基于互聯(lián)網(wǎng)的觸摸屏數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)改變了人們的生活，同時也正在改變工業(yè)自動化的方方面面。因此，中國電器工業(yè)協(xié)會通用低壓電器分會在《低壓電器新產(chǎn)品發(fā)展總體思路》中明確提出：全面實(shí)現(xiàn)低壓電器主要產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可通信化。要求我國第3 代低壓電器主要產(chǎn)品、第4 代低壓電器，全部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可通信，能與多種現(xiàn)場總線連接，也可直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接。鑒于此，近年來，基于現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)( Internet)技術(shù)的可編程控制器( Programmable LogicController,PLC)、觸摸屏( Human Machine Interface,HMI)、變頻器、智能開關(guān)等各類智能低壓電器得到了長足發(fā)展，在智能電網(wǎng)、樓宇智能化、工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。低壓電器產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展大趨勢，也對智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時化的信息交互和監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的、更高的要求。

低壓電器信息交互和監(jiān)控系統(tǒng)可通過無處不在的Internet,進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸和控制，十分方便。但因網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性較差，傳輸控制信息和數(shù)據(jù)需建立虛擬局域通道(Virtual Local Area Network,VLAN);加之傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)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(lián)網(wǎng)傳輸?shù)牟话踩蛩亍６悄艿蛪弘娖髋c遠(yuǎn)程主機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)都是十分重要的生產(chǎn)信息和控制數(shù)據(jù)，其安全性和實(shí)時性要求極高，因此，一般的網(wǎng)絡(luò)傳輸無法滿足工業(yè)要求。

本文以基于Internet 的觸摸屏的數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹一種采用遠(yuǎn)程安全通信模塊SY-RSCM,從而便捷、可靠地構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的智能電器遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)的解決方案。

1 配方生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

在飲料、食品、聚氯乙烯片材等行業(yè)，需按產(chǎn)品的不同配方自動配置原料并組織生產(chǎn)，該類自動配方生產(chǎn)線一般由HMI、PLC 和繼電器等低壓電器構(gòu)成。配方信息是企業(yè)核心競爭力，需集中管理和統(tǒng)一配置，如可口可樂配方，一直是世界級的秘密，其生產(chǎn)過程中的配方信息對生產(chǎn)者也是保密的。這類企業(yè)大多為跨地區(qū)、跨國界的大型企業(yè)，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(chǎn)廠實(shí)時進(jìn)行配方的下傳、存儲、調(diào)用、修改和生產(chǎn)線監(jiān)控。為此，本課題開發(fā)了基于Internet 和MT8000 型HMI 的配方數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

2 通過Internet 訪問HMI 的系統(tǒng)架構(gòu)

配方數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎谜n題組開發(fā)的S-link 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對工業(yè)數(shù)據(jù)安全加密后，通過Internet 進(jìn)行協(xié)議上的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與遠(yuǎn)程HMI 的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行安全數(shù)據(jù)交換的功能，也可實(shí)現(xiàn)對電氣控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和在線診斷，如圖1 所示。

圖1 配方數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)現(xiàn)場配置的遠(yuǎn)程安全通信模塊SYRSCM,具有交換、路由、防火墻、安全網(wǎng)關(guān)和VLAN 等功能，可以實(shí)現(xiàn)100 Mb /s 的工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)，建立起計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程觸摸屏MT8000、PLC 之間的虛擬局域網(wǎng)VLAN 通道，確保數(shù)據(jù)交互的安全性。

3 系統(tǒng)的安全通信框架

3. 1 安全通信的協(xié)議

在系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)路由器和安全通信模塊SYRSCM中均內(nèi)置了安全通信協(xié)議S-link,該協(xié)議是保證數(shù)據(jù)安全傳送的重要環(huán)節(jié)。S-link 通過軟件的高級加密形式對IP 報文封裝，以實(shí)現(xiàn)TCP /IP網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的安全傳送。S-link 屬于OSI 模型的第3 層協(xié)議，即網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，能對所傳數(shù)據(jù)提供認(rèn)證和加密( 包括對控制報文和傳輸中的數(shù)據(jù)加密)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和安全性，是一種完整的安全解決方案。

S-link 協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為網(wǎng)絡(luò)層流量提供靈活的安全服務(wù)，包括：訪問控制、無連接完整性、數(shù)據(jù)源鑒別、重傳攻擊保護(hù)、機(jī)密性、有限的流量保密等。S-link 協(xié)議的主要內(nèi)容包括： 安全框架- RFC2401; 安全協(xié)議：AH 協(xié)議- RFC2402、ESP協(xié)議- RFC2406.S-link 安全體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 S-link 安全體系結(jié)構(gòu)

3. 2 安全通信的密鑰

在S-link 協(xié)議中，內(nèi)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(biāo)識碼加密的密鑰及進(jìn)行報文鑒別的密鑰，均由S-link 的加密機(jī)產(chǎn)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(jìn)行加密保護(hù)，共享唯一的KEK.KEK 只能寫入并參與運(yùn)算，不能被讀取。KEK 應(yīng)至少有3 個，以便當(dāng)KEK 泄密時軟、硬件采取同步內(nèi)置算法，及時、方便地予以更換。PC 中的S-link 軟件和SY-RSCM網(wǎng)絡(luò)安全通信模塊之間，通過參數(shù)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(nèi)設(shè)硬件防火墻，可通過信息過濾檢查方式，對非法訪問進(jìn)行攔截，阻止各種網(wǎng)外攻擊，能有效地保證網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)安全，以確保在SY-RSCM 下端的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息不受外來非法攻擊。

4 HMI 中數(shù)據(jù)庫的建立

選用MT8000 HMI 是由于其配有Internet 接口和較大的內(nèi)部閃存(Flash Memory) 空間[10],可方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。

MT8000 HMI 內(nèi)部Flash Memory 稱為RW.RW中除保留字外，在不擴(kuò)展外圍存儲器件的情況下，用戶可用空間為60 000 字。設(shè)某一產(chǎn)品因原材料組合、配比和工藝要求的不同，有100 個可變參數(shù)，每個參數(shù)占用一個字，則這100 個參數(shù)組成1 個參數(shù)頁。60 000個字空間可存儲600 個參數(shù)頁，即能存儲600 個不同規(guī)格產(chǎn)品的參數(shù)，可滿足絕大多數(shù)產(chǎn)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(jìn)行存儲擴(kuò)展。因此，利用HMI 作為配方數(shù)據(jù)庫是可行的。