大學(xué)工業(yè)攻防試驗平臺基礎(chǔ)設(shè)計搭建
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摘要：為了成立全新的網(wǎng)絡(luò)安全實驗室，上海大學(xué)與奇安信公司合作共同搭建網(wǎng)絡(luò)安全攻防平臺。重點介紹有關(guān)攻防平臺中的工控設(shè)備的基礎(chǔ)軟硬件搭建。該工控設(shè)備建造的目的是作為網(wǎng)絡(luò)安全攻防演練的被攻擊平臺，該設(shè)備模擬了一個產(chǎn)品流水線，具有上料、質(zhì)檢以及下料的基本功能。硬件方面主要選用的是臺達(dá)機(jī)器人以及臺達(dá)控制器，軟件方面通過力控、ISPsoft以及臺達(dá)機(jī)器視覺軟件等軟件完成相應(yīng)功能。軟硬件結(jié)合，完成該工控設(shè)備的基礎(chǔ)功能搭建。
關(guān)鍵詞：工控設(shè)備；力控軟件；ISPSoft；攻防平臺
1系統(tǒng)基礎(chǔ)功能
本工業(yè)控制攻防平臺是為上海大學(xué)實驗使用量身定做，基礎(chǔ)功能為模擬一個產(chǎn)品流水線，后期將作為攻防平臺中的被攻擊平臺。其基礎(chǔ)傳送裝置應(yīng)具備以下幾個功能：1）上料：上料機(jī)器人負(fù)責(zé)將產(chǎn)品上料至傳送帶。2）加工：當(dāng)傳送帶將產(chǎn)品送到加工機(jī)器人處，由氣泵推送至取貨臺，由加工機(jī)器人將產(chǎn)品夾取至加工臺，加工完成后，再次由加工機(jī)器人夾取至質(zhì)檢臺。3）質(zhì)檢：通過質(zhì)檢臺的視覺監(jiān)測機(jī)器，判斷產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)，判斷標(biāo)準(zhǔn)可以自定義，本實驗以顏色來進(jìn)行產(chǎn)品分類。4）下料：產(chǎn)品經(jīng)過質(zhì)檢后，由下料機(jī)器人取走，并根據(jù)質(zhì)檢結(jié)果，放至不同的下料傳送帶。5）安全急停：設(shè)定一鍵急停功能，當(dāng)發(fā)生緊急情況時手動停止整個傳送裝置。同時設(shè)定手動一鍵恢復(fù)功能。6）數(shù)據(jù)傳輸：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，上位機(jī)顯示所有機(jī)器人的實時狀態(tài)及當(dāng)前和歷史質(zhì)檢結(jié)果。上位機(jī)同時具有系統(tǒng)的一鍵初始化功能。
2系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)硬件主要由三部分組成：設(shè)備層、控制層、監(jiān)控層。設(shè)備層的主要硬件包含傳送帶、三軸滑臺以及三臺機(jī)器人等組成。其中兩臺機(jī)器人選用垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，一臺選用水平關(guān)節(jié)機(jī)器人。水平關(guān)節(jié)機(jī)器人選用臺達(dá)DRS60L6系列，其具有免感知順應(yīng)功能、優(yōu)越的速度和精度，同時在線性度和垂直度方向也具有較高性能，該機(jī)器人主要負(fù)責(zé)將加工完成的產(chǎn)品放入視覺檢測機(jī)器。垂直多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人選用臺達(dá)DRV70L系列，其具有高精度、高速度的特點，通過DCV控制器的配合使用，可以掌握關(guān)鍵元器件打造出一個十分簡潔快速的機(jī)器人工作站，這樣做可以有效地節(jié)約各項成本。垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品的上料與下料部分?？刂破鞑糠种饕x用臺達(dá)AS系列，AS系列主機(jī)內(nèi)置CANopen網(wǎng)絡(luò)通訊和EtherNet／IP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。通訊訊號采用CAN協(xié)議并進(jìn)行機(jī)制優(yōu)化，模塊數(shù)量增加。使用開放式工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)定，滿足實時控制與數(shù)據(jù)搜集。同時支持使用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)接口。圖1為設(shè)備層與控制器基本組成。監(jiān)控層主要由視覺監(jiān)測、工程師站、機(jī)器人監(jiān)視上位機(jī)以及攻擊套件組成。視覺監(jiān)測監(jiān)控軟件采用DMV1000系列機(jī)器視覺，可以提供多樣化數(shù)字I／O接點，通訊接口有RS－232、Ether-Net以及臺達(dá)PLC－LINK。數(shù)據(jù)可視化實時顯示以及部分指令傳輸通過上位機(jī)實現(xiàn)。在本平臺中，視覺機(jī)器與上位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，視覺機(jī)器與控制器可以通過RS－232通訊格式快速連接，不需要額外編寫復(fù)雜的通訊程序。臺達(dá)PLC支持MODBUS協(xié)議，上位機(jī)與控制器之間同樣通過EtherNet接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
3系統(tǒng)軟件
該工控平臺的搭建軟件部分主要通過力控、ISPSoft以及臺達(dá)機(jī)器視覺軟件等完成。數(shù)據(jù)可視化及實時顯示通過力控完成，通過與PLC的連接，完成數(shù)據(jù)的實時顯示，如圖2所示，可視化界面顯示了所有機(jī)器人狀態(tài)、傳送帶狀態(tài)以及質(zhì)檢結(jié)果。同時支持通過上位機(jī)對控制器發(fā)出相應(yīng)指令。傳送帶、氣缸氣閥以及三軸滑臺的程序控制由ISPSoft軟件負(fù)責(zé)。作為新一代IEC編輯軟件，ISPSoft使用不同于以往傳統(tǒng)程序架構(gòu)的模塊化程序架構(gòu)（POU），提高了開發(fā)效率。同時該軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)形態(tài)的自定義以及支持程序運行中的實時修改和更新，這也使得編輯更加便捷。ISPSoft同時支持多種編程語言，例如梯形圖、結(jié)構(gòu)化語言、連續(xù)功能圖等的搭配使用，本工控設(shè)備的基本編程語言使用梯形圖，圖3為視覺檢測機(jī)器啟動的部分示例程序，通過下列程序，完成加工臺的初始啟動，檢測到物料并識別的過程。產(chǎn)品質(zhì)檢操作主要由臺達(dá)機(jī)器視覺軟件完成。該視覺軟件可以完成基本的色彩檢測功能，同時支持動態(tài)范圍的曝光修正以及視覺傾斜矯正。在本智能制造工控平臺中，設(shè)定顏色為判斷標(biāo)準(zhǔn)，紅色為質(zhì)檢合格產(chǎn)品，而藍(lán)色為質(zhì)檢不合格產(chǎn)品。
4實驗驗證
該工控設(shè)備成功的完成啟動，初始化，急停以及上料下料質(zhì)檢等基礎(chǔ)功能。通過對該智能制造工控平臺進(jìn)行產(chǎn)品模擬投放試驗，由表1可知，合格產(chǎn)品檢出率100％，不合格產(chǎn)品檢出率100％，成功地完成了對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測。
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作者：蔣舒玥 李玉峰 曹晨紅 李江濤 單位：上海大學(xué)計算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院
