CN107942972A - 一种工厂智能集成系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种工厂智能集成系统及方法，该系统包括服务器单元、网络单元、带若干数据接口单元的数据采集站、安全防护单元以及与服务器单元连接的显示单元，数据接口单元包括协议转换单元和数据处理单元，服务器单元与数据接口单元之间通过网络单元进行数据交互；数据接口单元将各个数据终端的数据集成，其中，数据处理单元读取数据，协议转换单元解析协议包，并将各种通讯协议的数据转换成标准的通讯协议；显示单元用于监控和展示全厂内所有数据终端的信息；安全防护单元保护服务器单元和数据接口单元之间的数据安全。本发明可实现多个独立的工控系统和现场设备数据安全集成到一个平台，并确保每个独立的工控系统的安全性和可靠性。

Description

一种工厂智能集成系统及方法

技术领域

本发明涉及一种智能集成系统，尤其是一种工厂智能集成系统，还涉及其集成方法，属于通信领域。

背景技术

在工厂自动化和信息化融合的新阶段，厂内设备和控制系统的数据集成是迈向智能工厂的第一步。然而，一个制造企业或一个生产系统是由许多制造商提供的设备和工控系统组成的，这些设备是在多个国家和多个技术标准下生产的，甚至有不同历史时期的产品，通讯方式和通讯协议都不尽相同，设备状态监测的实现尤其繁琐，如何在有限成本下，以最有效率的方式取得不同厂牌、不同通讯协议设备的生产状态信息，并将数据集成到一个平台实现远程监视控制和进一步分析，是信息化和自动化项目实施者必须解决的关键问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，满足信息化建设的基础数据要求，本发明第一目的在于提供一种具备多种接口和多种协议转换的工厂智能集成系统，集成工厂内所有工控系统、自动化设备和仪器仪表的数据。同时，还要考虑到工控网络安全问题，防止工控系统受到病毒入侵而影响其稳定性和可靠性。本发明第二目的在于提供一种集成方法。本发明的具体方案如下：

一种工厂智能集成系统，包括服务器单元、网络单元、带若干数据接口单元的数据采集站、安全防护单元以及与服务器单元连接的显示单元，数据接口单元包括协议转换和数据处理单元，服务器单元与数据接口单元之间通过网络单元进行数据交互；

数据接口单元将各个数据终端的数据集成，其中，协议转换和数据处理单元读取数据，解析协议包，并将各种通讯协议的数据转换成标准的通讯协议；

显示单元用于监控和展示全厂内所有数据终端的信息；安全防护单元保护服务器单元和数据接口单元之间的数据安全。

进一步地，服务器单元包括历史数据服务器、实时数据库服务器、web服务器；实时数据库服务器与数据接口单元进行数据交互，历史数据服务器和web服务器通过生产基础网络与实时数据库服务器连接，使得历史数据库和实时数据库的数据同步存储，历史数据服务器提供历史曲线形式的数据查询。

进一步地，数据接口单元包括接口转换器、IO接口、串行接口、以太网接口和MPI接口，其中，PLC系统、DCS系统和RTU站与以太网接口连接，各个仪器、仪表和智能设备与串行接口连接，无接口设备与IO接口连接，串行接口将非标准通讯协议转换为标准MODBUS TCP协议，IO接口将将脉冲量或者模拟量信号转换为MODBUS TCP协议的数字量信号，以太网接口与安全防护单元连接。

进一步地，安全防护单元包括安全防护网关，安全防护网关包括控制端和信息端，其中，控制端与各接口连接，信息端通过以太网接口接入网络单元。

进一步地，还包括备用实时数据库服务器，两台实时数据库服务器互为热备，并实现负荷均衡和冗余功能。

进一步地，网络单元是由多个交换机、光缆和辅助设备组成的网络，由1000M双环网作为数据集成的核心网络，环网节点下采用星型网络结构，每个节点下设置多个车间采集数据的交换机。

进一步地，显示单元包括历史数据查询单元、数据报警查询单元、统计分析单元和各个车间数据采集部的网络监视单元。

进一步地，各个接口统一集成到一个数据采集机柜作为数据采集站。

本发明涉及的根据上述的工厂智能集成系统的多协议通讯集成方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1）、PLC系统、DCS系统、RTU的集成

将工厂生产车间的PLC系统、DCS系统和RTU通过以太网的方式接入数据接口单元的以太网接口，实现数据采集站与现场设备间的通讯，通过集成在以太网接口中的数据处理单元和协议转换单元将各种协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；无以太网接口的DCS系统采用OPC协议接入以太网接口，再过集成在以太网接口中的数据处理单元和协议转换单元将OPC协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；

步骤（2）、各个仪器、仪表和智能设备的集成

各个仪器、仪表和智能设备连接串行接口，串行接口通过其数据处理单元和协议转换单元将非标准协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；

步骤（3）、无任何通讯接口的设备的集成

在无任何通讯接口的设备端增加中间继电器或者隔离器，将脉冲量或者模拟量数据从原来的线路中分一路接入IO接口，IO接口的数据处理单元和协议转换单元将脉冲量或者模拟量信号转换为MODBUS TCP协议的数字量信号；

步骤（4）、安全防护网关的连接

所有现场数据都通过相应的接口模块采集并转换成一个通讯协议后，以以太网接口连接安全防护网关，网关控制端和信息端之间有一个安全隔离区，隔离区采用加密数据交互，通过过滤、检查、交换和阻隔将数据从控制端送入信息端，信息端同样采用MODBUS TCP协议，然后通过交换机进入数据集成环网，实时数据库与环网连接，其他服务器通过生产基础网络与实时数据库共享数据；

步骤（5）、对各个数据终端进行实时监控

通过显示单元对各个数据终端进行实时监控，显示单元采用C/S结构和B/S结构混合的模式，C/S结构供生产调度部门使用，B/S结构其他管理部门和数据应用部门使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）、实施多协议通讯集成系统，可以实现工厂内自动化设备、工控系统、RTU和仪表等生产单元的数据集成，改变以前数据孤立的状态。

（2）、实施多协议通讯集成系统，可以将厂内不同品牌、不同接口、不同协议和不同使用的设备做数据集成和转换，转换成一种通用的标准协议作为其他管理分析系统的基础数据。

（3）、数据集成平台的实现，将数量庞大和范围广大的计量仪表数据集中到一个平台，可以极大改善现场抄数人员的工作量，数据的实时性和报表统计功能可以提高计量管理报表数据的质量和效率，实时监视平台可以更加快速高效的掌握设备状态和数据状态，无需管理人员实时到现场检查。

（4）、通过数据监视平台的历史查询功能可以追溯问题、报警功能可以设置重要点位的监控报警功能，提高了监视控制的效率、维护功能可以实时查看现场设备的通讯状态。

（5）、工业安全网关的使用，不仅能满足数据通讯的要求，更能满足工控系统的安全。

（6）、解决工厂纷繁复杂的设备数据集成问题，实现多个独立的工控系统和现场设备数据安全集成到一个平台，为全厂集中监控和统计分析提供基础数据，并确保每个独立的工控系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的集成系统的系统结构框图；

图2为本发明的集成系统的数据采集站的系统结构框图；

图3为本发明的集成系统的网络结构和系统结构框图。

具体实施方式

下面以一个完整的钢铁生产企业为具体实施例对本发明做进一步说明。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用产品未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本发明的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，本实施例的工厂智能集成系统，包括服务器单元2、网络单元3、带若干数据接口单元的数据采集站5、安全防护单元4以及与服务器单元连接的显示单元1，数据接口单元包括协议转换和数据处理单元，服务器单元2与数据接口单元5之间通过网络单元3进行数据交互；

数据接口单元5将各个数据终端的数据集成， 其中，协议转换和数据处理单元读取数据，解析协议包，并将各种通讯协议的数据转换成标准的通讯协议；

显示单元1用于监控和展示全厂内所有数据终端的信息；安全防护单元4保护服务器单元2和数据接口单元5之间的数据安全。

如图2所示，数据接口单元包括接口转换器、IO接口5.3、串行接口、以太网接口5.1和MPI接口5.4，串行接口可以是RS232/485接口5.2；

其中，PLC系统6、DCS系统8和RTU站7与以太网接口5.1连接，各个仪器、仪表10、计算机9和智能设备11与串行接口连接，无接口设备12与IO接口5.3连接，串行接口将非标准通讯协议转换为标准MODBUS TCP协议，IO接口将将脉冲量或者模拟量信号转换为MODBUS TCP协议的数字量信号，太网接口与安全防护单元连接。

根据工业现场的设备通讯方式可以调整或增加接口模块，以适应生产现场各式各样的通讯方式，这些接口模块统一集成到一个数采机柜，形成一个数采站安装于车间现场，可以完整覆盖一个工序段的所有PLC系统、DCS系统、RTU单元、自动化设备和仪表等生产数据终端。有的生产设备没有通讯接口，可以在设备现场增加继电器和IO控制板，将信号接入机柜中的IO接口模块。

协议转换和数据处理单元是集成在各个接口模块中的驱动程序，驱动可以包括Modbus Master，支持TCP和RTU两种传输协议；西门子PLC Ethernet；OPC Client，支持OPCServer1.0和OPC Server2.0。

其中，IO接口和RS232/485接口使用Modbus Master，支持TCP和RTU两种传输协议；以太网接口使用西门子PLC Ethernet，以及OPC Client，支持OPC Server1.0和OPCServer2.0；MPI接口使用西门子PLC Ethernet。通过集成各种通讯驱动软件解析协议包，读取数据，并将各种通讯协议的数据转换成一种标准的通讯协议，采用以太网接口的方式输出，实现对不同协议的数据集成，便于实时数据库和其他管理平台使用。

如图3所示，服务器单元2包括历史数据服务器2.4、实时数据库服务器2.2、备用实时数据库服务器2.3、web服务器2.1；实时数据库服务器2.4与数据接口单元5进行数据交互，历史数据服务器2.4和web服务器2.1通过生产基础网络与实时数据库服务器连接，使得历史数据库和实时数据库的数据同步存储，历史数据服务器提供历史曲线形式的数据查询。

系统的业务逻辑和数据存储由此单元负责，并且两台实时数据库服务器互为热备，保证了系统的稳定运行。只有实时数据服务器直接与现场车间数采站网络通信，其他服务器通过生产基础网络与实时数据服务器连接。实时数据服务器上安装了一套实时数据库软件，与车间数据采集站直接通信。历史数据库和存储设备与实时数据库之间建立数据同步存储机制，可以根据需要抽取重要的数据信息进行存储，在数据展示监控单元可以通过历史曲线查询功能访问历史服务器，存储的数据通过历史曲线形式展现，数据存储单元实现了数据的历史回放功能，有助于事件分析。

安全防护单元4包括安全防护网关，安全防护网关包括控制端和信息端，其中，控制端与各接口连接，信息端通过以太网接口接入网络单元3。

例如，可以是由两个独立高性能嵌入式主机和辅助装置形成安全隔离系统，双主机之间采用基于总线通讯的隔离通信卡实现两个安全区之间的非网络方式的数据交换。控制端与各接口模块连接，信息端通过以太网接口接入网络单元，在网络结构上保障了控制端以下的各子系统相对独立，防止各工控系统之间相互干扰和病毒传播。

如图3所示，网络单元3是由多个交换机、光缆和辅助设备组成的网络，由1000M双环网作为数据集成的核心网络，包括多个环网节点，环网节点下采用星型网络结构，每个节点下设置多个车间的数据采集站5的交换机。

显示单元1可以包括历史数据查询单元、数据报警查询单元、统计分析单元和各个车间数据采集部的网络监视单元。例如，可以由安装在计算机上的工控组态软件WinCC7.0以及在WinCC7.0上定制开发的界面来实现，集中展示全厂内所有生产线设备的状态信息、工控系统信息、仪器仪表状态信息等，在数据监控展示单元开发了历史数据查询功能、数据报警查询功能、统计分析功能和车间数采站网络监视功能等，可以清晰查询到现场设备的实时信息，方便快捷，可以提供给全厂生产调度、设备能源管理、节能减排等部门使用，可以定制开发界面，集成关键数据和分析报表供其他管理部门使用。

本实施例涉及的根据上述的工厂智能集成系统的多协议通讯集成方法，在一个大型钢铁厂内，往往存在现场设备和控制系统纷繁复杂的情况，在各个车间安装集成一套数据采集站，包括如下步骤：

步骤（1）、PLC系统、DCS系统、RTU的集成

将工厂生产车间的PLC系统、DCS系统和RTU通过以太网的方式接入数据接口单元的以太网接口，实现数据采集站与现场设备间的通讯，通过集成在以太网接口中的数据处理单元和协议转换单元将各种协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；无以太网接口的DCS系统采用OPC协议接入以太网接口，再过集成在以太网接口中的数据处理单元和协议转换单元将OPC协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；

步骤（2）、各个仪器、仪表和智能设备的集成

各个仪器、仪表和智能设备连接串行接口，串行接口通过其数据处理单元和协议转换单元将非标准协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；仪器仪表和智能设备大部分具有串口，可以采用485线与数采站中的RS232/485接口模块通讯，在工业自动化系统中，广泛采用RS485方式的通讯，但有些设备不是采用标准的MODBUS通讯协议，需要根据现场设备的配置情况定制化RS232/485接口模块中的采集程序，再转换为标准MODBUS TCP协议。

步骤（3）、无任何通讯接口的设备的集成

在无任何通讯接口的设备端增加中间继电器或者隔离器，将脉冲量或者模拟量数据从原来的线路中分一路接入IO接口，IO接口的数据处理单元和协议转换单元将脉冲量或者模拟量信号转换为MODBUS TCP协议的数字量信号；由于设备投入运行的时间不同，在钢铁厂内出现没有任何通讯接口的仪器和设备是正常的，这种情况下需要在仪器端增加中间继电器或者隔离器，将脉冲量或者模拟量数据从原来的线路中分一路出来接入IO接口模块，IO接口模块具备模数转换功能，可以将脉冲量或者模拟量信号转换为MODBUS TCP协议的数字量信号。

步骤（4）、安全防护网关的连接

所有现场数据都通过相应的接口模块采集并转换成一个通讯协议后，以以太网接口连接安全防护网关，网关控制端和信息端之间有一个安全隔离区，隔离区采用的是加密数据交互技术，通过过滤、检查、交换和阻隔功能将数据从控制端送入信息端，信息端同样采用MODBUS TCP协议，然后通过交换机进入数据集成环网，实时数据库与环网连接，其他服务器通过生产基础网络与实时数据库共享数据；实时数据库是本套通讯集成系统的基础数据平台，必须确保稳定性和安全性，两台服务器之间通过实时数据库实现负荷均衡和冗余功能，确保系统的可靠和高效运行，与其他数据平台之间的通讯可以是ODBC通信方式、API编写的专有通信方式、专有协议驱动方式等。实时数据库采用当前应用最广泛的国际品牌之一IFIX5.5版本，数据库扫描周期频率≤1s，满足远程数据监视平台的需求。

步骤（5）、对各个数据终端进行实时监控

监控展示单元是直接面向用户的监控界面，在厂内各应用部门的需求都不一样，需要开发一套满足每个应用部门的界面系统。本通讯集成系统的监控展示单元采用C/S结构和B/S结构混合的模式，如图3所示，开发客户端运行系统的C/S结构的实时性、稳定性和专用性等特点，可以满足生产调度部门使用；B/S结构的应用模式可以满足其他管理部门和数据应用部门的使用。

用户通过客户端和浏览器远程打开系统的登录界面，注册并分配用户权限，根据需求选择满足自身部门应用的监视界面，通过显示单元对各个数据终端进行实时监控。

本领域普通技术人员可以在理解上述发明内容的基础上，对本发明进行各种扩展、变化和改进。凡采用等同替换或等效变换所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种工厂智能集成系统，其特征在于：包括服务器单元、网络单元、带若干数据接口单元的数据采集站、安全防护单元以及与服务器单元连接的显示单元，数据接口单元包括协议转换和数据处理单元，服务器单元与数据接口单元之间通过网络单元进行数据交互；

数据接口单元将各个数据终端的数据集成，其中，协议转换和数据处理单元读取数据，解析协议包，并将各种通讯协议的数据转换成标准的通讯协议；

显示单元用于监控和展示全厂内所有数据终端的信息；安全防护单元保护服务器单元和数据接口单元之间的数据安全。

2.根据权利要求1所述的工厂智能集成系统，其特征在于：服务器单元包括历史数据服务器、实时数据库服务器、web服务器；实时数据库服务器与数据接口单元进行数据交互，历史数据服务器和web服务器通过生产基础网络与实时数据库服务器连接，使得历史数据库和实时数据库的数据同步存储，历史数据服务器提供历史曲线形式的数据查询。

3.根据权利要求1所述的工厂智能集成系统，其特征在于：数据接口单元包括接口转换器、IO接口、串行接口、以太网接口和MPI接口，其中，PLC系统、DCS系统和RTU站与以太网接口连接，各个仪器、仪表和智能设备与串行接口连接，无接口设备与IO接口连接，串行接口将非标准通讯协议转换为标准MODBUS TCP协议，IO接口将将脉冲量或者模拟量信号转换为MODBUS TCP协议的数字量信号，以太网接口与安全防护单元连接。

4.根据权利要求3所述的工厂智能集成系统，其特征在于：安全防护单元包括安全防护网关，安全防护网关包括控制端和信息端，其中，控制端与各接口连接，信息端通过以太网接口接入网络单元。

5.根据权利要求2所述的工厂智能集成系统，其特征在于：还包括备用实时数据库服务器，两台实时数据库服务器互为热备，并实现负荷均衡和冗余功能。

6.根据权利要求1所述的工厂智能集成系统，其特征在于：网络单元是由多个交换机、光缆和辅助设备组成的网络，由1000M双环网作为数据集成的核心网络，环网节点下采用星型网络结构，每个节点下设置多个车间的数据采集站。

7.根据权利要求1所述的工厂智能集成系统，其特征在于：显示单元包括历史数据查询单元、数据报警查询单元、统计分析单元和各个车间数据采集部的网络监视单元。

8.根据权利要求3所述的工厂智能集成系统，其特征在于：各个接口统一集成到一个数据采集机柜作为数据采集站。

9.根据权利要求1-8之一所述的工厂智能集成系统的多协议通讯集成方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1）、PLC系统、DCS系统、RTU的集成

将工厂生产车间的PLC系统、DCS系统和RTU通过以太网的方式接入数据接口单元的以太网接口，实现数据采集站与现场设备间的通讯，通过集成在以太网接口中的数据处理单元和协议转换单元将各种协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；无以太网接口的DCS系统采用OPC协议接入以太网接口，再过集成在以太网接口中的数据处理单元和协议转换单元将OPC协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；

步骤（2）、各个仪器、仪表和智能设备的集成

各个仪器、仪表和智能设备连接串行接口，串行接口通过其数据处理单元和协议转换单元将非标准协议的数据转换的标准的MODBUS TCP协议；

步骤（3）、无任何通讯接口的设备的集成

在无任何通讯接口的设备端增加中间继电器或者隔离器，将脉冲量或者模拟量数据从原来的线路中分一路接入IO接口，IO接口的数据处理单元和协议转换单元将脉冲量或者模拟量信号转换为MODBUS TCP协议的数字量信号；

步骤（4）、安全防护网关的连接

所有现场数据都通过相应的接口模块采集并转换成一个通讯协议后，以以太网接口连接安全防护网关，网关控制端和信息端之间有一个安全隔离区，隔离区采用加密数据交互，通过过滤、检查、交换和阻隔将数据从控制端送入信息端，在信息端同样采用MODBUS TCP协议，然后通过交换机进入数据集成环网，实时数据库与环网连接，其他服务器通过生产基础网络与实时数据库共享数据；

步骤（5）、对各个数据终端进行实时监控

通过显示单元对各个数据终端进行实时监控，显示单元采用C/S结构和B/S结构混合的模式，C/S结构供生产调度部门使用，B/S结构其他管理部门和数据应用部门使用。