CN111405022B - 一种异构设备柔性组网通信平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构设备柔性组网通信平台，该平台包含两个功能模块：面向设备集成的柔性组网设计模块、面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，所述面向设备集成的柔性组网设计模块，以可视化人机界面的形式在前台运行，所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，以子线程的形式在后台运行，实时地并发处理各终端间的数据传递。本发明提出的异构设备柔性组网通信平台软件，可使企业在组建生产车间时减少对设备生产商和接口类型的依赖，并可为不同工业现场的设备组网方案提供敏捷化设计与重构服务，此外，该软件还可保障车间运行过程中设备间的稳定、高效实时通讯通信服务。

Description

一种异构设备柔性组网通信平台

技术领域

本发明涉及工控通信技术领域，具体为一种异构设备柔性组网通信平台。

背景技术

现代化数字车间通常存在大量的异构设备，如何实现它们间的灵活可靠组网通信是智能制造领域的热点问题。通信是数字化车间运作过程中的关键环节，它决定着能否将不同设备产生的大量状态信息和生产指令等数据及时、完整且准确地送达指定目标，是实现智能监控、数据采集、统计分析等上层应用功能的基础与前提。

当前，工业设备组网主要存在以下难点：

其一，大量车间内的设备都处于升级换代的过渡时期，老式设备(如只支持串行接口、固定通讯协议的老式PLC)和新式设备(如支持多样化接口、自定义通讯协议的新式控制器)并存，非标软件/设备和标准化软件/设备交叉使用，型号种类不一，接口协议异构，连接数量繁多，交互逻辑复杂；

其二，为适应生产任务的频繁更替，工业设备的添加与移除已成为常态，这对组网灵活性提出了要求；

其三，随着生产规模增大，生产设备产生及处理的数据量大大提升，多设备并发通信的情境增多，给通信质量带来严峻挑战。

目前大部分企业对设备组网多采用现成的商业化工具，成本高、自主可控性弱，本发明可为异构工业设备柔性组网通信提供一种开放且灵活的新途径。

发明内容

本发明的目的是，针对数字化工业现场各类异构设备的互联互通需求，设计一种集接口协议转换、数据传输、可视化柔性组网功能于一体的异构设备柔性组网通信平台软件，用于为异构工业设备提供灵活且开放的组网通信服务。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种异构设备柔性组网通信平台，该平台包含两个功能模块：面向设备集成的柔性组网设计模块、面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块；

所述面向设备集成的柔性组网设计模块：以可视化人机界面的形式在前台运行；

所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块：以子线程的形式在后台运行，实时地并发处理各终端间的数据传递。

优选的，所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，在针对组网过程的可视化和便捷化需求中，使用.Net图形控件技术开发组态化柔性组网界面，供用户以操作图元的方式对终端间的通信方案进行预设计或柔性化修改。

优选的，所述组态化柔性组网界面中提供异构终端色块、连接线、文字注释动画图元，设计人员可在窗口中通过拖拽、移动、拼接方式来定义各终端设备的配置信息及相互间通信逻辑；提供由设备标签组成的可视化终端列表，设计人员可对网络内的终端设备进行点对点的添加/修改/移除。

优选的，所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，在针对异构终端设备的并发数据交换需求中，基于Select模型构建异构子服务器，并使用多线程技术将多个终端的数据请求分摊至不同线程并行处理，在针对大量终端接入情境下的性能瓶颈中，融入双缓冲任务队列和高性能内存池，以此优化高并发通信性能。

优选的，所述异构子服务器是采用Select模型同时监测多个终端的读写就绪状态，直到有数据可读或可写时触发I/O操作函数，使得单个线程内可交替地响应多个请求，将多个终端的连接和数据交互事务均分至多个线程中并行处理，以此实现线程负载均衡。

优选的，所述双缓冲任务队列是基于“生产者-消费者”设计模式构建，由临时队列和正式队列组成，将消息的接收和处理操作解耦，使得二者可并列执行，以此提升并发通信效率。

优选的，所述高性能内存池是采用已按需求内存大小提前分配好一定数量内存块的自定义内存池统一管理内存的分配与回收，代替传统的“使用系统提供的new/delete、malloc/free API直接向操作系统申请与释放内存”的方式，用空间换取时间，以此解决内存碎片问题，并提高运行效率与安全性。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明公开了一种面向工业控制领域的异构设备柔性组网通信平台软件，该软件首先设计了可供操作人员对组网方案进行灵活设计及柔性扩展的组态化图形组网界面；然后针对三种常用接口协议(TCP/UDP/串口)，使用 Select模型和多线程技术构建了异构子服务器，实现了不同接口协议的终端设备间并发交换数据；同时设计了双缓冲任务队列和高性能内存池，对大量终端接入情境下的通信性能进行了有效优化。因此，本发明所带来的有益效果如下：

1.提供可视化的组态式组网设计功能，可以简化设备组网流程，提升组网效率；提供可面向单个终端点对点调整的图形化终端管理列表，可增加组网方案的灵活性和可扩展性。

2.通过构建异构子服务器，实现了异构接口协议终端间的转换互联；通过引入Select模型和多线程机制，解决了多设备的通信竞争问题，提高了并发通信效率。

3.在通信服务模块中引入双缓冲任务队列，可增强服务器对外部数据的吞吐能力；通过设计高性能内存池管理通讯报文和消息任务等对象的内存申请与释放，可有效避免内存碎片，提升高并发数据交互状态下的通信服务效率和稳定性。

本发明提出的异构设备柔性组网通信平台软件，可使企业在组建生产车间时减少对设备生产商和接口类型的依赖，并可为不同工业现场的设备组网方案提供敏捷化设计与重构服务。此外，该软件还可保障车间运行过程中设备间的稳定、高效实时通讯通信服务。

附图说明

图1是本发明涉及的组态化组网规划功能界面；

图2是本发明涉及的面向点对点柔性配置的设备标签；

图3是本发明涉及的基于多线程Select模型的TCP服务器工作流程；

图4是本发明涉及的基于Select模型的UDP服务器工作流程；

图5是本发明涉及的自定义高性能内存池。

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。

本发明的目的是，针对数字化工业现场各类异构设备的互联互通需求，设计一种集接口协议转换、数据传输、可视化柔性组网功能于一体的异构设备柔性组网通信平台软件，用于为异构工业设备提供灵活且开放的组网通信服务。

一种异构设备柔性组网通信平台，该平台包含两个功能模块：面向设备集成的柔性组网设计模块、面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块。所述面向设备集成的柔性组网设计模块：以可视化人机界面的形式在前台运行；

具体地，所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，在针对组网过程的可视化和便捷化需求中，使用.Net图形控件技术开发组态化柔性组网界面，供用户以操作图元的方式对终端间的通信方案进行预设计或柔性化修改。

进一步地，所述组态化柔性组网界面中提供异构终端色块、连接线、文字注释动画图元，设计人员可在窗口中通过拖拽、移动、拼接等方式来定义各终端设备的配置信息及相互间通信逻辑；提供由设备标签组成的可视化终端列表，设计人员可对网络内的终端设备进行点对点的添加/修改/移除。

所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块：以子线程的形式在后台运行，实时地并发处理各终端间的数据传递。

具体地，所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，在针对异构终端设备的并发数据交换需求中，基于Select模型构建异构子服务器，并使用多线程技术将多个终端的数据请求分摊至不同线程并行处理，在针对大量终端接入情境下的性能瓶颈中，融入双缓冲任务队列和高性能内存池，以此优化高并发通信性能。

进一步地，所述异构子服务器是采用Select模型同时监测多个终端的读写就绪状态，直到有数据可读或可写时触发I/O操作函数，使得单个线程内可交替地响应多个请求，将多个终端的连接和数据交互事务均分至多个线程中并行处理，以此实现线程负载均衡。

进一步地，所述双缓冲任务队列是基于“生产者-消费者”设计模式构建，由临时队列和正式队列组成，将消息的接收和处理操作解耦，使得二者可并列执行，以此提升并发通信效率。

进一步地，所述高性能内存池是采用已按需求内存大小提前分配好一定数量内存块的自定义内存池统一管理内存的分配与回收，代替传统的“使用系统提供的new/delete、malloc/free API直接向操作系统申请与释放内存”的方式，用空间换取时间，以此解决内存碎片问题，并提高运行效率与安全性。

所述面向设备集成的柔性组网设计模块：以可视化人机界面的形式在前台运行，详细说明如下：

一方面，针对面向不同车间的设备组网方案部署需求，提供异构终端色块、连接线、文字注释等动画图元，设计人员可在窗口中通过拖拽、移动、拼接等方式来对目标车间内的设备间通信方案进行灵活的组态化设计，并对选中的图元在属性栏中进行相关属性设置，以此来定义各终端的配置信息及相互间通信逻辑；另一方面，针对车间内设备调整与更换的需求，提供一种基于“设备标签”的柔性扩展机制，供设计人员在现有组网方案下对终端设备进行点对点添加/修改/移除。

所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，以子线程的形式在后台运行，实时地并发处理各终端间的数据传递，详细说明如下：

该模块面向各异构终端，开放基于Select模型和多线程技术的TCP/UDP/ 串口三种子服务器来支撑多终端设备的并发连接及跨接口协议数据传递。各终端设备连接后，服务器为每个设备对象分配独立的数据接收池来存放异步到来的报文。服务器接收到终端发来的报文后，对报文进行解析并生成相应任务逐一处理，报文与任务之间以字节流中携带的任务码进行关联。当新的数据转发任务到来时，服务器依照设计人员在前台图形化界面中设计的通信方案指导，将数据按需传递给单个或多个目标设备以执行进一步生产动作。此外，为满足工业生产环境下大量终端设备间信息交换的实时性和稳定性需求，本发明在通信服务模块中引入双缓冲任务队列和高性能内存池来对通信性能进行优化。

下面将从三个部分进行详细说明：

第一部分：

本发明在柔性组网设计模块内，针对面向不同车间的设备组网方案部署需求，设计“组态化组网规划”界面；针对车间内设备调整与更换的需求，设计基于“设备标签”的柔性扩展机制。

图1为“组态化组网规划”界面，供用户根据目标车间内的设备间通信需求对预定的设备组网方案(包括网络内的异构终端构成、通信方向、交互规则等)通过鼠标拖放、布置图元的形式进行可视化快速设计。该界面包含图元栏(a)、组网设计区域(b)和属性栏(c)。

图元栏(a)以列表形式列出可供拖放的基本图形单元，包括：文字注释、订阅连接线(蓝色线条，实心点对接订阅方，箭头对接发布方)、报文定向模式标记(彩色圆环，由MTP报文动态指定发送目标)、基于异构接口协议的接入终端(以界面上方标记的不同颜色区分)。

组网设计区域(b)为用户提供布局规划的窗口，以各生产单元子网为单位创建画布。鼠标拖动图元栏中文字选项并传入画布时会实例化成图元对象，用户可对画布中的图元对象批量框选以执行移动、缩放和编辑等操作。对各图元拼接完毕后，点击“加载”按键，系统将遍历各终端及连接线图元，将各终端图元转化为预创建的基于异构接口协议的设备对象，将连接关系转化为键值对形式的数据结构作为各设备对象的发布-订阅方向描述。选中画布中需进行预配置的图元后，可通过右侧属性栏(c)对图元相关属性进行简易设置。

图2为“设备标签”配置界面，供用户对各终端设备对象进行点对点柔性配置。以颜色不同的标签作为各异构终端设备的虚拟映射，各标签以状态灯指示其对应设备的可通信状态，并可通过相关按钮对该设备启停和移除。通过“设备详细配置按钮”可进入设置页面，以面向该设备对象对上文提及的设备信息和通信模式进行详细设置。发布-订阅模式下，用户可为当前终端对其它终端发布的消息进行个性化订阅接收：既可订阅终端发布的全部消息，也可依据目标报文的关键位置字节进行指定格式的订阅。

第二部分：

本发明在实时通信服务模块中，基于Select模型和多线程技术，构建TCP 子服务器、UDP子服务器和串口子服务器，以此实现异构接口协议转换互通和并发通信功能。

图3为TCP子服务器的工作流程示意，“新终端连接”与“已连接的终端间数据交互”这两类事务独立发生，即服务器在处理已接入终端间消息传递的同时也并行接收新终端加入。“新终端连接”事务较为简单，各终端一次连接稳定即可，使用一个线程进行处理；“已连接的终端间数据交互”事务复杂，各终端间的交互请求循环往复发生，使用多个线程处理：将全部Socket句柄分散到多个fd_set中，并为各fd_set分配一个子线程执行轮询。具体执行过程如下：

终端连接处理线程(a)：

步骤1：定义用于查询连接请求的fd_set并用FD_ZERO宏初始化为空。

步骤2：使用FD_SET宏将服务器Socket句柄加入至fd_set以监听新终端连接。

步骤3：调用Select函数轮询fd_set0，使用FD_ISSET宏检测到新的连接请求后，接收该终端的连接请求并与其建立连接，选择当前已有终端数量最少的终端队列将新加入的终端Socket存入其中。

终端消息处理线程(b)：

步骤1：在各终端消息处理线程下定义用于查询数据请求的描述符集合 fd_set(1&2&3…)并用FD_ZERO宏初始化为空。

步骤2：使用FD_SET宏将各线程负责处理的终端队列中的终端Socket 句柄加入至对应线程下的fd_set中以监听各终端数据读写请求。

步骤3：调用Select函数轮询各fd_set，使用FD_ISSET宏定位至发生交互的终端Socket，接收其消息报文，并将解析后需转发的目的报文发送给目标终端。

步骤4：循环处理下一轮数据交互。

图4为UDP子服务器的工作流程示意，鉴于UDP协议无连接的特性，在 TCP服务器工作流程的设计基础上加以简化：无需维护终端连接而只处理数据收发，对UDP服务器Socket执行Select操作以监测各UDP终端直接发来的数据请求，接收终端发来的数据的同时检查数据源IP地址和端口号信息，依此判断是否为新接入的UDP终端，若是则将其加入终端队列。

串口子服务器在架构及工作流程上与TCP服务器相仿，将“终端连接”和“终端消息处理”两种事务分离至不同线程执行。终端连接处理线程中，使用SerialPort类提供的PortNames属性对可用端口列表进行轮询，检测到新的串口终端接入时便为该串口终端创建SerialPort对象并将其添加至终端队列进行管理。基于SerialPort内部封装的事件触发机制，系统创建的辅助监听线程即为串口服务器的终端消息处理线程，当SerialPort对象接收到数据且串口接收缓冲区内的数据字节数超过SerialPort串口属性ReceivedBytesThreshold的值时，系统自动调用DataReceived事件响应回调函数，在该回调函数中完成报文解析操作。

第三部分：

为满足工业生产环境下大量终端设备间信息交换的实时性和稳定性需求，本发明在通信服务模块中引入双缓冲任务队列和自定义高性能内存池，以此增强服务器对外部数据的吞吐能力。

双缓冲任务队列由副队列和主队列组成，对数据的接收和处理操作实现解耦。基于生产者-消费者模式，将接收报文并解析生成相应任务的线程作为生产者线程，将处理任务的线程作为消费者线程，生产者线程将解析生成的任务对象放入副队列后便接收下一批消息任务，同时消费者线程将任务对象自副队列取至主队列后，对主队列中任务顺序处理，从而使得消息接收和任务处理的操作并列进行，以此有效应对忙闲不均的情境。

图5为自定义高性能内存池的原理图，通信平台软件启动后，内存池即按常用内存块大小预分配好数个内存组，各内存组均由大小相同的多个内存块构成。每个内存块均由内存块描述信息和实际可用内存组成，前者包含内存块编号、使用状态等信息，主要用于内存池管理模块的协调和跟踪，后者则是直接供调用者使用的内存区域。当有新的内存需求时，内存池管理模块直接根据需求字节大小从相匹配的内存组中选择空闲内存块进行分配，若内存块不够方从系统内存中继续申请新内存以扩充内存组。内存块申请与释放过程均加锁，以适应多线程下的竞争问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种异构设备柔性组网通信平台，其特征在于：该平台包含两个功能模块：面向设备集成的柔性组网设计模块、面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块；

所述面向设备集成的柔性组网设计模块：以可视化人机界面的形式在前台运行；

所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块：以子线程的形式在后台运行，实时地并发处理各终端间的数据传递；

所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，在针对组网过程的可视化和便捷化需求中，使用.Net图形控件技术开发组态化柔性组网界面，供用户以操作图元的方式对终端间的通信方案进行预设计或柔性化修改；

所述组态化柔性组网界面中提供异构终端色块、连接线、文字注释动画图元，设计人员可在窗口中通过拖拽、移动、拼接方式来定义各终端设备的配置信息及相互间通信逻辑；提供由设备标签组成的可视化终端列表，设计人员可对网络内的终端设备进行点对点的添加/修改/移除；

所述面向车间运作过程的设备间实时通信服务模块，在针对异构终端设备的并发数据交换需求中，基于Select模型构建异构子服务器，并使用多线程技术将多个终端的数据请求分摊至不同线程并行处理，在针对大量终端接入情境下的性能瓶颈中，融入双缓冲任务队列和高性能内存池，以此优化高并发通信性能；

所述异构子服务器是采用Select模型同时监测多个终端的读写就绪状态，直到有数据可读或可写时触发I/O操作函数，使得单个线程内可交替地响应多个请求，将多个终端的连接和数据交互事务均分至多个线程中并行处理，以此实现线程负载均衡；

所述双缓冲任务队列是基于“生产者-消费者”设计模式构建，由临时队列和正式队列组成，将消息的接收和处理操作解耦，使得二者可并列执行，以此提升并发通信效率；

所述高性能内存池是采用已按需求内存大小提前分配好一定数量内存块的自定义内存池统一管理内存的分配与回收，代替传统的“使用系统提供的new/delete、malloc/freeAPI直接向操作系统申请与释放内存”的方式，用空间换取时间，以此解决内存碎片问题，并提高运行效率与安全性；

在实时通信服务模块中，基于Select模型和多线程技术，构建TCP子服务器、UDP子服务器和串口子服务器，以此实现异构接口协议转换互通和并发通信功能；

TCP子服务器的工作流程包括终端连接处理线程和终端消息处理线程，终端连接处理线程包括如下步骤：

步骤a1：定义用于查询连接请求的fd_set并用FD_ZERO宏初始化为空；

步骤a2：使用FD_SET宏将服务器Socket句柄加入至fd_set以监听新终端连接；

步骤a3：调用Select函数轮询fd_set0，使用FD_ISSET宏检测到新的连接请求后，接收终端的连接请求并与其建立连接，选择当前已有终端数量最少的终端队列将新加入的终端Socket存入其中；

终端消息处理线程包括如下步骤：

步骤b1：在各终端消息处理线程下定义用于查询数据请求的描述符集合fd_set并用FD_ZERO宏初始化为空；

步骤b2：使用FD_SET宏将各线程负责处理的终端队列中的终端Socket句柄加入至对应线程下的fd_set中以监听各终端数据读写请求；

步骤b3：调用Select函数轮询各fd_set，使用FD_ISSET宏定位至发生交互的终端Socket，接收其消息报文，并将解析后需转发的目的报文发送给目标终端；

步骤b4：循环处理下一轮数据交互；

UDP子服务器的工作流程包括：无需维护终端连接而只处理数据收发，对UDP子服务器Socket执行Select操作以监测各UDP终端直接发来的数据请求，接收终端发来的数据的同时检查数据源IP地址和端口号信息，依此判断是否为新接入的UDP终端，若是则将其加入终端队列；

串口子服务器的工作流程包括：将终端连接和终端消息处理两种事务分离至不同线程执行，终端连接处理线程中，使用SerialPort类提供的PortNames属性对可用端口列表进行轮询，检测到新的串口终端接入时便为串口终端创建SerialPort对象并将其添加至终端队列进行管理；基于SerialPort内部封装的事件触发机制，创建的辅助监听线程即为串口服务器的终端消息处理线程，当SerialPort对象接收到数据且串口接收缓冲区内的数据字节数超过SerialPort串口属性ReceivedBytesThreshold的值时，自动调用DataReceived事件响应回调函数，在回调函数中完成报文解析操作。

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