基于西門子工業無線通信在電解行車上的應用

吳建華

（湖北省黃石市大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠，湖北黃石 435005）

0 引言

基于IEEE 802.11 系列標準的無線局域網（WLAN），由于它具有可移動性、安裝簡單、高靈活性和擴展能力強等特點，是有線解決方案的有力補充，在許多特殊環境得到廣泛的應用。WLAN 是指采用無線電波作為數據傳輸介質的本地網絡，是一種網絡類型。IEEE802.11 則是電氣電子工程師學會制定的一系列最為通用的無線局域網標準族，如當前廣泛應用的802.11g，802.11a，802.11b，802.11n 等。該標準定義了使用免授權2.4 GHz 和5 GHz 頻帶的電磁波進行信號傳輸。工業無線局域網（IWLAN）是IEEE 802.11標準的擴展，尤其適合在實時與冗余性方面具有苛刻要求的工業應用中使用。西門子SCALANCE W 產品系列是為IWLAN 應用而設計的，其產品具有可靠性、堅固和安全性的特點，適合工業環境中自動化客戶使用。其SCALANCE W700 產品支持IEEE802.11n/a/b/g 標準。SCALANCE W700 產品線的接入點非常適合建立2.4 GHz 或5 GHz 的工業無線局域網，可以用于需要較高可靠性的場所，特別是極端環境下的所有應用。802.11a 協議工作在5 GHz 頻帶，802.11g 協議工作在2.4 GHz 頻帶，在802.11a 和802.11g 模式下，總傳輸率都可以最高達到54 Mbps；802.11b 協議工作在2.4 GHz 頻帶，其總傳輸率最高可達11 Mbps；802.11n 標準不僅適用于2.4 GHz 頻段（802.11g/b），而且也適用于5 GHz 頻段（802.11a），其采用多輸入多輸出的多重傳播技術（MIMO），無線設備可以并行使用多個天線，在存在大量反射的環境中可以降低干擾，而且可以提高數據的傳輸速度。符合802.11n標準的SCALANCE W 產品最多可以在每個無線接口上使用3 個天線，支持最多3 個數據輸出流，總傳輸率最高可達450 Mbps。

1 電解車間機組、行車工業無線通信局域網

大冶有色金屬公司冶煉廠30 萬噸電解車間有2 臺32 t 專用行車、兩臺陰極剝片機組、1 臺陽極準備機組和1 臺殘極機組。除了殘極機組是國內生產的以外，其他都是引進芬蘭Outotec（奧圖泰）公司的智能化機組與行車，其自動化程度高，行車與機組之間協調作業能力強，效率高，安全性能穩定。由于行車是在電解廠房的軌道上行走，無法使用固定布線實現與機組的以太網通信，因此采用了西門子的工業無線網絡與機組建立通信。在無線網絡中，無線接入點（Access point）模塊使用的是西門子的SCALANCE W788-2PRO，其固定在電解廠房的最西頭行車軌道上方的墻壁上，通過交換機、光纖電纜與機組建立通信連接。在行車電氣控制柜里面安裝客戶機（Client），建立與接入點的通信。無線客戶機（Client）模塊使用的是西門子SCALANCEW744-1PRO。2 臺32 t 行車與4 臺機組建立的無線局域網示意如圖1所示。

圖1 電解機組、行車無線局域網示意

在圖1 中，1#、2#行車（CRANE01、CARNE02）通過西門子S7-300PLC 以太網接口與各自的無線客戶端模塊（SCALANCE W744-1PRO）進行連接。無線客戶端模塊與無線接入點模塊（SCALANCE W788-2PRO）建立通信，然后接入到交換機中（SCALANCE X200）。由于行車交換機與機組交換機之間的傳輸距離較遠，采用以太網普通銅電纜傳輸（如圖1 實線所示），容易受電磁干擾，而且傳輸信號衰減較強，不能保證高效的傳輸效率，因此在傳輸距離較遠的情況下，采用光纜進行傳輸（如圖1虛線所示），以保證數據傳輸的高效性。APM 是陽極準備機組的英文縮寫，SWM 是殘極機組的英文縮寫，CSM1 和CSM2 分別代表1#陰極剝片機組和2#陰極剝片機組。機組PLC、行車PLC、交換機、無線客戶端模塊、無線接入點模塊，都有各自的唯一IP 地址，可以通過PST 軟件、STEP7 軟件、TIA 博圖軟件或者PRONETA 軟件分配IP 地址。通過相應的軟件，如PRONETA 軟件對無線客戶端模塊、無線接入點模塊進行相應的組態，使客戶端模塊與接入點模塊建立連接，這樣就建立了一個基本的無線局域網網絡。在軟件編程方面,30 萬噸電解車間機組與行車的S7-300PLC 之間采用SIMATIC 工業以太網的雙向S7 通信，調用FB12“BSEND”功能塊和FB13“BRCV”功能塊進行編程，快速、可靠的數據傳輸。

2 使用軟件PRONETA 為SALANCE-W 進行組態

一個新的無線SALANCE-W 產品、新的交換機沒有IP 地址，IP 地址為0.0.0.。需要使用工具對它分配IP 地址。IP 地址用于在網絡中唯一地標識1 臺設備。西門子SCALANCE W 系列產品支持通過網頁進行配置，可以通過PST 軟件、STEP7 軟件、TIA博圖軟件或者PRONETA 軟件分配IP 地址。PRONETA 軟件是一款免安裝的綠色軟件，可以去西門子官網免費下載。最新的版本為2.5。這里使用2.4 版本對SALANCE-W788 接入點模塊組態進行簡單介紹。如圖2 所示，打開PRONETA 軟件，可以通過軟件掃描到新的SALANCE-W788 模塊，初始IP 地址為0.0.0.0。子網掩碼為0.0.0。設置新的IP 地址為 192.168.0.119，子網掩碼為255.255.255.0，點擊SET 按鈕，設置好的IP 地址就下載到新的無線SALANCEW788 中。

檢查電腦的網卡IP 地址是不是和無線模塊的IP 地址在同一個網段，如果不是，首先要設置電腦和無線模塊在同一個網段，然后在軟件PRONETA 中，右擊分配好IP 地址的SALANCE-W788 模塊，在下拉菜單選項中，點擊“Open web server”（打開web 服務器），進入到圖3 的界面，在圖3 中，SALANCEW788 模塊IP 地址為192.168.0.119。在這個界面中，缺省的User name（用戶名）為Admin。缺省的“密碼”（Password）也是“admin”。在美國版本的設備中“admin”用戶的密碼已更改。如電解30 萬噸車間使用的SALANCE-W788 模塊是美國版本，其缺省的“密碼”（Password）為“SCALANCE-WLAN”。

圖2 設置新的IP 地址及子網掩碼

圖3 使用“基于Web 的管理”進行組態

進入SALANCE-W788 模塊設置界面后，如圖4 所示，就可以對無線模塊進行系統名字的更改、密碼設置、接口設置、安全設置等。SALANCE-W788 模塊既可以設置成接入點（AP）模式，也可以設置成客戶端（Client）模式。它有2 個工業無線局域網接口，因此可以實現多種應用。在Interface 菜單中，可以配置WLAN1 和WLAN2 的接口參數。如果先使用WLAN1 端口，必須使能激活WLAN1 接口。可以配置SSID，可以選擇使用不同的標準，如802.11a/g/b 等。選擇不同的頻段，如2.4 GHz 和5.0 GHz。2.4 GHz 用的產品比較多，衰減比較弱，通信干擾比較大。5 GHz產品相對來說比較少，衰減比較快，通信干擾相對較小，因此在工業現場一般使用5 GHz 頻段。電解30 萬噸的ALANCE-W788 模塊設置為接入點模式，其使能激活了1 個無線接口（WLAN1）,第2 個無線接口沒有激活。使用的是IEEE802.11a 標準，5 GHz 頻段，總傳輸率最高達到54 Mbps。在Security 菜單中，可以配置身份驗證類型（Authentication type）以及加密（Encryption），在現場一般使用WPA2-PSK。Broadcasting（無線廣播）是否廣播SSID，從安全的角度來說，選擇不廣播。如果選擇廣播，別人就知道它的存在。配置完無線接入點模塊后，然后就要配置相應的無線客戶端模塊，使客戶端模塊能夠接入到無線接入點模塊中。在設置無線客戶端模塊時，設置的頻段要和接入點模塊相同，如接入點模塊選擇5.0 GHz 頻段，標準位802.11a，那么在客戶端模塊中也要設置成相同的模式。在客戶端模塊設置中，手動輸入接入點的SSID。西門子S7-300PLC 以太網接口與各自的無線客戶端模塊（SCALANCE W744-1PRO） 進行連接，西門子的接入點SCALANCE W788-2PRO 模塊連接到交換機中，交換機通過光纖電纜與機組建立PLC 建立通信連接，這樣，一個簡單的工業無線以太網網絡就組網完成。

3 工業無線局域網的安全與維護

在西門子工業無線局域網的安全上，為保護無線網絡免受攻擊或者防止未授權的用戶連接到無線網絡，通常選擇一種認證和加密方式，而不是選擇Open System，因此可以使用基于HTTPS的安全連接。與HTTP 不同的是，HTTPS 可實現在通過“基于Web 的管理”組態WLAN 客戶端和接入點時的安全訪問?？梢允褂抿炞C和加密來保護傳輸的數據免遭竊取和破壞，確保網絡的安全。采用AES 的WPA2/WPA2-PSK，可以更好地保護數據以防止攻擊，因為AES 可提供最高的安全性，如電解30 萬噸的無線模塊就是使用這種加密方式。接入點（AP）和客戶端無線模塊需要選擇相同的認證加密方式，密碼也要一致，才允許它們之間進行通信。要保護網絡免受中間人攻擊，可以使用令攻擊者更難訪問兩個終端設備之間通信路徑的網絡設置。例如，可將代理IP設置為僅可通過單一管理VLAN 訪問，從而保護設備。

圖4 SALANCE-W788 模塊設置界面

在西門子工業無線局域網的維護方面，新的無線通信模塊與舊產品混合工作，需要注意在傳輸標準上，IEEE 802.11a/b/g/n 與舊產品兼容?！?02.11n only”設置與舊產品不兼容。不支持舊產品的傳輸標準IEEE 802.11a/g/h Turbo 傳輸標準。在安全設置上，傳輸標準IEEE 802.11a/b/g 支持與舊產品相同的安全設置。采用“802.11n”或“802.11n only”設置的傳輸標準IEEE 802.11n僅支持采用AES 安全設置的WPA2/WPA2-PSK。對于SSID，僅使用以前產品支持的字符。在WEP 或AES 密鑰上，對于最高固件版本為3.2 的設備，WEP 或AES 密鑰只可包含ASCII 字符或十六進制字符0×20 至0×7E。

4 結束語

大冶有色金屬公司30 萬噸電解車間2 臺32 t 行車的S7-300PLC 與機組采用西門子工業無線通信，其具有安裝簡單、故障率低，維護方便，高靈活性和擴展能力強等特點，是有線解決方案的有力補充，因此在許多特殊環境得到廣泛的應用。SIMATIC 工業以太網的雙向S7 通信，使行車與各個機組之間能夠安全地協調作業，極大的提高生產效率。使用BSEND/BRCV的雙向S7 通信，保證數據可以快速，可靠的傳輸。在自動化程度越來越高和協同作業越來越緊密結合的自動化生產車間，西門子工業無線以太網的通信將得到越來越普遍的應用。