CN110850802A - 一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，在传统的控制器基础上内置了丰富的通讯协议和通讯接口，并在此基础上开放用户二次开发功能，用户可以根据实际需求使用本控制器开放的二次开发功能定制开发自己的控制协议，另外控制器带有网口、串口等丰富的物理接口形式，支持各种通讯接口之间相互映射和穿透功能；当控制器自带通讯接口不够使用，或者控制器通讯接口为私有接口不通用的情况下，可以通过控制器外置的USB扩展各种通讯接口，解决了工业控制系统中数据采集的通讯问题；同时，所设计可编程逻辑控制器内置数据加密安全传输、数据无线传输、无线控制和实时数据采集等功能。数据采集方式灵活多样，可选择域变得更加广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，属于智能控制器技术领域。
背景技术
随着科技的进步，工业自动化控制技术日新月异，从简单的本地自动控制系统到整个厂区的集中控制系统，再到整个城区的控制系统，控制系统成集中化网络化发展；自动化控制系统的集中化和网络化离不开工业互联网。
工业互联网的发展又结合了现在的人工智能和大数据分析，使得工业控制越加的高效率和智能化。然而工业互联网的发展和大数据分析需要以大量的数据为基础。工业自动监控系统也需要各种数据采集才能实现。这些数据通过各种网关和数据采集设备把设备层采集的数据上传到监控层，这个过程需要大量底层设备的通讯接口支持和通讯协议支持。
国内现有的工业自动化系统存在各种品牌的控制器和上位机，各个品牌都有自己独有的一套通讯协议用来跟上位机和外围设备进行通讯，通讯接口也有好多种类型如：串口、以太网、光纤和同轴电缆等，这些不同的通讯协议和不同的通讯接口给监控平台和大数据分析平台的数据采集带来很大的工作量和不确定性。
这些工作量和不确定性表现为：一方面有些带串口通讯的工业控制器想要进行数据采集，必须添加接口转换网关；另一方面一些带以太网的控制器进行数据采集时，虽然不需要通讯接口转换，但是内置协议太少，跟上位机采集协议不兼容，上位机采集数据必须添加协议转换网关；再有就是上述两种方案没有通讯安全防护功能，如果进行安全防护还需要添加安全防火墙网关，所有这些增加的网关设备给系统增加了故障点，影响了数据的采集效率和投入成本，同时增加了后期维护的长期投入成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，能够有效提高工业自动化控制的工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，用于实现本地工业的自动化控制、以及与上位机或外接设备之间的数据通讯；包括软PLC系统和通讯系统，其中，软PLC系统上设置有数据信号采集端口、控制逻辑加载端口、以及控制信号输出端口；数据信号采集端口用于接收本地工业中指定各采集信号至软PLC系统中，控制逻辑加载端口用于接收预设控制逻辑至软PLC系统中；软PLC系统加载应用所接收的控制逻辑，针对所接收到的各采集信号进行处理，获得控制信号、经控制信号输出端口进行输出，用于实现本地工业的自动化控制；
软PLC系统和通讯系统之间进行数据交互，并由通讯系统对接各上位机或各外接设备，实现本地工业自动化控制与各上位机或各外接设备之间的数据通信。
作为本发明的一种优选技术方案：所述通讯系统包括硬件通讯系统和软件通讯系统，其中，硬件通讯系统包括预设各物理通讯接口、以及内置无线通讯模块；
软件通讯系统包括参数配置模块、协议解析模块、数据处理模块和安全加密模块；
其中，参数配置模块内置各预设类型网络的配置功能，用于针对各预设类型网络的链接进行配置；
协议解析模块用于接收各现有工控协议、以及定制化工控协议，并用于对所接收工控协议实现解析；
数据处理模块用于针对所述软PLC系统接收到的各采集信号进行处理、并实现向所接上位机或外接设备的数据上报；
安全加密模块用于针对与上位机之间的通讯、或者与外接设备之间的通讯进行认证和加密。
作为本发明的一种优选技术方案：所述数据处理模块针对软PLC系统所接收各采集信号上报至上位机或外接设备的操作中，当上报数据通讯链路出现故障时，则数据处理模块将各采集信号转存安全智能可编程逻辑控制器所连接的数据库中，等待上报数据通讯链路恢复以后、补传丢失的数据和相应的时间戳。
作为本发明的一种优选技术方案：所述软PLC系统经软件通讯系统分别与各上位机、或各外接设备之间进行通讯过程中，基于安全加密模块分别与各上位机或各外接设备、两两彼此之间所确定相对应的加解密方式，在安全加密模块分别与各上位机或各外接设备之间的两两交互通讯过程中，发送方应用加密方式针对目标数据进行加密、获得加密数据包，并将加密数据发送至接收方，接收方获得加密数据数据包，并应用相对应的解密方式针对加密数据包进行解密、获得目标数据；且安全加密模块分别与各上位机或各外接设备之间的两两交互通讯过程中，安全加密模块屏蔽上述执行过程以外的通信。
作为本发明的一种优选技术方案：所述安全加密模块应用IPsec加密防护机制。
作为本发明的一种优选技术方案：所述采集信号、所述控制信号分别均包括模拟信号和离散信号。
本发明所述一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，在传统的控制器基础上内置了丰富的通讯协议和通讯接口，并在此基础上开放用户二次开发功能，用户可以根据实际需求使用本控制器开放的二次开发功能定制开发自己的控制协议，另外控制器带有网口、串口等丰富的物理接口形式，支持各种通讯接口之间相互映射和穿透功能；当控制器自带通讯接口不够使用，或者控制器通讯接口为私有接口不通用的情况下，可以通过控制器外置的USB扩展各种通讯接口，解决了工业控制系统中数据采集的通讯问题；同时，所设计可编程逻辑控制器内置数据加密安全传输、数据无线传输、无线控制和实时数据采集等功能。数据采集方式灵活多样，可选择域变得更加广阔。
附图说明
图1是本发明设计支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器的应用示意图；
图2是本发明设计中安全防护原理示意图；
图3是实施例的网络拓扑示意图；
图4是实施例中应用本发明设计后的网络拓扑示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，用于实现本地工业的自动化控制、以及与上位机或外接设备之间的数据通讯；实际应用当中，如图1所示，包括软PLC系统和通讯系统，其中，软PLC系统上设置有数据信号采集端口、控制逻辑加载端口、以及控制信号输出端口；数据信号采集端口用于接收本地工业中指定各采集信号至软PLC系统中，控制逻辑加载端口用于接收预设控制逻辑至软PLC系统中；软PLC系统加载应用所接收的控制逻辑，针对所接收到的各采集信号进行处理，获得控制信号、经控制信号输出端口进行输出，用于实现本地工业的自动化控制。实际应用当中，上述采集信号和上述控制信号分别均包括模拟信号和离散信号。
软PLC系统和通讯系统之间进行数据交互，并由通讯系统对接各上位机或各外接设备，实现本地工业自动化控制与各上位机或各外接设备之间的数据通信。
实际应用当中，设计通讯系统包括硬件通讯系统和软件通讯系统，其中，硬件通讯系统包括预设各物理通讯接口、以及内置无线通讯模块；物理通讯接口包括RS232、RS485、USB和以太网等通讯接口，是通讯链接的物理层，负责数据云化互联数据链接的物理层接口兼容；无线通讯模块可以进行无线组网。
软件通讯系统包括参数配置模块、协议解析模块、数据处理模块和安全加密模块；参数配置模块内置各预设类型网络的配置功能，用于针对各预设类型网络的链接进行配置，包括路由表、VPN等组网配置功能；协议解析模块用于接收各现有工控协议、以及定制化工控协议，并用于对所接收工控协议实现解析，诸如包含工业领域常用的各种通讯协议如：ModbusTCP、Profinet等，保证组网成功后协议的兼容和互联；数据处理模块用于针对所述软PLC系统接收到的各采集信号进行处理、并实现向所接上位机或外接设备的数据上报；安全加密模块用于针对与上位机之间的通讯、或者与外接设备之间的通讯进行认证和加密；实际应用当中，安全加密模块应用IPsec加密防护机制。
所述软PLC系统经软件通讯系统分别与各上位机、或各外接设备之间进行通讯过程中，基于安全加密模块分别与各上位机或各外接设备、两两彼此之间所确定相对应的加解密方式，在安全加密模块分别与各上位机或各外接设备之间的两两交互通讯过程中，如图2所示，发送方应用加密方式针对目标数据进行加密、获得加密数据包，并将加密数据发送至接收方，接收方获得加密数据数据包，并应用相对应的解密方式针对加密数据包进行解密、获得目标数据；且安全加密模块分别与各上位机或各外接设备之间的两两交互通讯过程中，安全加密模块屏蔽上述执行过程以外的通信。
实际应用中，软件通讯系统中数据处理模块针对软PLC系统所接收各采集信号上报至上位机或外接设备的操作中，当上报数据通讯链路出现故障时，则数据处理模块将各采集信号转存安全智能可编程逻辑控制器所连接的数据库中，等待上报数据通讯链路恢复以后、补传丢失的数据和相应的时间戳。
本发明所设计安全智能可编程逻辑控制器在实际应用当中，基于Linux智能系统，软 PLC系统根据用户编辑的逻辑程序进行工业自动化控制和实际传感器的数据采集，通讯系统则负责与上位机的数据通讯工作。所支持的数据类型有byte、short、int、long、float、double、bool、char等，几乎涵盖了所有的数据类型；并且支持VPN和静态路由配置，支持TCP/IP、ARP、UDP、ICMP、DHCP等通讯方式；可以扩展双网口，以实现交换机模式、实时环网模式、独立双网卡通讯模式等工作模式，而且可以通过内置无线模块实现无线组网，支持控制和数据采集网络分离，保证控制系统的安全稳定，此外自带数据存储功能，通讯终端后存储通讯中断期间的数据，通讯连接正常后自动补传数据。
将上述所设计支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，应用于实际当中，以天然气行业为例：某天然气行业SCADA系统存在大量的云化数据互联需求，但是采用传统的控制器组网存在很多问题，如图3所示，主要表现再以下方面：
(1)传统工业控制器如：西门子200，通讯接口大多只带串口，不带以太网接口，而上位机采集数据都是通过以太网进行采集，这就需要添加接口转化模块进行物理接口转换增加成本和调试时间。
(2)传统工业控制器如：西门子200，即使加上接口转换网关也不能直接进行数据采集和通讯，必须要修改控制器内部程序进行配置和重新下载程序才能实现数据采集功能。这就带来了程序被修改的风险和重新调试程序的大量工作。
(3)传统工业控制器如：西门子200，即使采取上述两种措施依然会存在无法进行数据采集的情况，因为控制器内置的通讯协议有限，常用的通讯协议仅支持ModbusRTU和Profibus的从站功能，而且不支持定制开发功能。一旦Scada软件的采集协议采用的是EtherCAT等控制器不支持的协议将无法接入数据采集系统，只能更换控制器。
(4)即使成功组网由于控制协议固定无法定制开发，通讯系统没有安全加密防护功能，很容易受到网络攻击而发生事故。
(5)通讯中断后中断期间的数据就会丢失，没有数据补传功能。
采用本发明所设计安全智能可编程逻辑控制器，针对上述系统中的控制器进行替换后，如图4所示，完美解决了以上所有问题，解决所获效果如下：
(1)自带各种通讯接口，支持接口之间的互通和映射，支持路由表。节省了大量协议转换网关和网络布线调试成本，不需要添加通讯接口和协议转换网关。
(2)自带通讯加密认证功能在不增加成本的前提下保证了网络通讯安全。
(3)内置丰富的工业通讯协议，还支持二次定制开发功能，实现了工业协议的全兼容。
(4)内置WIFI模块支持无线通讯方式，一些无法布线和布线困难的场合也可轻松使用。
(5)自带数据存储功能，通讯终端后存储通讯中断期间的数据，通讯连接正常后自动补传数据。
如图4可见，经过所设计控制器的数据链路都是安全链路，支持数据加密和身份认证，而且控制器数据上报网络链路中没有任何协议转换网关设备，控制器直接通过交换机与上层数据采集设备相连。并且该控制器的数据上报支持有线和无线两种网络链接方式，增加了现场用户多种灵活的组网需求，通过无线方式进行组网时无需额外添加外置模块。
由图4和对比对比发现该控制器可以减少网关、无线模块等额外添加设备的数量，增加网络通讯的效率和稳定性，还可以保证网络通讯的安全性。
本发明所设计支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，在传统的控制器基础上内置了丰富的通讯协议和通讯接口，并在此基础上开放用户二次开发功能，用户可以根据实际需求使用本控制器开放的二次开发功能定制开发自己的控制协议，另外控制器带有网口、串口等丰富的物理接口形式，支持各种通讯接口之间相互映射和穿透功能；当控制器自带通讯接口不够使用，或者控制器通讯接口为私有接口不通用的情况下，可以通过控制器外置的USB扩展各种通讯接口，解决了工业控制系统中数据采集的通讯问题；同时，所设计可编程逻辑控制器内置数据加密安全传输、数据无线传输、无线控制和实时数据采集等功能。数据采集方式灵活多样，可选择域变得更加广阔；应用中，能够一次性减少云化互联增加的协议转换网关等设备成本、后续持续减少设备故障点增加的维护成本、后续持续减少设备维护时间的时间成本、避免网络攻击造成的事故顺损失等优点。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，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做出各种变化。
Claims (6)
1.一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，用于实现本地工业的自动化控制、以及与上位机或外接设备之间的数据通讯；其特征在于：包括软PLC系统和通讯系统，其中，软PLC系统上设置有数据信号采集端口、控制逻辑加载端口、以及控制信号输出端口；数据信号采集端口用于接收本地工业中指定各采集信号至软PLC系统中，控制逻辑加载端口用于接收预设控制逻辑至软PLC系统中；软PLC系统加载应用所接收的控制逻辑，针对所接收到的各采集信号进行处理，获得控制信号、经控制信号输出端口进行输出，用于实现本地工业的自动化控制；
软PLC系统和通讯系统之间进行数据交互，并由通讯系统对接各上位机或各外接设备，实现本地工业自动化控制与各上位机或各外接设备之间的数据通信。
2.根据权利要求1所述一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，其特征在于：所述通讯系统包括硬件通讯系统和软件通讯系统，其中，硬件通讯系统包括预设各物理通讯接口、以及内置无线通讯模块；
软件通讯系统包括参数配置模块、协议解析模块、数据处理模块和安全加密模块；
其中，参数配置模块内置各预设类型网络的配置功能，用于针对各预设类型网络的链接进行配置；
协议解析模块用于接收各现有工控协议、以及定制化工控协议，并用于对所接收工控协议实现解析；
数据处理模块用于针对所述软PLC系统接收到的各采集信号进行处理、并实现向所接上位机或外接设备的数据上报；
安全加密模块用于针对与上位机之间的通讯、或者与外接设备之间的通讯进行认证和加密。
3.根据权利要求2所述一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，其特征在于：所述数据处理模块针对软PLC系统所接收各采集信号上报至上位机或外接设备的操作中，当上报数据通讯链路出现故障时，则数据处理模块将各采集信号转存安全智能可编程逻辑控制器所连接的数据库中，等待上报数据通讯链路恢复以后、补传丢失的数据和相应的时间戳。
4.根据权利要求2所述一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，其特征在于：所述软PLC系统经软件通讯系统分别与各上位机、或各外接设备之间进行通讯过程中，基于安全加密模块分别与各上位机或各外接设备、两两彼此之间所确定相对应的加解密方式，在安全加密模块分别与各上位机或各外接设备之间的两两交互通讯过程中，发送方应用加密方式针对目标数据进行加密、获得加密数据包，并将加密数据发送至接收方，接收方获得加密数据数据包，并应用相对应的解密方式针对加密数据包进行解密、获得目标数据；且安全加密模块分别与各上位机或各外接设备之间的两两交互通讯过程中，安全加密模块屏蔽上述执行过程以外的通信。
5.根据权利要求2或4所述一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，其特征在于：所述安全加密模块应用IPsec加密防护机制。
6.根据权利要求1所述一种支持云化数据互联的安全智能可编程逻辑控制器，其特征在于：所述采集信号、所述控制信号分别均包括模拟信号和离散信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200228 |