基于plc应用程序的监测和控制平台的发展.doc

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1、信息与控制工程学院毕业设计（论文）英文翻译基于PLC应用程序的监测和控制平台的发展摘要：本文讨论了一个平台的设计和实施远程监视和控制基于PLC的过程，通过TCP / IP或使用GSM网络。该平台的建成是使用行业标准的、现成的PLC。每个PLC集成通信处理器，可以可用于连接到网络和GSM调制解调器。通信处理器模块（以太网模块），用于这项工作，提供工业兼容的协议，通过TCP / IP实现相同的功能，作为PROFINET，但在一个更高的带宽（10/100 Mbps）的。此外，基于移动通信协议，便于使用SMS消息的PLC远程监控和他的控制也已发展。这里的意图是提供系统的用户在网络故障的情况下备份的沟通

2、机制。关键字：PLC，TCP/ IP，GSM网络远程监控。1介绍：最近网络技术的增长，特别是互联网的广泛普及与促进发展。分布式测量系统为各种工业所应用。这些分布式测量系统可用于在各种仪器的监测和控制网络1,2。可编程逻辑控制器（PLC）是基于微处理器控制系统可以用于编程，激活工业控制设备，因此采用了数字输入/输出端子，用于连接到工业的过程。存储在PLC内存中的一个控制程序确定输入和输出之间的关系在PLC中。PLC是智能自动化台，拥有非常有益的和可取的特点3： 鲁棒性。 高度可扩展性：现代PLC的环境有一个宽功能易于扩展，允许CPU类型的频谱和性能。可扩展性：PLC的模块化设计延长了广泛的数字和

3、模拟I/O模块。此外，各种集成技术模块可用于各种应用领域。先进的通信功能：现代的PLC有集中提供通信端口和分布式连接。强大的开发环境：现代PLC开发环境来支持可编程的不同的语言，允许图解和硬件配置，并提供强大的调试机制。远程访问控制和监测中的各种设备工业环境工程师和自动化设备的价值。当前实现远程PLC监视和控制使用专用PC或Web服务器连接到PLC。如图1说明了一个共同的架构，用于工业。如上图所示，PLC是通过一台计算机连接到网络。在PLC系统通常是连接到这台计算机使用串行端口或Profibus。这些类型的系统是专门使用一台PC访问PLC系统。该架构也不会使电信和网络技术等领域取得了很大进展。

4、图1、基于PC机的远程访问近年来，由于PC的功能不断增加，计算机和网络协议和标准的涌入，一直在设计和实施激增工业分布的测量和控制系统应用。通常情况下，这些系统的基础上，客户端服务器架构，同时确保通讯使用的TCP/IP协议4-6。现代的PLC与嵌入式Web有用的实时信息，提供开放式访问的服务器可通过任何标准Web浏览器中查看的诊断。这种远程访问提供了更多的几个优势传统的解决方案。例如，一个问题可以很容易地也许是固定的远程，也可以有工程师诊断和远程访问PLC CPU的配置工具，因此允许通过远程上传/下载和配置Intranet或Internet。在本文中，我们将讨论设计和实施一个网络平台的PLC 远

5、程监控并控制。各地的西门子S7系列PLC的平台建立。这些PLC具有一个集成通信处理器，可以用来提供方便的互联网。监测和控制，可实现有线或无线的环境中，因此通过内联网或互联网提供一个完整的解决方案，远程监测和控制工业过程的速度。还将讨论GSM网络的利用率和通信协议的操作，使用SMS短信与PLC站沟通，和一个数据库服务器系统集成。论文安排如下：第2节中，我们描述整体系统架构在第3节，并讨论该系统的软件方面。其次在这个项目中，第4和第5条提出的通信方法，结论：在第6纸。2拟议的系统架构系统架构。 该系统由以下几部分组成（如图3所示）：SIMATIC S7200/300 PLC系统和通讯处理器（CP）

6、。每个CP有一个集成的通信允许将PLC（硬件和软件）与局域网连接，广域网或通过GSM网络进行通信。客户和管理员的过程中，通过连接到网络（或无线）。权限可以设置或复位。管理员也可以允许或限制各客户端的选项。数据库服务器通过网络连接进行数据记录和事件记录。基于GSM网络包括各种选项，通信方便。PLC系统的以太网模块是用于连接PLC的S7系列处理器网络。用于允许一个额外的通讯处理器，在PLC和GSM调制解调器之间的通信串口（RS232）。在建议的执行情况，PLC系统报告远程数据库服务器状态过程。数据库服务器记录PLC的状态，在基于时间表，并执行任何所需的数据分析。该系统还收到管理员和客户端的命令，并

7、执行控制过程。还实施了GSM连接，让具有不同权限的用户访问PLC的强制性职能的地位，让他们来控制这些功能。实现以太网和GSM连接的PLC使用的CP343和CP340的通讯处理器7。图3、系统软件组件系统软件的实施，主要是使用SIMATIC管理程序7和JAVA。使用SIMATIC 管理程序环境与PLC系统的通信。建议架构允许编程，再编程和配置远程系统。使用S7-API的Java应用程序开发的（S7应用程序编程接口）来建立通信数据库服务器和PLC站之间的联系8。例如，使用这些API，我们可以实例化对象，将连接数据库服务器到PLC站通过指定的IP地址和PLC单元中的S7的CPU地址。PLC的连接过程

8、中的传感器和执行器使用I / O模块。在服务器端运行的Java应用程序建立后PLC连接使用S7-API的，然后使用Java数据库连接技术（JDBC）来存储检索，数据状态反映在的各种PLC参数与数据库的表格中。JDBC是一种技术，它允许Java连接数据库服务器。它包含了所需的Java库，包括连接到所需的所有必要的方法与数据库服务器，并执行SQL语句。整个PLC系统允许用户设置使用的过程值中。例如，用户可以设置输出（驱动电机）改变一个存储单元的值（内存位，字节，字，标志，等）。系统环境，还提供了为取得输入值的读数（传感器的读数）以及为捕捉为PLC的状态。图表绘图仪可以用来转换读数为图表其外的PLC

9、。错误报告机制，管理员提供有用的诊断信息中还包括完整的环境。系统管理员也可以查询的使用GSM网络过程中的地位以SMS消息的形式。最后，建议系统架构是一个完整的监测能力的可扩展性，围绕内联网或互联网传播的PLC网络。3系统的软件架构在这个项目中使用该系统的软件分为三个部分组成：数据库管理系统应用模块（数据处理模块，PLC通讯模块和GSM调制解调器模块）用户界面。图3描述了系统的软件和主要部件它们之间的通信方向。详细说明每个组件在以下小节中提供。3.1数据库系统概述使用Oracle 9i数据库的创建。它包括一套相互关联的表。图4说明了数据库架构用于这项工作。为简洁起见的简要说明每个表如下：站表，其

10、中包含相关的整个信息如PLC工作站的IP地址，站名等一个指针表，其中包含每个输入的信息，输出或系统正在使用的内存。指针代表输入，输出，记忆的地址。一个指针读数表，用来存储读取的值各种指针指向项目。此表是相似的持有各站的活动日志表。图4、数据库表之间的关系图5、GUI显示管理表包含所有系统用户的信息。A级属性表示每个管理员的安全水平，例如，主要的管理，监督，见习。更多的信息，包括登录名，密码，提示密码恢复等属性。一个客户表中包含的所有信息，涉及到每个客户正在使用的系统，如用户识别，密码和电话。管理的PLC用于设置客户端的PLC表相应的管理员或客户到一个特定的站点ID，指针ID。3.2应用模块这些

11、模块是在整个系统的软件组件的心脏。他们管理的用户界面和数据库之间的通信。他们发起连接的PLC系统，包含GSM通信所需要的对象。应用模块包括以下三个子模块：数据操作模块：这个模块有几类，被称为内的用户界面（GUI）执行，如数据库内的各种数据处理任务：插入，更新和删除。例如，插入类是通过用户界面收到任何新的数据插入负责。一个PLC通讯模块：此模块包含三类，它们是用来执行任务，如接受站ID用户，核实，每个站有指针与它相关联，建立连接到PLC站等。一个GSM模块：此模块提供通信与GSM调制解调器和通信端口。 “用于Java的通信包。此包允许java承认的串行和并行端口该系统的一部分。它包含了必要的功能

12、，通过GSM调制解调器的AT命令和SMS消息的发送和接收。3.3用户界面 在这项工作中所使用的用户界面允许用户（管理员和客户端）访问和操作数据库表和问题的基本控制命令，以不同的PLC站。操纵数据库管理员根据他/她的排名可以插入，更新或执行不同查询程序.管理员可以也可以执行使用这个GUI不同的客户和管理员发送短信等其他活动。根据他的排名上，管理员可以进入配置区域，执行活动，如观看管理员日志，查看帮助文件，观看教程如何使用的用户界面，以及控制在站内的一些活动。图5显示了该系统的GUI屏幕之一。数字显示到车站对应不同领域中的属性。用户可以进入到有关的各种价值观其IP地址，它的位置，数量，如特别站输入

13、和输出的最大数量。如左图所示面板的图形用户界面，用户能够搜索，查看， 配置和更新了某一站的信息。图5描绘了一个更新命令的GUI屏幕。用户可以使用此命令来修改，如它的IP地址或位置特别站信息。图6是一个GUI的用户开始搜索任务的快照。图中所示用户正在寻找一个PLC站位置。响应他的搜索请求的搜索屏幕显示图。图6、GUI显示示例4使用TCP/IP协议与PLC通信CP模块是用于S7通讯处理器环境，使PLC的连接到互联网或互联网在任何局域网设置。该模块支持以下TCP/IP通信服务7：安全FTP（文件传输协议）和HTTP（超文本传输协议）服务器的用户ID和密码登录。嵌入式PLC的数据标准的SMTP邮件服务

14、器发送的电子邮件。FTP文件传输到远程服务器的客户服务。FTP服务器文件传输到8MB内部服务闪存文件系统的一个远程FTP客户端。HTTP远程互联网浏览器访问服务器服务。S7系列的互联网通信的程序指令。此外，该模块还具有以下特点：通讯基于TCP / IP和ISO标准工厂安装的MAC地址。对等通信能力与其它S7设备。多个（最多8个）连接。以太网客户端或服务器配置选项。程序指令进行初始化，重新配置，数据传输。图7、响应屏幕上的“站内搜索”一个PLC可以在本地或远程编程激活和控制工业设备，因此，采用输入/输出所使用的终端数量接口的PLC环境或过程。每个输入和输出的PLC模块上的连接点具有独特的解决这一

15、标识。使用TCP/IP协议，PLC的命令类型的地址和该项目的地址（I/O点），被引用都包含在IP数据包。PLC的IP地址包含在头场。被分配的IP数据包的有效载荷领域进行各种PLC相关的参数和命令。图8显示了PLC系统的发送和接收帧的内容。内存参数“字段中包含的信息，如该项目的地址进行监测和/或控制。这项目可以是下列任何一项：输入输出内存区数据块。图8、帧用于与PLC系统使用在TCP / IP通信中它还包含其他参数，如数据类型（布尔，整数等），位或字节偏移量，并依此类推。命令类型字段包含任何以下命令：设定值获取价值。获取状态。帧状态字段返回的状态处理项目。值字段中包含的他的价值处理项目。5GSM

16、的无障碍低量的潜力预见的GSM服务数据传输和采集9-11我们决定这些服务纳入我们的系统。这里的想法是允许管理员和客户端访问的PLC系统通过GSM网络，如果需要的话，也可以检索通过它的状态信息。Java的通信包使用的GSM之间的沟通，让调制解调器和PLC和服务器的各个港口。对于GSM调制解调器连接到PLC，梯形图用ATA命令发送到调制解调器的字符串。同样作为字符串读取收到的短信。一个消息通信协议，使用公共的GSM服务，是适合这个项目的开发。协议使用不同的帧通信系统。图9描述了用于查询帧的格式。包括在上述各个领域的一个简要说明下面给出框架。帧类型（TOF）：这是一个1字节的字段。用户（管理员或客户

17、）应该知道什么类型的帧，它被发送。如需查询帧，“帧类型”字段应设置为值1。C/A（客户/管理员）：该字段指示是否写“C”或写“A”的管理员/用户是一个客户。这个领域有一个1个字节的大小。用户ID：这个字段包含一个ID为每个用户的长度字段是4字节。密码：此字段指示的密码是否属于管理员或用户端。管理员有充分的无障碍,更改设定的功能，例如通过使用传感器的状态。此字段的最大长度是10字节，这意味着密码不能超过10个字符。站编号：这个字段包含站的ID号。在这工作，站的ID被假定为1到9999的范围内。此字段的长度是4个字节。指针编号：这一领域具有指针身份证号码。指针“的ID将在1到9999的范围内。这个

18、长度字段是4字节。查询的响应帧：将发送响应帧从数据库管理员或客户端状态到一个特定的传感器。如图10。电台ID和指针ID具有相同的含义如上所述。字段中包含的返回值在查询帧的项目，其地位被审问。需要注意的是在响应帧中的第8个字节用于存储以下字符串：“PLC /指针的查询结果阅读是。图11显示了短信查询的响应。图9、查询帧的消息格式。图10、消息响应帧的格式图11、一个样本响应查询错误帧：此帧通过GSM网络发送的管理员或客户指示发生错误。这可以是在指定的错误密码，例如，或站ID不存在，或指针ID不存在。错误帧格式给出图12。前8个字节用于存储字符串：“错误：”。错误字段类型说明或澄清错误的起源，例如

19、，命令类型是不正确的，或PLC的ID不存在。从命令帧：可以发送命令帧寻求改变管理员的数据库服务器或PLC一个特定的指针使用“设置功能”的状态。不同的帧字段如图、13。下面提供了一个简要说明每个字段。TOF（帧类型）：对于命令帧，类型，帧字段的值设置为2。价值：本场将包含值的管理员要解决的具体项目设置。例如，布尔这是用来设置输入和输出传感器值为0（假）和1（真）。其他领域进行讨论的相同涵义以前。图14是包含单元的手机屏幕上的镜头在SMS消息的形式使用帧的命令格式上面讨论。我们还实施了“报告”的机制SMS消息的自动生成和发送到管理员定期或在紧急情况下。这些消息包含任何具体临界状态信息PLC站，可能

20、需要立即引起注意。这一机制的实施，详述如下。报告框架：从数据库中发送这些帧服务器管理员。有两种类型的报告帧：定期报告：定期发送（例如每周）仅用于通知有关状态的管理员一个站。定期报告的帧格式描绘图、15。前8个字节代表一个正常的字符串，这是“报告”。时间：时间字段包括日期，每天的时间报告框架产生。站状态：此字段包含该站的地位，已定义的管理员或客户查询使用站ID。状态将0（关）或1（开）。紧急报告框架：这类报告发送由系统只有在紧急情况下，它会通知一个特定的指针状态（溢出或管理员）和相应的站ID。这些类型的帧的格式由图、16说明。下面提供的各个领域。指针状态：这一领域将确定具体的指针状态（根据具体的

21、指针ID）。这个长度图12。消息格式的错误帧。图13、消息格式为命令帧图14、一个SMS PLC的命令图15、消息格式的报告框架。图16、消息格式的紧急报告框架此字段的长度为1字节。如果指针状态字段包含1，这意味着指针状态是溢出（它的价值是有限的范围内）。但是，如果指针的状态字段包含2，这意味着指针溢（下其价值是有限的范围内）。最后，如果指针状态字段包含3个，这意味着在指针状态范围内。移动客户端和PLC系统之间的通信，实施使用CP340的通讯处理器与GSM调制解调器，如图2所示。GSM调制解调器可以查询的消息，但事件中断机制也可以使用。可由发送数据发起投票过程。GSM调制解调器检查新邮件的命令

22、。如果事件中断，GSM调制解调器发出了一个信号（消息）或PLC系统通过串口服务器表示，它已经收到新的短讯。中断阅读服务程序将执行必要的任务和解析消息，并最终执行命令嵌入在消息中。除了SMS内置的紧急报告机制，管理员在服务器端也将在CPU或任何错误或可能发生的故障通知通讯处理器。例如，如果CPU或在TCP/IP模块没有运行系统可能将停止阅读PLC站的值，并产生了一个错误报告或信息，可以帮助管理员识别源错误。图17显示CPU失败的例子。图17、错误报告图18、添加安全功能6加强安全方面的问题安全是工业自动化的远程访问网络非常重要的部分，最近的文章中强调，在工业信息学领域12,13。基于互联网的引入

23、获取在过程控制行业已增加这些进程的脆弱性。该图描绘了早期建筑增加安全性措施，使互联网上的沟通更安全（图18）。防火墙用来隔离内部工业网络从互联网大，允许特定的连接通过同时阻止他人，因此保护的PLC未经授权的访问。在过程侧的管理员可以配置防火墙作为一个VPN（虚拟专用网）选矿厂。这可以通过发出正确的访问凭据（名称隧道，隧道的密码，用户名，用户密码等）的授权人员。 VPN客户端在客户端的工具允许授权的客户端远程访问过程。在典型的工业设置，上述安全架构可以使用的设备，如或类似的SCALANCE S6XX安全开关7。例如，SCALANCE S612提供了一个保安措施结合等如VPN相结合。通过IPSec

24、通道。它可以保护单个设备甚至整个在工业自动化模块：数据侦察数据操作自动突破的尝试。未经授权的访问。它允许这种保护灵活，没有后果，协议无关（第2层的IEEE 802.3标准）无需复杂的处理。对GSM方面，嵌入在安全方面的问题，标准14提供足够的保护措施提出申请。此外，任何安全缺陷，目前的GSM标准（如假的基础站攻击）新兴的3G标准已在处理15。7结论集成的TCP/IP基础的过程中实现了为控制厂提供了一个自如的和现代的方式，利用在自动化和过程控制的新技术。TCP/IP协议为控制厂提供所需的灵活性和可扩展性设计。在这项工作中，我们讨论的设计与实施为PLC控制过程的监测和控制系统。所提出的架构和结果证明了可行性使用TCP/IP和GSM协议可以进行有效的完成两个函数的PLC监测控制。使用工业分拣机系统进行了测试在实验室设置我们有一个非常令人满意的性能。我们还测试所提出的架构在无线环境，它没有执行令我们满意。原文于2007年8月发表在科学指导网上，网址：如有侵权，请告知，我看到会立刻处理。16