CN111880497A - 基于容器的智能制造设备控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于容器的智能制造设备控制系统，包括云端服务器、本地设备和设备供应商；所述云端服务器通过无线数据传输方式与本地设备和设备供应商建立连接；所述云端服务器由镜像仓库容器和设备管控系统构成；所述镜像仓库容器用于存储设备控制系统镜像，以及用于向设备管控系统推送更新的设备控制系统镜像；所述设备管控系统包括容器管理模块、设备控制器和消息转发容器。本发明将原本中心化的设备控制系统划分为相互隔离的轻量容器，由容器之间相互配合协作实现系统完整功能，采用容器的高可复用性，降低系统了副本占用的计算资源，降低了服务器性能要求，增加了系统稳定性。

Description

基于容器的智能制造设备控制系统

技术领域

本发明涉及智能制造环境下智能设备控制技术领域，具体涉及一种基于容器的智能制造设备控制系统。

技术背景

随着物联网、云计算等技术的发展，不仅促进了互联网企业结构的改变，也给传统制造业带来了新的机遇。传统制造业的车间管控系统主要由制造执行子系统、数据采集与监控子系统、产线控制子系统、单元控制子系统等组成，以实现管理的信息化和生产的自动化为核心目标，生产决策仍然由技术人员完成，软件系统只起到辅助决策的作用。目前，智能制造工厂要求管控系统能够在制造过程中进行智能活动，尽可能的减少技术人员在制造过程中的脑力活动。

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是构建智能工厂的核心，而如何构建虚拟模型与物理系统之间的紧密连接，是实现CPS的重要问题。近年来，数字化双胞胎（Digital Twins，DT）技术受到广泛关注，其通过对物理对象进行完全数字化重构，实现全量信息映射，并借助数字模型完成产品生命周期内生产、管理、连接的高度数字化，成为构建CPS的重要内容。西门子、PTC公司等国际相关平台对数字化双胞胎已经进行了不同程度的实验与应用，而目前国内对于数字化双胞胎还处于研究的初期。

传统的车间管控系统已经形成了完整的体系架构，对于数字化双胞胎的引入必将导致车间管控系统的组成、运行流程和设备间协作模式发生变化。同时，基于数字化双胞胎的车间管控系统不仅要实现车间生产的基本功能，还要适应未来智能工厂多变的技术改造要求。尽管数字化双胞胎自带模块化特性，但目前研究中各数字化双胞胎仍部署于同一系统主进程下，模块化程度低，与系统耦合度高，可扩展性低，不利于制造业转型。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于容器的智能制造设备控制系统，该系统采用微服务架构，通过容器技术将每个设备的数字双胞胎创建统一容器封装，形成以数字化双胞胎为基础的设备控制器，并进行多个容器的编排，以完成系统通过设备控制器对单设备的控制，以及通过多设备控制器间通信实现设备协作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于容器的智能制造设备控制系统，包括：云端服务器、本地设备和设备供应商；

所述云端服务器通过无线数据传输方式与本地设备和设备供应商建立连接；

所述本地设备用于实时上传自身状态信息和周围环境信息，以及接受云端服务器下发的控制指令并执行；

所述设备供应商用于向本地设备和云端服务器提供配套的设备控制系统镜像；

所述云端服务器由镜像仓库容器和设备管控系统构成；

所述镜像仓库容器用于存储设备控制系统镜像，以及用于向设备管控系统推送更新的设备控制系统镜像；

所述设备管控系统包括任务调度容器、容器管理模块、设备控制器和消息转发容器；

所述任务调度容器与容器管理模块连接，所述任务调度容器用于将获取的任务进行分解和分配；

所述容器管理模块与设备控制器连接，所述容器管理模块用于进行通信配置，以及进行不同类型容器的创建和划分，以及对各容器进行更新和扩展；

基于数字化双胞胎对本地设备进行容器化封装，形成设备控制器；所述设备控制器用于进行本地设备状态同步，下发控制指令以及对本地设备行为进行检测；

所述消息转发容器与设备控制器连接，所述消息转发容器用于本地设备和设备控制器双方进行消息交互。

进一步的，所述镜像仓库容器包括镜像存储模块和镜像推送模块；

所述镜像存储模块用于存储设备控制系统镜像；所述镜像存储模块将不同本地设备、不同版本的镜像按照区域/设备名/版本号进行存储，并为所有镜像配置唯一的URL；

所述镜像推送模块用于对镜像版本进行检测，若有镜像更新版本，则获取新镜像URL，并从URL中分辨该新版本镜像对应的本地设备，向本地设备推送新版本镜像及建议更新消息。

进一步的，所述容器管理模块包括通信配置容器、编排容器、扩展管理容器和更新管理容器；

所述通信配置容器用于进行除通信配置容器外所有容器间，以及设备控制器间的通信配置；

所述编排容器用于对除编排容器外所有容器和设备控制器划分容器群，以及对所有容器和设备控制器进行状态监控；

所述扩展管理容器用于将新添加的设备控制器嵌入到设备管控系统之中；

所述更新管理容器用于进行镜像推送挂起、对除更新管理容器外所有容器进行更新及重建、和对本地设备进行固件升级。

进一步的，所述通信配置容器具体用于，

配置部署于同一宿主机上的设备控制器采用bridge桥接的方式通信，所述宿主机上创建虚拟网关，配置独立的网络命名空间；所述通信配置容器初始化时把IP绑定到所述虚拟网关上，使得连接到该虚拟网关上的各设备控制器之间进行相互通信。

进一步的，所述编排容器具体用于，

在系统初始化时，将除编排容器外的所有容器按关联程度划分容器群，容器群使用同一个虚拟网关，并配有相关网段中唯一IP；

以及，

按照本地设备类型划分多个设备控制器群；

以及，

收集并存储所有容器的运行状态，并对处于异常状态的容器进行信息备份、删除和重建。

进一步的，所述扩展管理容器具体用于，

采用服务发现方式检测设备管控系统中新添加的设备控制器，并自动获取新添加的设备控制器的状态，电量和位置信息，对新添加的设备控制器以设备类型-设备ID进行命名并注册。

进一步的，所述更新管理容器具体用于，

接收镜像仓库容器发送的镜像更新推送消息；

检测镜像所对应的容器或本地设备的运行状态，若处于任务执行中，则将镜像推送消息挂起；

若处于空闲状态，则连接镜像仓库并根据镜像推送消息中的URL地址拉取相关镜像，并将相应的容器或本地设备缓存信息进行备份，根据新版镜像创建新的容器或设备控制器；

重建后读取备份信息，恢复到之前状态；

以及，

接收镜像仓库容器发送的设备固件更新推送信息；

本地设备空闲时，采用云端升级的方式将升级数据包发送到本地设备，并编译到指定物理地址引导设备完成固件升级，同时将旧版本固件擦除。

进一步的，所述设备控制器具体用于，

获取对应本地设备上传的状态信息和周围环境信息，并根据获取的信息更新数字化双胞胎的状态信息，保持云端虚拟设备与本地设备实时状态同步；

以及，基于本地设备的周围环境信息和状态信息规划下一步动作并生成控制指令下发到本地设备执行；

以及，对本地设备上传的状态信息和周围环境信息在云端服务器数据库中进行备份，并与历史数据进行比照，依据设备历史大数据检测或预测异常设备行为。

进一步的，所述容器管理模块还用于，

每隔固定时间接收设备控制器传输的运行稳定信号，将发送信号的设备控制器判定为安全状态，并存储设备控制器状态信息；

若设备控制器没有在规定时间内发送运行稳定信号，容器管理模块主动发送状态检测信号，将无响应的设备控制器判定为崩溃状态；

对于已经崩溃的设备控制器，容器管理模块保存该设备控制器类型信息、状态信息以及数据存储信息，并将该设备控制器删除；

根据保存的设备控制器类型信息从镜像仓库中拉取相应的镜像，重新创建该设备控制器；

设备控制器创建后，读取保存的状态信息和数据存储信息，恢复到崩溃前的状态。

进一步的，所述消息转发容器具体用于，

采用Topic订阅和发布机制的消息队列，实时接收本地设备和设备管控系统发送的消息，根据协议规则解析出消息内容和发布Topic，并将消息内容发送到订阅该Topic的所有本地设备或管控系统上。

进一步的，所述消息转发容器还用于，

将本地设备状态信息和控制指令指定不同的URL，以及将不同本设备名和设备ID指定不同的URL；

采用通配符将URL分为三个等级，一级URL为消息类型/#，用于发布或订阅全体本地设备信息；二级URL为消息类型/设备名/#，用于发布或订阅同种本地设备信息；三级URL为消息类型/设备名/设备ID，用于发布或订阅单个本地设备信息。

本发明的基于容器的智能制造设备控制系统，具有以下优点：

1、根据本发明的基于容器的智能制造设备控制系统，容器运行的镜像与设备配套生成，无需使用者再单独创建通信接口连接服务器和设备，就能实现容器与设备的无缝对接。降低了使用者的工作量，优化了服务器与设备通信问题。

2、根据本发明的基于容器的智能制造设备控制系统，实现了设备驱动的快速升级。通过将升级程序集成到新的镜像之中，容器管理模块仅需拉取新镜像并重启容器，即可自动完成整个设备控制系统的更新升级。

3、根据本发明的基于容器的智能制造设备控制系统，通过创建多个相互隔离的容器，极大地增强了系统抗崩溃能力。容器和容器之间、容器和系统之间都是互不影响的，如果其中一部分崩溃并不会导致整个系统的崩溃，且创建容器时数据库挂载主机的文件目录，所以此时仅需将崩溃的部分重启并读取主机上的数据库即可恢复到崩溃前的状态。

4、根据本发明的基于容器的智能制造设备控制系统，通过使用容器创建设备控制器，将原本中心化的设备控制系统划分为相互隔离的轻量容器，由容器之间相互配合协作实现系统完整功能，采用容器的高可复用性，将大大降低系统副本占用的计算资源，降低了服务器性能要求，增加了系统稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中基于容器的智能制造设备控制系统网络架构图；

图2为本发明实施例中基于容器的智能制造设备控制系统结构框图；

图3为本发明实施例中设备控制系统通信架构；

图4为本发明实施例中镜像推送机制流程图；

图5为本发明实施例中设备控制器更新流程图；

图6为本发明实施例中设备控制器嵌入机制；

图7为本发明实施例中设备控制器快速恢复机制流程图；

图8为本发明实施例中设备数据分析以及系统优化机制；

图9为本发明实施例中容器间协作机制。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参见图1，本发明提供一种基于容器的智能制造设备控制系统，分为三层网络架构，包括工业云服务器、客户端车间设备104以及组网设备。

具体的，所述工业云服务器用于部署系统容器，包括集成性容器服务器101、管理性容器服务器102和功能性容器服务器103，分别部署于核心层、汇聚层和接入层网络架构中。

工业云服务器采用完全容器方式部署车间管控系统，集成性容器服务器101部署有任务调度容器，管理性容器服务器102部署有通信配置容器、编排容器、扩展管理容器和更新管理容器，功能性容器服务器103部署有镜像仓库容器、消息转发容器和设备控制器。充分利用了容器间相互隔离的特性，有效提高了系统稳定性。

具体的，所述组网设备包括Internet网络、防火墙105、核心层交换机106、汇聚层交换机107和接入层交换机108等设备，完成工业以太网搭建，并为接入网络中的工业云服务器设置两套通信链路，分别传输控制指令和状态信息，以便于保证系统实时性。

具体的，所述客户端车间设备104包括生产设备、物料运输设备、工业传感网设备等等，客户端车间设备通过现场总线转以太网模块与工业云服务器建立通信连接。同时，鉴于工业成产设备稳定性要求高，导致功能简单而无法依靠自身模块与服务器连接，可在设备附近建立边缘服务云节点，辅助设备完成状态上传与指令接收。

如图2所示，基于容器的制造设备控制系统包括云端服务器201、本地设备204和设备供应商205。

具体的，所述云端服务器201通过无线数据传输方式，在局域网或互联网中与本地设备204、设备供应商205建立连接。

具体的，所述本地设备204作为车间中生产任务的执行者，与云端服务器201连接。本地设备204用于上传状态信息和执行任务，通过与消息转发容器连接，实时上传自身状态信息和周围环境信息，并接受设备控制器下发的控制指令，交由执行单元予以完成。

具体的，所述设备供应商205作为本地设备204的提供者，在硬件设备的基础上提供配套的设备控制系统镜像，同时根据设备运行状况不断优化控制系统镜像，并将优化后的设备控制系统镜像上传镜像仓库202供使用者更新升级。

具体的，所述云端服务器201由镜像仓库容器202和设备管控系统203构成。

具体的，镜像仓库容器2020用于镜像存储和镜像管理，同时将新上传的镜像推送给对应的硬件设备，镜像仓库容器2020包括镜像存储模块206和镜像推送模块207。

镜像存储模块206用于将上传的设备控制系统镜像（以下简称镜像）存储到云服务器主机之上，供容器管理模块208进行容器创建或更新时拉取需要的对应镜像。同时，将不同设备、不同版本的镜像按照区域/设备名/版本号加以区分，并为所有镜像配置唯一的URL，提供镜像检索功能，提高检索效率。此外，设备固件同样以镜像的方式存储于镜像仓库中，便于设备进行云端固件升级。所述镜像作为使用者控制设备的基础，运用数字化双胞胎概念集成了设备的属性、状态和部分控制计算程序，为用户提供了便捷直观的远程设备监控方式。一个优选方案是，该设备控制系统镜像由熟悉设备驱动的各设备供应商同设备配套提供，并且随着软件技术的发展和设备运行数据的分析，可在不更改原本硬件设施的基础上优化控制软件，同时将优化后的镜像上传镜像仓库。设备使用者可以直接通过网络获取优化后的镜像，并在该镜像基础上重启容器完成控制软件的升级更新。

镜像推送模块207用于检测镜像仓库中是否有新版本镜像上传，若镜像更新版本，则获取新镜像URL，并从URL中分辨该新版本镜像对应的设备，向设备推送新版本镜像及建议更新消息。当所对应的设备任务完成处于空闲状态时，根据推送消息中的镜像URL从镜像仓库中拉取新版本镜像并完成更新；若设备处于任务执行状态，则将推送消息挂起等待任务完成再进行更新。

具体的，设备管控系统203包括任务调度容器2011、容器管理模块208、设备控制器209和消息转发容器2010。

任务调度容器2011用于进行生产任务分解、任务分配和协作规划。所述任务调度容器将生产任务按设备功能进行分解，并根据所有设备当前状态信息选择任务执行者，把任务转为指令通过指令传输链路分配给选中的设备予以执行。同时，对于执行同一任务的不同设备，告知它们对应设备控制器的通信地址，以便于完成设备间协作。

容器管理模块208包括通信配置容器、编排容器、扩展管理容器和更新管理容器，共同完成对所有容器的管理。

所述通信配置容器用于除通信配置容器外所有容器间，以及设备控制器间的通信配置。所述容器间通信是指运行于宿主机（宿主机是指容器运行所在的主机）上的各个容器之间需要进行数据交换，比如镜像仓库容器向设备控制器、更新管理容器等等推送镜像更新消息，更新管理容器控制扩展管理容器更新等等。

一个优选方案是设备控制器间采用bridge桥接的方式通信。如图3所示，设备控制器间的通信配置架构，包括客户端301和宿主机302，其中客户端在本发明实施例中为本地设备，宿主机为容器运行所在的主机。

每一个本地设备在宿主机上都生成一个设备控制器，宿主机内部配置的各设备控制器之间通信采用bridge桥接模式，所述宿主机302上创建虚拟网关304，配置独立的网络命名空间，生成独立于宿主机的网段。所述虚拟网关为一个二层交换机，为连接到该虚拟网关上的容器群307提供独立的局域网，在通信配置容器初始化时把IP绑定到该虚拟网关上，使得连接到该虚拟网关上的各个设备控制器之间实现相互通信，并且宿主机可通过所述虚拟网关与设备控制器实现通信。所述容器群307内部包括多个功能相似的设备控制器，各设备控制器之间相关联以便协作；例如设备控制器305和设备控制器306属于容器群307内，以IP：端口为地址，通过虚拟网关304进行消息转发，实现两个设备控制器间的数据传输。

容器与本地设备之间通信，通过宿主机作为中转实现。容器通过端口映射，在iptables中添加nat规则，将发送到宿主机对应端口的数据流转发到容器对应虚拟网关，并由虚拟网关发送到容器端口。

所述编排容器用于进行对除编排容器外其他所有容器的创建、容器群划分、数据存储和状态管理。编排容器采用容器编排工具管理宿主机上的相关联容器，进行容器批量创建，容器状态监控。在系统初始化时，将所有容器按关联程度划分容器群，容器群使用同一个虚拟网关，并配有相关网段中唯一IP；同时，云端管控系统中可以按照设备类型不同适当划分多个容器群，以提高系统内容器间通信效率。所有容器的数据全部存储在宿主机文件目录中，以便于容器重启后读取所存储的数据快速恢复到之前的状态。所述状态管理，是指在所有容器部署完成之后，编排容器会收集其余各个容器的运行状态，并对处于异常状态的容器进行信息备份、删除、重建操作，以保证系统整体运行正常。

所述扩展管理容器用于将控制设备临时嵌入到云端管控系统之中，而不影响系统的正常运行。扩展管理容器用于将控制设备临时嵌入到云端管控系统之中，采用服务发现方式检测系统中新加入的容器，并自动获取容器信息和相应功能API供系统实现对该容器的控制和调用。所述新加入的容器一般为设备控制器，例如当车间新引入一台机械臂，就需要在云端管控系统中添加该机械臂的设备控制器。

所述更新管理容器用于镜像推送挂起、容器更新及重建、和设备固件升级。所述镜像推送挂起，是指当接收到镜像仓库推送的镜像更新消息时，检测容器或设备运行状态，若容器或设备的状态处于任务执行中，则将推送消息暂时挂起，待任务完成后再进行容器或设备更新。所述容器更新及容器重建，是指当待更新的容器处于空闲状态时，更新管理容器会连接云端镜像仓库并根据推送消息中的URL地址拉取相关镜像，将容器缓存信息进行备份，待容器在新镜像基础上重建后读取备份信息，从而快速恢复到之前状态；所述设备固件升级，是指当本地设备空闲时，采用云端升级的方式由更新管理容器将升级数据包发送到本地设备，并编译到指定物理地址引导设备完成固件升级，同时将旧版本固件擦除。

设备控制器用于进行状态同步、控制决策和行为检测。所述设备控制器在数字化双胞胎的基础上进行容器化封装，形成设备独立于系统之外的专属控制器。每一个本地设备都对应有一个设备控制容器。设备控制器通过连接所述消息转发容器获取对应本地设备上传的状态信息和周围环境信息，并根据获取的信息更新数字化双胞胎的状态信息，保持云端虚拟设备与本地物理设备实时状态同步；以及，所述设备控制器综合周围环境信息和设备状态信息进行分析计算，规划下一步动作并生成指令通过消息转发容器下发到本地设备予以执行；以及，所述设备控制器对本地设备上传的状态信息和周围环境信息在云端服务器数据库中进行备份，并与历史数据进行比照，依据历史设备大数据检测或预测异常设备行为，以提高设备运维效率，减轻检修人员的负担。

具体的，所述设备控制器控制决策功能可仅包括设备控制程序中的一部分。对于设备运行过程中实时性要求高的控制程序，由设备单体决策执行；对于设备控制程序中计算资源要求高、实时性要求低的部分，交由云端容器计算，充分利用云端服务器高性能的计算资源，减少设备计算方面的成本。

具体的，所述设备控制器实时将对应本地设备上传的数据写入数据库中，每一条数据由设备运行状态、环境信息和时间戳构成。所述数据作为设备运行参考信息，一方面用于可视化设备运行状况监测；另一方面，设备供应商可读取其对应的设备数据，进行设备性能分析、异常诊断和风险预测，并将诊断结果或预测的风险反馈使用者，将设备可能造成的风险降到最低，同时根据设备性能分析结果不断优化设备软硬件，增强设备性能。设备供应商在完成数据分析后生成分析报告并交由使用者，使用者获取所有设备的分析报告并基于此报告进行多设备协作流程分析，进一步完成整个系统生产流程的调度优化。由于车间生产工艺或生产配方需要保密，设置访问权限以保证设备供应商只能读取其对应的设备数据。

具体的，设备控制器间通信和设备控制器与本地设备间通信采用不同方式实现，避免消息错乱，降低系统负担。设备控制器通过消息转发容器实现与本地设备之间的状态同步及控制指令的传输；以及通过数据传输通道实现云服务器上不同设备控制器之间的数据传输，交换数据并决策出各自本地设备的动作指令，进而实现不同本地设备间的协作。

消息转发容器2010用于进行协议传输、报文解析和订阅发布。消息转发容器作为本地设备与设备管控系统消息传输的中转站，采用Topic订阅和发布机制的消息队列，实时接收本地设备和设备管控系统发送的消息，根据协议规则解析出消息内容和发布Topic，并将消息内容发送到订阅该Topic的所有设备或管控系统上。一个优选方案是采用Kafka消息队列完成消息转发容器的系统搭建，Kafka是一个分布式消息系统，具有吞吐量大，消息处理实时性高以及良好的容灾机制等优势。

优选的，消息转发容器根据不同消息类型和不同设备使用URL分组管理。一个优选方案是将设备状态信息和控制指令指定不同的URL，并且不同设备名和设备ID也指定不同的URL，即按照消息类型/设备名/设备ID进行URL分配。设备端到云端管控系统一般为状态同步信息，由本地设备发布云端设备控制器订阅；云端管控系统到设备端一般为控制指令信息，由云端设备控制器发布本地设备订阅。同时，采用通配符将URL分为三个等级，一级URL为消息类型/#，用于发布或订阅全体设备信息，例如系统初始化，系统停止信息等等；二级URL为消息类型/设备名/#，用于发布或订阅同种设备信息，例如系统收集一段时间内机械臂的状态信息或向所有机械臂下发控制器更新信息等；三级URL为消息类型/设备名/设备ID，用于发布或订阅单个设备信息，例如控制某个机械臂进行抓取动作或获取单个某个机械臂状态信息等。

具体的，本发明中云端服务器中镜像仓库的镜像推送机制如图4所示，包括：

501：云端镜像仓库接收设备供应商发送的设备控制系统镜像，并暂存在文件中。

502：镜像传输结束后，进行镜像版本检测，并基于该镜像启动容器测试性能。

503：若镜像审核通过，则将镜像按照区域/设备名/版本号存储于镜像仓库中，并根据所属设备类型创建URL。

504：云端镜像仓库将有新版本镜像的信息推送给所属本地设备的设备控制器，同时将镜像URL发送给容器管理模块，等待本地设备处于无任务空闲状态时完成设备控制器更新。

505：若镜像审核不通过，则将镜像缓存删除，并告知该设备供应商镜像存在的问题，由设备供应商更改镜像问题。

506：设备供应商将镜像存在的问题更正后，重新上传镜像仓库。

具体的，本发明中设备控制器更新如图5所示，包括：

601：容器管理模块开启端口监听功能，用于随时接收云端镜像仓库发送的镜像更新推送消息，在接收到镜像更新消息后开始准备设备控制器更新。

602：接收到镜像更新推送消息后，设备控制器进行设备状态检测。

603：推送镜像所属的每个设备控制器都检测自身对应的设备的状态，分为任务执行中和空闲状态，设备控制器可以单独更新而不用等待所有设备都空闲。

604：对处于空闲状态的设备控制器，由容器管理模块从镜像更新推送消息中获取镜像URL地址信息，并根据URL拉取对应镜像。

605：将新版本镜像拉取到本地后，容器管理模块将设备控制器当前的运行状态进行备份，然后删除旧版本控制器，根据新版镜像创建新设备控制器，并读取备份数据以快速恢复到之前的状态。

606：对处于任务执行中的设备控制器，暂不执行设备控制器更新程序，而是将推送消息挂起，等待设备任务执行完成后再进行升级更新。

具体的，本发明中扩展管理容器采用服务发现、服务注册和容器化技术，在不影响系统运行的前提下将新设备控制器嵌入到设备管控系统中，参见图6，扩展管理容器包括：设备调度系统701、设备注册中心702、已注册设备控制器703、待加入设备控制器704和即将注册设备控制器705。

所述设备调度系统701用于接收生产任务，采用服务发现的方式从设备注册中心中选择合适的设备执行任务，在任务紧张时，可申请临时添加设备以保证系统按时完成任务。

所述设备注册中心702用于进行设备注册和记录设备服务。采用服务注册的方式，管理所有已注册设备，并根据设备状态、电量、位置等信息选择合适的设备执行任务。当有临时设备请求加入设备管控系统时，注册该设备信息，并根据设备控制器名称自动辨别其所能完成的功能，以便于任务调度。

所述已注册设备控制器703用于接受设备注册中心702的任务调度，并控制本地设备完成任务。

所述待加入设备控制器704用于在系统任务紧张，现存已运行设备不能满足生产需求时，临时加入设备管控系统接受调度。同时，系统中存在与该设备控制器同类型的已运行设备控制器，并且设备控制器以设备类型-设备ID命名，以便于设备注册中心进行设备功能识别。

所述即将注册设备控制器705作为待加入设备控制器704的未来态，表明设备控制器成功嵌入系统中，实时接收任务调度。

优选的，设备控制器还具备快速恢复机制，主要用于设备控制器崩溃或死机时快速重启恢复状态。如图7所示，包括：

801：设备控制器每隔固定时间向容器管理模块传输系统运行稳定信号，容器管理模块将发送信号的设备控制器认为是安全状态，并存储设备控制器简要状态信息。

802：当设备控制器没有在规定时间内发送运行稳定信号，容器管理模块会主动发送状态检测信号，以再次确定设备控制器状态。

803：当容器管理模块主动检测设备控制器状态后，将无响应的设备控制器认定为崩溃状态，有响应的设备控制器认定为安全状态。

804：对于已经崩溃的设备控制器，容器管理模块的编排容器保存该设备控制器类型信息、状态信息以及数据存储信息，然后将该设备控制器从系统中删除。

805：在设备控制器删除后，根据保存的设备控制器类型信息从镜像仓库中拉取相应的镜像，重新创建该设备控制器。

806：在设备控制器创建后，读取保存的状态信息和数据存储信息，从而快速恢复到崩溃前的状态。

具体的，参见图8，本发明的设备控制器还配置设备数据库901、单设备控制分析模块902、多设备协作分析模块903和系统流程优化模块904。

所述设备数据库901用于存储设备运行过程中产生的数据，包括某时间节点设备状态信息、所执行任务信息、API调用信息等等。同时，为了设备使用者保护生产技术或生产配方，设备供应商保护设备的API信息及功能实现方式，将不同设备的数据进行分开存放，并对访问数据库的用户进行身份识别以限制其数据访问权限。

所述单设备控制分析模块902用于设备供应商通过有限的数据访问，获取其供应的设备的数据，并对设备生产过程中的数据进行全面分析，以进一步改善设备软硬件功能。同时，可以根据该设备的正常运行状态或老化曲线，发现或预测设备已经出现或即将出现的问题，以通知使用者及时修复问题，方便了使用者的设备运维工作，减少了生产损失。最后，设备供应商根据分析结果生成报告反馈给设备使用者。

所述多设备协作分析模块903用于在设备供应商反馈的单设备运行情况分析报告的基础上，进行同一任务中不同的两个或多个设备间的协作情况分析，以减少不必要的执行动作和无效的等待时间，提高任务执行效率以及设备有效工作时长。

所述系统流程优化模块904用于在单设备控制改进和多设备协作优化后，进行整个生产系统的流程再优化，包括任务分配、设备调度、执行顺序等方面的调整。

具体的，本发明中容器间协作机制，参见图9，以AGV和机械臂之间的协作控制为例，本控制系统包括云端服务器1001、AGV 1006和机械臂1009。其中云端服务器1001、AGV1006和机械臂1009之间采用无线数据传输的方式实现互联互通。

所述云端服务器1001进一步地还包括加工中心任务生成模块1002、任务分配模块1003、AGV控制器1004和机械臂控制器1005。所述AGV 1006和机械臂1009还包括数据通信模块和动作执行模块。

所述加工中心任务生成模块1002用于根据传感器感知数据，判断生产原料是否低于阈值，若是则生成任务并发布。

所述任务分配模块1003用于接收加工中心任务生成模块发布的任务，并根据所有设备的状态和周围环境信息选择合适的设备作为任务的执行者。

所述AGV控制器1004用于根据任务需要规划AGV路径及动作，生成控制指令并下发到AGV 1006予以执行。此外，所述AGV控制器实时接收AGV 1006上传的周围环境信息和任务执行进度，并与机械臂控制器1005互联互通。

所述机械臂控制器1005用于根据任务需要计算机械臂动作及参数，生成控制指令并下发到机械臂1009予以执行。同时，所述机械臂控制器实时接收机械臂1009上传的环境信息和任务执行进度，并与AGV控制器1004进行数据互传。

所述AGV 1006、机械臂1009的数据通信模块1007和10010用于接收云端控制容器下发的指令，并将指令传输到对应控制接口。

所述AGV 1006、机械臂1009的动作执行模块1008和10011用于根据数据通信模块传输的指令，调用相关函数，并驱动相关硬件执行动作。

所述AGV 1006运输物料到达加工中心货物装卸点，并通过所述数据通信模块1007将物料到达信息上传到AGV控制器1004；所述AGV控制器1004接收到AGV 1006将物料送到的消息，并通知机械臂控制器1005进行物料交接；所述机械臂控制器1005收到物料交接的指令后，规划机械臂抓取物料动作，并控制机械臂1009动作；所述机械臂1009通过数据通信模块10010接收物料抓取指令，并驱动硬件完成相关动作。

所述机械臂1009感知到物料交接完成后，上传任务完成信号到机械臂控制器1005，再由机械臂控制器1005通知AGV控制器1004任务执行者AGV 1006可以离开任务点；AGV控制器重新为AGV 1006规划路径，并控制AGV返程。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，包括：云端服务器、本地设备和设备供应商；

所述云端服务器通过无线数据传输方式与本地设备和设备供应商建立连接；

所述本地设备用于实时上传自身状态信息和周围环境信息，以及接受云端服务器下发的控制指令并执行；

所述设备供应商用于向本地设备和云端服务器提供配套的设备控制系统镜像；

所述云端服务器由镜像仓库容器和设备管控系统构成；

所述镜像仓库容器用于存储设备控制系统镜像，以及用于向设备管控系统推送更新的设备控制系统镜像；

所述设备管控系统包括任务调度容器、容器管理模块、设备控制器和消息转发容器；

所述任务调度容器与容器管理模块连接，所述任务调度容器用于将获取的任务进行分解和分配；

所述容器管理模块与设备控制器连接，所述容器管理模块用于进行通信配置，以及进行不同类型容器的创建和划分，以及对各容器进行更新和扩展；

基于数字化双胞胎对本地设备进行容器化封装，形成设备控制器；所述设备控制器用于进行本地设备状态同步，下发控制指令以及对本地设备行为进行检测；

所述消息转发容器与设备控制器连接，所述消息转发容器用于本地设备和设备控制器双方进行消息交互。

2.根据权利要求1所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述镜像仓库容器包括镜像存储模块和镜像推送模块；

所述镜像存储模块用于存储设备控制系统镜像；所述镜像存储模块将不同本地设备、不同版本的镜像按照区域/设备名/版本号进行存储，并为所有镜像配置唯一的URL；

所述镜像推送模块用于对镜像版本进行检测，若有镜像更新版本，则获取新镜像URL，并从URL中分辨该新版本镜像对应的本地设备，向本地设备推送新版本镜像及建议更新消息。

3.根据权利要求1所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述容器管理模块包括通信配置容器、编排容器、扩展管理容器和更新管理容器；

所述通信配置容器用于进行除通信配置容器外所有容器间，以及设备控制器间的通信配置；

所述编排容器用于对除编排容器外所有容器和设备控制器划分容器群，以及对所有容器和设备控制器进行状态监控；

所述扩展管理容器用于将新添加的设备控制器嵌入到设备管控系统之中；

所述更新管理容器用于进行镜像推送挂起、对除更新管理容器外所有容器进行更新及重建、和对本地设备进行固件升级。

4.根据权利要求3所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述通信配置容器具体用于，

配置部署于同一宿主机上的设备控制器采用bridge桥接的方式通信，所述宿主机上创建虚拟网关，配置独立的网络命名空间；所述通信配置容器初始化时把IP绑定到所述虚拟网关上，使得连接到该虚拟网关上的各设备控制器之间进行相互通信。

5.根据权利要求3所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述编排容器具体用于，

在系统初始化时，将除编排容器外的所有容器按关联程度划分容器群，容器群使用同一个虚拟网关，并配有相关网段中唯一IP；

以及，

按照本地设备类型划分多个设备控制器群；

以及，

收集并存储所有容器的运行状态，并对处于异常状态的容器进行信息备份、删除和重建。

6.根据权利要求3所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述扩展管理容器具体用于，

采用服务发现方式检测设备管控系统中新添加的设备控制器，并自动获取新添加的设备控制器的状态，电量和位置信息，对新添加的设备控制器以设备类型-设备ID进行命名并注册。

7.根据权利要求3所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述更新管理容器具体用于，

接收镜像仓库容器发送的镜像更新推送消息；

检测镜像所对应的容器或本地设备的运行状态，若处于任务执行中，则将镜像推送消息挂起；

若处于空闲状态，则连接镜像仓库并根据镜像推送消息中的URL地址拉取相关镜像，并将相应的容器或本地设备缓存信息进行备份，根据新版镜像创建新的容器或设备控制器；

重建后读取备份信息，恢复到之前状态；

以及，

接收镜像仓库容器发送的设备固件更新推送信息；

本地设备空闲时，采用云端升级的方式将升级数据包发送到本地设备，并编译到指定物理地址引导设备完成固件升级，同时将旧版本固件擦除。

8.根据权利要求1所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述设备控制器具体用于，

获取对应本地设备上传的状态信息和周围环境信息，并根据获取的信息更新数字化双胞胎的状态信息，保持云端虚拟设备与本地设备实时状态同步；

以及，基于本地设备的周围环境信息和状态信息规划下一步动作并生成控制指令下发到本地设备执行；

以及，对本地设备上传的状态信息和周围环境信息在云端服务器数据库中进行备份，并与历史数据进行比照，依据设备历史大数据检测或预测异常设备行为。

9.根据权利要求1所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述容器管理模块还用于，

每隔固定时间接收设备控制器传输的运行稳定信号，将发送信号的设备控制器判定为安全状态，并存储设备控制器状态信息；

若设备控制器没有在规定时间内发送运行稳定信号，容器管理模块主动发送状态检测信号，将无响应的设备控制器判定为崩溃状态；

对于已经崩溃的设备控制器，容器管理模块保存该设备控制器类型信息、状态信息以及数据存储信息，并将该设备控制器删除；

根据保存的设备控制器类型信息从镜像仓库中拉取相应的镜像，重新创建该设备控制器；

设备控制器创建后，读取保存的状态信息和数据存储信息，恢复到崩溃前的状态。

10.根据权利要求1所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述消息转发容器具体用于，

采用Topic订阅和发布机制的消息队列，实时接收本地设备和设备管控系统发送的消息，根据协议规则解析出消息内容和发布Topic，并将消息内容发送到订阅该Topic的所有本地设备或管控系统上。

11.根据权利要求10所述的一种基于容器的智能制造设备控制系统，其特征在于，所述消息转发容器还用于，

将本地设备状态信息和控制指令指定不同的URL，以及将不同本设备名和设备ID指定不同的URL；

采用通配符将URL分为三个等级，一级URL为消息类型/#，用于发布或订阅全体本地设备信息；二级URL为消息类型/设备名/#，用于发布或订阅同种本地设备信息；三级URL为消息类型/设备名/设备ID，用于发布或订阅单个本地设备信息。

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