基于互聯網的觸摸屏數據庫遠程監控系統

0 引言

網絡通信技術已經改變了人們的生活，同時也正在改變工業自動化的方方面面。因此，中國電器工業協會通用低壓電器分會在《低壓電器新產品發展總體思路》中明確提出：全面實現低壓電器主要產品網絡化、智能化、可通信化。要求我國第3 代低壓電器主要產品、第4 代低壓電器，全部實現網絡化、智能化、可通信，能與多種現場總線連接，也可直接與工業以太網連接。鑒于此，近年來，基于現場總線、以太網和互聯網( Internet)技術的可編程控制器( Programmable LogicController,PLC)、觸摸屏( Human Machine Interface,HMI)、變頻器、智能開關等各類智能低壓電器得到了長足發展，在智能電網、樓宇智能化、工業遠程監控等方面得到廣泛應用。低壓電器產品網絡化、智能化的發展大趨勢，也對智能化、網絡化、實時化的信息交互和監控系統提出了新的、更高的要求。

低壓電器信息交互和監控系統可通過無處不在的Internet,進行遠程的數據傳輸和控制，十分方便。但因網絡的實時性較差，傳輸控制信息和數據需建立虛擬局域通道(Virtual Local Area Network,VLAN);加之傳輸控制協議/互聯網協議( Transmission Control Protocol /Internet Protocol,TCP /IP)的廣泛使用和IP 安全的脆弱性，增加了互聯網傳輸的不安全因素。而智能低壓電器與遠程主機之間的通信數據都是十分重要的生產信息和控制數據，其安全性和實時性要求極高，因此，一般的網絡傳輸無法滿足工業要求。

本文以基于Internet 的觸摸屏的數據庫遠程監控系統為例，介紹一種采用遠程安全通信模塊SY-RSCM,從而便捷、可靠地構建基于互聯網的智能電器遠程數據交互系統的解決方案。

1 配方生產線數據庫遠程監控系統

在飲料、食品、聚氯乙烯片材等行業，需按產品的不同配方自動配置原料并組織生產，該類自動配方生產線一般由HMI、PLC 和繼電器等低壓電器構成。配方信息是企業核心競爭力，需集中管理和統一配置，如可口可樂配方，一直是世界級的秘密，其生產過程中的配方信息對生產者也是保密的。這類企業大多為跨地區、跨國界的大型企業，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廠實時進行配方的下傳、存儲、調用、修改和生產線監控。為此，本課題開發了基于Internet 和MT8000 型HMI 的配方數據庫遠程監控系統。

2 通過Internet 訪問HMI 的系統架構

配方數據庫遠程監控系統的網絡拓撲采用課題組開發的S-link 網絡協議，對工業數據安全加密后，通過Internet 進行協議上的轉發，實現PC機與遠程HMI 的數據庫進行安全數據交換的功能，也可實現對電氣控制系統的遠程監控和在線診斷，如圖1 所示。

圖1 配方數據庫遠程監控系統網絡拓撲結構

在生產現場配置的遠程安全通信模塊SYRSCM,具有交換、路由、防火墻、安全網關和VLAN 等功能，可以實現100 Mb /s 的工業數據網絡傳輸。系統通過互聯網，建立起計算機與遠程觸摸屏MT8000、PLC 之間的虛擬局域網VLAN 通道，確保數據交互的安全性。

3 系統的安全通信框架

3. 1 安全通信的協議

在系統中，網絡路由器和安全通信模塊SYRSCM中均內置了安全通信協議S-link,該協議是保證數據安全傳送的重要環節。S-link 通過軟件的高級加密形式對IP 報文封裝，以實現TCP /IP網絡上數據的安全傳送。S-link 屬于OSI 模型的第3 層協議，即網絡層協議，能對所傳數據提供認證和加密( 包括對控制報文和傳輸中的數據加密)，提高了數據傳輸的準確性和安全性，是一種完整的安全解決方案。

S-link 協議的設計目標是為網絡層流量提供靈活的安全服務，包括：訪問控制、無連接完整性、數據源鑒別、重傳攻擊保護、機密性、有限的流量保密等。S-link 協議的主要內容包括： 安全框架- RFC2401; 安全協議：AH 協議- RFC2402、ESP協議- RFC2406.S-link 安全體系結構如圖2 所示。

圖2 S-link 安全體系結構

3. 2 安全通信的密鑰

在S-link 協議中，內置了兩級密鑰體系，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識碼加密的密鑰及進行報文鑒別的密鑰，均由S-link 的加密機產生。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 進行加密保護，共享唯一的KEK.KEK 只能寫入并參與運算，不能被讀取。KEK 應至少有3 個，以便當KEK 泄密時軟、硬件采取同步內置算法，及時、方便地予以更換。PC 中的S-link 軟件和SY-RSCM網絡安全通信模塊之間，通過參數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 內設硬件防火墻，可通過信息過濾檢查方式，對非法訪問進行攔截，阻止各種網外攻擊，能有效地保證網內數據安全，以確保在SY-RSCM 下端的網絡內的信息不受外來非法攻擊。

4 HMI 中數據庫的建立

選用MT8000 HMI 是由于其配有Internet 接口和較大的內部閃存(Flash Memory) 空間[10],可方便地進行遠程網絡通信和數據庫構建。

MT8000 HMI 內部Flash Memory 稱為RW.RW中除保留字外，在不擴展外圍存儲器件的情況下，用戶可用空間為60 000 字。設某一產品因原材料組合、配比和工藝要求的不同，有100 個可變參數，每個參數占用一個字，則這100 個參數組成1 個參數頁。60 000個字空間可存儲600 個參數頁，即能存儲600 個不同規格產品的參數，可滿足絕大多數產品的配方存儲要求。若存儲空間不夠，可插入閃存(Compact Flash,CF) 卡進行存儲擴展。因此，利用HMI 作為配方數據庫是可行的。