设备进行有效地控制和操作，把 PLC 相关技术和电脑科技有机结合，能够更好地对相应的程序进行控制，有效应对工作中的控制工程相关的难题[3]。这些设备通过输入通道从传感器获取数据，通过输出通道控制执行器。PLC可以作为独立设备进行部署，控制制造过程的某个部分，例如单台机器。它们也可以作为分布式系统部署，跨越分散位置的多个工厂，具有数千个I/O点和众多互联部件[4]。产线上的6个PLC是智能工厂的核心，不仅能实现产线上基础的开关量控制、运动控制，模拟量控制等基础功能，还能实现后续的数据采集、监控、联网及通讯等功能。PLC技术可使整个过程更加合理，有效控制数据运行[5]。

其次要保障的就是工业信息安全问题。信息安全问题会对企业经济、运行稳定性、安全性造成直接影响，同时也会影响系统建设的进程[6]。需要在工厂生产控制层网络与生产管理层网络之间建立防火墙，以确保生产控制层网络中PLC、工程师站等设备不会被外界恶意攻击。防火墙实际上是一种隔离技术，防火墙是在两个网络通信时执行的一种访问控制尺度，它能允许用户“同意”的人和数据进入用户的网络，同时将用户“不同意”的人和数据拒之门外，最大限度地阻止网络黑客来访问用户的网络。换句话说，如果不通过防火墙，公司内部的人就无法访问Internet，Internet上的人也无法和公司内部的人进行通信[7]。在该方案中，采用具有防火墙功能的安全模块s615实现上述功能。通过包过滤、状态监测、代理服务等安全控制手段对网络进行保护。同时能限制暴露用户点，它隔开了网络中一个网段与另一个网段，这样能够防止影响一个网段的问题通过整个网络传播。在这种多方面的保护下，网络安全性能进一步提高，确保计算机网络运行的安全性，保障工业资料与信息的完整性。

然后是生产数据采集、存储和信息可视化技术的实现。对于非数控类的采用PLC控制类的设备可以采用组态软件来直接读取PLC中的相关信息，包括PLC中保存的各种状态的I/O点信息和模拟量信息(如温度、压力等)，只要将读取的这些I/O点信息和模拟量信息存入设计好的数据库中[8]。再由控制中心的操作员对现场工艺单元生产数据进行归档，比如生产数量、各控制阀的状态、报警事故等重要信息需进行保持。将综合监控服务器的显示屏设置为人机交互界面，通过组态软件WinCC设置界面，可以实时观测到工艺单元生产数据以及其变化趋势，工艺过程的实时视频，当某一生产数据超过安全阈值时，还可以进行报警[9]。

智能工厂的现场总线以PROFINET为标准。PROFINET是开放的支持标准以太网的技术[10]，类似于OPC UA协议独立于具体制造商，几乎被所有的西门子设备所支持。PROFINET最重要的特点是对现场级设备提供了必要的时间确定性和实时性。它支持总线周期直至31.25μs的I/O数据交换、完备的现场设备诊断机制以及众多的行规，比如针对功能安全的PROFINET[11]。通过PROFINET，员工在控制中心的操作员站就可以监控工厂的网络运行状态。西门子设备PROFINET接口的每个端口都有一个LED指示灯。借助于PROFINET设备的LED的状态和错误指示灯，可以诊断出通讯中的错误或PROFINET模块的错误状态。而且PROFINET能够保证系统在故障后自动恢复到安全状态。当前，PLC工程的接线端口通常采用可以拆卸的方式，因此能够为相关作业人员在完成PLC编程后，提供更加有效的维修工作方式[12]，在发生故障后马上认出故障的区域停止工作，以保护人员和机器安全。

最后，是智能工厂的无线通信技术。所谓的无线网络通信技术，指的就是利用无线电波来进行数据传输，是一种新型的通信信息系统，为未来通信系统的发展确立了方向[13]。无线通信的优势在于节省了大量的设备成本和安装成本。没有电缆、接线，无需安装桥架、电缆保护管和接线盒，无需大量的机柜和I/O卡件，安装容易实施。在工艺改造或增加设备监控点时，方便扩展现有网络规模。在这里使用西门子无线通信模块W774和W734实现无线通信功能。西门子 SCALANCE W 产品系列是为 IWLAN 应用而 设计的，其产品具有可靠性、坚固和安全性的特点，适合工业环境中自动化客户使用。其SCALANCE W700产品支持IEEE802.11n/a/b/g 标准。SCALANCE W700产品线的接入点非常适合建立2.4 GHz或5 GHz的工业无线局域网，可以用于需要较高可靠性的场所，特别是极端环境下的所有应用[14]。此外，工业无线通信系统还可以将检测设备除直接检测参数外的大量信息同时传送到控制系统或资产管理系统，不仅可以对现场仪器仪表提供故障诊断、预测维护功能，而且可以报告与现场仪器仪表相关的工艺过 程或工艺设备的健康状态，从而改善生产过程的操作性能[15]。

4 实验

为了验证上述智能工厂设计方案的可行性，将采用相关设备进行实验。实验将会分别使用SCALANCE S615，SCALANCE W734和SCALANCE W774实现智能工厂的工业信息安全技术和无线通信技术。实验设备如图2所示，第一行中间设备为S615，第一行与第三行第一个设备分别为W774和W734。

图2 设备展示

首先进行防火墙实验保障工业信息安全。采用PST软件配置SCALANCE S615，然后将电脑通过工业以太网线与S615相连并打开浏览器，在地址栏中输入PST软件中显示的S615IP地址，进入SCALANCE S615的网络配置登录界面。在“IP Rules”页签下添加IP过滤规则，如图3所示。其中第一条规则表示：内网中任一主机可以访问外网的任一主机。第二条规则表示：在外网访问内网方向，外网中只有IP地址为10.10.0.100的主机能够访问内网，且仅可以访问内网IP地址为192.168.2.100的主机。通过如下设置即可实现上述所说的通过防火墙控制访问人员，保护企业工业信息安全。

图3 SCALANCE S615配置

接着进行SCALANCE W700产品的无线通信技术的实现。基本操作和前面S615相同，进入 SALANCE-W700系列模块设置界面后，就可以对无线模块进行系统名字的更改、密码设置、接口设置、安全设置等。将SALANCE-W774模块设置成接入点(AP)模式，SALANCE-W734模块设置成客户端(Client)模式。它们都有2个工业无线局域网接口，因此可以实现多种应用。在Interface菜单中，根据需求可以配置WLAN1和WLAN2的接口参数，启用天线，设置频率，设置功率，和配置SSID等功能。频段的选择有2.4 GHz和5.0 GHz。2.4 GHz用的产品比较多衰减比较弱，通信干扰比较大。5 GHz产品相对来说比较少，衰减比较快，通信干扰相对较小，因此在工业现场一般使用5 GHz频段，为了接近实际在此也使用5 GHz频段进行试验。上述配置完成后使用无线客户端通讯监控界面检查通讯信号质量得到图4。信号稳定且干扰很小，可以满足智能工厂中的无线通信要求。

图4 无线通信信号强度

5 结论与讨论

本文从智慧工厂的整体规划和主要技术需求以及实验3个方面较为详细地描述了智慧工厂整个设计方案的构思，通过对部分技术需求的实际操作和实验证明了该方案的可行性。方案中智能工厂采用了有线与无线相结合这项关键技术设计工厂。同时即便是工厂高度自动化，员工的作用依旧不可或缺，只不过是从生产流水线解放出来，到现代化岗位工作。不会引起较多工人失业、社会上无业人员增多等不稳定因素。方案的核心是将Big Data变成Smart Data。随着自动化技术、信息管理技术、计算机技术等相关领域技术的发展，机械制造及自动化行业迎来了前所未有的机遇，“工业4.0”的提出与实践可为我国机械制造及自动化行业发展提供导向作用。本方案在此基础上放眼世界，解放思想，创新思维，紧跟时代发展潮流，也为当前正在发展进行的《中国制造2025》提供一定的参考，弥补一些市场和技术上的空白。