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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇工業(yè)控制，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞:嵌入式控制器;工程機(jī)械;控制
中圖分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)05-1227-02
嵌入式系統(tǒng)在生產(chǎn)制造,工業(yè)控制中有廣泛的用途。目前,在工業(yè)控制中嵌入式控制系統(tǒng)正朝著高速、高集成度和低功耗方向發(fā)展。研究嵌入式控制系統(tǒng),對于提高工業(yè)控制質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率具有重要意義。
1嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)
嵌入式技術(shù)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信、汽車、國防、航空航天、工業(yè)控制、儀表和辦公自動化等領(lǐng)域。在個人領(lǐng)域中,嵌入式產(chǎn)品將主要是個人使用,作為個人移動的數(shù)據(jù)處理和通信軟件。對于企業(yè)專用解決方案,如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等,小型手持嵌入式系統(tǒng)將發(fā)揮巨大作用。嵌入式系統(tǒng)不僅可以用于ATM機(jī),自動售貨機(jī),工業(yè)控制等專用設(shè)備,而且和移動通信設(shè)備、GPS、娛樂相結(jié)合[1]。還有一些其他微處理器,如ARM SA-1100系列是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇,已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品中。PXA270則應(yīng)用于高端移動設(shè)備中,通過復(fù)雜指令集,提高了其媒體的信息處理能力。總體上看,嵌入式控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn):系統(tǒng)內(nèi)核小,專用性強(qiáng),系統(tǒng)精簡,多任務(wù)高實(shí)時性操作和專用開發(fā)工具和環(huán)境。
嵌入式系統(tǒng)具有“嵌入性”、“專用性”、“計(jì)算機(jī)”的基本要素和特征[2]。其一般由嵌入式處理器、硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序四個部分組成,用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或者管理等功能。它們的結(jié)構(gòu)圖可以概括如圖1所示。
2 嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程
由嵌入式控制系統(tǒng)的組成,可知嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮硬件設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2.1 處理器選型
工業(yè)中嵌入式控制器的應(yīng)用較為廣泛,由于處理器是控制器的核心,因此不同類型的處理器有著不同的應(yīng)用基礎(chǔ)。嵌入式處理器主要分為四類,嵌入式微處理器,嵌入式微控制器,嵌入式DSP,嵌入式片上系統(tǒng)SOC[3]。但是隨著工業(yè)控制中對嵌入式控制系統(tǒng)要求越來越高,控制算法越來越復(fù)雜,目前形成了以ARM微處理器應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)狀。該系列的處理器中,ARM7主要應(yīng)用于工業(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用中;ARM9主要應(yīng)用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等;ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工藝控制、圖形和信息系統(tǒng)等領(lǐng)。本文以Philips公司的LPC2880芯片為處理器,它是ARM7系列中的一員,它具有以下特點(diǎn):8kB高速緩存,64kB SRAM,工作頻率可達(dá)60MHz;外部存儲器控制器支持flash,SRAM,ROM,和SDRAM;2個帶可選預(yù)分頻器的32位定時器;Boot ROM允許執(zhí)行flash代碼、外部代碼;允許通過USB進(jìn)行flash編程等。
2.2 電源電路設(shè)計(jì)
LPC2880處理器芯片內(nèi)核芯片需要工作電壓為1.8V ,I/0接口的工作電壓為3.3V,以高電壓為判斷依據(jù),因此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成3.3V應(yīng)用系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)方法如下:用一個220V到9V的變壓器將辦公用電轉(zhuǎn)換成直流9V電源,然后將9V直流電源由從另一電源接口輸入,并使用二極管用來防止電源反接,經(jīng)過二次濾波后,通過由美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM2575開關(guān)電源芯片將電源穩(wěn)壓到5V。最后將5V電源經(jīng)過低壓差電源芯片穩(wěn)壓輸出為3.3V和1.8V電壓。其中低壓差電源芯片可以采用Sipex公司生產(chǎn)的SPX1117系列芯片SPX1117M3-3.3和SPX1117M3-1.8,其特點(diǎn)為輸出電流大,輸出電壓精度高,穩(wěn)定性高。精度在正負(fù)±1%,還具有電流限制和熱保護(hù)功能。
2.3 系統(tǒng)時鐘電路,復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
時鐘電路在嵌入式控制系統(tǒng)中往往因?yàn)槭袌龆鴽Q定,在工業(yè)控制中,由于機(jī)械造價(jià)昂貴,嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計(jì)時鐘電路就可以控制機(jī)械的運(yùn)行時間,迫使買家按時付款[4]。對于LPC2880處理器而言,通過內(nèi)部PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時鐘,使系統(tǒng)運(yùn)行速度更,達(dá)到最高運(yùn)行頻率即60MHz,它可使用外部晶振或外部時鐘源。若不使用片內(nèi)PLL功能,則外部晶振頻率為1~30MHz,外部時鐘頻率為1~50MHz,若使用片內(nèi)PLL功能,則外部晶振頻率為10~25MHz,外部時鐘頻率為10~25MHz。對于復(fù)位電路,其設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù),保證系統(tǒng)可靠工作,因?yàn)長PC2880芯片具有高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低的特點(diǎn),使得其對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等有更高的要求。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù)位,保證在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠的工作。本文中復(fù)位電路采用由CATALYST公司生產(chǎn)的專用電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30(復(fù)位門檻電壓為3.0~3.15V)。
2.4 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一個實(shí)時操作系統(tǒng)在應(yīng)用之前,首先要做的工作是將該實(shí)時操作系統(tǒng)移植到該微處理器上,所謂移植,就是使一個實(shí)時內(nèi)核能在某個微處理器或微控制器上運(yùn)行。本系統(tǒng)采用uC/OS-II,對它的移植就是對對uC/OS-II中與處理器有關(guān)的代碼進(jìn)行重寫或修改。盡管μC/OS-II的大部分源代碼都是用C語言寫成的,但是嵌入式控制系統(tǒng)和硬件密切相關(guān),因此處理器必須滿足如下要求:C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼,在程序中可以打開或關(guān)閉中斷,處理器支持中斷,并且能產(chǎn)生定時中斷,處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧,處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器存儲和讀出到堆棧(或者內(nèi)存)的指令。對于LPC2880處理器,移植uC/OS-II內(nèi)核的主要內(nèi)容是:用#define聲明若干個個宏和若干個(根據(jù)具體需要而設(shè)計(jì))與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型,并用#define設(shè)置一個常量的值,編寫若干個與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù),用匯編語言編寫若干個個與處理器相關(guān)的函數(shù)[5]。具體過程如下:1) 移植OS_CPU.H。包括定義數(shù)據(jù)類型,μC/OS-II不使用C語言中的short、int和long等基本數(shù)據(jù)類型的定義,代之以移植性強(qiáng)的整數(shù)數(shù)據(jù)類型;臨界代碼的使用,μC/OS-II在進(jìn)入系統(tǒng)臨界代碼區(qū)之前要關(guān)閉中斷,等到退出臨界區(qū)后再打開,它是通過OS_ENTER_CIRTICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()這兩個宏來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)關(guān)閉中斷的方法有多種,如在OS_ENTER_CIRTICAL()中調(diào)用處理器指令關(guān)中斷,在OS_EXIT_CRITICAL()中調(diào)用相應(yīng)處理器指令開中斷;執(zhí)行OS_ENTER_CIRTICAL()時,先將中斷狀態(tài)保存到堆棧中,然后關(guān)中斷,而當(dāng)執(zhí)行OS_EXIT_CRITICAL()時,再從堆棧中恢復(fù)原來的中斷開/關(guān)狀態(tài)等;2)移植OS_CPU_C.C。主要有6個函數(shù)在文件:OSTaskStkInit(),OSTaskCreateHook(),OSTaskSwHook(),OSTaskDelHook(),OSTaskStatHook(),OSTimeTickHoo();3)OS_CPU_A.ASM文件。需要改寫的匯編語言函數(shù)有四個:OSStartHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR()。
2.5 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)
在工業(yè)控制中,有大量的生產(chǎn)控制信息需要實(shí)施作人員所掌握,這些信息主要在控制系統(tǒng)的LED面板上現(xiàn)實(shí)。其基本信息包括參數(shù)值(如速度,進(jìn)給量、工件統(tǒng)計(jì)),X軸、Y軸坐標(biāo)值(含X軸、Y軸運(yùn)行方向指示),控制方式指示(自動、半自動、調(diào)校)等。通過這些信息,操作人員可以完成對現(xiàn)場設(shè)備的組態(tài)配置,數(shù)據(jù)集中處理,工作狀態(tài)監(jiān)控等功能。現(xiàn)在很多公司提供功能豐富的組態(tài)軟件,如Vincc、力控PCAuto、組態(tài)王等。主要工作是創(chuàng)建液晶顯示接口函數(shù),創(chuàng)建過程如下:定義void LCD_Cls(),在LCD的顯示屏中顯示液晶初始化后,液晶的主界面;定義void LCD_Init(void),用于初始化設(shè)置,主要是對顯示區(qū)域的設(shè)置和顯示方式的設(shè)置;定義void LCD_Refresh(),用于更新LCD的顯示,把需要顯示的內(nèi)容更新到LCD的顯示屏上;定義void LCD_BkLight(),用于打開或者關(guān)閉LCD的背光;定void LCD_DisplayOpen(),用于打開或者關(guān)閉LCD顯示。
當(dāng)前,工程控制中的人機(jī)界面越來越人性化,具有可操作性和可理解性。因此將人機(jī)界面信息由傳統(tǒng)的單文字形式轉(zhuǎn)化為圖形界面是嵌入式控制系統(tǒng)的必要工作。有些處理器,如S3C44BOX處理器本身也帶有液晶控制系統(tǒng),其設(shè)備只需要配備液晶顯示器,用控制信號線將顯示器和控制器連接即可。
2.6 鍵盤按鍵的程序設(shè)計(jì)
工業(yè)控制系統(tǒng)中,人和機(jī)器需要實(shí)現(xiàn)信息的交互,即人通過操作界面對機(jī)械發(fā)出指令。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較為人性化的設(shè)計(jì),即通過鍵盤,結(jié)合液晶顯示,將指令傳達(dá)給控制器,實(shí)現(xiàn)真正意義上的人機(jī)交互功能。按鍵的主要功能可以分為:暫停鍵,復(fù)位鍵,開始鍵,分別實(shí)現(xiàn)按下此鍵來暫停運(yùn)動或程序執(zhí)行,當(dāng)程序執(zhí)行過程或著運(yùn)動中出現(xiàn)異常情況,按下此鍵可以終止一切,暫停后按下此鍵來恢復(fù)運(yùn)動或程序繼續(xù)執(zhí)行等指示。這三個狀態(tài)可以在液晶顯示屏上顯示。另外,嵌入式控制系統(tǒng)還需要提供上下翻頁,樹狀上翻下翻等功能,這主要是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的液晶現(xiàn)實(shí)面,不可能不能一次完全把所有程序運(yùn)行狀態(tài)或者參數(shù)全部顯示出來,所以利用上翻和下翻鍵進(jìn)行查看。在處理器中鍵盤控制由一個函數(shù)(GetKey(INT16S*key))控制,它用于檢測鍵盤是否有鍵被按下,如果有,就得到按鍵值并返回。通常需要頻繁的調(diào)用該函數(shù),對鍵盤進(jìn)行輪詢,以檢測是否有按鍵被按下。如果有按鍵被按下,則返回TRUE;否則返回FALSE。
3 總結(jié)
工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大與生產(chǎn)過程的復(fù)雜化,對控制系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性提出了更高的要求。嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的微小化控制,對于提高工業(yè)控制的準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)和規(guī)模化機(jī)械生產(chǎn)具有重要意義。本嵌入式工程機(jī)械控制系統(tǒng)以S3C44BOX芯片為控制器,以uC/OS-II為操作系統(tǒng),以LCD顯示器進(jìn)行顯示,配有時鐘,輸入鍵盤,數(shù)據(jù)存儲器以及多種數(shù)據(jù)通訊接口。在實(shí)踐中,以該處理器為基礎(chǔ)的控制器具有成本低,系統(tǒng)移植簡單,強(qiáng)操作性和升級性等特點(diǎn),可以滿足不同機(jī)型的工程機(jī)械使用。
參考文獻(xiàn):
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1.1我國工業(yè)控制的情況
傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)方式被機(jī)械設(shè)備所取代，在一段時期內(nèi)的確使生產(chǎn)效率得到了顯著提高，對于經(jīng)濟(jì)水平較低的工業(yè)發(fā)展初期，尚可滿足生產(chǎn)的需求。然而隨著社會的進(jìn)步，時代的發(fā)展，人們對于工業(yè)產(chǎn)品提出了更高的要求，無論是數(shù)量還是質(zhì)量、精度，都提高到了一個新的層次。單純的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)以及人工操作的生產(chǎn)方式已無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。電子技術(shù)的應(yīng)用則解決了這一難題，采用可編程邏輯控制器和單片機(jī)，并將所需的控制程序?qū)懭耄耆軌驖M足工業(yè)控制的要求。同時有效降低了勞動強(qiáng)度，節(jié)省了大量的人力資源，僅需較少的技術(shù)人員進(jìn)行看護(hù)。此外，隨著人工智能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，設(shè)備在程序的控制下，可以解決生產(chǎn)中遇到的較為簡單的問題。然而，雖然近年來電子技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用，我國的電子技術(shù)水平總體來說仍然不高，與國外的電子技術(shù)公司相比存在較大的差距，不利于我國工業(yè)控制的發(fā)展，我國的電子技術(shù)行業(yè)面臨的形勢依然較為嚴(yán)峻。
1.2自動化技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用
自動化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，廣義的講是指對于新能源和信息技術(shù)的充分運(yùn)用的一種特殊生產(chǎn)方式，并以人力資源占用的最小化為宗旨。在工業(yè)生產(chǎn)中，其生產(chǎn)的目標(biāo)和目的經(jīng)由各種參數(shù)來得以表達(dá)，從而形成一種新型的生產(chǎn)模式，在這一模式下，無需人工管理，即所謂的自動化。當(dāng)前，自動化技術(shù)的管理理念已經(jīng)頗具系統(tǒng)性和綜合性，這種先進(jìn)的生產(chǎn)體系和生產(chǎn)方式也逐漸獲得人們的重視，越來越多的資源被投入到自動化技術(shù)的研究與開發(fā)中去。實(shí)踐已經(jīng)證明，社會的進(jìn)步離不開經(jīng)濟(jì)的繁榮，而工業(yè)則是推動經(jīng)濟(jì)繁榮的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，發(fā)展現(xiàn)代化的工業(yè)已經(jīng)成為時代的主題。發(fā)展工業(yè)的進(jìn)程中，自動化技術(shù)是重要的基礎(chǔ)，是確保工業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工業(yè)正向著系統(tǒng)化、綜合化、全面化的方向發(fā)展，而自動化則為其創(chuàng)造了發(fā)展的核心環(huán)境。工業(yè)的管理是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，自動化的管理亦是如此。因此，需要借鑒國外先進(jìn)的自動化管理理念，從而推動我國的自動化管理體系的發(fā)展，推動工業(yè)控制領(lǐng)域的進(jìn)步。自動化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在對于工業(yè)生產(chǎn)過程的控制。簡單的說是一種管理的控制流程，以自動化技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中監(jiān)測、調(diào)度、管理的自動化。從近年來應(yīng)用自動化技術(shù)的成果來看，自動化技術(shù)對于工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量都有著非常重要的提升作用。除此之外，還能夠有效的減少生產(chǎn)的能源消耗，這對于當(dāng)前能源消耗較大、能源不足、環(huán)境污染較為嚴(yán)重的現(xiàn)狀，具有非常重要的意義。
2電子技術(shù)的作用
21世紀(jì)，傳統(tǒng)工業(yè)對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的提升所起到的推動作用已經(jīng)不十分顯著，而新興的電子技術(shù)則為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了新鮮的活力。電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化的關(guān)鍵要素，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域，電子技術(shù)的作用也是不容忽視的。衡量一個國家的技術(shù)水平，有多種因素，而電子技術(shù)的發(fā)展水平則是其中較為關(guān)鍵的因素。當(dāng)前，我國無論在經(jīng)濟(jì)水平還是在技術(shù)水平方面，較之以前都有了重大的進(jìn)步，取得的成果也是十分顯著的。然而，卻并不能滿足于現(xiàn)狀，應(yīng)該看到，與世界上發(fā)達(dá)國家相比，我國的電子技術(shù)水平還有待完善和提高，尤其是高科技的尖端電子技術(shù)領(lǐng)域，與發(fā)達(dá)國家的差距仍然很大。因此，當(dāng)前的任務(wù)則是逐漸擺脫從國外引進(jìn)產(chǎn)品的現(xiàn)狀，加強(qiáng)電子技術(shù)的研發(fā)力度，積極開發(fā)出我國自己的尖端電子產(chǎn)品。
3電子技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用
3.1提高生產(chǎn)效率
電子芯片是實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)的重要載體，也是實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)的主要媒介。通過將設(shè)定好的程序?qū)懭腚娮有酒儆呻娮有酒瑘?zhí)行程序，對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制。無需人工干預(yù)，即可準(zhǔn)確地控制機(jī)械設(shè)備的操作。人工控制被寫入特定程序的電子芯片所取代，避免了人工誤操作帶來的不利因素，無需休息，實(shí)現(xiàn)24小時不間斷生產(chǎn)，因此極大的提高了生產(chǎn)效率。相應(yīng)的，工作人員的數(shù)量和工作的強(qiáng)度都得以降低，進(jìn)而減少人員成本。對傳統(tǒng)的工業(yè)控制進(jìn)行改造，將電子技術(shù)融入其中，不可避免地需要大量資金，尤其是在改建初期，需要投入較多的人力和物力，然而從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看，對于企業(yè)效益的提高和可持續(xù)發(fā)展，其發(fā)揮的作用是不容忽視的。
3.2提高加工的精度
關(guān)鍵詞 ZigBee；工業(yè)控制；現(xiàn)場總線技術(shù)；應(yīng)用
1.ZigBee技術(shù)分析
1.1內(nèi)涵
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無限通訊技術(shù)。其主要適用于距離較短、功耗較低、傳輸速率要求不高的電子設(shè)備，以及其具有一定周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸。這就類似于蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后，會通過特殊的肢體語言來告知同伴其發(fā)現(xiàn)的事物。而這種肢體語言，其本身的可輸出距離較短，表達(dá)難度較低。從這點(diǎn)看來，ZigBee技術(shù)也具有類似的特性。而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，其已經(jīng)成為一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該協(xié)議相對其他協(xié)議而言，局限性較強(qiáng)，但是在應(yīng)用中，這個局限性也轉(zhuǎn)化為其優(yōu)勢，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的首選。
1.2特點(diǎn)
1）傳輸速率低下。相對其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而言，該種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)其在2.4GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻帶的最高傳輸速率為250kbps，適用于報(bào)文吞吐量較小的一些通信場合。然而，在信息技術(shù)如此發(fā)展的今天，人們很多商業(yè)活動，都要依靠網(wǎng)絡(luò)。該種網(wǎng)絡(luò)模式基本上沒有應(yīng)用空間。
2）功能耗損較低。ZigBee技術(shù)的傳輸速率低下，自然，其在整個傳輸過程中，其耗損的功能也相對較少。根據(jù)其應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，其發(fā)射功率損耗大約為1mW，在休眠的狀況下，其電池壽命可長達(dá)數(shù)年。這是其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所難以達(dá)到的一個狀態(tài)。
3）成本低。當(dāng)前，zigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的，也就是說，在應(yīng)用該種協(xié)議時，協(xié)議本身不需要消耗，只需要基本的設(shè)備。而根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，該種技術(shù)的設(shè)備單位成本在幾美元左右，也就是不超過一百元人民幣。這就使得其運(yùn)用成本大幅度降低。
4）距離短。相對一般網(wǎng)絡(luò)的覆蓋來說，該種技術(shù)的覆蓋面有些局限。其傳輸距離短，因此在長期的發(fā)展中，很少有人使用該種技術(shù)。但是，也正是因?yàn)閭鬏斁嚯x短，所以其傳輸?shù)臏?zhǔn)確性相對較高。
1.3優(yōu)勢
1）可靠性。工業(yè)控制環(huán)境下對通信網(wǎng)絡(luò)的首要要求，就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c準(zhǔn)確性。無限通信技術(shù)相對有限通信而言，其受到外界干擾的可能性提高。在部分網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的使用中，還需要使用一定的手段，來降低其擾的可能。而ZigBee技術(shù)其本身傳輸?shù)木嚯x短，擾可能降低。另外，其本身也會對外界的干擾進(jìn)行消除，這就使得其數(shù)據(jù)的可靠性得到極大的保障。
2）實(shí)時性與同步性。實(shí)時性是工業(yè)控制的重要指標(biāo)。ZigBee技術(shù)其網(wǎng)絡(luò)新增節(jié)點(diǎn)的典型網(wǎng)絡(luò)參與實(shí)踐為30ms，其節(jié)點(diǎn)從休眠進(jìn)入激活狀態(tài)的用時較短，能夠更快地保證信息的傳遞。這就使得其在使用中，各個環(huán)節(jié)的實(shí)時性與同步性較好。
3）靈活性。其靈活性主要體現(xiàn)在自身組網(wǎng)的可擴(kuò)展性以及設(shè)備共存性。一般來說，無線網(wǎng)絡(luò)信號之間會存在一定的排斥，在共同使用時，其相互干擾的可能性極高。而zigBee技術(shù)很好地規(guī)避了這一缺點(diǎn)。無論是設(shè)備的擺放，還是其應(yīng)用，都不會產(chǎn)生過多的影響。
4）經(jīng)濟(jì)性。從整體來說zigBee技術(shù)其成本較低，且能夠很好地滿足工業(yè)控制的需求。在使用中，無論是電源壽命，還是后期的調(diào)整，都不會有過大的花費(fèi)。這就使得其安裝成本與維護(hù)成本較低。
2.ZigBee技術(shù)應(yīng)用解析
當(dāng)前，工業(yè)控制系統(tǒng)不斷完善，其中以現(xiàn)場總線為主要形式。現(xiàn)場總線是一種數(shù)字化分布式的雙向串行通訊總線，其種類相對較多。應(yīng)用較廣且效果較好的為Modbus。該種協(xié)議是Modicon公司為可編程邏輯控制器設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線協(xié)議。該種協(xié)議模式，其結(jié)構(gòu)簡單、報(bào)文吞吐量較小，類似于ZigBee技術(shù)。隨著ZigBee技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，不少研究人員也將Modbus進(jìn)行優(yōu)化，其本身是通過有線連接來建立，而在這個協(xié)議中，其傳統(tǒng)的模式?jīng)]有ZigBee技術(shù)，表現(xiàn)如圖1。該種模式下，其成本相對較高，其設(shè)備可擴(kuò)展性受限制。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前，已經(jīng)將zigBee技術(shù)引入其中，其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)如圖2。
優(yōu)化后的引入zigBee技g的控制系統(tǒng)，其能夠在保證通信可靠性與實(shí)時性的基礎(chǔ)上，提高控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，極大地降低了設(shè)備的安裝成本與維護(hù)成本，有效地實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)的成本控制，經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)控制系統(tǒng)；干擾；抗干擾
中圖分類號：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）0120046-03
隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用場所越來越廣泛。干擾與抗干擾就像矛與盾相伴相隨。在工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境中，存在大量的干擾信號，如電網(wǎng)的波動、強(qiáng)電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和開關(guān)的電磁輻射等，當(dāng)干擾信號在工控系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而降低系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和穩(wěn)定性。本文即是針對各種干擾的來源以及抗干擾措施進(jìn)行分析、研究。
1 干擾的產(chǎn)生
1.1 干擾的定義
干擾是指對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。這些有害因素使得控制系統(tǒng)的信號數(shù)據(jù)發(fā)生瞬態(tài)變化，增大誤差，出現(xiàn)假象，甚至使整個系統(tǒng)出現(xiàn)異常信號而引起故障、甚至系統(tǒng)崩潰。
從廣義上講，控制系統(tǒng)干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動干擾等等。其中電磁干擾最為普遍，且對控制系統(tǒng)影響最大，最難解決。
1.2 形成干擾的三個要素
干擾形成包括三個要素：干擾源、耦合通道和接受載體。三個要素缺少任何一項(xiàng)干擾都不會產(chǎn)生。
干擾形成的路徑
1.2.1 干擾源
產(chǎn)生干擾信號的設(shè)備被稱作干擾源，如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機(jī)、無繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生干擾信號。當(dāng)然，雷電、太陽和宇宙射線等也屬于干擾源。
1.2.2 傳播途徑
傳播途徑是指干擾信號的傳播路徑。電磁信號在空中直線傳播，并具有穿透性的傳播稱為輻射方式傳播；電磁信號借助導(dǎo)線傳入設(shè)備的傳播被稱為傳導(dǎo)方式傳播。傳播途徑是干擾擴(kuò)散和無所不在的主要原因。
1.2.3 接收電路
接收電路是指設(shè)備中對干擾信號敏感的某個部分，吸收了干擾信號，并轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的部分。接收電路的接受過程又成為耦合，耦合分為兩類：通過金屬導(dǎo)線等介質(zhì)接受干擾信號的過程稱之為傳導(dǎo)耦合。干擾信號通過空間以電磁場形式耦合至接受載體的稱之為輻射耦合。
根據(jù)干擾的定義可以看出，干擾信號之所以是干擾是因?yàn)樗鼤ο到y(tǒng)造成不良影響，反之，不能稱其為干擾。從形成干擾的要素可知，消除三個要素中的任何一個，都會避免干擾。抗干擾技術(shù)就是針對干擾三個要素的研究和處理。
1.3 干擾的種類
按干擾的耦合模式分類，干擾主要包括下列四種類型。
1.3.1 電網(wǎng)干擾
電網(wǎng)是整個工業(yè)系統(tǒng)的命脈，理想的電網(wǎng)供電質(zhì)量應(yīng)該是電壓穩(wěn)定、純正弦波、頻率準(zhǔn)確、供電不間斷。但實(shí)際上由于電網(wǎng)中負(fù)載的變化，如繼電保護(hù)系統(tǒng)開關(guān)的通斷；大功率用電設(shè)備的起停；感抗容抗器件在電網(wǎng)中接入和斷開等都會在正弦波上疊加高頻振蕩或瞬變脈沖，造成電網(wǎng)波形嚴(yán)重失真，電網(wǎng)電壓波動。電網(wǎng)干擾可以引起信息設(shè)備出錯、失靈、數(shù)據(jù)丟失、破壞程序。造成的損失往往是難以挽回的重大經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)工控系統(tǒng)故障有80%是由電網(wǎng)干擾引起的。每年因電網(wǎng)干擾引起儀器、設(shè)備受損的例子在國內(nèi)外舉不勝舉。對于電子工程師來說，電網(wǎng)干擾是最頭疼的事情，尤其是工程施工現(xiàn)場，由于客觀條件的限制電網(wǎng)干擾更嚴(yán)重。
1.3.2 輻射干擾
輻射干擾主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、雷電、廣播電視信號、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，分布極為復(fù)雜。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及與設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場的大小有關(guān)，特別是與頻率有關(guān)。
1.3.3 信號通道干擾
與控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線除了傳入各種有用的信號外，還會伴隨有外部干擾信號。由信號引入的干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度的嚴(yán)重失真。信號干擾分為模擬信號干擾和數(shù)字信號干擾。
1.3.4 接地系統(tǒng)干擾
接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴(yán)重的干擾信號，使控制系統(tǒng)無法正常工作。
2 抗干擾的措施
抗干擾技術(shù)就是了解、分析、研究干擾的產(chǎn)生根源、干擾的傳播方式和避免擾的措施（對抗）等問題。在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時就要采取盡量避開各種干擾的方法，盡量避開干擾源。
提高工控系統(tǒng)抗干擾能力最理想的方法是提高接收電路的抗干擾能力，抑制干擾源，削弱干擾信號的強(qiáng)度，使其不向外產(chǎn)生干擾或盡可能將干擾信號強(qiáng)度影響限制在允許的范圍之內(nèi)。抑制干擾的措施很多，針對不同類型的干擾要采取相應(yīng)的措施，同時要提高接收電路的抗干擾能力和在軟件編寫上采取相應(yīng)對策。抗干擾技術(shù)主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等方法。
2.1 電網(wǎng)抗干擾措施
工業(yè)控制系統(tǒng)的電源都接自電網(wǎng)。工業(yè)現(xiàn)場的用電情況比較復(fù)雜，電網(wǎng)上經(jīng)常有振蕩電壓的存在，經(jīng)過供電線路進(jìn)入電源系統(tǒng)，造成電源電壓不穩(wěn)定、波形不規(guī)則。干擾工控系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前主要采取以下幾種措施來盡可能減少來自電網(wǎng)的干擾：
2.1.1 低通濾波器
低通濾波器作用只讓低頻成份通過，而高于截止頻率的成份則受抑制、衰減，不讓其通過。在工控系統(tǒng)中，常用低通濾波器抑制由交流電網(wǎng)侵入的高頻干擾。下圖為電源常用的LC低通濾波器的接線圖。含有瞬間高頻干擾的220V電源通過截止頻率為50Hz的濾波器，其高頻信號被衰減，只有50Hz的工頻信號通過濾波器到達(dá)電源變壓器，保證正常供電。
LC低通濾波器原理圖
2.1.2 隔離變壓器
隔離變壓器也是常用電源隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流干擾和抑制低頻干擾信號的強(qiáng)度。隔離變壓器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號源隔離開來，也就是把模擬地和數(shù)字地?cái)嚅_。傳輸信號通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不形成回路而被抑制。
2.1.3 電源監(jiān)視線路
電源監(jiān)視線路具有監(jiān)視電源電壓瞬時短路、瞬間降壓和微秒級干擾及掉電功能，即時輸出供CPU接受的復(fù)位信號及中斷信號總功能。
2.2 輻射抗干擾措施
對于外來輻射抗干擾措施主要是屏蔽和正確的接地（見2.3.3）。屏蔽是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍起來從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。屏蔽主要用于空間外來干擾信號的抑制。實(shí)際應(yīng)用中須注意以下幾點(diǎn)：
1） 消除靜電干擾最簡單辦法是把感應(yīng)體接地，接地時要防止形成接地環(huán)路。
2）為了防止電磁場干擾，使用帶屏蔽層的信號線，要將屏蔽層單端接地。
3）不要把導(dǎo)線的屏蔽層當(dāng)作信號線或公用線使用。
4）避免在電源電路和檢測、控制電路之間使用公共線。
5）避免在模擬電路和數(shù)字電路之間使用公共線。
2.3 信號通道抗干擾措施
2.3.1 隔離措施
1）光電隔離
光電隔離是以光作媒介在隔離的兩端間進(jìn)行信號傳輸?shù)模玫钠骷枪怆婑詈掀鳌９怆婑詈掀髟趥鬏斝畔r，借助于光作為媒介物進(jìn)行耦合。
光電隔離原理圖
光電隔離具有以下幾方面的特點(diǎn)：
① 光電耦合器的輸入阻抗很小，一般為100Ω～1kΩ之間，而干擾源內(nèi)阻則很大，通常為105～108Ω，因此能分壓到光電耦合器輸入端的噪聲很小。② 干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但能量小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，即使有很高電壓幅值的干擾，由于不能提供足夠的電流而被吸收。③ 光電耦合器是在密封條件下實(shí)現(xiàn)輸入回路和輸出回路的光耦合，不會受到外界光線的干擾。④ 輸入回路和輸出回路之間分布電容極小，一般為0.5～2pF之間，而且絕緣電阻很大，通常為1011～1012Ω，因此回路一邊的干擾很難通過光電耦合器饋送到另一邊去。
2）變壓器隔離
隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流干擾和抑制低頻干擾信號的強(qiáng)度。
3）繼電器隔離
繼電器線圈和觸點(diǎn)僅在機(jī)械上形成聯(lián)系，而沒有直接的電的聯(lián)系。繼電器線圈接受控制信號，利用其觸點(diǎn)控制和傳輸電信號，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，使得高壓交流側(cè)的干擾無法進(jìn)入低壓直流側(cè)。同時，繼電器觸點(diǎn)較多，觸點(diǎn)能承受較大的負(fù)載電流，應(yīng)用非常廣泛。
實(shí)際使用中，繼電器隔離適合開關(guān)量信號的傳輸。系統(tǒng)控制中，常用弱電開關(guān)信號控制繼電器線圈，使繼電器觸電閉合和斷開。而對應(yīng)于線圈的觸點(diǎn)，則用于傳遞強(qiáng)電回路的某些控制信號。隔離用的繼電器，主要是一般小型電磁繼電器或干簧繼電器.
2.3.2 傳輸線防干擾措施
1）傳輸線要盡可能短。
2）信號線與電源線分開配線，電源線放在有屏蔽的金屬管內(nèi)。
3）帶屏蔽層的信號線，要將屏蔽層單端接地。
4）在保證性能的前提下，把并行傳輸改成串行傳輸。
5）TTL電路負(fù)抗干擾能力比正抗干擾能力強(qiáng)，盡量用負(fù)脈沖或負(fù)電位傳輸?shù)取?/p>
2.3.3 合理的接地措施
將電路、設(shè)備機(jī)殼等與作為零電位的一個公共參考點(diǎn)（大地）實(shí)現(xiàn)低阻抗的連接，稱之謂接地。接地的目的有兩個：一、安全。二、給系統(tǒng)提供一個基準(zhǔn)電位。接地抗干擾技術(shù)主要是消除公共地線阻抗所產(chǎn)生的共阻抗耦合干擾，避免受磁場和電位差的影響，防止形成地環(huán)電流電路與其他電路產(chǎn)生耦合干擾。
1）見的接地方式有如下幾種：① 懸浮接地 系統(tǒng)的工作地線與參考大地及其他導(dǎo)體之間沒有導(dǎo)體連接，即設(shè)備懸浮，以懸浮的“地”作為系統(tǒng)的參考電位。這樣可以提供良好的電器隔離，但是容易產(chǎn)生靜電積累。② 單點(diǎn)接地 系統(tǒng)中的電路以一點(diǎn)作為參考，把這個單一的點(diǎn)連接至設(shè)備的接地系統(tǒng)。低頻時可以避免各個單元的地阻抗干擾，但高頻時，易造成單元間的相互干擾。③ 多點(diǎn)接地 所有電路的地線都是就近接地，以降低地線的阻抗，多適用于高頻電路。多點(diǎn)接地比單點(diǎn)接地簡單，但是由于接地點(diǎn)增加會導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低。④ 混合接地 是指接地形式同時包括單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地形式。
2）設(shè)計(jì)接地電路和地線時遵循以下幾點(diǎn)原則：① 交流地、直流地、模擬地、數(shù)字地必須要分開接地。② 地線應(yīng)盡量粗，如果地線很細(xì)，接地電阻就會很大，信號電平不穩(wěn)，降低電路的抗干擾能力。③ 工業(yè)控制系統(tǒng)主機(jī)和外部設(shè)備金屬屏蔽直接接地。④ 根據(jù)需要選擇合適阻值的接地電阻。⑤ 采用接地扼流圈的方法，防止地電流和高頻電流干擾。⑥ 根據(jù)工作頻率的大小，確定合適的接地形式。工作頻率小于1MHZ時使用單點(diǎn)接地。大于10MHZ時選擇多點(diǎn)接地形式。
2.4 軟件抗干擾設(shè)計(jì)
工業(yè)控制系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中工作時，干擾源不僅會影響到硬件系統(tǒng)的正常工作，還常常使系統(tǒng)的軟件運(yùn)行發(fā)生混亂。因此系統(tǒng)的抗干擾問題不能完全靠硬件去解決，軟件的抗干擾設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)重要措施。系統(tǒng)受到干擾時，可能使單片機(jī)內(nèi)部特殊功能寄存器（SFR）值改變，使程序狀態(tài)混亂；如果改變的是程序指針PC值，則會使程序進(jìn)入死循環(huán)或?qū)?shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)破壞。如果是被測信號受到干擾，則會造成測量值失真。對于程序運(yùn)行失常的軟件，對策是及時發(fā)現(xiàn)，及時引導(dǎo)程序指針指向正確位置，或系統(tǒng)復(fù)位重新開始運(yùn)行。通常采用如下措施：
2.4.1 軟件濾波
用軟件來識別有用信號和干擾信號，并濾除干擾信號的方法，稱為軟件濾波。識別信號的原則有三種：
1）時間原則。分析、掌握有用信號和干擾信號在時間上出現(xiàn)的規(guī)律性。
2）空間原則。從不同位置、用不同檢測方法、經(jīng)不同路線或不同I/O口對接收到的同一信號進(jìn)行比較，根據(jù)既定邏輯關(guān)系來判斷真?zhèn)危瑸V掉干擾信號。
3）屬性原則。有用信號往往是在一定幅值或頻率范圍的信號，當(dāng)接收的信號遠(yuǎn)離該信號區(qū)時，可通過軟件識別予以剔除。
軟件濾波的方法主要有限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、滑動平均濾波法、限幅平均濾波法、消抖濾波法、數(shù)字濾波器等。
2.4.2 軟件“陷阱”
當(dāng)程序進(jìn)入非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序回到初始狀態(tài)。如單片機(jī)的RST指令對應(yīng)字節(jié)碼為0FFH，如果在不用的程序存儲區(qū)預(yù)先寫入0FFH，則當(dāng)程序因干擾而“飛”到該區(qū)域執(zhí)行代碼時，就相當(dāng)于執(zhí)行了一條RST指令，從而達(dá)到系統(tǒng)復(fù)位的目的。實(shí)際上，新的EPROM芯片在沒寫入任何內(nèi)容前，各字節(jié)內(nèi)容均為0FFH。
2.4.3 看門狗技術(shù)
看門狗技術(shù)（watchdog timer）是一種程序監(jiān)視技術(shù)，防止程序由于干擾等原因而進(jìn)入死循環(huán)。它不斷監(jiān)測程序循環(huán)運(yùn)行的時間，若發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行時間超過最大循環(huán)運(yùn)行時間就認(rèn)為系統(tǒng)陷入死循環(huán)，然后強(qiáng)迫程序返回到已安排了出錯處理程序的入口地址，使系統(tǒng)回到主程序或程序入口正常運(yùn)行。看門狗技術(shù)可以通過硬件或者軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。
1）硬件看門狗是個特殊定時器，來監(jiān)控主程序的運(yùn)行。也就是說在主程序的運(yùn)行過程中，程序在一定時間范圍內(nèi)對定時器清零。如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來，那么定時時間到后看門狗定時器就會溢出，產(chǎn)生復(fù)位信號使單片機(jī)復(fù)位。常用硬件看門狗芯片如MAX691、MAX6316LUK29CY-T、TPS3823、MAX813L、W78E51B、X25045、X5043/X5045等。下圖為常用硬件看門狗電路設(shè)計(jì)圖。上圖為常用硬件看門狗電路設(shè)計(jì)圖。
2）軟件看門狗與硬件看門狗原理上差不多，只不過是采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)這個功能。利用單片機(jī)片內(nèi)定時器的計(jì)數(shù)器單元作為看門狗，在單片機(jī)程序中適當(dāng)?shù)夭迦搿拔构贰敝噶睿?dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)異常或進(jìn)入死循環(huán)時，利用軟件將程序計(jì)數(shù)器PC賦予初始值，強(qiáng)制程序重新開始運(yùn)行。
以MCS-51系列單片機(jī)為例，晶振頻率為12MHz，定時器T0工作在方式1，根據(jù)定時時間ams，設(shè)定定時器T0的初值應(yīng)設(shè)為TH0=0xxH、TL0=0yyH，下面為軟件門狗常用匯編語言程序：
3 總結(jié)
工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，存在各種各樣的干擾。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，必須對環(huán)境做全面的分析，確定干擾的來源、性質(zhì)。采取相應(yīng)的措施和方法來加以解決，設(shè)計(jì)者應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)資源、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多方面因素，合理制定工業(yè)控制系統(tǒng)方案，提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比，保證工業(yè)控制系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
[1]何立民，《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編》，北京航空航天大學(xué)出版社，1993.12.
如今我國工業(yè)迎來全新改革發(fā)展機(jī)遇，特別是網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通信技術(shù)支持使得工業(yè)自動化控制目標(biāo)得到全方位的貫徹落實(shí)。筆者的任務(wù)便是針對網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)特性，其在工業(yè)控制期間的適用問題，以及日后網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通信技術(shù)的控制要點(diǎn)等內(nèi)容，加以有序論證。
關(guān)鍵詞：
網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時通信；工業(yè)控制；自動化
結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)整理論證，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通信技術(shù)貫穿融入工業(yè)自動化生產(chǎn)空間之后，有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的不同工序流程得到一定程度的技術(shù)積累并且呈現(xiàn)出愈加可觀的改革發(fā)展趨勢。不過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通信技術(shù)目前仍舊存在一定的漏洞，如若想要確保今后在工業(yè)領(lǐng)域愈加自然可靠地沿用，并且順勢帶動自動化發(fā)展進(jìn)程，就必須預(yù)先制定出合理的革新調(diào)試方案。
1網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特性
如今網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)開始在我國各類產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域之中融入，不過因?yàn)槠渲鲝堁赜肅SMA/CD協(xié)議進(jìn)行相關(guān)介質(zhì)訪問，使得該類技術(shù)不可避免地呈現(xiàn)出實(shí)時和確定性不理想的狀況。如帶有沖突檢測的載波在針對多路訪問現(xiàn)象進(jìn)行動態(tài)化監(jiān)察與發(fā)送報(bào)文過程中，一旦說遭遇網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過于繁忙的狀況，要持續(xù)到空閑狀態(tài)再予以監(jiān)聽。可與之相互矛盾的是，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文期間，仍需同步承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)整體監(jiān)聽的重大任務(wù)，像這樣持續(xù)到網(wǎng)絡(luò)重新空閑時再發(fā)送報(bào)文，不單單會全面增加數(shù)據(jù)信息傳輸消耗的時間，嚴(yán)重情況下會直接發(fā)生無法順利傳送的現(xiàn)象。以上結(jié)果充分表現(xiàn)出當(dāng)前我國網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)行確定和實(shí)時性不佳的狀況。
2現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的適用問題
網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)無法提供電源，因此在工業(yè)環(huán)境中沿用期間，需要額外提供電纜等輔器具進(jìn)行供電，可歸根結(jié)底來講，以太網(wǎng)自身也并非完全安全的系統(tǒng)。正如前面內(nèi)容強(qiáng)調(diào)，以太網(wǎng)沿用的是CSMA/CD協(xié)議的介質(zhì)訪問模式，這類技術(shù)模式不單單難以全方位迎合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)時性控制需求，并且存在嚴(yán)重的不確定特性。須知以太網(wǎng)開發(fā)設(shè)計(jì)的初衷，就是在辦公室和商業(yè)領(lǐng)域之中調(diào)試現(xiàn)場總線之間不兼容等挑戰(zhàn)困境基礎(chǔ)上，為各類公司控制器之間數(shù)據(jù)高速實(shí)時化傳輸提供保障。相比之下，在工業(yè)自動化領(lǐng)域之中應(yīng)用，則存在許多有待解決的問題。
3新時代下網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的合理化應(yīng)用措施
面對以太網(wǎng)本身的不確定性和工業(yè)環(huán)境不適應(yīng)性等消極狀況，有關(guān)工作人員必須盡快予以解決。畢竟唯獨(dú)在實(shí)時性的通信網(wǎng)絡(luò)條件支持下，有關(guān)生產(chǎn)現(xiàn)場中的相關(guān)設(shè)備故障信息才會在第一時間內(nèi)精準(zhǔn)地傳輸?shù)缴霞墶Ｖ劣诠I(yè)自動化領(lǐng)域中沿用網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通信技術(shù)的具體細(xì)節(jié)則表現(xiàn)為：
3.1借助網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷持續(xù)降低途徑改善數(shù)據(jù)信息傳輸速率
須知以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沖突概率，往往和數(shù)據(jù)通信量維持正比例關(guān)系，就是說當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不存在過多的數(shù)據(jù)通信現(xiàn)象時，涉及報(bào)文沖突的概率自然就會得到合理程度地降低。而諸多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)通信負(fù)荷被控制在25以下期間，網(wǎng)絡(luò)通信過程基本上能夠維持暢通效果；而當(dāng)負(fù)荷維持在5以內(nèi)時，則能夠全面規(guī)避報(bào)文發(fā)送的沖突狀況。相比之下，在工業(yè)控制活動中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷維持在10以內(nèi)期間，部分人員可能認(rèn)為當(dāng)中的報(bào)文沖突可以成功規(guī)避，可現(xiàn)實(shí)往往不遂人愿。雖然說沖突概率不是很高，但網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷如若低于一定數(shù)值指標(biāo)，將會不利于網(wǎng)絡(luò)寬帶的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用結(jié)果。
3.2配合交換機(jī)提高網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的寬帶
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的核心控制媒介，主要是共享形式的集線器，不管透過功能或是結(jié)構(gòu)角度審視，該類集線器都?xì)w屬于物理層的中繼器。所以，如若想要將站點(diǎn)銜接到共享式集線器并保證共享一個寬帶，并且確保能夠順利地發(fā)送和接收相關(guān)數(shù)據(jù)時，就必須全面以太網(wǎng)預(yù)設(shè)的介質(zhì)訪問模式CSMA/CD協(xié)議。需要注意的是，以太網(wǎng)交換機(jī)作為一類保留多個端口的開關(guān)矩陣，在受控過程中不同端口的數(shù)據(jù)信息流都維持相對隔離的狀態(tài)，唯獨(dú)在相同端口傳送的信息流才會發(fā)生沖突跡象。換句話說，當(dāng)下單位端口都可視為一個沖突域，所以可以借助網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷予以測試演算，或是配合交換機(jī)工作原理將網(wǎng)絡(luò)加以分割處理。分割各類端口并且衍生出多個數(shù)據(jù)通道之后，不同端口上的數(shù)據(jù)，不管是輸入或是輸出，就不會再過度承受網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模式CSMA/CD協(xié)議的約束，進(jìn)一步貫徹落實(shí)網(wǎng)絡(luò)通信不同站點(diǎn)寬帶提升的目標(biāo)。不過該類模式需要投入較多數(shù)量的附加成本，特別是在現(xiàn)場儀表之中沿用期間，有關(guān)數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)程序，也會遺留顯著的延遲和不確定隱患，所以日后還須技術(shù)人員多多地加以改良優(yōu)化。
4結(jié)語
綜上所述，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的持續(xù)革新發(fā)展，有關(guān)其在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用融合進(jìn)程、質(zhì)量，也需要予以同步改善，其中最需要注意的問題便是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不確定和非實(shí)時性。而筆者在此闡述論證的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷降低、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率提升，以及借助網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)來提升內(nèi)部單位站點(diǎn)寬帶等方案，都可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)通信在工業(yè)自動化中應(yīng)用的不確定和實(shí)時性不高問題。相信經(jīng)過持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)之后，勢必能夠令工業(yè)控制行業(yè)贏啦愈加美好的發(fā)展前景。
作者：趙新亞 單位：沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院
參考文獻(xiàn)：
[1]李云歡.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)可靠性研究及實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.
[2]胡增云.基于無線技術(shù)的生產(chǎn)線異常停線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢輕工大學(xué)，2013.
關(guān)鍵詞：W77E58單片機(jī) 智能化 工業(yè)控制
1. 系統(tǒng)概述
控制系統(tǒng)是由單片機(jī)、液晶顯示模塊、鍵盤、控制電路等組成，主要功能是單片機(jī)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)時采集設(shè)備腔體內(nèi)的溫度來控制壓縮機(jī)的起停，使溫度保持在一特定的范圍內(nèi)，壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與腔體溫度均由單片機(jī)通過串口送往液晶顯示器，在其上進(jìn)行顯示。這種技術(shù)現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛，如冰箱、空調(diào)等很多電器都是采用這種技術(shù)。本文重點(diǎn)論述了串行通訊系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)、串口通訊軟件實(shí)現(xiàn)及控制功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。
2. 串行通訊接口系統(tǒng)
由于本控制系統(tǒng)需要兩個串口，所以選用WINBOND公司的W77E58這款單片機(jī)，它內(nèi)含2個增強(qiáng)型串口和32KB大容量Flash存儲器，指令集與51系列單片機(jī)完全兼容。
本控制系統(tǒng)中有壓縮機(jī)，大功率的電機(jī)等設(shè)備，容易產(chǎn)生干擾。由于RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，具有抑制共模干擾的能力，傳輸距離長，可用于惡劣環(huán)境中，所以W77E58的串口0與串口1均采用RS485接口，通過SN75176與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，采用一問一答的主從機(jī)制，用相互約定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，來控制整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。W77E58單片機(jī)其串口增強(qiáng)型特征在于特有的地址自動識別和幀出錯診斷功能。需要注意的是，串口0可以使用定時器T1或定時器T2作為波特率發(fā)生器；而串口1只能使用定時器T1作為其波特率發(fā)生器，所以本例使用單片機(jī)的定時器1作為波特率發(fā)生器，波特率根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。本例中波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。
3. 串口通訊軟件實(shí)現(xiàn)
W77E58串行口是可編程接口，對它初始化編程只需對特殊功能寄存器SCON、SCON1和電源控制寄存器PCON寫入相應(yīng)的控制字即可。本例是用C51語言對單片機(jī)串口進(jìn)行初始化，程序如下：
TMOD=0x25； 定時器0為模式1方式的16位計(jì)數(shù)器
PCON=0x00；
TL1=0xfd； 晶振為11.059MHZ，定時器1做波特率發(fā)生器
TH1=0xfd；
TF1=0； TR1=1；
RI=0； TI=0；
RI1=0； TI1=0；
SCON=0x48； 數(shù)據(jù)格式為：8數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，1位停止位。
SCON1=0x48；
T2CON=0x04；
ES1=0； 串口1禁止中斷
ES0=0； 串口0禁止中斷
與控制系統(tǒng)通訊是通過串口0發(fā)送數(shù)據(jù)的，串口0發(fā)送數(shù)據(jù)程序如下：
void SendCharToSeries0（unsigned char byte）
{ TI=0；
SBUF= byte；
while （！TI）；
}
其中的byte就是所要發(fā)送的具體字節(jié)內(nèi)容。如果某一指令有15個字節(jié)，則要連續(xù)執(zhí)行這段發(fā)送程序15次，用具體的發(fā)送字節(jié)替換byte。例如設(shè)置控制系統(tǒng)的加速時間，數(shù)據(jù)串為a5 30 31 31 02 58 00 6a 0d，數(shù)據(jù)串是根據(jù)具體的協(xié)議內(nèi)容而定的，這一數(shù)據(jù)串中數(shù)據(jù)頭為0xa5、0x 30、0x 31，0x02、0x58為數(shù)據(jù)內(nèi)容即加速時間，0x00、0x6a為CRC檢驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)結(jié)尾是0x0d，調(diào)用上面的發(fā)送函數(shù)將這串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送。
當(dāng)控制系統(tǒng)接收到這一串?dāng)?shù)據(jù)之后也要進(jìn)行CRC檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)之后與所接收到CRC檢驗(yàn)碼一致，說明接收的數(shù)據(jù)正確，否則舍棄這一數(shù)據(jù)。在進(jìn)行串口通訊時，為了確保發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，最好采用CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）校驗(yàn)，編碼和解碼方法簡單，檢錯和糾錯能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現(xiàn)差錯控制。CRC的算法如下：
void getcrccode （unsigned char tmpbyte[]，unsigned char length）
{ unsigned char aaa，i；
unsigned int crc；
crc=0xffff；
for （aaa=0；aaa
{ tmpbyte[length]=crc % 256；
tmpbyte[length+1]=crc / 256；
tmpbyte[length]=tmpbyte[length] ^ tmpbyte[aaa]；
crc=tmpbyte[length+1]* 256+tmpbyte[length]；
for （i=1；i
{ if （crc & 0x0001）
{ crc=crc >> 1；
crc=crc & 0x7fff；
crc=crc^0xa001；
}
else
{ crc=crc>>1；
crc=crc&0x7fff；
}
}
}
tmpbyte[length]=crc % 256；
tmpbyte[length+1]=crc / 256；
}
以上是有多個字節(jié)進(jìn)行CRC校驗(yàn)的通用程序代碼，在產(chǎn)品中已經(jīng)得到應(yīng)用。CRC是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，掌握CRC的算法與實(shí)現(xiàn)方法，在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、通信協(xié)議的分析以及軟件保護(hù)等諸多方面，能發(fā)揮很大的作用。
讓數(shù)據(jù)在液晶顯示器上顯示是按照約定的協(xié)議通過串口1向液晶顯示器發(fā)送數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，發(fā)送與接收均采用CRC檢驗(yàn)，確保在液晶顯示器上所顯示的內(nèi)容正確無誤。串口1發(fā)送數(shù)據(jù)程序如下：
void SendCharToSeries1（unsigned char byte）
{ TI1=0；
SBUF1=byte；
while （！TI1）；
}
4. 控制功能
單片機(jī)有多個I/O口，通過這些I/O口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及對設(shè)備的控制。本控制系統(tǒng)主要包括兩個方面，第一是溫度傳感器經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)從I/O口讀入數(shù)值，經(jīng)過計(jì)算便得到實(shí)際的溫度值，將這一溫度值實(shí)時顯示，并且通過溫度來控制壓縮機(jī)的起停，使機(jī)器的腔體溫度在一定的范圍；第二是通過單片機(jī)的計(jì)數(shù)器讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用變頻器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)保持在一定的速度范圍之內(nèi)，進(jìn)而使風(fēng)速恒定。
5. 鍵盤
本系統(tǒng)鍵盤是非編碼的，采用單片機(jī)的I/O口組成3X4矩陣，矩陣鍵盤減少了I/O的占用，在需要的鍵數(shù)比較多且單片機(jī)資料夠用時，采用矩陣法是很合理的。本例中用P2.0、P2.1、P2.2、P2.3作為行線，每個口上均接入一個10K的上拉電阻，P2.4、P2.5、P2.6作為列線，鍵盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。
判斷鍵盤中有無鍵按下，將全部行線P2.0-P2.3置高電平，再分別置P2.4、P2.5、P2.6為低電平，然后檢測行線的狀態(tài)。如果行線中出現(xiàn)了低電平，則說明有鍵被按下，再根據(jù)自己定義的鍵盤功能去處理就可以了。
6. 結(jié)束語
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，軟硬件自動故障診斷，使系統(tǒng)具有高可靠性和高實(shí)時性。我公司生產(chǎn)的高速冷凍離心機(jī)就是采用這種控制方式，產(chǎn)品已投入生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞:工業(yè)控制系統(tǒng);行為審計(jì);智能分析;信息安全
引言
伴隨著工業(yè)化和信息化融合發(fā)展,大量IT技術(shù)被引入現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng).網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算設(shè)備、操作系統(tǒng)、嵌入式平臺等多種IT技術(shù)在工控系統(tǒng)中的遷移應(yīng)用已經(jīng)司空見慣.然而,工控系統(tǒng)與IT系統(tǒng)存在本質(zhì)差異,差異特質(zhì)決定了工控系統(tǒng)安全與IT系統(tǒng)安全不同.(1)工控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是監(jiān)視和控制工業(yè)過程,主要是和物理世界互動,而IT系統(tǒng)主要用于與人的交互和信息管理.電力配網(wǎng)終端可以控制區(qū)域電力開關(guān),類似這類控制能力決定了安全防護(hù)的效果.(2)常規(guī)IT系統(tǒng)生命周期往往在5年左右,因此系統(tǒng)的遺留問題一般都較小.而工控系統(tǒng)的生命周期通常有8~15年,甚至更久,遠(yuǎn)大于常規(guī)IT系統(tǒng),對其遺留的系統(tǒng)安全問題必須重視.相關(guān)的安全加固投入涉及到工業(yè)領(lǐng)域商業(yè)模式的深層次問題(如固定資產(chǎn)投資與折舊).(3)工控系統(tǒng)安全遵循SRA(Safety、Reliability和AGvailability)模型,與IT系統(tǒng)的安全模型CIA(ConfidentialGity、Integrity和Availability)迥異.IT安全的防護(hù)機(jī)制需要高度的侵入性,對系統(tǒng)可靠性、可用性都有潛在的重要影響.因此,現(xiàn)有的安全解決方案很難直接用于工控系統(tǒng),需要深度設(shè)計(jì)相關(guān)解決方案,以匹配工控系統(tǒng)安全環(huán)境需求[1G2].
1工控系統(tǒng)安全威脅及成因
工業(yè)控制系統(tǒng)安全威脅主要有以下幾個方面[3G5]:(1)工業(yè)控制專用協(xié)議安全威脅.工業(yè)控制系統(tǒng)采用了大量的專用封閉工控行業(yè)通信協(xié)議,一直被誤認(rèn)為是安全的.這些協(xié)議以保障高可用性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為首要目的,缺乏安全性考慮,一旦被攻擊者關(guān)注,極易造成重大安全事件.(2)網(wǎng)絡(luò)安全威脅.TCP/IP協(xié)議等通用協(xié)議與開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)引入工控系統(tǒng),使得開放的工業(yè)控制系統(tǒng)面臨各種各樣的網(wǎng)絡(luò)安全威脅[6G7].早期工業(yè)控制系統(tǒng)為保證操作安全,往往和企業(yè)管理系統(tǒng)相隔離.近年來,為了實(shí)時采集數(shù)據(jù),滿足管理需求,工業(yè)控制系統(tǒng)通過邏輯隔離方式與企業(yè)管理系統(tǒng)直接通信,而企業(yè)管理系統(tǒng)一般連接Internet,這種情況下,工業(yè)控制系統(tǒng)接入的范圍不僅擴(kuò)展到了企業(yè)網(wǎng),而且面臨來自Internet的威脅.在公用網(wǎng)絡(luò)和專用網(wǎng)絡(luò)混合的情況下,工業(yè)控制系統(tǒng)安全狀態(tài)更加復(fù)雜.(3)安全規(guī)程風(fēng)險(xiǎn).為了優(yōu)先保證系統(tǒng)高可用性而把安全規(guī)程放在次要位置,甚至犧牲安全來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率,造成了工業(yè)控制系統(tǒng)常見的安全隱患.以介質(zhì)訪問控制策略為代表的多種隱患時刻威脅著工控系統(tǒng)安全.為實(shí)現(xiàn)安全管理制定符合需求的安全策略,并依據(jù)策略制定管理流程,是確保ICS系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的重要保障.(4)操作系統(tǒng)安全威脅.工業(yè)控制系統(tǒng)有各種不同的通用操作系統(tǒng)(Window、Linux)以及嵌入式OS,大量操作系統(tǒng)版本陳舊(Win95、Winme、Win2K等).鑒于工控軟件與操作系統(tǒng)補(bǔ)丁存在兼容性問題,系統(tǒng)上線和運(yùn)行后一般不會對平臺打補(bǔ)丁,導(dǎo)致應(yīng)用系統(tǒng)存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn).(5)終端及應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn).工業(yè)控制系統(tǒng)終端應(yīng)用大多固定不變,系統(tǒng)在防范一些傳統(tǒng)的惡意軟件時,主要在應(yīng)用加載前檢測其完整性和安全性,對于層出不窮的新型攻擊方式和不斷改進(jìn)的傳統(tǒng)攻擊方式,采取這種安全措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能為終端提供安全保障.因此,對靜態(tài)和動態(tài)內(nèi)容必須進(jìn)行安全完整性認(rèn)證檢查.
2審計(jì)方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)
2．1系統(tǒng)總體架構(gòu)
本方案針對工控系統(tǒng)面臨的五大安全威脅,建立了基于專用協(xié)議識別和異常分析技術(shù)的安全審計(jì)方案,采用基于Fuzzing的漏洞挖掘技術(shù),利用海量數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)的異常行為監(jiān)測和安全事件智能分析,實(shí)現(xiàn)安全可視化,系統(tǒng)框架如圖1所示.電力、石化行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)行為審計(jì),主要對工業(yè)控制系統(tǒng)的各種安全事件信息進(jìn)行采集、智能關(guān)聯(lián)分析和軟硬件漏洞挖掘,實(shí)現(xiàn)對工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行安全評估及安全事件準(zhǔn)確定位的目的[8G9].審計(jì)系統(tǒng)采用四層架構(gòu)設(shè)計(jì),分別是數(shù)據(jù)采集層、信息數(shù)據(jù)管理層、安全事件智能分析層和安全可視化展示層.其中數(shù)據(jù)采集層通過安全、鏡像流量、抓取探測等方式,監(jiān)測工控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的服務(wù)日志、通信會話和安全事件.多層部署采用中繼隔離方式單向上報(bào)采集信息,以適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.信息數(shù)據(jù)管理層解析MODBUS、OPC、Ethernet/IP、DNP3、ICCP等各種專用協(xié)議,對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲,優(yōu)化存儲結(jié)構(gòu)和查詢效率,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)層可伸縮性和可擴(kuò)展性.智能分析層通過對異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理,采用安全事件關(guān)聯(lián)分析和安全數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),審計(jì)工控系統(tǒng)應(yīng)用過程中的協(xié)議異常和行為異常.安全綜合展示層,對安全審計(jì)結(jié)果可視化,呈現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件,標(biāo)識安全威脅,并對工業(yè)控制系統(tǒng)安全趨勢作出預(yù)判.
2．2審計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)
2．2．1專用協(xié)議識別和異常分析技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各種常見協(xié)議智能化識別,并且重組恢復(fù)通信數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上分析協(xié)議數(shù)據(jù)語義,進(jìn)而識別出各種通信會話和系統(tǒng)事件,最終達(dá)到審計(jì)目的[10G11].2．2．2核心組件脆弱性及漏洞挖掘技術(shù)基于Fuzzing的漏洞挖掘技術(shù),實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)核心組件軟硬件漏洞挖掘,及時發(fā)現(xiàn)并規(guī)避隱患,使之適應(yīng)當(dāng)前的安全環(huán)境.Fuzzing技術(shù)將隨機(jī)數(shù)據(jù)作為測試輸入,對程序運(yùn)行過程中的任何異常進(jìn)行檢測,通過判斷引起程序異常的隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)一步定位程序缺陷[12－14]通用漏洞挖掘技術(shù)無法完全適應(yīng)工控系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的特殊性,無法有效挖掘漏洞,部分漏洞掃描軟件還會對工控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)造成破壞,使工控系統(tǒng)癱瘓.本文結(jié)合電力、石化行業(yè)工控系統(tǒng)特點(diǎn),研究設(shè)計(jì)了工控行業(yè)專用Fuzzing漏洞挖掘技術(shù)和方法,解決了漏洞探測技術(shù)的安全性和高效性問題,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制協(xié)議(OPC/Modbus/Fieldbus)和通用協(xié)議(IRC/DHCP/TCP)等漏洞Fuzzing工具、應(yīng)用程序的FileFzzinug、針對ActiveX的COMRaidGer和AxMan、操作系統(tǒng)內(nèi)核的Fuzzing工具應(yīng)用,構(gòu)建了通用、可擴(kuò)展的Fuzzing框架,涵蓋多種ICS系統(tǒng)組件.ICS系統(tǒng)測試組件眾多,具有高度自動化的Fuzzing漏洞挖掘系統(tǒng)可以大大提高漏洞挖掘效率.生成的測試用例既能有效擴(kuò)展Fuzzing發(fā)現(xiàn)漏洞的范圍,又可避免產(chǎn)生類似于組合測試中常見的狀態(tài)爆炸情況[15].采用模塊(Peach、Sulley)負(fù)責(zé)監(jiān)測對象異常,實(shí)現(xiàn)并行Fuzzing以提高運(yùn)行效率;還可以將引擎和分離,在不同的機(jī)子上運(yùn)行,用分布式應(yīng)用程序分別進(jìn)行Fuzzing測試.2．2．3異常行為檢測技術(shù)針對工控系統(tǒng)的異常行為檢測,本方案采用海量數(shù)據(jù)和長效攻擊行為關(guān)聯(lián)分析技術(shù),內(nèi)容如下:(1)建立工業(yè)控制系統(tǒng)環(huán)境行為架構(gòu),檢查當(dāng)前活動與正常活動架構(gòu)預(yù)期的偏離程度,由此判斷和確認(rèn)入侵行為,診斷安全事件.(2)研究行為異常的實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時在線分析技術(shù),縮短行為分析時間,快速形成分析報(bào)告.(3)基于DPI技術(shù),對網(wǎng)絡(luò)層異常行為安全事件進(jìn)行檢測分析.基于海量數(shù)據(jù)處理平臺實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的深度實(shí)時/離線分析,從而有效監(jiān)測工控設(shè)備的異常流量,進(jìn)而有效監(jiān)測多種網(wǎng)絡(luò)攻擊行為[16].(4)應(yīng)用層異常行為檢測.應(yīng)用層異常行為安全事件檢測圍繞工業(yè)控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用展開,該功能基于應(yīng)用層數(shù)據(jù)收集結(jié)果進(jìn)行,支持運(yùn)行狀態(tài)分析檢測、指令篡改分析檢測、異常配置變更分析檢測等.(5)系統(tǒng)操作異常行為安全事件檢測.系統(tǒng)攻擊檢測基于海量日志分析技術(shù)進(jìn)行,在檢測整個系統(tǒng)安全狀態(tài)的同時,以大規(guī)模系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為模型,發(fā)掘出有悖于系統(tǒng)正常運(yùn)行的各種信息,支持系統(tǒng)安全事件反向查詢,并詳細(xì)描述系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡,為系統(tǒng)攻擊防范提供必要信息.(6)異常行為安全事件取證.基于安全檢測平臺所提供的多維度多時段網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)信息進(jìn)行異常行為安全事件取證,有效支持對單點(diǎn)安全事件的獲取,達(dá)到安全事件單時段、多時段、分時段提取,進(jìn)而支撐基于事實(shí)數(shù)據(jù)的安全取證功能.2．2．4安全事件智能分析技術(shù)方案把工業(yè)控制系統(tǒng)海量安全事件的智能關(guān)聯(lián)分析、安全評估、事件定位及回溯相關(guān)分析技術(shù)應(yīng)用于分析系統(tǒng),并且基于不同的粒度進(jìn)行安全態(tài)勢預(yù)警.(1)安全事件聚合.采用聚類分析模型,將數(shù)據(jù)分析后的IDS、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生的大量重復(fù)或相似的安全事件進(jìn)行智能聚合,并設(shè)計(jì)不同條件進(jìn)行歸并,從而將大量重復(fù)的無用信息剔除,找到安全事件發(fā)生的本質(zhì)原因.(2)安全事件關(guān)聯(lián).系統(tǒng)將安全事件基于多個要素進(jìn)行關(guān)聯(lián),包括將同源事件、異源事件、多對象信息進(jìn)行關(guān)聯(lián),從而在多源數(shù)據(jù)中提取出一系列相關(guān)安全事件序列,通過該安全事件序列,對事件輪廓進(jìn)行詳細(xì)刻畫,充分了解攻擊者的攻擊手段和攻擊步驟,從而為攻擊防范提供知識準(zhǔn)備[17].2．2．5安全可視化安全可視化是一項(xiàng)綜合展現(xiàn)技術(shù),其核心是為用戶提供工控系統(tǒng)安全事件審計(jì)全局視圖,進(jìn)行安全狀態(tài)追蹤、監(jiān)控和反饋,為決策者提供準(zhǔn)確、有效的參考信息,并在一定程度上減小制定決策所花費(fèi)的時間和精力,盡可能減少人為失誤,提高整體管理效率.安全可視化包括報(bào)表、歷史分析、實(shí)時監(jiān)控、安全事件、安全模型5大類.其中,歷史分析包括時序分析、關(guān)聯(lián)圖、交互分析和取證分析.實(shí)時監(jiān)控重點(diǎn)通過儀表盤來表現(xiàn).
3安全事件評估
通過以上安全應(yīng)用分析,能夠?qū)Π踩录纬蓮狞c(diǎn)到面、多視角的分析結(jié)果,對安全事件帶來的影響進(jìn)行分級,包括高危級、危險(xiǎn)級、中級、低級4個級別,使網(wǎng)絡(luò)管理者更好地將精力集中于解決對網(wǎng)絡(luò)安全影響較大的問題.
4安全態(tài)勢預(yù)警
為對網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢進(jìn)行全面評估,建立如圖3所示的全方位多層次異角度的安全態(tài)勢評估基本框架,分別進(jìn)行更為細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估,評估內(nèi)容如下:(1)基于專題層次的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢評估.評估各具體因素,這些具體因素都會不同程度影響工業(yè)控制系統(tǒng)安全,根據(jù)威脅內(nèi)容分為資產(chǎn)評估、威脅評估、脆弱性評估和安全事件評估4個模塊,每個模塊根據(jù)評估范圍分為3種不同粒度.威脅評估包含了單個威脅評估、某一類威脅評估和整個網(wǎng)絡(luò)威脅狀況評估3種不同粒度的安全分析.(2)基于要素層次的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢評估.全方位對安全要素程度進(jìn)行評估,體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各安全要素重要程度,包括保密性評估、完整性評估以及可用性評估.(3)基于整體層次的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢評估.綜合評估工業(yè)控制系統(tǒng)安全狀況,對不同層次采用不同方法進(jìn)行評估.采用基于隱Markov模型、Markov博弈模型和基于指數(shù)對數(shù)分析的評估技術(shù),對安全態(tài)勢的3個安全要素進(jìn)行評估,評估所有與態(tài)勢值相關(guān)的內(nèi)容;基于指數(shù)對數(shù)分析評估技術(shù),實(shí)現(xiàn)由單體安全態(tài)勢得到整體安全態(tài)勢,具體參數(shù)根據(jù)不同目的和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置.
5工業(yè)控制系統(tǒng)審計(jì)方案部署
本項(xiàng)目要符合電力、石化行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)特點(diǎn),提供高可用、可擴(kuò)展和高性能解決方案.系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、安全審計(jì)分析服務(wù)器等核心組件,如圖4、圖5所示.(1)數(shù)據(jù)采集器是工業(yè)控制系統(tǒng)的末梢單元,是審計(jì)系統(tǒng)與工業(yè)控制各種設(shè)備、終端的信息接口.數(shù)據(jù)采集器數(shù)量依據(jù)工控終端規(guī)模進(jìn)行分布式動態(tài)擴(kuò)展.特定工控采集環(huán)境下,硬件數(shù)據(jù)采集器輔助探針軟件協(xié)同工作.(2)數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器用以存儲采集和分析計(jì)算處理后的海量數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器以彈性擴(kuò)展集群方式組成海量數(shù)據(jù)存儲平臺.(3)安全審計(jì)分析服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、安全事件分析、漏洞挖掘等高性能安全計(jì)算和結(jié)果展示,是審計(jì)系統(tǒng)的計(jì)算中心.
6結(jié)語
【關(guān)鍵詞】攻擊圖 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò) 安全隱患 實(shí)現(xiàn)
工業(yè)控制系統(tǒng)影響著各行各業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行，被廣泛的應(yīng)用于水利系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、化工生產(chǎn)系統(tǒng)、制造行業(yè)和大型的制造企業(yè)的自動化控制領(lǐng)域中，在實(shí)際的使用過程中，主要是依靠工業(yè)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)轉(zhuǎn)，在各個領(lǐng)域中占據(jù)重要位置。工業(yè)控制系統(tǒng)與辦公管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一體化集成，為數(shù)據(jù)交流提供了便利，通過與辦公網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，共同組成了工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。本文對攻擊圖的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全隱患進(jìn)行分析。
1 基于攻擊圖的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在對攻擊圖的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全隱患進(jìn)行分析時，需要充分開發(fā)工控系統(tǒng)攻擊圖隱患分析工具，主要包括原子攻擊規(guī)則生成模塊、工控系統(tǒng)主機(jī)連接信息采集模塊和工控系統(tǒng)圖生成模塊等。該項(xiàng)工具在使用過程中主要是運(yùn)用人工手動輸入來實(shí)現(xiàn)，通過對各模塊進(jìn)行分析，進(jìn)而得出清晰直觀的主機(jī)攻擊圖。攻擊圖生成模塊需要輸入相關(guān)的攻擊圖腳本，對攻擊圖模塊進(jìn)行可視化展示，確保展示效果具有清晰直觀性特點(diǎn)。工控系統(tǒng)攻擊圖分析工具系統(tǒng)中主要包括工控系統(tǒng)隱患分析、原子攻擊規(guī)則生成、工控系統(tǒng)攻擊圖生成、攻擊圖可視化展示等方面的模塊。在運(yùn)用工控系統(tǒng)攻擊圖對安全隱患進(jìn)行分析時，主要分為挖掘系統(tǒng)漏洞，（挖掘系統(tǒng)漏洞包括緩沖區(qū)溢出、程序不按計(jì)劃運(yùn)行、插入惡意代碼）、系統(tǒng)配置掃描、仿真平臺配置輸入、攻擊圖隱患分析、安全分析與加固建議和系統(tǒng)隱患消除六個流程狀況，在實(shí)際的運(yùn)用過程中存在密切的邏輯關(guān)系。
1.2 基于層的攻擊圖生成模塊設(shè)計(jì)
為了給人們展示出直觀清晰的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖赡K，將其分成不同的區(qū)域，對網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行簡化，增加繪制網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的功能。該種做法能夠給用戶提供清晰和直觀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾恚瑸榛趯拥墓魣D提供信息配置功能，為了方便人們的使用，在用戶界面設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)區(qū)域功能按鈕，對不同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域使用不同的顏色進(jìn)行填充，并用不同的區(qū)域名稱進(jìn)行標(biāo)記。如果設(shè)備從一個區(qū)域轉(zhuǎn)移到另外一個區(qū)域時，設(shè)備的區(qū)域?qū)傩砸矔S之發(fā)生相應(yīng)的改變。
基于層的攻擊圖生成模塊主要設(shè)計(jì)方法為，攻擊圖的正向生成算法主要是由攻擊源發(fā)起的，主要用于分析已知攻擊源所在的位置，明確哪些主機(jī)會對攻擊源的正常工作造成威脅，能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的保護(hù)。基于層的攻擊圖生成算法在實(shí)際的使用過程中主要是利用工控網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，需要對復(fù)雜的工控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行按層計(jì)算，進(jìn)而生成攻擊圖網(wǎng)絡(luò)。
攻擊圖網(wǎng)絡(luò)圖的生成主要以MulVAL為工具，MulVAL是“多主機(jī)、多階段漏洞分析”，是堪薩斯州大學(xué)的一個開源項(xiàng)目，主要是運(yùn)用邏輯編程語言Datalog來描述網(wǎng)絡(luò)元素和安全聯(lián)動情況，MulVAL的分析工具輸入主要包括主機(jī)配置、漏洞通告、網(wǎng)絡(luò)配置等，輸出為PDF或TXT格式描述的攻擊圖。但是該攻擊圖的節(jié)點(diǎn)不是主機(jī)，節(jié)點(diǎn)的類型主要包括：棱形的權(quán)限節(jié)點(diǎn)、圓形的攻擊步驟節(jié)點(diǎn)和矩形的配置信息節(jié)點(diǎn)。MulVAL作為命令行工具，能夠?qū)崿F(xiàn)對漏洞庫文件的優(yōu)化配置，轉(zhuǎn)換OVAL/Nessus漏洞報(bào)告，生成攻擊圖。MulVAL工具生成的攻擊圖例子如圖1所示。
1.3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集模塊設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集模塊主要是對攻擊圖生成算法進(jìn)行服務(wù)的模塊，在使用前需要明確網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息狀態(tài)，按照合理的方法對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行有效連接，對網(wǎng)絡(luò)層次信息進(jìn)行合理劃分，明確網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)備上存在的漏洞信息，例如，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息輸入格式文件，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層次劃分方式，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本信息輸入方式和網(wǎng)絡(luò)威脅信息輸入方式等。明確攻擊主機(jī)的所在位置，對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息采集模塊進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。首先，在對網(wǎng)絡(luò)連接輸入方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時，主要的連接信息包括服務(wù)器、交換機(jī)、防火墻、PC機(jī)、集線器和現(xiàn)場設(shè)備等。需要明確設(shè)備間鏈路的具體連接情況，結(jié)合實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰孕羞x擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在已有模塊的基礎(chǔ)上對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保路由器和防火墻配置的合理性。其次，在對網(wǎng)絡(luò)的層次進(jìn)行劃分時，需要采用矩形框來對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行分層，通過雙擊矩形對話框，對話框中的設(shè)備進(jìn)行合理配置。最后，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息進(jìn)行配置時，需要明確設(shè)備操作系統(tǒng)的版本、設(shè)備上的具體服務(wù)信息和設(shè)備在運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的漏洞信息，防止漏洞程序和作用對漏洞造成的威脅。
2 工業(yè)控制系統(tǒng)安全隱患分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2.1 攻擊圖生成算法的實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)對工業(yè)控制系統(tǒng)安全隱患的分析，主要找到IT工控網(wǎng)層中的可攻擊到的所有主機(jī)，由列表頭對主機(jī)發(fā)起攻擊，列表尾可以攻擊到最后的主機(jī)。在對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算時，需要防止攻擊路徑出現(xiàn)重復(fù)性，對所有攻擊路徑列表中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪除，防止出現(xiàn)無效攻擊路徑。在辦公層生成時，需要辦公層節(jié)點(diǎn)分為辦公層與IT層的邊界主機(jī)、辦公層內(nèi)主機(jī)和辦公層與工控層邊界主機(jī)三種。
2.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集模塊的實(shí)現(xiàn)
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)連接信息配置技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
集線器、交換機(jī)和路由都是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)備中的重要連接信息，需要將信息格式保存為：hacl，將src作為源節(jié)點(diǎn)，dst作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，port作為數(shù)據(jù)使用的傳輸端口，Apply是保存配置信息，OK是關(guān)閉對話框。
2.2.2 主機(jī)信息配置技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
在攻擊圖工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，主要包括主機(jī)、服務(wù)器和PLC等設(shè)備，需要嚴(yán)格按照設(shè)備配置方法在配置界面上進(jìn)行配置，對主機(jī)上存在的漏洞信息進(jìn)行優(yōu)化配置。合理選擇主機(jī)服務(wù)類型，確保信息配置的合理性和正確性。“開放服務(wù)”欄目在表格中的信息內(nèi)容是不可修改的，在運(yùn)用刪除按鈕進(jìn)行信息刪除時，首先需要先選中所要刪除的內(nèi)容，點(diǎn)擊“服務(wù)名稱”的前一列數(shù)字符號進(jìn)行刪除。需要對出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)漏洞信息進(jìn)行優(yōu)化配置，需要配置的信息主要包括漏洞所在的程序、漏洞ID、漏洞作用范圍和漏洞威脅程度等方面的內(nèi)容。
2.2.3 攻擊源信息配置技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
在對攻擊源信息進(jìn)行配置時，需要選擇網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備，明確網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞乃性O(shè)備節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊“》”按鈕，將左側(cè)列表中選擇好的設(shè)備添加到右側(cè)列表中，再次點(diǎn)擊“》”能夠撤消右側(cè)的選擇，點(diǎn)擊“重置”按鈕，能夠清除已選擇的信息，點(diǎn)擊“apply”是保存信息。需要將樹形結(jié)構(gòu)按照設(shè)備種類進(jìn)行分類，明確樹枝設(shè)備的名稱。可以對攻擊源進(jìn)行添加刪除重置。添加攻擊源功能主要包括按照設(shè)備的hostname進(jìn)行準(zhǔn)確添加，支持ctrl多選，但不支持樹枝選擇。刪除功能包括電機(jī)攻擊源設(shè)備屬性列表的樹頭，需要刪除樹頭下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，支持多選刪除節(jié)點(diǎn)。重置功能主要是指需要清空所選攻擊源信息，對攻擊源信息是否為空進(jìn)行檢查，如果不是空，需要詢問是否確認(rèn)清空攻擊源配置信息。
2.2.4 攻擊目標(biāo)配置技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
攻擊目標(biāo)配置技術(shù)主要是由攻擊信息和攻擊類型組成的，需要運(yùn)用攻擊目標(biāo)表格對配置好的信息進(jìn)行展示，不可對信息進(jìn)行修改，結(jié)合實(shí)際的使用需要，對攻擊類型進(jìn)行合理設(shè)置，合理選擇配置信息選項(xiàng)，待配置信息選擇好后，選擇增加按鈕將攻擊信息添加到攻擊目標(biāo)表格中來。需要將設(shè)備id作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的唯一標(biāo)記，能夠?qū)崿F(xiàn)對perlog文件設(shè)備的識別，為了方便用戶使用，需要將設(shè)備名稱標(biāo)記在攻擊目標(biāo)的信息配置界面進(jìn)行展示，將模塊中的設(shè)備名稱轉(zhuǎn)化為設(shè)備id，之后在進(jìn)行信息的保存和配置。
3 結(jié)論
本文主要是基于攻擊圖工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全隱患進(jìn)行分析，由于攻擊圖系統(tǒng)具有復(fù)雜性和龐大性，不適宜在大型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。本文對基于攻擊圖的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，主要分析整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、攻擊圖生成模塊設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集模塊設(shè)計(jì)三方面的內(nèi)容。可知攻擊圖對控制網(wǎng)絡(luò)安全隱患具有重要作用，在對工業(yè)控制系統(tǒng)安全隱患分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析時，主要是對層的攻擊圖生成算法實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集模塊實(shí)現(xiàn)兩方面的內(nèi)容進(jìn)行分析，明確了攻擊圖工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全隱患的實(shí)現(xiàn)過程和實(shí)現(xiàn)方法，通過增加防火墻，強(qiáng)化了對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全隱患的分析力度。
參考文獻(xiàn)
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[2]徐娟，許靜，唐剛.工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全隱患分析方法研究[J].電子科學(xué)技術(shù)，2015（06）：679-684.
【關(guān)鍵詞】 光纖通信 工業(yè)控制 優(yōu)勢 應(yīng)用細(xì)節(jié)
前言：現(xiàn)代工業(yè)主張憑借信息技術(shù)作為先導(dǎo)條件，主要是因?yàn)樾畔⒓夹g(shù)發(fā)展速率飛快，且對于人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)水平提升有著較強(qiáng)的推動功效。但是目前我國互聯(lián)網(wǎng)整體運(yùn)行速率和外國相比著實(shí)不夠可觀，并且涵蓋的信息量十分有限，為了一改該類消極局勢，光纖通信技術(shù)得以順利衍生。所以說，盡快理清光纖通信技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用細(xì)節(jié)，存在一定的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)該引起相關(guān)工作人員重視。
一、光纖通信技術(shù)內(nèi)涵
所謂光纖通信技術(shù)，即憑借光作為信息載體，光纖作為信息傳輸模式。光纖可以順勢細(xì)化為內(nèi)芯和包層兩類結(jié)構(gòu)單元：其中內(nèi)芯通常維持在幾十微米以內(nèi)，細(xì)過一根頭發(fā)；至于外包層的存在意義，便是針對光纖加以保護(hù)。光纖通信系統(tǒng)通常會聚集許多光纖材質(zhì)進(jìn)行光纜制備，其間因?yàn)楣饫w制作的主流原材料是作為電氣絕緣體的玻璃，因此設(shè)計(jì)人員完全可以不用過度關(guān)心接地問題；而光波在光纖內(nèi)部傳播，也不會引發(fā)嚴(yán)重的信息泄露現(xiàn)象；最為主要的，就是光纖很細(xì)且能夠很好地解決以往實(shí)施空間的問題。
二、光纖通信技術(shù)的優(yōu)勢條件
1、頻帶較寬且通信容量大。結(jié)合銅線和電纜加以對比校驗(yàn)，光纖傳輸寬帶要大出許多。而對于單波長光纖通信系統(tǒng)來講，因?yàn)橹卸嗽O(shè)備的影響，使得大寬帶優(yōu)勢效應(yīng)很難予以理想型發(fā)揮。所以說，需要有關(guān)工作人員主動開展技術(shù)創(chuàng)新活動，目的是進(jìn)一步擴(kuò)充傳輸?shù)娜萘浚?dāng)期能夠最高效處理這部分挑戰(zhàn)困境的莫過于密集波分復(fù)用技術(shù)莫屬。
2、損耗程度不高同時中繼距離較長。現(xiàn)階段損耗程度最低的傳輸介質(zhì)便是商品石英光纖，如若日后光纖通信技術(shù)考慮沿用這類原材料，相信勢必能夠全面縮減系統(tǒng)創(chuàng)建和運(yùn)行維護(hù)消耗的成本數(shù)量，最終為相關(guān)企業(yè)贏取合理數(shù)量的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
3、抗電磁干擾能力較為理想。須知石英本身保留較為可靠的抗腐蝕、絕緣，以及抗電磁干擾等性能條件，能夠很好地克制過往通信技術(shù)中的外部環(huán)境和人文架設(shè)電纜干擾效應(yīng)。這類優(yōu)勢條件對于在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用的光纖通信技術(shù)來講，十分有利。
4、保密性能妥善。傳統(tǒng)通信技術(shù)下，電磁波傳播泄露幾率十分高且保密性較差。而經(jīng)過光纖通信技術(shù)推廣沿用之后，則可以有效地克制串?dāng)_的狀況，進(jìn)一步彰顯出較強(qiáng)的保密特性。
三、光纖通信技術(shù)在我國工業(yè)控制中的應(yīng)用細(xì)節(jié)
如今我國光纖通信技術(shù)已經(jīng)朝著智能化發(fā)展方向持續(xù)過渡扭轉(zhuǎn)，就是說相關(guān)運(yùn)營主體能夠更為自由靈活地控制光傳輸。而將這類技術(shù)要素貫穿融入到工業(yè)控制流程之中，明顯能夠表現(xiàn)出愈加可觀的適應(yīng)性。現(xiàn)階段沿用光纖通信技術(shù)的行業(yè)，通常都是有著較高自動化生產(chǎn)需求的，包括汽車工業(yè)、機(jī)器和物料運(yùn)輸?shù)茸詣踊S。至于光纖通信技術(shù)想要在工業(yè)控制領(lǐng)域之中全方位推廣沿用，就必須注意經(jīng)歷以下繁瑣的處理流程：首先，在工廠內(nèi)部安裝即插即用的光纖通信系統(tǒng)，實(shí)際上就是將傳統(tǒng)工作環(huán)境下的熔纖設(shè)備進(jìn)行光纜替換之余，合理減少光纜接頭盒研磨上的成本投入盜俊⑹實(shí)奔涌旃庀朔種У愫團(tuán)湎吖飫輪間的連接速率、有機(jī)縮減布線系統(tǒng)的規(guī)劃布置時間等。而為了確保今后光纖通信技術(shù)在工業(yè)控制中發(fā)揮出可靠的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避功效，就必須考慮預(yù)先全面性測驗(yàn)認(rèn)證各類部件性能、消除現(xiàn)場端接和中間跨度光纜之間引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)故障問題。其次，調(diào)查認(rèn)證不同工業(yè)環(huán)境惡劣狀況，結(jié)合豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)開發(fā)設(shè)計(jì)出更高效的光纖連接器，即要求在貫徹落實(shí)防塵、防水指標(biāo)的前提下，強(qiáng)化系統(tǒng)傳輸?shù)目煽亢蛨?jiān)固性。尤其是在工業(yè)環(huán)境配線中心，要確保現(xiàn)場沿用的光纜布線方案，能夠更加理想地適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用環(huán)境需求，如令EDC系列產(chǎn)品能夠在戶外存放，并且合理發(fā)揮光纖接合的保護(hù)功能。至于箱體則需要沿用較為特殊的原材料，要求在維持優(yōu)質(zhì)化的化學(xué)和溫度特性基礎(chǔ)上，同步滿足NEMA 4X或IEC IP66級別，長此以往，能夠令工業(yè)控制中的光纖通信系統(tǒng)，很好地克制以往嚴(yán)重的氣體、雨雪、灰塵等侵蝕效應(yīng)。
結(jié)語：盡管說當(dāng)前我國光纖通信技術(shù)存在較大的容量，不過同步狀況下也存在許多閑置的應(yīng)用，特別是在我國社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)全面革新發(fā)展背景下，有關(guān)工業(yè)信息需求量持續(xù)加大，嚴(yán)重情況下會直接超出既有的網(wǎng)絡(luò)承載能力。所以有關(guān)技術(shù)人員必須竭盡全力研發(fā)出更為高端合理的光纖傳輸技術(shù)，爭取為日后工業(yè)信息協(xié)調(diào)化監(jiān)管和控制，奠定基礎(chǔ)。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]胡健.聚合物光纖收發(fā)模塊及其在工控領(lǐng)域應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.
[2]翁軒.高速光纖通信系統(tǒng)中信號損傷緩解與補(bǔ)償技術(shù)的研究[D].北京郵電大學(xué)，2013.
【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速技術(shù)；發(fā)展；工業(yè)控制；應(yīng)用
前言
作為一項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用要求較高的技術(shù)方法，變頻調(diào)速技術(shù)的特殊性不言而喻。該項(xiàng)課題的研究，將會更好地提升對變頻調(diào)速技術(shù)的分析與掌控力度，從而通過合理化的措施與途徑，進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)控制的最終整體效果。
一、變頻調(diào)速技術(shù)概述
（一）變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷史
變頻調(diào)速技術(shù)從理論到使用推廣經(jīng)歷了40年的時間，在這期間，電子器件的發(fā)展促進(jìn)了這一過程的實(shí)現(xiàn)。在20世紀(jì)70年代，發(fā)達(dá)國家為了緩解石油危機(jī)，投入大量的人力、物力和財(cái)力去研究更加高效的變頻器，使變頻調(diào)速技術(shù)得到進(jìn)一步推廣。到今天，依托于電子計(jì)算技術(shù)和微電子技術(shù)的變頻調(diào)速技術(shù)以優(yōu)越的性能被各行各業(yè)所采用，實(shí)現(xiàn)了電氣自動化控制領(lǐng)域的節(jié)能減排，提高了生產(chǎn)效率。
（二）變頻調(diào)速技術(shù)基本原理及組成
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理為利用電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系n=60f（1-s）/p，其中n為轉(zhuǎn)速，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，f為輸入頻率，p為電機(jī)磁極對數(shù)，改變電動機(jī)的工作頻率從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵部件主要有3部分：自適應(yīng)電動機(jī)模型單元、脈沖優(yōu)化選擇器、轉(zhuǎn)矩和磁通比較器。（1）自適應(yīng)電動機(jī)模式單元主要的功能是檢測輸入電動機(jī)的電壓、電流的性質(zhì)，從而識別電動機(jī)的參數(shù)，它是直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵單元，以定子磁場定向方式幫助實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)0.1%的速度控制精度。（2）脈沖優(yōu)化選擇器的主要功能是優(yōu)化選擇在一定范圍內(nèi)的脈沖信號，功能的實(shí)現(xiàn)首先需要選擇合適的信息處理選擇芯片，當(dāng)前在電氣自動化控制行業(yè)中常用的型號為CycloneⅡEP2C5Q209C8；其次需要設(shè)計(jì)調(diào)制方式的信號源并編寫能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能的電路模塊，例如能夠?qū)崿F(xiàn)星座映射、緩沖功能的模塊；最后，通過信號源進(jìn)行仿真模擬判斷編寫的電路模塊是否能夠?qū)崿F(xiàn)既定的功能。影響脈沖優(yōu)化選擇器性能的重要因素是電解電容器的容量具有很大的離散型，導(dǎo)致部件承受的電壓出現(xiàn)偏差，為此需要對電容進(jìn)行改進(jìn)，可以在電容器旁并聯(lián)一個與電容器阻值相同的電阻，同時為了防止電路被燒毀，還可以增加抑制浪涌電流的措施。（3）轉(zhuǎn)矩和磁通比較器的主要功能為每隔20s將反饋值與參考值進(jìn)行比較，而后通過滯環(huán){節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩或磁場狀態(tài)，為工作人員后續(xù)的工作提供參考。
（三）變頻器的特征
變頻器是變速調(diào)控技術(shù)的核心，變頻器具有如下特點(diǎn)：利用變頻技術(shù)將電源轉(zhuǎn)化為不同頻率的交流電源，可對發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)的給水泵、送風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。變頻器分為高壓變頻器和低壓變頻器。其中低壓變頻輸出電壓為380～650V、工作頻率為0～400Hz，輸出功率為0.75～400kW。其主電路由整流和逆變構(gòu)成，該變頻器采取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得其技術(shù)穩(wěn)定；硬度大、成本支出低。同時可以滿足一般傳動在平滑調(diào)速方面的需求，由于低壓變頻與高壓變頻相比，采用的力矩較低，應(yīng)用較為廣泛。
二、變頻調(diào)速技術(shù)工業(yè)自動化控制中的應(yīng)用
（一）應(yīng)用案例。本文選擇是該技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用案例，在這個案例中應(yīng)用該技術(shù)的主要目的就是為了完成節(jié)能改造，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床傳統(tǒng)的技術(shù)需要耗費(fèi)很多的電能，無論是對企業(yè)，還是數(shù)控機(jī)床自身都是一種損失，為了減少這種損失，提高企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益，數(shù)控機(jī)床人員經(jīng)常使用的方式是工頻運(yùn)行，雖然這種方式有一定效果，但是其劣勢也比較明顯，比如齒輪主軸速度可供選擇的范圍過大，這樣就不能對其進(jìn)行精細(xì)控制，特別是恒線速度，再加之，在使用該技術(shù)的過程中，也不能完全保證機(jī)械從始至終都能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，因此要時時對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行維修，尤其是離合器；另外雖然使用的主軸屬于直流型，這種類型的注重最大的優(yōu)勢就是可以進(jìn)行無級調(diào)速，但是卻為后期維護(hù)工作帶來了問題，而且在運(yùn)行的過程中，主軸的最高轉(zhuǎn)速，根本不能達(dá)到，所以其總體效果并不好。因此相關(guān)人員決定使用變頻調(diào)速技術(shù)，希望能夠取得預(yù)期的效果，達(dá)到降低電能損耗的目標(biāo)，進(jìn)而減少企業(yè)成本支出。決定使用該技術(shù)之后，數(shù)控機(jī)床人員經(jīng)過商討確定了使用方案。
（二）應(yīng)用效果。使用該技術(shù)不僅避免了使用工頻技術(shù)的劣勢，還提高了機(jī)械工作的速度，另外機(jī)械消耗的能源也有明顯的下降，減少了企業(yè)成本的支出，其使用效果非常好。變頻調(diào)速技術(shù)主要針對數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、功能等多方面，所以效果比較好。因?yàn)槭褂迷摷夹g(shù)，數(shù)控機(jī)床自身的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，所以能夠節(jié)省大量的金屬材料，再加之，使用該技術(shù)之后，機(jī)械操作與原來相比比較簡單，這就降低了機(jī)械損耗的程度，也減少了機(jī)械維修的次數(shù)；而且使用該技術(shù)之后，數(shù)控機(jī)床控制范圍有所擴(kuò)展，無論是控制精度，還是控制效率都得到了有效的提高，最關(guān)鍵的是，該技術(shù)的使用提高了數(shù)控機(jī)床加工質(zhì)量，其生產(chǎn)效率與傳統(tǒng)的方法相比，有所提高，這對企業(yè)，甚至是整個數(shù)控機(jī)床行業(yè)來說，都有積極的意義。
三、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢
（一）開關(guān)器件方面
就目前的開關(guān)器件發(fā)展來看，智能化變頻器將會是未來的發(fā)展潮流，實(shí)現(xiàn)功率變化、檢測、控制、保護(hù)等等功能的全自動化，達(dá)到高效節(jié)能的目的。讓具有更多功能，具有更高特性的開關(guān)器件進(jìn)入我國的電力市場。
（二）變頻控制電路方面
目前，我國的高壓變頻調(diào)速裝置基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和自動化的全方位控制，但是，在變頻調(diào)速設(shè)備的數(shù)字化和自動化方面還有很大的提升空間，我們要不斷的將新的先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)運(yùn)用其中，用于嘗試，實(shí)現(xiàn)變頻電路的更高效的控制。
（三）矢量控制技術(shù)方面
矢量控制技術(shù)仍然會是目前和以后很長一段時間內(nèi)高性能電機(jī)的主要控制技術(shù)，它包含有多種重要的科學(xué)技術(shù)，如：PWM技術(shù)，參數(shù)識別技術(shù)、磁通觀測技術(shù)等等，這些高效的控制技術(shù)能夠提高開關(guān)的頻率，改變電壓波形。我們需要實(shí)現(xiàn)更有效的控制，就必須長期的對矢量控制技術(shù)進(jìn)行研究。
四、結(jié)束語
綜上所述，加強(qiáng)對變頻調(diào)速技術(shù)及其在工業(yè)控制中應(yīng)用的研究分析，對于其良好實(shí)踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的工業(yè)控制實(shí)踐中，應(yīng)該加強(qiáng)對變頻調(diào)速技術(shù)的重視程度，并注重其具體應(yīng)用實(shí)施策略的科學(xué)性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 朱娟娟.芻議工業(yè)電氣自動化控制中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā).2015（12）：60-62.
[2] 羅春芳.變頻調(diào)速技術(shù)及其在制藥工業(yè)電氣自動化控制中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā).2015（02）：115-116.
關(guān)鍵詞 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；多任務(wù)分時操作系統(tǒng)；工業(yè)控制
中圖分類號 TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2013）104-0222-02
可編程序控制器一直在工業(yè)控制領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位，但是雖著工業(yè)水平的發(fā)展，對PLC的運(yùn)算速度存儲容量提出了更高的要求，且PLC的人機(jī)接口功能不完善，接口電路比較簡單使得工業(yè)控制方面出現(xiàn)了瓶頸在一定程度上阻礙了工業(yè)在自動化控制領(lǐng)域的發(fā)展，因此一種比PLC功能和運(yùn)算速度更強(qiáng)大的專為大型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的 （ IPC）產(chǎn)生。
1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）
工控機(jī)是在個人計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用總線式結(jié)構(gòu)，硬件的兼容性較強(qiáng)。IPC有各種各樣的輸人/輸出板卡供用戶選用，有很強(qiáng)的高速浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、圖像處理、通信和人機(jī)交互等功能，容易實(shí)現(xiàn)管理控制網(wǎng)絡(luò)集成化。
1.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）的技術(shù)特點(diǎn)。
1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動作是由組態(tài)程序控制激活板卡相對應(yīng)的控制通道輸出控制相對應(yīng)的信道設(shè)備，從而大大降低了傳統(tǒng)控制中的故障率 I/O 接口電路采用光電隔離措施使各單元利用屏蔽措施以防止干擾；對信息進(jìn)行自診斷利用校驗(yàn)位來實(shí)現(xiàn)所采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。利用工業(yè)總線協(xié)議加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性；
2）強(qiáng)大的接口電路 對于各種現(xiàn)場信號流如電流量或電壓量、數(shù)字量，電位量；輸入輸出接口單元與工業(yè)現(xiàn)場各種開關(guān)及傳感器及隔離單元直接連接。為了提高工業(yè)控制及信息共享可通過各種通信協(xié)議平臺及交換機(jī)設(shè)備獲取多種數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的一體化及集中處理集中控制減少系統(tǒng)的接點(diǎn)增強(qiáng)了系統(tǒng)的集中控制能力；
3）強(qiáng)大的兼容性，工業(yè)計(jì)算機(jī)最基本的特性就是他的兼容性很強(qiáng)，隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展，在生產(chǎn)控制中PLC及工控機(jī)種類繁多各種接口電路使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這就要求我們整個控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的兼容性和協(xié)議共享性。然而我們可以選擇多種控制板卡都是可以與之相兼容的使現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)控制得到了擴(kuò)大，使其控制的設(shè)備及系統(tǒng)功能更加完善。然而我們選用工業(yè)計(jì)算機(jī)來控制生產(chǎn)滿足了多種設(shè)備聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)；
4）在通信方面， 現(xiàn)代工業(yè)計(jì)算機(jī)具有多協(xié)議多網(wǎng)絡(luò)支持平臺，可通過工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)與各種生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，例如現(xiàn)在工業(yè)中常用的CAN總線、interbus總線以及光纖通訊等。網(wǎng)絡(luò)兼容性較好，可與其他生產(chǎn)廠家的各種通信板卡及設(shè)備接口電路匹配。使工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的功能大加強(qiáng)，能夠完善的兼容控制與管理生產(chǎn)現(xiàn)場。
2 IPC 與PLC在煤礦皮帶機(jī)控制應(yīng)用中的比較
皮帶機(jī)運(yùn)輸集控系統(tǒng)是針對礦用煤流運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)打滑、超溫、灑水、堆煤、急停、跑偏、撕裂、煙霧等基本保護(hù)。同時配有總線型和以太網(wǎng)接口，接入工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在皮帶機(jī)控制中的特性
1）工業(yè)計(jì)算機(jī)控制皮帶運(yùn)輸具有實(shí)時性好，穩(wěn)定性高，故障率低。在皮帶運(yùn)輸控制中工業(yè)計(jì)算機(jī)通過與下位機(jī)進(jìn)行同一平網(wǎng)，對皮帶的啟動停止，各種傳感器的在線監(jiān)測進(jìn)行分散采集，集中控制使皮帶運(yùn)輸可靠性高，大大提高了井下的運(yùn)輸能力從而提高了生產(chǎn)效率。在皮帶的運(yùn)行保護(hù)方面實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)的啟動打滑監(jiān)測調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行特性加大轉(zhuǎn)矩降低啟動轉(zhuǎn)速；實(shí)時采集處理超溫、灑水、堆煤、急停、跑偏、撕裂、煙霧等傳感器的信息，響應(yīng)速度快定位準(zhǔn)確。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將全面在線監(jiān)測所有的電機(jī)驅(qū)動單元及各類傳感器系統(tǒng)，將皮帶的運(yùn)行情況通過網(wǎng)絡(luò)先傳于工作面的集中控制臺，控制臺將會顯示每臺電機(jī)的運(yùn)行電流及電壓是否正常，及傳感器所反饋的各種數(shù)據(jù)信息；
2） 隨著皮帶運(yùn)輸自動化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各大礦業(yè)集團(tuán)井下生產(chǎn)運(yùn)輸及地面運(yùn)輸裝車系統(tǒng)均采用，工業(yè)計(jì)算機(jī)控制的皮帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)從井下工作面到主運(yùn)大巷到地面所有驅(qū)動單元及采集系統(tǒng)通過地面調(diào)度室的主控制工業(yè)計(jì)算機(jī)來完成啟動與停止。地面裝車系統(tǒng)也是通過工業(yè)計(jì)算機(jī)來控制給煤皮帶運(yùn)輸機(jī)及裝煤系統(tǒng)來完成裝煤的，地面裝車系統(tǒng)通過皮帶控制器來監(jiān)測皮帶運(yùn)輸情況如，跑偏、堆煤、撕裂、煙霧等。通過開關(guān)量，電流量、電壓量及超聲波傳感器來辨認(rèn)火車車箱的型號級高度和車輛運(yùn)行狀態(tài)。從而給主控制機(jī)提供數(shù)據(jù)將信息顯示都裝車控制室的顯示器上供工作人員參考。根據(jù)車皮型號計(jì)算機(jī)會計(jì)算出此車的裝煤量，通過控制給煤機(jī)將煤量給入裝車漏斗緩沖區(qū)。來實(shí)現(xiàn)裝車的全過程，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下生產(chǎn)運(yùn)輸及地面裝車為一體的現(xiàn)代工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使煤礦企業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)高度集中。
3結(jié)論
工業(yè)計(jì)算機(jī)的發(fā)展促使現(xiàn)代工業(yè)自動化的高度集中與控制，使我國的煤炭及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域從生產(chǎn)規(guī)模，生產(chǎn)效率大大提高。本文主要從工業(yè)計(jì)算機(jī)的特性與在工業(yè)自動化皮帶生產(chǎn)運(yùn)輸中的應(yīng)用。
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關(guān)鍵詞：光纖；傳輸系統(tǒng)；工業(yè)控制
1 光纖概述
上世界六十年代，美國科學(xué)家發(fā)明世界第一臺激光器，光纖第一次進(jìn)入通信領(lǐng)域，隨后對光纖進(jìn)行不斷的研究，進(jìn)入了飛速發(fā)展階段，主要優(yōu)點(diǎn)包括：損耗低，指相對于電纜，同比程度下?lián)p耗比電纜小1億倍，損耗率極小；頻率寬，指在光譜上，光的頻率覆蓋面極廣，比VHF頻段高出一百多萬倍；重量輕，指相對于其他傳輸介質(zhì)，更小的體積可以傳輸更大的信息量；抗干擾能力強(qiáng)，指傳光不導(dǎo)電，不受電磁場的影響，保密性能高；保真度高以及成本不斷下降。
光纖，全名光導(dǎo)纖維，是一種傳輸光能的波導(dǎo)介質(zhì)。裸纖由以下3個部分組成：玻璃芯（50-62.5μm，位于最里層）、硅玻璃包層（125μm，位于中間層）、樹脂涂層（最外層）。按照光纖的功能、用途等可以劃分很多種類。本文主要按照傳輸模式對光纖進(jìn)行分類：單模光纖（含偏振。隨著光纖的需求量越來越大及光纖理論體系的不斷完備，根據(jù)光纖不同性能分為保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。
2 光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)
簡單的光傳輸網(wǎng)絡(luò)包括光源、光檢測器以及光纖。其中光源一般指二極管（LED或LD），傳輸?shù)脑砑奥窂綖椋弘娦盘柟庑盘柟饫w傳輸光信號電信號。光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)有自身的很多優(yōu)點(diǎn)：不產(chǎn)生電磁也不受電磁干擾影響，保證了周圍電氣設(shè)備的安全，也使自身傳輸介質(zhì)的功能不受其他電氣設(shè)備的影響；適合于數(shù)據(jù)傳送。但是光纖的分節(jié)較為困難，損耗較大，在實(shí)際應(yīng)用中使用的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是解決這一問題的措施之一。
3 光纖信號傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制中的解決方案
在工業(yè)控制中一般要傳輸?shù)氖悄M信號，因此設(shè)計(jì)最基本的3種傳輸方案進(jìn)行對比分析：第一種是通過光端機(jī)直接傳輸模擬信號；第二種是采用電信號光信號光纖傳輸光信號電信號的原理進(jìn)行傳送；第三種是在通過光隔離器來進(jìn)行傳輸信號。
3.1 方案一
以5公里左右的傳輸距離作為本次設(shè)計(jì)的傳輸距離，通過光端機(jī)直接傳輸模擬信號傳輸?shù)念l率定為1MHz，通過分析發(fā)現(xiàn)，這個頻率值可以通過光端機(jī)來進(jìn)行傳輸，費(fèi)用計(jì)算如下表：
通過上表可知，采用第一種解決方案總費(fèi)用約6000元。通過光端機(jī)直接傳輸模擬信號的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建較為簡單，成本低。同時，這種傳輸方式有著自身難以克服的缺點(diǎn)：傳輸?shù)馁|(zhì)量受溫度的影響很大，在進(jìn)行多種信號傳輸?shù)臅r候，發(fā)生相互干擾，影響傳輸效率，還有不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，這種解決方法較適用于信號較少，溫度變化不大地區(qū)使用。
3.2 方案二
第二種方案采用電信號光信號光纖傳輸光信號電信號的原理進(jìn)行傳送，不再用模擬信號傳輸，傳輸方式是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸。
使用的傳輸設(shè)備主要為數(shù)字光端機(jī)，其他的傳輸設(shè)備與第一種方案相同。傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)與第一種方式相同，第二種方案能有效克服第一種方案傳輸信號相互干擾的弊端，可以同時傳輸4路以上的信號，性能良好的傳輸設(shè)備，可以同時傳輸幾百路信號。第二種方案與第一種方案從性能來看要明顯更高，傳輸保真度高，同時進(jìn)行多路傳輸，環(huán)境溫度影響小，傳輸穩(wěn)定的脖頸，從價(jià)格來看，第二種方案還需要增加逆流轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器等模塊，增加了實(shí)際安裝的工作量，成本比第一種方案高20%左右。
3.3 方案三
第三種方案與第二種方案的傳輸原理相同，都是不再使用模擬信號傳輸，傳輸方式是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸。第二種和第三種方案的不同在于第三種方案采用光電隔離器來代替原有的數(shù)字光端機(jī)。光電隔離器傳輸原理是以光為媒介傳輸，對輸入、輸出信號有很好的隔離作用，同時具備受外界環(huán)境干擾度小、性能穩(wěn)定、使用壽命長、無觸點(diǎn)、保真度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)控制信號傳輸中應(yīng)用最廣泛的光電設(shè)備之一。
信號傳輸網(wǎng)路與第二種方案類似，需要增加逆流轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器等模塊，同時還需要根據(jù)實(shí)際傳輸情況，合理設(shè)計(jì)電路，包括轉(zhuǎn)換與逆轉(zhuǎn)換的全過程，加大了工作量。從工作原理看，第三種方案輸出信號不會影響輸入端，設(shè)計(jì)原理上更容易和邏輯電路配合使用，實(shí)用性能提高，輸入輸出端的相應(yīng)時間縮短，一般只需要微秒甚至毫微秒。
第三種方案從成本來看，增加的光電隔離器需要2對，成本約800元左右，其他的設(shè)備如6芯多模光纖、逆流轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器等價(jià)格參考第一種方案，要增加轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及安裝，費(fèi)用則根據(jù)實(shí)際情況而定。總體而言，第三種方案工作量及成本增加，性能最優(yōu)。
以上三種方案，通過從性能、工作量及成本分析可以看出，各有優(yōu)缺點(diǎn)，選用時要根據(jù)實(shí)際情況而定。可以通過以下原則進(jìn)行選取：傳輸信號種類不超過4種，環(huán)境影響度不大，對傳輸信號的要求不高時，優(yōu)先選擇第一種方案，因?yàn)槌杀据^低，設(shè)計(jì)簡單，產(chǎn)品成熟，操作不復(fù)雜，易于掌握；如果傳輸信號路數(shù)多，對信號保真度要求高，環(huán)境影響很大時，優(yōu)先選擇第二種方案，適合多路傳輸，保證傳輸性能的同時能夠有效節(jié)省成本；如果只是單向傳輸，環(huán)境影響較大，對信號保真度要求高，優(yōu)先選擇第三種方案，傳輸性能較好，并能有效降低成本。
