CN107770005A - 基于3g/4g无线技术的工业以太网传输方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种网络化工业控制系统，具体而言，涉及一种基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法及装置；网络结构采用以监控中心为核心，各监控点为节点的三层星型架构，监控站点到监控中心的连接方式使用基于L2TP拨号的站点对站点的VPN连接技术进行数据传输，每个监控站点以静态IP为站点网络传感器使用，监控中心可以通过局域网静态IP直接访问任意一个监控站点的网络传感器；本发明提供一种基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法及装置，基于运营商的无线网络设计，用工业级网络设备满足野外场所全天候运行需求，降低了企业成本，设计结构更简单合理。

Description

基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法及装置
技术领域
本发明涉及一种网络化工业控制系统，具体而言，涉及一种基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法及装置。
背景技术
石油开采、电力监控、煤层气开采等工业生产都存在站点数量多、分布广、管理难等问题。随着互联网技术的快速发展，网络通信技术与工业控制技术相结合，使得远程控制技术得到了迅猛发展，技术员无需亲临生产现场即可实时掌握生产第一手资料。工业领域目前网络通用解决方式有：基于有线通讯和基于无线通讯。但是基于有线的“全连接”势必造成组网结构复杂度增加，物理环境的限制一些生产现场布设和维护有线网络的难度大、成本高，而2G/3G/4G无线网络技术出现打破了组网布线的限制，可以实现在任何有运营商网络服务的任何地方进行通信。面对严峻的网络安全形势，工控安全也不容忽视，众多生产现场如何安全高效可靠地保证数据传输是亟待解决的问题；采用的通信方式、协议和设备能否减少延时，满足实时性的要求。
常用的无线连接方式：1、基于UDP无线通信，传输速度快，可靠性差；2、基于TCP/IP无线通信，需要中心与各个站点都具备静态IP地址（或互联网域名）成本较高，安全性不高；3、基于VPN的无线通信，网络速度及质量要求较高，可靠性高，适合用于工业监控。
主要的技术难点有：监控软件需要对每个监控点的PLC，网络摄像机，触摸屏等设备进行单独控制，这就要求这些设备都拥有独立的静态IP；实际安装部署时，有的生产企业已有企业互联网，且不允许监控中心VPN服务器直接挂接到互联网接入端口，而是放到企业路由器或防火墙内网侧，这样要求所设计的VPN设备支持VPN穿越等功能。
专利201020642904.1公开一种3G无线工业网络装置，采用的3G技术的发展真正突破了传输速率限制，它的传输速率可达到144kbps-2Mbp；具有系统结构简单，无线通信功能，通信速率高等优点；其无线通信功能可以在工作环境比较恶劣、监控地点较为分散、数据传输易受干扰的条件下正常运行；提高了数据传输速率和数据传输的抗干扰性，但是该实用新型使用的是点到点的VPN连接方式，监控中心和站点都只有一个IP地址，且其使用的是动态域名DDNS方式，监控站点必须申请动态域名或静态互联网IP，数据中心访问监控站用的是动态域名技术，成本高，结构设计相对复杂。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法及装置，采用基于运营商的无线网络设计，系统联网成本低，可扩展性强；选用工业级网络设备满足野外场所全天候运行需求；保障数据的完整性、保密性和可靠性能够满足安全性需求；避免了无线网络流量超出包月流量费而产生额外费用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于3G/4G无线技术的的工业以太网传输方法，网络结构采用以监控中心为核心，各监控点为节点的三层星型架构；监控站点到监控中心的连接方式使用基于L2TP拨号的站点对站点的VPN连接技术进行数据传输；每个监控站点以静态IP为站点网络传感器使用，监控中心可以通过局域网静态IP直接访问任意一个监控站点的网络传感器。
每个监控站点分配有至少两个静态IP为站点网络传感器使用。
监控中心与各监控点的数据传输基于IPSec VPN技术，采用端到端的认证和加密技术的应用可以提高了系统的安全性。
数据传输启用和设置 IKE协商的模式，并定期更改IPSec预共享密码、安全策略及安全提议。
监控中心可定时测算每个监控点流量，结合实际需求，合理配置采样间隔、图像格式参数进行闭环流量控制。
所述方法采用的工业以太网传输装置，包括监控中心和监控站点，所述监控中心通过互联网与监控站点联接，所述监控站点包括VPN路由器和数据采集终端，所述数据采集终端与VPN路由器连接。
所述数据采集终端包括PLC、摄像机和触摸屏，所述PLC、摄像机和触摸屏分别与VPN路由器连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用基于运营商的无线网络设计，系统联网成本低，可扩展性强。选用工业级网络设备满足野外场所全天候运行需求。使用IPSec VPN技术进行数据通信，保障数据的完整性、保密性和可靠性能够满足安全性需求。使用了自动流量估算和无线网络流量闭环控制技术，避免了无线网络流量超出包月流量费而产生额外费用，为企选择3G/4G资费套餐提供依据从而节约了企业运营费用。
只需数据中心具备互联网静态IP，而监控点使用基于L2TP拨号的VPN站点到站点的连接模式，站点不需申请动态域名或静态IP节省了费用,数据中心对监控站点访问只需通过局域网专用IP访问即可，而且每个监控点可以使用多个静态局域网IP，满足同一站点拥有不同网络传感设备的需求，同时监控中心可以访问监控站点的任意网络传感器。
无线网络适应性强：支持3G/4G网络，兼容联通、移动、电信网络；工业生产监控系统可以采用模块化分布式结构设计，无需布线、控制节点配置灵活方便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1为监控中心，2为监控站点，3为互联网，4为PLC，5为摄像机，6为触摸屏，7为VPN路由器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
工业以太网传输装置，包括监控中心1和监控站点2，监控中心1通过互联网3与监控站点2联接，监控站点2包括VPN路由器7和数据采集终端，数据采集终端与VPN路由器7连接。数据采集终端包括PLC4、摄像机5和触摸屏6，PLC4、摄像机5和触摸屏6分别与VPN路由器7连接。
1、网络规划：基于L2TP拨号的站点到站点的VPN连接方式，监控中心，各个监控站点都拥有一个IP子网。对工控网络进行整体规划，根据监控站点2的子网数量及每个站点的IP需求数量，即主机数，进行IP地址规划。
1）监控站点：200，每个站点需3个IP，即PLC4、触摸屏6和网络摄像机5。
2）规划IP地址段：192.168.0.0到192.168.200.0，其中192.168.0.0为监控中心1网段。
3）访问控制：192.168.0.0网段可访问192.168.1.0-192.168.200.0所有网段，192.168.1.0-192.168.200.0网段之间不可互相访问。
2、网络结构设计
网络设计采用以监控中心1为核心（安装VPN服务器），各监控点为节点的三层星型架构（安装无线VPN路由器7），每个监控点又可分为PLC4、摄像机5、触摸屏6等终端节点。
具体设计为：监控中心1设计一台VPN服务器，每个监控站点2设计一台3G/4G具有VPN拨号的无线路由器7，组网模式为站点到站点。
3、安全设计
数据传输基于IPSec VPN技术，采用端到端的认证和加密技术的应用大大提高了系统的安全性；启用和设置IKE协商的模式，自主开发应用工具软件（本领域的技术人员在了解本发明方案的基础上，很容易开发出此类软件），定期更改IPSec 预共享密码、安全策略及安全提议，大大提高网络通信的安全性。
4、无线流量自动控制
通过自主开发软件工具（本领域的技术人员在了解本发明方案的基础上，很容易开发出此类软件）并安装于监控中心1，定时测算每个监控点流量，结合实际需求，合理配置采样间隔、图像格式等参数进行闭环流量控制。
5、产品选型及主要配置
选型原则：VPN服务器为企业及产品至少支持200路以上VPN连接。
1）监控站点2每日数据流量需求30M，可测算最低网速要求为：
30*10*1000/(24*60*60)=3.5Kbps
而实际工作中3G/4G无线网络网速远大于80Kbps，所以选择3G/4G无线传输能满足数据的传输需求。
2）监控中心1网速要求：200*3.5=700Kbps。所以监控中心1可选择10M的光纤专线接入并配备互联网3静态IP。
因此，监控中心1设计一台具备200个以上站点的接入能力，且支持L2TP服务的VPN服务器。
监控站点2的设备选择支持3G/4G的工业级VPN路由器7，支持L2TP拨号服务，站点到站点连接。
支持3G/4G网络，兼容联通、移动、电信网络；工业生产监控系统可以采用模块化分布式结构设计，无需布线、控制节点配置灵活方便。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法，其特征在于：网络结构采用以监控中心为核心，各监控点为节点的三层星型架构；监控站点到监控中心的连接方式使用基于L2TP拨号的站点对站点的VPN连接技术进行数据传输；每个监控站点以静态IP为站点网络传感器使用，监控中心可以通过局域网静态IP直接访问任意一个监控站点的网络传感器。
2.根据权利要求1所述的基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法，其特征在于：每个监控站点分配有至少两个静态IP为站点网络传感器使用。
3.根据权利要求1所述的基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法，其特征在于：监控中心与各监控点的数据传输基于IPSec VPN技术，采用端到端的认证和加密技术的应用可以提高了系统的安全性。
4.根据权利要求1所述的基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法，其特征在于：数据传输启用和设置IKE协商的模式，并定期更改IPSec预共享密码、安全策略及安全提议。
5.根据权利要求1所述的基于3G/4G无线技术的工业以太网传输方法，其特征在于：监控中心可定时测算每个监控点流量，结合实际需求，合理配置采样间隔、图像格式参数进行闭环流量控制。
6.根据权利要求1所述方法采用的工业以太网传输装置，其特征在于：包括监控中心（1）和监控站点（2），所述监控中心（1）通过互联网（3）与监控站点（2）联接，所述监控站点（2）包括VPN路由器（7）和数据采集终端，所述数据采集终端与VPN路由器（7）连接。
7.根据权利要求6所述的工业以太网传输装置，其特征在于：所述数据采集终端包括PLC（4）、摄像机（5）和触摸屏（6），所述PLC（4）、摄像机（5）和触摸屏（6）分别与VPN路由器（7）连接。
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