基于西门子工业无线通信在电解行车上的应用

吴建华

（湖北省黄石市大冶有色金属有限责任公司冶炼厂，湖北黄石 435005）

0 引言

基于IEEE 802.11 系列标准的无线局域网（WLAN），由于它具有可移动性、安装简单、高灵活性和扩展能力强等特点，是有线解决方案的有力补充，在许多特殊环境得到广泛的应用。WLAN 是指采用无线电波作为数据传输介质的本地网络，是一种网络类型。IEEE802.11 则是电气电子工程师学会制定的一系列最为通用的无线局域网标准族，如当前广泛应用的802.11g，802.11a，802.11b，802.11n 等。该标准定义了使用免授权2.4 GHz 和5 GHz 频带的电磁波进行信号传输。工业无线局域网（IWLAN）是IEEE 802.11标准的扩展，尤其适合在实时与冗余性方面具有苛刻要求的工业应用中使用。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。802.11a 协议工作在5 GHz 频带，802.11g 协议工作在2.4 GHz 频带，在802.11a 和802.11g 模式下，总传输率都可以最高达到54 Mbps；802.11b 协议工作在2.4 GHz 频带，其总传输率最高可达11 Mbps；802.11n 标准不仅适用于2.4 GHz 频段（802.11g/b），而且也适用于5 GHz 频段（802.11a），其采用多输入多输出的多重传播技术（MIMO），无线设备可以并行使用多个天线，在存在大量反射的环境中可以降低干扰，而且可以提高数据的传输速度。符合802.11n标准的SCALANCE W 产品最多可以在每个无线接口上使用3 个天线，支持最多3 个数据输出流，总传输率最高可达450 Mbps。

1 电解车间机组、行车工业无线通信局域网

大冶有色金属公司冶炼厂30 万吨电解车间有2 台32 t 专用行车、两台阴极剥片机组、1 台阳极准备机组和1 台残极机组。除了残极机组是国内生产的以外，其他都是引进芬兰Outotec（奥图泰）公司的智能化机组与行车，其自动化程度高，行车与机组之间协调作业能力强，效率高，安全性能稳定。由于行车是在电解厂房的轨道上行走，无法使用固定布线实现与机组的以太网通信，因此采用了西门子的工业无线网络与机组建立通信。在无线网络中，无线接入点（Access point）模块使用的是西门子的SCALANCE W788-2PRO，其固定在电解厂房的最西头行车轨道上方的墙壁上，通过交换机、光纤电缆与机组建立通信连接。在行车电气控制柜里面安装客户机（Client），建立与接入点的通信。无线客户机（Client）模块使用的是西门子SCALANCEW744-1PRO。2 台32 t 行车与4 台机组建立的无线局域网示意如图1所示。

图1 电解机组、行车无线局域网示意

在图1 中，1#、2#行车（CRANE01、CARNE02）通过西门子S7-300PLC 以太网接口与各自的无线客户端模块（SCALANCE W744-1PRO）进行连接。无线客户端模块与无线接入点模块（SCALANCE W788-2PRO）建立通信，然后接入到交换机中（SCALANCE X200）。由于行车交换机与机组交换机之间的传输距离较远，采用以太网普通铜电缆传输（如图1 实线所示），容易受电磁干扰，而且传输信号衰减较强，不能保证高效的传输效率，因此在传输距离较远的情况下，采用光缆进行传输（如图1虚线所示），以保证数据传输的高效性。APM 是阳极准备机组的英文缩写，SWM 是残极机组的英文缩写，CSM1 和CSM2 分别代表1#阴极剥片机组和2#阴极剥片机组。机组PLC、行车PLC、交换机、无线客户端模块、无线接入点模块，都有各自的唯一IP 地址，可以通过PST 软件、STEP7 软件、TIA 博图软件或者PRONETA 软件分配IP 地址。通过相应的软件，如PRONETA 软件对无线客户端模块、无线接入点模块进行相应的组态，使客户端模块与接入点模块建立连接，这样就建立了一个基本的无线局域网网络。在软件编程方面,30 万吨电解车间机组与行车的S7-300PLC 之间采用SIMATIC 工业以太网的双向S7 通信，调用FB12“BSEND”功能块和FB13“BRCV”功能块进行编程，快速、可靠的数据传输。

2 使用软件PRONETA 为SALANCE-W 进行组态

一个新的无线SALANCE-W 产品、新的交换机没有IP 地址，IP 地址为0.0.0.。需要使用工具对它分配IP 地址。IP 地址用于在网络中唯一地标识1 台设备。西门子SCALANCE W 系列产品支持通过网页进行配置，可以通过PST 软件、STEP7 软件、TIA博图软件或者PRONETA 软件分配IP 地址。PRONETA 软件是一款免安装的绿色软件，可以去西门子官网免费下载。最新的版本为2.5。这里使用2.4 版本对SALANCE-W788 接入点模块组态进行简单介绍。如图2 所示，打开PRONETA 软件，可以通过软件扫描到新的SALANCE-W788 模块，初始IP 地址为0.0.0.0。子网掩码为0.0.0。设置新的IP 地址为 192.168.0.119，子网掩码为255.255.255.0，点击SET 按钮，设置好的IP 地址就下载到新的无线SALANCEW788 中。

检查电脑的网卡IP 地址是不是和无线模块的IP 地址在同一个网段，如果不是，首先要设置电脑和无线模块在同一个网段，然后在软件PRONETA 中，右击分配好IP 地址的SALANCE-W788 模块，在下拉菜单选项中，点击“Open web server”（打开web 服务器），进入到图3 的界面，在图3 中，SALANCEW788 模块IP 地址为192.168.0.119。在这个界面中，缺省的User name（用户名）为Admin。缺省的“密码”（Password）也是“admin”。在美国版本的设备中“admin”用户的密码已更改。如电解30 万吨车间使用的SALANCE-W788 模块是美国版本，其缺省的“密码”（Password）为“SCALANCE-WLAN”。

图2 设置新的IP 地址及子网掩码

图3 使用“基于Web 的管理”进行组态

进入SALANCE-W788 模块设置界面后，如图4 所示，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。SALANCE-W788 模块既可以设置成接入点（AP）模式，也可以设置成客户端（Client）模式。它有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，可以配置WLAN1 和WLAN2 的接口参数。如果先使用WLAN1 端口，必须使能激活WLAN1 接口。可以配置SSID，可以选择使用不同的标准，如802.11a/g/b 等。选择不同的频段，如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。电解30 万吨的ALANCE-W788 模块设置为接入点模式，其使能激活了1 个无线接口（WLAN1）,第2 个无线接口没有激活。使用的是IEEE802.11a 标准，5 GHz 频段，总传输率最高达到54 Mbps。在Security 菜单中，可以配置身份验证类型（Authentication type）以及加密（Encryption），在现场一般使用WPA2-PSK。Broadcasting（无线广播）是否广播SSID，从安全的角度来说，选择不广播。如果选择广播，别人就知道它的存在。配置完无线接入点模块后，然后就要配置相应的无线客户端模块，使客户端模块能够接入到无线接入点模块中。在设置无线客户端模块时，设置的频段要和接入点模块相同，如接入点模块选择5.0 GHz 频段，标准位802.11a，那么在客户端模块中也要设置成相同的模式。在客户端模块设置中，手动输入接入点的SSID。西门子S7-300PLC 以太网接口与各自的无线客户端模块（SCALANCE W744-1PRO） 进行连接，西门子的接入点SCALANCE W788-2PRO 模块连接到交换机中，交换机通过光纤电缆与机组建立PLC 建立通信连接，这样，一个简单的工业无线以太网网络就组网完成。

3 工业无线局域网的安全与维护

在西门子工业无线局域网的安全上，为保护无线网络免受攻击或者防止未授权的用户连接到无线网络，通常选择一种认证和加密方式，而不是选择Open System，因此可以使用基于HTTPS的安全连接。与HTTP 不同的是，HTTPS 可实现在通过“基于Web 的管理”组态WLAN 客户端和接入点时的安全访问。可以使用验证和加密来保护传输的数据免遭窃取和破坏，确保网络的安全。采用AES 的WPA2/WPA2-PSK，可以更好地保护数据以防止攻击，因为AES 可提供最高的安全性，如电解30 万吨的无线模块就是使用这种加密方式。接入点（AP）和客户端无线模块需要选择相同的认证加密方式，密码也要一致，才允许它们之间进行通信。要保护网络免受中间人攻击，可以使用令攻击者更难访问两个终端设备之间通信路径的网络设置。例如，可将代理IP设置为仅可通过单一管理VLAN 访问，从而保护设备。

图4 SALANCE-W788 模块设置界面

在西门子工业无线局域网的维护方面，新的无线通信模块与旧产品混合工作，需要注意在传输标准上，IEEE 802.11a/b/g/n 与旧产品兼容。“802.11n only”设置与旧产品不兼容。不支持旧产品的传输标准IEEE 802.11a/g/h Turbo 传输标准。在安全设置上，传输标准IEEE 802.11a/b/g 支持与旧产品相同的安全设置。采用“802.11n”或“802.11n only”设置的传输标准IEEE 802.11n仅支持采用AES 安全设置的WPA2/WPA2-PSK。对于SSID，仅使用以前产品支持的字符。在WEP 或AES 密钥上，对于最高固件版本为3.2 的设备，WEP 或AES 密钥只可包含ASCII 字符或十六进制字符0×20 至0×7E。

4 结束语

大冶有色金属公司30 万吨电解车间2 台32 t 行车的S7-300PLC 与机组采用西门子工业无线通信，其具有安装简单、故障率低，维护方便，高灵活性和扩展能力强等特点，是有线解决方案的有力补充，因此在许多特殊环境得到广泛的应用。SIMATIC 工业以太网的双向S7 通信，使行车与各个机组之间能够安全地协调作业，极大的提高生产效率。使用BSEND/BRCV的双向S7 通信，保证数据可以快速，可靠的传输。在自动化程度越来越高和协同作业越来越紧密结合的自动化生产车间，西门子工业无线以太网的通信将得到越来越普遍的应用。