CN108848133B - 一种面向制造物联的Hub控制器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，该方法采用Xilinx公司ZYNQ‑7000SoC设计，包括：设计设备感知模块，该模块包括1个协议处理单元和1个数据预处理单元，其中协议处理单元负责异构设备数据采集和控制指令下达，数据预处理单元负责生成符合用户需求的数据帧；设计综合处理模块，该模块包括1个服务器单元、1个数据传输单元和1个数字孪生单元，其中服务器单元负责搭建嵌入式服务器，数据传输单元负责与设备感知模块的数据传输以及与外界的局域网、广域网并发通信，数字孪生单元负责对设备虚拟模型的存储、控制，实现设备物理实体与虚拟模型的联动。

Description

一种面向制造物联的Hub控制器设计方法
技术领域
本发明属于电子工程和计算机科学领域，具体涉及一种面向制造物联的Hub控制器设计方法。
背景技术
智能制造已成为我国乃至世界的重点发展领域，智能单元、智能车间、智能工厂是实现智能制造的首要前提，实现现场设备数据的采集、传输、处理、使用又是实现智能单元、智能车间、智能工厂的前提。智能制造的实现需要用户、控制器以及现场设备的共同参与，用户层、控制层以及设备层三层架构在制造领域已经得到了广泛应用，但是作为三层架构中的核心层—控制层，目前主要通过不同厂家、不同协议、不同接口的各类控制器集成实现，存在着协议转换、总线传输时延、兼容等各种问题，如何设计一种能够采集现场异构设备数据、能够满足不同用户数据采集/设备控制需求以及能够实现本地/云端数据存储、访问的工业领域控制器就显得尤为紧迫。作为一种得到波音、洛克希德马丁等公司力推的数字孪生(Digital Twin)技术，其在工业领域的应用具备极大的潜力，工业控制器也需要具备数字孪生功能。
Xilinx公司的ZYNO-7000 SoC集成了FPGA和ARM，能够实现基于FPGA的I/O、硬件并行、可重构设计，也能实现基于ARM的系统级设计。
因此，针对制造领域缺乏一种通用、智能化工业控制器的现状，本发明公开了一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，该方法采用Xilinx公司的ZYNO-7000 SoC设计，涵盖了异构设备数据采集、传输、处理、人机交互、存储等，能够在一定程度上帮助企业快速实现设备管控、生产信息管理，具备通用化、高集成、多功能等优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，该方法涵盖了异构设备数据采集、传输、处理、人机交互、存储等，能够在一定程度上帮助企业快速实现设备管控、生产信息管理，具备通用化、高集成、多功能等优点。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，包括：
(1)设计设备感知模块，包括1个协议处理单元和1个数据预处理单元，具体实现如下：
①协议处理单元负责异构设备数据采集和控制指令下达，实现Modbus协议、HDLC协议、EtherCAT协议、Cc-link协议以及MTConnect协议的解析、封装；协议处理单元将采集到的数据发送给数据预处理单元；
②数据预处理单元首先读取二级缓存BRAM中的配置参数，然后根据配置参数生成符合用户需求的异构设备数据；最后将异构设备数据发送到一级缓存BRAM中；
(2)设计综合处理模块，包括1个服务器单元、1个数据传输单元和1个数字孪生单元，具体实现如下：
①服务器单元负责搭建嵌入式服务器，用户可登录嵌入式服务器，配置设备参数、报警参数、数据格式等，服务器单元会保存不同用户的配置参数；用户也可读取上次保存在服务器单元中的各种配置参数；服务器单元将配置参数发送到二级缓存BRAM；
②数据传输单元接收用户的设备控制指令并发送到三级缓存BRAM，协议处理单元读取三级缓存BRAM中的设备控制指令并发送给各个设备；数据传输单元读取一级缓存BRAM中的异构设备数据并发送给用户；数据传输单元具备与外界的局域网、广域网并发通信功能；
③数字孪生单元负责对设备虚拟模型的存储、控制，实现设备物理实体与虚拟模型的联动，用户首先通过浏览器登录嵌入式服务器，保存在数字孪生单元中的设备虚拟模型会呈现在浏览器中；用户控制虚拟模型，此时虚拟模型的动作会通过数字孪生单元发送到三级缓存BRAM，实现设备的虚拟模型控制物理实体；设备物理实体的动作会通过协议处理单元、数据预处理单元发送到数字孪生单元，保存在数字孪生单元中的虚拟模型会跟随物理实体动作，实现设备的物理实体控制虚拟模型。
其中，设备感知模块基于FPGA设计，综合处理模块基于ARM设计；一级缓存BRAM、二级缓存BRAM和三级缓存BRAM均为双端口BRAM，双端口BRAM的一个端口跨接到FPGA端、另一个端口跨接到ARM端，实现FPGA端和ARM端的通信。
本发明设计的一种面向制造物联的Hub控制器设计方法采用Xilinx公司ZYNQ-7000 SoC芯片设计，其中FPGA端基于ZYNQ-7000 SoC的Progarmmable Logic，ARM端基于ZYNQ-7000 SoC的Processing System。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出的一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，能够指导设计一种集现场异构设备数据采集/传输/处理、能够满足不同用户数据采集/设备控制需求以及能够实现本地/云端数据存储、访问功能为一身的工业领域控制器，相比于传统的通过各类控制器集成的实现方式，具备通用化、高集成、多功能等优点。
(2)本发明提出的方法涵盖了数字孪生技术，能够实现设备虚拟模型的存储、控制，实现设备物理实体与虚拟模型的联动，为数字孪生技术的落地提供了参考、验证。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的应用框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
本发明涉及一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，采用Xilinx公司ZYNQ-7000SoC芯片设计。针对制造领域缺乏一种通用、智能化工业控制器的现状，该方法涵盖了异构设备数据采集、传输、处理、人机交互、存储等，能够在一定程度上帮助企业快速实现设备管控、生产信息管理，具备通用化、高集成、多功能等优点。
本发明的结构框图如图1所示、本发明的应用框图如图2所示，具体实施方式如下：
(1)图1中的设备感知模块1，具体实现如下：
①设计的设备感知模块包括1个协议处理单元和1个数据预处理单元；
②协议处理单元负责异构设备(图2中的设备层)数据采集和控制指令下达，实现Modbus协议、HDLC协议、EtherCAT协议、Cc-link协议以及MTConnect协议的解析、封装；协议处理单元将采集到的数据发送给数据预处理单元；
③数据预处理单元首先读取二级缓存BRAM中的配置参数，然后根据配置参数生成符合用户需求的异构设备数据；最后将异构设备数据发送到一级缓存BRAM中；
(2)图1中的综合处理模块2，具体实现如下：
①设计的综合处理模块包括1个服务器单元、1个数据传输单元和1个数字孪生单元；
②服务器单元负责搭建嵌入式服务器，用户可通过集控软件(图2中的用户层)或者网页登录嵌入式服务器，此时服务器单元会记录该用户的ID；用户可配置设备参数、报警参数，可以配置哪些设备数据需要上传、哪些设备数据不需要上传，能够合理优化带宽，同时服务器单元会保存不同用户的配置参数；用户也可读取上次保存在服务器单元中的各种配置参数；服务器单元将配置参数发送到二级缓存BRAM；
③数据传输单元接收用户的设备控制指令并发送到三级缓存BRAM，协议处理单元读取三级缓存BRAM中的设备控制指令并发送给各个设备；数据传输单元读取一级缓存BRAM中的异构设备数据并发送给用户；数据传输单元具备与外界的局域网、广域网并发通信功能，即数据传输单元可以通过局域网与本地的PC端监控软件、移动端集控软件(图2中的用户层)通信，同时可以通过广域网将数据上传至云端，实现数据的云备份(图2中的用户层)，可以读取云端数据实现历史数据查看和恢复；用户可通过配置参数配置数据传输单元是否进行云备份以及上传的频率；远程用户可以通过访问云端实现与控制器的通信，进而实现对现场设备的远程监控；
④数字孪生单元负责对设备虚拟模型的存储、控制，实现设备物理实体与虚拟模型的联动，用户首先通过浏览器登录嵌入式服务器，保存在数字孪生单元中的设备虚拟模型会呈现在浏览器中；用户控制虚拟模型，此时虚拟模型的动作会通过数字孪生单元发送到三级缓存BRAM，实现设备的虚拟模型控制物理实体；设备物理实体的动作会通过协议处理单元、数据预处理单元发送到数字孪生单元，保存在数字孪生单元中的虚拟模型会跟随物理实体动作，实现设备的物理实体控制虚拟模型；
(3)设备感知模块基于FPGA(ZYNQ-7000 SoC的Progarmmable Logic)设计，综合处理模块基于ARM(ZYNQ-7000 SoC的Processing System)设计；一级缓存BRAM、二级缓存BRAM和三级缓存BRAM均为双端口BRAM，双端口BRAM的一个端口跨接到FPGA端、另一个端口跨接到ARM端，实现FPGA端和ARM端的通信；
综上所述，本发明公开了一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，包括设计设备感知模块和综合处理模块，该方法涵盖了异构设备数据采集、传输、处理、人机交互、存储等，能够在一定程度上帮助企业快速实现设备管控、生产信息管理，具备通用化、高集成、多功能等优点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，其特征在于：包括：
(1)设计设备感知模块，包括1个协议处理单元和1个数据预处理单元，具体实现如下：
①协议处理单元负责异构设备数据采集和控制指令下达，实现Modbus协议、HDLC协议、EtherCAT协议、Cc-link协议以及MTConnect协议的解析、封装；协议处理单元将采集到的数据发送给数据预处理单元；
②数据预处理单元首先读取二级缓存BRAM中的配置参数，然后根据配置参数生成符合用户需求的异构设备数据；最后将异构设备数据发送到一级缓存BRAM中；
(2)设计综合处理模块，包括1个服务器单元、1个数据传输单元和1个数字孪生单元，具体实现如下：
①服务器单元负责搭建嵌入式服务器，用户可登录嵌入式服务器，配置设备参数、报警参数、数据格式，服务器单元会保存不同用户的配置参数；用户也可读取上次保存在服务器单元中的各种配置参数；服务器单元将配置参数发送到二级缓存BRAM；
②数据传输单元接收用户的设备控制指令并发送到三级缓存BRAM，协议处理单元读取三级缓存BRAM中的设备控制指令并发送给各个设备；数据传输单元读取一级缓存BRAM中的异构设备数据并发送给用户；数据传输单元具备与外界的局域网、广域网并发通信功能；
③数字孪生单元负责对设备虚拟模型的存储、控制，实现设备物理实体与虚拟模型的联动，用户首先通过浏览器登录嵌入式服务器，保存在数字孪生单元中的设备虚拟模型会呈现在浏览器中；用户控制虚拟模型，此时虚拟模型的动作会通过数字孪生单元发送到三级缓存BRAM，实现设备的虚拟模型控制物理实体；设备物理实体的动作会通过协议处理单元、数据预处理单元发送到数字孪生单元，保存在数字孪生单元中的虚拟模型会跟随物理实体动作，实现设备的物理实体控制虚拟模型。
2.如权利要求1所述的一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，其特征在于：设备感知模块基于FPGA设计，综合处理模块基于ARM设计；一级缓存BRAM、二级缓存BRAM和三级缓存BRAM均为双端口BRAM，双端口BRAM的一个端口跨接到FPGA端、另一个端口跨接到ARM端，实现FPGA端和ARM端的通信。
3.如权利要求1所述的一种面向制造物联的Hub控制器设计方法，其特征在于：所述的方法采用Xilinx公司ZYNQ-7000 SoC芯片设计，其中FPGA端基于ZYNQ-7000 SoC的Progarmmable Logic，ARM端基于ZYNQ-7000 SoC的Processing System。
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