路由技术调试平台设计

本文作者：张文涛 张 鑫 郎 莹 陈容红 单位：北京电子科技职业学院自动化工程学院

引言

多微机HMI设备调试系统的主要功能是实现在自动化系统工程的HMI设备调试过程中，可以在不同时刻，由有线以太网上和无线以太网［1-2］上的不同计算机完成对HMI设备及其控制系统的调试。实践证明，通过该调试系统的应用，可以大幅度降低项目成本，提高工程调试的效率和质量。通过分析基于TCP/IP网络［11］和路由技术原理和系统构成，提出在TCP/IP网络调试系统的硬件基础上，通过研究以太网路由原理，搭建有线和无线连接两种连接的路由，设计HMI调试系统并进行实施，组建可通过有线以太网和无线以太网2种方式进行调试的网络化HMI设备调试系统。本系统可用于高校组态技术(人机界面技术)［12］课程配套实验室建设及工业现场HMI设备调试使用。

1系统概述

HMI设备调试系统通常由HMI设备、编程PC和组态软件3部分构成。HMI设备的运行程序由编程PC上的组态软件编制，通过PC和HMI的通讯接口下载到HMI设备内部的RAM中，最后通过HMI设备运行RAM中程序实现对自动化系统的监视与控制。本调试系统受到编程PC和HMI设备接口限制，多采用单PC对单HMI设备连接、单PC对多HMI设备连接或多PC对多HMI设备连接3种连接方式。(1)直接连接。HMI设备只能接收同一地点的单台PC传输的组态程序，优点是连接简单，适用于简单系统的调试，缺点只能在同一地点对设备进行调试。(2)总线技术。将PC和HMI设备以RS-485总线或PROFIBUS-DP现场总线技术连接，优点是采用标准总线，通过标准通讯协议进行通讯，缺点是需要配置专用的总线连接器、通讯电缆等硬件设备，成本较高。(3)TCP/IP交换技术和路由技术［3-4］。通过安装工业网络交换机［5-8］、工业路由器［10-13］和设置PC及HMI设备的IP地址来实现联网调试，HMI设备可以接收不同地点的不同PC传输的组态程序，优点是可以在不同地点工作，也可以由不同的PC对HMI设备进行调试，系统灵活度高，缺点是工业网络设备专业性强、成本高、灵活度低、受厂商技术标准约束。

2系统方案设计

2．1设计原理与系统构成基于路由器的数据转发原理［9］，由于路由器工作在OSI模型中的第三层，即网络层。路由器利用网络层定义的“逻辑”上的网络地址(即IP地址)来区别不同的网络，实现网络的互连和隔离，保持各个网络的独立性。路由器不转发广播消息，而是把广播消息限制在各自的网络内部。发送到其他网络的数据包先被送到路由器，再由路由器转发出去。因而可以利用路由器将有线和无线网络中PC发出的数据包发到HMI设备，也可以通过路由器将HMI的数据包转发到有线以太网和无线以太网上的PC上，从而实现HMI设备的网络调试。本系统主要由HMI设备、编程调试PC、网络设备及相关软件4部分组成。其中编程PC分为台式PC和移动PC2种类型，网络设备主要由路由器、交换机和电缆构成。相关组态软件根据HMI设备不同而定，如图1所示。

2．2系统网络结构设计本系统设计以以太网为通讯介质，通过以太网承担组态程序、组态数据、调试数据的传输，包括程序和数据的上传、下载和组态数据的备份、报表、配方、报警等数据的操作等，以上操作可利用HMI设备进行。通过本调试系统还可通过操作员使用的工作站(台式或移动PC)进行便捷操作。本调试系统的整体架构设计如图2所示。

2．3系统网络传输标准兼容性设计系统设计以HMI设备为被控对象，HMI设备需要支持工业以太网协议，网络设备需要支持IEEE802．3和IEEE802．11以太网协议标准，由于工业以太网［14］协议为开放式以太网标准，能够很好地支持其他以太网设备，因而能够和通用网络设备很好融合。本设计中HMI设备采用支持工业以太网通讯HMI设备，PC、网络设备均采用通用以太网设备。整体网络架构采用以太网有线和无线以太网2种类型。

2．4系统硬件设计系统硬件设备表如表1所示，可以看出，系统的HMI设备，采用SIEMENSTP177BPN/DP触摸屏，该设备带1个DP通讯口和1个Profinet无线以太网通讯口，系统主要连接这个以太网通讯口，由于Profinet协议同样为开放式协议，可以与标准TCP/CP通讯协议兼容。网络设备采用支持Wi-Fi技术(IEEE802．11b标准)的无线路由器(集成有线以太网接口)，本系统采用FASTFR54M，支持最高54MB传输速率，集成4口LAN(局域网)交换机功能，附加一个WAN口(广域网)，可支持静态IP分配和动态IP分配，本系统通过静态IP经由WAN口和HMI设备连接。编程PC为带网卡的通用PC，编程移动PC(笔记本电脑)为支持IEEE802．11b标准的具有Wi-Fi接口的笔记本电脑。有线网络连接采用TIA/EIA568B或TIA/EIA568A标准制作，无线网络采用Wi-Fi方式连接，全部通过TCP/IP协议进行通讯。

2．5系统软件设计本系统中，TP177BPN/DP触摸屏调试需要采用西门子组态软件WinCCFlexible2008软件［16］，软件的调试方法和普通连接方式下的HMI设备调试方法一样。编程PC、编程移动PC(笔记本电脑)需要安装WindowsXP以上操作系统，路由器设置软件已经在路由器内集成。

3技术设计与网络规划调试系统技术设计涉及到各设备的网络规划。规划设计包括无线路由器软件设置、HMI设备网络端设置、台式PC端网络设置移动PC网络设置，调试功能实现设计与实验室应用设计几个主要部分。

3．1无线路由器软件设置无线路由器设置的主要内容是网络参数和无线参数两大类内容，网络参数包括WAN口设置、LAN口设置，WAN口设置主要设置连接类型(静态IP或动态IP)，IP地址、子网掩码和网关，还有DNS服务器地址和备用DNS服务器地址。如果是在局域网环境，可以设置为静态IP(地址需与该网段计算机地址保持网段一致)，如果需要连接Internet，还需要设置DNS和备用DNS服务器地址;LAN口设置主要设置由无线路由器构建的子网设置，包括IP地址、子网掩码，设置地址和掩码后，HMI设备还有台式PC的网络设置需要和该地址保持在一个段上。无线参数的设置主要有SSID和密码两个主要参数，用于移动PC连接无线网络时进行验证。下面介绍各相关组件的网络设置方法，具体参数见图3。

3．2HMI设备网络端设置SIEMENSTP177NPN/DP触摸屏［15］支持DP和以太网方式连接，本例中采用以太网连接，HMI设备通过网线连接到路由器的WAN口，网络IP地址的设置可以根据路由器WAN口地址进行定义，本系统中的IP地址定义为10．1．2．2，需要注意的是本地址需要和路由器LAN口地址设置处于同一网段上，即IP地址的前三位保持一致，最后一位可以不同。子网掩码的设置按照要求为255．255．255．0。

3．3台式PC端网络设置台式PC应通过网线连接到无线路由器的LAN口，PC端网络设置的主要内容是IP地址、子网掩码和网关。IP地址的设置可以根据需要进行定义，本系统中的IP地址定义为192．168．1．X，需要注意的是本地址需要和HMI设备的网络设置处于同一段上，即IP地址的前三位保持一致，最后一位可以不同。子网掩码的设置按照要求为255．255．255．0。默认网关的设置地址为无线路由器的地址，本系统中设置为192．168．1．2。

3．4移动PC网络设置移动PC一般采用笔记本电脑，现有笔记本电脑通常都具备Wi-Fi网络连接功能。移动PC在使用时无需做复杂设置，只需在调试前连接到control无线网络，输入密码1234567即可完成网络连接设置。

3．5调试功能实现设计本系统的调试分为基于有线以太网调试和无线以太网连接调试两种连接状态。当编制完组态界面和程序后，需要通过软件完成程序的下载或上传，西门子TP177BPN/DP触摸屏的组态软件采用西门子WINCCFLEXIBLE2008，当下载或上传时需要指定HMI设备的IP地址。无论是处于有线以太网或无线以太网状态，在软件传输界面据需要输入HMI设备地址，即10．1．2．2。其余调试方法与正常网络连接一致。

3．6实验室应用设计在实验室中，可以利用数量有限的HMI设备，通过连接无线路由器开通无线功能。在LAN口连接多台电脑，学生使用台式PC，只要不在同一时刻传输程序，可以分时段进行组态程序下载调试练习。通过为每个HMI编制不同的IP地址，并为每个HMI设备配置1台无线路由器，设置不同的SSID，教师可以利用1台笔记本电脑，通过无线访问不同无线网络，连接后，对不同的HMI设备下载并调试教师演示程序。由于不同的HMI设备通过不同的路由器进行了隔离，所以各组学生可以单独学习，只有教师能够通过无线网对所有设备进行监控。

4系统的特点

本系统具有如下特点:(1)性能突出。系统可采用有线或无线以太网两种调试方式，配置灵活，效率高，传输速率可达54Mb/s，如果采用基于802．11N设备可达到500Mb/s;(2)传输距离远、免布线。如果采用无线调试模式，可在不方便布线的场合使用，传输距离更可以达到100m左右。单独的实验室或者是相邻的几个实验室之间可以方便地构建无线网络进行设备调试。(3)成本低、设备便携。由于目前市面上的无线路由器(集成有线以太网接口)的价格非常便宜，而且体积越来越小，特别适合携带。(4)健康安全。IEEE802．11标准规定的发射功率不可超过100mW，实际约60～70mW，手机的发射功率约为0．2～1W，手持式对讲机高达5W，而且无线网络使用方式非直接接触人体，是绝对安全的，特别适合在实验室等长期需要进行调试的环境里使用。

5结语

本系统通过实施基于TCP/IP路由技术的多微机HMI设备调试的系统设计，在保证系统性能价格比的同时，增加了调试HMI设备的灵活度和便利性。该系统既可以用于现场设备调试，特别是多台HMI设备且距离较远的情况下，也可以应用于学校的实验室建设，而降低设备成本。对提高实验室设备利用率起到了非常好的效果。