基于PLC和无线网络的生产线监控系统设计

陈欣欢 常辉 李能菲

摘要：随着科学技术的发展，生产线对自动化程度的要求越来越高。保障生产安全、可靠、减小劳动强度，实现高效率生产是企业生存和发展必须解决的问题。文章针对工厂工艺单元生产线生产需求，设计了基于PLC和无线网络的生产线监控系统。该系统以SIMATIC S7-1200PLC系列为主体，通过交换机将PLC和无线网络接入生产主干环网，远程维护主机能够访问工艺单元中的PLC．从而在线监视对工艺单元PLC的变量。

关键词：监控系统：S7-1200PLC：无线网络接：在线监视

中圖分类号：TP316

文献标志码：A

1 系统需求分析

传统的安全监控系统采用有线传输的方式，因设备负载及线路损耗导致监测数据受传输距离限制，无法满足系统功能要求，随着信息技术的发展，无线通信技术逐渐成熟，衍生出一种基于无线网络的安全监控系统[1]。

某工厂有两条工艺单元产线，每一条产线主要包含6个横向排列的工艺单元，每一条产线工艺单元设备较近，采用RJ45网线进行通信。由于厂区的磁场干扰信号比较弱，选用无线模块进行通信。根据生产需求，产线1 工艺单元1到工艺单元3用于控制内部生产加工操作，其中产线1 工业单元4到T艺单元6主要控制的是高速运行的设备，使用虚拟局域网Virtual Local Area NeUvork（ VLAN）。为了防止来自外网的攻击，发生篡改数据，出现事故，利用防火墙进行隔离，实现自我保护。

工艺单元中的PLC在工业网络系统中的功能是向由交换机、无线模块组成的工业网络中传输生产数据信息。工厂布置如图1所示。

2 网络结构设计

2.1 网络结构需求

长期使用会导致通讯线老化，从而出现故障。合理使用冗余协议，环形电缆丢失时会自动重构配置，防止故障时长时间停机。

将交换机的冗余环口按要求依次连接构成环形网络结构。将一台XM408交换机作为冗余管理器，另外一台X208交换机作为冗余客服端。XM408冗余管理器可以监控网络的状态及故障信息，当冗余网中交换机出现故障或者连接线断开时，自动规划一条行进路线达到恢复通信的要求。

考虑到生产控制层中生产工艺单元、控制中心等设备会遭到网络恶意攻击，可使用防火墙技术控制中心的网络结构和生产管理区网络结构隔离。

高速运行的设备采用PROFINET实时通讯，极大地缩短了数据在通讯栈的处理时间，从而达到高速通信的需求。

通信传输使工艺单元PLC（A）与工艺单元PLC（C）S7之间进行数据传输，工艺单元PLC（ B）与工艺单元PLC（ D） S7之间进行数据传输。

2.2 网络结构设计

网络结构结合网络需求设计主要包含：生产管理区、控制中心和工艺单元。

使用西门子安全模块S615对生产管理区与控制中心进行网络隔离，需在S615中配置时指定上位机IP地址从而达到网络隔离作用。将XM408．XB208（A）和XB208（ B）连接成一个环形冗余，在连接线松动或者故障时可以快速规划出一条路线。工艺单元（C）和工艺单元（D）设计为产线1，把工艺单元（A）和工艺单元（B）设计为产线2，产线l与产线2通过无线模块进行通信。控制中心的操作站是通过物联网方式监视生产线数据，通过node - red节点使用浏览器查看数据信息，设计结构如图2所示。

3 系统实施

3.1 控制中心功能配置

（l）工程师站IP地址为192. 168.1.100。

（2）配置控制中心的SCALANCE XM408交换机。

VLAN功能：PI - P4．P8端口属于VLAN 1．P5端口属于VLAN 10．P6-P7端口属于VLAN20。VLAN 1属于192. 168.1. 0/24网络，VLAN 10属于192. 168. 10. 0/24网络，VLAN 20属于192. 168. 20. 0/24网络。

路由功能：配置路由功能，使得VLAN 1．VLAN10与VLAN 20之间可以通信。

3.2 配置界面

配置XM408．选中LaVer 2中的Ring Redundancy，在Ring Redundancy选择卡启用环冗余功能，并配置在冗余环中使用的Ring Ports，Pl.4和Pl.8．P1.4和P1.8分别是XM408的P4和P8端口（见图3）。

使用node -red采集T艺单元产线的生产数据资料，存储到指定数据库中，还能够以物联网方式通过浏览器进行采样、控制等；node - red还可以监视T厂工业单元生产状态（见图4）。

3.3 通信测试

选用S7-1200PLC作为系统控制器，该控制器由CPU、输入输出模块、通信模块与存储器等组成，具有体积小、响应速度快、灵活性高、应用范围广等优点，可满足系统各控制要求[2]。

将S7-1200PLC的IP地址设置为192. 168.1.31．IP地址为192. 168. 20. 100的远程维护主机接入XM408的P7端口。在远程维护主机的TIA PortalStep7中，可以在线监视工艺单元中S7-1200PLC的变量数值[3]．且拨动“工艺单元操作面板”的D10开关，还可以在线监视工艺单元中PLC的变量数值变化PLC“A”与PLC“C”通信。PLC（ A）“A-加工开关”接通，如图5所示；PLC（C）“A-加工运行指示灯”接通，如图6所示。

4 结语

测试结果显示，产线1与产线2通过无线模块通信数据实时准确。经过现场测试，生产管理区只有指定外网网络才可以访问控制中心，但控制中心任何一台操作站都可以对外网进行访问，不会使控制中心里的操作站访问有任何局限。实验结果表明，该设计能够满足生产线集中管理、实时监视和控制的目的，提高了生产线的自动化运行水平，具有一定的推广和应用价值。

参考文献

[1]周帅．基于PLC与无线传感网络的煤矿安全生产监控系统设计[J]．机电工程技术，2020（ 10）：214-215．

[2]毕志霖．基于PLC与无线传感网络的煤矿安全生产监控系统设计[J]．机电工程技术，2020（ 3）：23 -24 ，123．

[3]王振臣，刘薇，席静，等．基于PLC网络的换热站无线远程监控系统[J]．微计算机信息，2004（8）：15-16．

（编辑王永超）