CN107800759A - 数据处理系统及管理设备网络中设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数据处理系统及管理设备网络中设备的方法。提供了一种网络监控器设备(28)，该网络监控器设备监控网络健康并且可调节由网关(22)采集的数据的量，在网络健康不佳的情况下减少采集的数据的量。

Description

数据处理系统及管理设备网络中设备的方法
技术领域
本公开涉及通过远程平台网关从设备网络进行的数据获取，并且具体涉及用于管理物联网(IoT)系统中或另一种联网环境中的设备的新的数据处理系统、设备控制系统和方法。
背景技术
“物联网”(IoT)是信息技术已知趋势的名称，它指的是设备经由互联网和其它计算机网络交换数据的各种技术和方法。交换数据的设备可提供有嵌入式电子电路系统、软件、传感器、致动器和提供网络连通性的通信设备。
这些概念可用于工业中，包括工业自动化系统、机器、传感器等等。“工业物联网”(IIoT)一般是指在工业环境下的设备之间的数据交换。因连接的设备的类型、对用于交换数据的通信协议的选择、所采用的网络架构的选择以及设备和网络部件的物理特性(诸如能够应对大温度变化或者稳定足以应付振动或其它恶劣的环境条件)，IoT架构可为“工业的”架构。
诸如包括工业自动化系统、机器、传感器、自动化系统等等的多个设备可经由网关设备(其为了方便起见可简称为“网关”)连接到远程服务。
远程服务包括被布置用于从设备接收数据的平台。它通常还包括可分析数据、显示数据、生成并发送设备的控制信号以及发送用于调整设备操作的控制信号的模块。
远程服务可以是云服务，但也可被实现为非云的。通常，在本公开中，“远程服务”或“远程平台”可以分别包括或提供为“云服务”或“云平台”。
网关可与其它网络部件(诸如交换机或路由器)共同定位或集成。在远程平台是云平台的情况下，网关设备包括云网关。
网关从设备采集数据，并且可选地可以对数据进行预处理、分析或加密，并将数据进一步转发到远程平台。网关充当远程平台与设备之间的接口。它还可便于远程平台与设备之间的闭环控制。
网关通常被配置用于从其所连接的设备和自动化系统采集多个时间序列变量、文件、警报和事件数据。这种数据的采集导致额外的网络通信量，并从而导致设备网络上的额外负载。
额外的网络负载可能引起设备网络拥塞、导致网络数据包延迟和/或丢失，并减慢其速度。在工业应用中，工业自动化网络的减速可能导致实时通信的丢失，这可能对生产率和安全性造成负面影响。
需要解决或改善这些问题或其它问题的方法和系统。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种数据处理系统，包括：网关，被布置用于在远程平台与设备网络中的设备之间交换数据；以及网络监控设备，被布置用于从设备网络采集网络参数并报告给网关；并且其中网关被布置用于基于采集的网络参数来调整其操作。
这提供了一种用于管理设备的新方法，在该设备中将需要从设备采集的数据按优先顺序排序，并且然后对由网关或其它监控设备采集的数据的量进行优化，使得设备网络不受负面影响。这有效地调节了网关的速度，使得设备网络不会变得过载，并且因此降低了把网关(诸如云网关)列入生产环境中的操作风险。
“网络参数”可以是表征网络的状态或网络的性能的任何可测量变量，并且优选地为直接或间接地对网络的健康有影响的可测量变量。
“平台”通常是任何计算环境，其提供运行软件应用程序的能力。如果平台在逻辑上不同于设备网络或在物理上与设备网络分离，则该平台远离设备网络。
网关包括数据优先化模块，其存储可从设备网络采集的数据项，并将优先等级与每个数据项相关联。
不同的优先等级可以分配给列表上的不同项。因此，具有相关联的优先等级的数据项的列表提供了新的数据结构，该数据结构使得能够对待采集的数据优先化。
数据优先化模块存储待采集的数据项的第一列表和不被采集的数据项的第二列表。
可选地，第一列表包括先进先出(FIFO)数据结构，并且第二列表包括先进后出(FILO)数据结构。
该FIFO/FILO布置是使得能够对由数据处理系统采集的数据的动态变化的列表进行选择性填充或减少的合适实施例；下面会更详细地说明。
可选地，网关包括数据获取模块，其从设备网络采集包括在第一列表中的数据项；并且不从设备网络采集包括在第二列表中的数据项。
可选地，网络参数包括以下项中的一个或多个：网络接口上的接收错误、网络接口上的传输错误、网络接口上的冲突率、网络中的数据包延迟、网络中的数据包丢失、数据包往返时间、网络延时。
可选地，如果从网络参数得出的一个或多个关键性能指标指示网络健康差，那么网关被布置用于限制网关从设备网络采集的数据的量。
可选地，关键性能指标包括网络参数的值、从网络参数得出的值或基于两个或更多个网络参数的组合的值。
可选地，网关被布置用于基于与数据项相关联的优先等级来选择性地采集数据项。
数据优先化模块被布置用于实现包括以下步骤的例程：评估网络参数以确定网络的健康；以及如果确定网络的健康差；则将数据项从待采集的数据项的第一列表中移除，并将该数据项添加到不被采集的数据项的第二列表；否则；如果确定网络的健康良好；则将数据项从不被采集的数据项的第二列表中移除，并将该数据项添加到待采集的数据项的第一列表；并且然后重复所述例程。
列表的这种选择性填充或减少的例程导致由数据处理系统采集的数据的动态变化。
本公开还提出了一种设备控制系统，包括：设备网络；网关，被布置用于在远程平台与设备网络中的设备之间交换数据；以及网络监控设备，被布置用于从设备网络采集网络参数并报告给网关；其中网关被布置用于基于采集的网络参数来调整其操作。
根据本公开的第二方面，提供了一种管理设备网络中的设备的方法，包括：经由网关在设备与远程平台之间交换数据；监控设备网络的网络参数；以及基于所监控的网络参数来调整网关的操作。
该方法包括存储可从设备网络采集的数据项，并将优先等级与每个数据项相关联。
该方法进一步包括经由数据优先化模块来存储待采集的数据项的第一列表，并存储不被采集的数据项的第二列表；以及经由数据获取模块从设备网络采集包括在第一列表(38)中的数据项；并且不从设备网络(10)采集包括在第二列表中的数据项。
如果从网络参数得出的一个或多个关键性能指标指示网络健康差，那么网关会限制其从设备网络采集的数据的量。
本公开提供了可基于测量设备网络的网络参数来调整由网关从设备网络采集的数据的量的方法和装置。网络参数本身或组合可提供一个或多个关键性能指标(KPI)，其可以表示设备网络的健康，即量化网络性能或指示网络问题。设备网络可以是设备的自动化网络或一些其它网络。
反映通信量状态的网关功能本身是已知的，并且在US 2012/304007A1和US 2015/067176 A1中公开了示例性实施例。US 2012/304007 A1提出了一种提供用于执行校正动作以便维持预期行为的网关。US2015/067176A1提出了尝试增强所接收的数据的网关。
本申请所考虑的设备网络包括多个设备，该多个设备连接到用于数据交换的网络基础设施。交换设备可被设置为设备网络的一部分，以控制数据的交换，并且设备网络可具有其它部件，诸如控制逻辑或被布置用于向用户显示器发送数据的显示部件。
可以在设备之间、或在设备与交换设备之间、或者在设备之间以及设备与交换设备之间交换数据。网络基础设施可以在设备之间(以及在提供了交换设备的情况下在设备与交换设备之间)提供有线或无线通信链路，或者有线和无线通信链路的组合，其中无线通信链路提供电磁波或声波，以通过大气空间而不是沿着导线来传送信号。设备网络中的设备并不都需要能够与所有其它设备交换数据，但这也是可能的。
构成设备网络的一部分的设备可包括经由控制器设备间接耦接到网络的机器。控制器设备可连接到数据总线，以便与其它机器或控制器设备或网络交换设备交换数据，该数据总线形成网络基础设施的一部分。设备网络的实例是自动化网络，在这种情况下，各种工业机器连接到网络。机器可经由合适的接口连接到控制器设备(诸如可编程逻辑控制器(PLC))，控制器设备继而可连接到数据总线，用于与其它控制器设备、交换设备连接，或者直接连接到其它机器。
附图说明
本发明的其他的方面、特征和优点将从以下优选实施例的附图和详细描述中变得显而易见。
现在将参照本发明的优选实施例的附图来提出本发明的上述和其它概念。所示实施例旨在例示而非限制本发明。附图包含以下图，其中相同的附图标记在整个说明书和附图中指代相同的部件，并且其中
图1示出了现有技术的设备控制系统，其为工业自动化网络；
图2示出了根据本公开的设备控制系统；
图3示出了根据本公开的实施例的网关的各方面，该网关可用作图2的设备控制系统的一部分；以及
图4例示了数据优先化模块的操作的各方面，该数据优先化模块可被设置为网关的一部分。
具体实施方式
图1示出了由已知设备控制系统11控制的设备网络10。在该实例中，设备网络10包括在制造工厂12处提供的自动化网络。设备网络10包括机器，所述机器包括工业设备(诸如驱动器14和马达16)。这些仅仅是为了例示的目的而示出，并且应当理解，存在可连接的许多其它类型的机器，并且机器可包括传感器和其它网络部件。机器14、16可与相应的控制器装置18连接，该控制器装置例如可以是可编程逻辑控制器(PLC)18。网络基础设施包括通信总线20，该通信总线可以直接与机器14、16耦接，或者与控制器设备18耦接。设备可经由现场协议(诸如PROFINET、PROFIBUS、工业以太网、EtherCAT等等)连接。
设备网络10连接到网关22，网关22用来通常经由防火墙26在设备网络10与远程平台24之间交换数据。网关22可包括交换设备和各种其它部件，以从设备网络10接收数据并将其发送到远程平台24上用于处理、报告和分析。远程平台24提供用于实行这些功能的IIoT服务，并且可提供用于实行这些功能的云服务。然后，远程平台24可将指令发送回网关22用于调整设备网络10的操作；网关22经由网络基础设施将这些指令中继到所连接的设备，以调整这些设备的操作参数。
图2示出了根据本公开的实施例的由设备控制系统11控制的设备网络10。在图2中，与图1的设备控制系统11相比，相同的附图标记用于指代相同的部件。这里，数据处理系统28包括网关22和新的网络监控设备30；该网络监控设备可简称为网络监控器30。
网络监控器30可实现为安装在硬件设备上的合适的软件，以监控网络健康和关键性能指标(KPI)。它可以被动地监测网络通信量以确定网络健康，或者它可以主动地发送数据包(适当地使用互联网控制消息协议(ICMP)，但也可使用任何其它合适的协议)来执行其它网络健康监控测试。网络监控器30也可作为软件或服务安装在网关22本身或工业路由器(未示出)上。
网关22连接到网络监控器30以接收网络健康状况KPI。网络健康状况KPI可包括网络参数或网络参数的组合。示例包括网络接口上的接收错误、网络接口上的传输错误、网络接口上的冲突率、网络中的数据包延迟、网络中的数据包丢失、数据包往返时间、网络延时。应当理解，可以测量其它参数，并且可以基于与单独或组合的这些参数相关的不同措施来定义KPI。
作为一个非限制性实例，让我们计算从其它KPI(如上)得出的并表示设备网络10的健康的合计KPI。KPI_合计(KPI_Summary)可以计算为：0.1×(1-接收错误的％)+0.1×(1-发送错误的％)+0.1×(1-冲突率的％)+...。
KPI_合计在这里是正KPI，即这个KPI的值越高，网络10的健康就越好。让我们进一步假定，如果KPI_合计大于预定的阈值(KPI_阈值)，则网络健康被认为良好。如果KPI_合计小于KPI_阈值，则可以确定网关22正在加载网络10，并且必须减少从网络10采集的数据的量。还可以制定或选择KPI_合计，使得它将网关22的活动与网络健康的活动直接相关。
根据本公开的网关22包含待采集的数据项的列表，并且还将优先等级与每个数据项相关联。待采集的数据项包括由设备提供的一个数据输出。一个设备可提供多个数据项。可以由数字或其它索引来定义优先级，其中索引定义了用于数据采集和监控目的的相对重要性。当网络建立时，可以在一次性配置过程期间提供优先级；并且还可以根据需要调整它们以反映变化的业务目标或对设备网络10的改变。
例如，存在用“优先级1”至“优先级4”定义的四个优先等级，“优先级1”定义最高的优先级，“优先级4”定义最低的优先级。可将警报和事件指定优先级1；可将温度时间序列数据指定优先级2；可将压力时间序列数据指定优先级2；可将振动时间序列数据指定优先级3；并且可将日志文件指定优先级4。
图3示出了根据本公开实施例的网关22的示意图，并且所述网关可被设置为图2的设备控制系统11的一部分。网关22连接到网络监控器30、设备网络10和远程平台24。在内部，它可包含本领域已知的可涉及网络通信、数据处理等的各种模块32。网关22还包括数据优先化模块34，该数据优先化模块基于如从网络监控器30接收到的关于网络健康的反馈，对从设备网络10采集的数据优先化。数据获取模块36根据数据优先化模块34的规定从自动化网络采集数据。
数据优先化模块34可包含数据项的两个列表，第一列表38包括待由网关22采集的数据项的列表(指代为“Collected_List”38)，并且第二列表40包括不被网关22采集的数据项的列表(指代为“Rejected_List”40)。
在优选实施例中，待采集的数据项的列表38被实现为先进先出(FIFO)队列，其中以入队操作将数据项添加到列表38且以出队操作移除，并且不被采样的数据项的列表40被实现为先进后出(FILO)堆栈，其中以推入操作将数据项添加到列表40且以弹出操作移除。
在这种情况下，操作Collected_List.queue()将数据项添加作为队列(即待采集的数据项的列表38)的尾部，并且操作Collected_List.dequeue()将数据项从队列的尾部移除。作为实例，Collected_List 38可包含警报&事件、温度时间序列数据和压力时间序列数据；也就是说，取自上述示例优先级列表，具有相关联的优先等级“1”或“2”的所有数据项；即该列表包含与相对高优先等级相关联的数据项。
类似地，操作Rejected_List.push()将规定的数据项添加到在堆栈(即不被采集的数据项的列表40)的顶部，并且操作Rejected_List.pop()将数据项从堆栈的顶部移除。作为实例，Rejected_List 40可以包含振动时间序列数据和日志文件；也就是说，取自上述示例优先级列表，具有相关联的优先级“3”或“4”的所有数据项；即该列表包含与相对低优先等级相关联的数据项。
数据优先化模块34基于来自网络监控器30的反馈来调整哪些数据项在每个列表中。应注意，Collected_List 38中的所有项的优先级总是大于Rejected_List 40中的项的优先级。列表38、40可按照其优先级的顺序存储数据项，使得较低优先级数据项从Collected_List 38中移除，并且在较高优先级数据项之前添加到Rejected_List 40。
应当理解，可以使用除了上述数据结构之外的其它线性或非线性数据结构来实现列表38、40。
图4例示了由数据优先化模块34执行的用于对数据优先化的算法。Tconf是由数据优先化模块34接收网络健康KPI之后的时间间隔。总之，当网络健康差时，该算法尝试通过将项从Collected_List 38转移到Rejected_List 40来清空Collected_List 38。当网络健康良好时，该算法尝试清空Rejected_List 40，以便采集所有的数据项。
在每个时间段Tconf启动42该过程，在该时间点数据优先化模块34接收44网络健康KPI。然后检查46网络是否健康。这通过将KPI与阈值进行比较来完成-对于正KPI，如果超过给定阈值，或者因为没有超过阈值而为负KPI，则网络被指示为健康的。如果网络健康良好，则进行检查48以查看Rejected_List 40是否为空。如果不是，则从Rejected_List 40中移除50第一数据项(这里，执行弹出操作)，并将其添加52到Collected_List40(这里执行排队操作)。如果Rejected_List 40为空，则该过程结束，并在由Tconf支配的下一时间间隔再次重复该过程。
如果网络健康差，则将第一数据项从Collected_List 38中移除(这里执行出队操作)，并将其添加到Rejected_List 40(此处执行推入操作)。然后，该过程结束，并在由Tconf支配的下一时间间隔再次重复该过程。
以这种方式，在网络健康差的时间段期间，在每个时间间隔Tconf，将从Collected_List 38中移除项并将该项添加到Rejected_List 40。这将持续到网络健康改善并恢复正常状态为止。如果这没有发生，则Collected_List 38将最终被完全清空，使得网关22不采集任何数据，并因此不会在网络10上产生额外的负载。可以在不损害灾难恢复或其它关键的指挥和控制功能的情况下实现这种数据采集的终止。
类似地，在网络健康良好的时间段期间，在每个时间间隔Tconf，将从Rejected_List 40中移除项并将该项添加到Collected_List 38，直到Rejected_List 40为空为止，换句话说，由网关22采集完整的数据项集。
本领域技术人员将容易理解，本发明可应用于工厂、工厂部门(例如测试场)、工厂组成部分(例如装配线或生产线)、工厂单元(例如泵、挤压机、压缩机或机器)。此外，本领域技术人员将容易理解，本发明可用于生产工业、制造工业、连续工业、加工工业和批量加工工业。
除了上述本发明的各方面的实施例之外，本领域技术人员将能够得出各种其它布置和步骤，如果在该文献中没有明确描述，那么它们仍然体现发明的原理并落在所附权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种数据处理系统(28)，包括：
网关(22)，被布置用于在远程平台(24)与设备网络(10)中的设备(14、16、18)之间交换数据；以及
网络监控设备(30)，被布置用于从所述网络设备(10)采集网络参数并报告给所述网关(22)；以及
其中，所述网关(22)被布置用于基于采集的所述网络参数来调整所述网关的操作，
其特征在于，
所述网关(22)包括数据优先化模块(34)，所述数据优先化模块存储能够从所述设备网络(10)采集的数据项并将优先等级与每个所述数据项相关联，
所述数据优先化模块(34)存储待采集的数据项的第一列表(38)和不被采集的数据项的第二列表(40)，以及
所述数据优先化模块(34)被布置用于实现包括以下步骤的例程：
a.评估所述网络参数以确定所述网络(10)的健康状况；以及
b.如果确定网络(10)的健康差，则从待采集的数据项的所述第一列表(38)中移除数据项，并将该数据项添加到不被采集的数据项的所述第二列表(40)中；
c.否则；如果确定网络(10)的健康良好，则从不被采集的数据项的所述第二列表(40)中移除数据项，并将该数据项添加到待采集的数据项的所述第一列表(38)中；
并且然后重复具有步骤a、b、c的所述例程。
2.根据权利要求1所述的数据处理系统(56)，其中，所述第一列表(38)包括先进先出数据结构，并且所述第二列表(40)包括先进后出数据结构。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的数据处理系统(56)，其中，所述网关(22)包括数据获取模块(36)，所述数据获取模块从所述设备网络(10)中采集包括在所述第一列表(38)中的数据项；并且不从所述设备网络(10)中采集包括在所述第二列表(40)中的数据项。
4.根据前述权利要求中任一项所述的数据处理系统(28)，其中，所述网络参数包括以下项中的其中一个或多个：网络接口上的接收错误、网络接口上的传输错误、网络接口上的冲突率、网络中的数据包延迟、网络中的数据包丢失、数据包往返时间、网络延时。
5.根据前述权利要求中任一项所述的数据处理系统(28)，其中，如果从所述网络参数中得出的一个或多个关键性能指标指示网络健康差，那么所述网关(22)被布置用于限制所述网关从所述设备网络(10)采集的数据的量。
6.根据权利要求5所述的数据处理系统(28)，其中，所述关键性能指标包括网络参数的值、从网络参数得出的值或基于两个或更多个网络参数的组合的值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的数据处理系统(28)，其中，所述网关(22)被布置用于基于与所述数据项相关联的所述优先等级来选择性地采集数据项。
8.一种管理设备网络(10)中的设备(14、16、18)的方法，包括：
经由网关(22)在所述设备(14、16、18)与远程平台(24)之间交换数据；
存储能够从所述设备网络(10)中采集的数据项，并将优先等级与每个所述数据项相关联；
监控所述设备网络(10)的网络参数；
基于监控的所述网络参数来调整所述网关(22)的操作；
经由数据优先化模块(34)，存储待采集的数据项的第一列表(38)和不被采集的数据项的第二列表(40)；
经由数据获取模块(36)从所述设备网络(10)采集包括在所述第一列表(38)中的数据项；并且不从所述设备网络(10)中采集包括在所述第二列表(40)中数据项，
其中，如果从所述网络参数得出的一个或多个关键性能指标指示网络健康差，那么所述网关(22)通过从待采集的数据项的所述第一列表(38)中移除数据项，并将该数据项添加到不被采集的数据项的所述第二列表(40)，来限制所述网关从所述设备网络(10)采集的数据的量。
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