CN111935280A - 针对工业设备的信息物理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对工业设备的信息物理系统，包括工业互联网平台，用于架设网盘服务并提供存储空间，并为每个设备建立设备网盘；设备控制器，与工业互联网平台相连接，用于安装网盘客户端，在客户端配置选定的文件夹和部署在工业互联网平台的设备网盘进行同步；设备虚拟机，与所述的工业互联网平台相连接，与设备控制器具有相同硬件配置，用于对接需要模拟的设备网盘，形成物理设备的信息物理系统。采用了本发明的针对工业设备的信息物理系统具有通用性。具有快速性和低成本，相应的建模方式有可快速部署和成本低廉的特点。具有跟随性，当实际物理设备控制器的软件、配置等因素随使用阶段、生产情况等发生变化时，在信息物理系统中也能随时反映。

Description

针对工业设备的信息物理系统

技术领域

本发明涉及工业互联网领域，尤其涉及工业控制计算机控制设备领域，具体是指一种针对工业设备的信息物理系统。

背景技术

信息物理系统(CPS，Cyber-Physical Systems)，是工业互联网领域常用的一类基础技术。其实现方式虽然有多种，但一般可以归纳为通过理论推导或实验总结的方式，建立设备的机理模型。工业互联网平台则可以利用这些机理模型和来自设备采集的状态数据，在云端建立物理设备的数字化仿真系统；进而可以利用这些设备的仿真系统进行设备的远程监控、故障诊断、控制策略评估，以及包含该设备的更大的系统的模拟仿真。

因为建模的过程普遍较为复杂，当前一般是根据工业互联网平台的具体功能及应用需要来建立不同精度等级的机理模型。但是在实际使用中，可能出现根据预想的精度建立的模型无法充分反映设备的实际情况，从而影响了工业互联网平台对设备的仿真能力。最终导致工业互联网平台无法完成预想的功能。这种情况在用户的业务需求和生产工艺不断演进、设备也经常改造升级和自然磨损老化的场景中尤其明显。究其原因，在于现有技术建立的信息物理系统的机理模型是静态的，难以随时反映设备自身和使用方式的变化。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足通用性好、成本低、适用范围较为广泛的针对工业设备的信息物理系统。

为了实现上述目的，本发明的针对工业设备的信息物理系统如下：

该针对工业设备的信息物理系统，其主要特点是，所述的系统包括：

工业互联网平台，用于架设网盘服务并提供存储空间，并为每个设备建立设备网盘；

设备控制器，与所述的工业互联网平台相连接，用于安装网盘客户端，在客户端配置选定的文件夹和部署在所述工业互联网平台的设备网盘进行同步；

设备虚拟机，与所述的工业互联网平台相连接，与设备控制器具有相同硬件配置，用于对接需要模拟的设备网盘，将该虚拟机形成物理设备的信息物理系统。

较佳地，所述的工业互联网平台包括云端网盘管理系统，用于为每个设备建立设备网盘。

较佳地，所述的设备虚拟机和设备控制器均包括控制模块、网盘客户端和操作系统，所述的网盘客户端，与所述的工业互联网平台相连接，用于对接工业互联网平台的云端资料库；所述的控制模块对物理设备进行控制；所述的操作系统具有文件系统管理能力。

较佳地，所述的同步文件夹具有两种方式：在物理设备的控制器内的控制模块不被改变的情况下，在虚拟机内预先安装相同的控制模块，仅将体现工业设备整体状态和行为的关键数据的文件夹与设备网盘同步；在不保证物理设备的控制器内的控制模块不被改变的情况下，则将控制模块所在的文件夹和体现工业设备整体状态和关键数据的文件夹同时与设备网盘同步。

较佳地，所述的系统仅在设备控制器的模块或配置通过联网升级的情况下，才开启所述的工业互联网平台的设备网盘向设备控制器的文件同步，以防物理设备受到来自工业互联网平台的干扰。

较佳地，所述的同步文件夹包含体现工业设备整体状态和行为的关键数据，包括但不限于工艺配置、加工工艺、运行状态。

较佳地，所述的控制模块包含在同步文件夹中，或不包含在同步文件夹中。

较佳地，所述设备虚拟机部署在任意支持虚拟机的平台上，包括但不限于所述的工业互联网平台；设备虚拟机还支持在另一台与现场设备同一型号的物理设备的控制器，实现在远离现场的实验室内复现和追查现场设备的问题。

采用了本发明的针对工业设备的信息物理系统，具有通用性，通过本发明这种利用设备虚拟机和提供设备网盘的工业互联网平台的方法建立的设备信息物理系统机理模型，从技术上提供了一个针对基于工业控制计算机作为控制器的工业设备的通用机理模型建模方式。该方式无需针对工业设备的具体工作原理和设备状态进行推理和试验，即可完成机理模型的建立，且可以适用于不同类型的设备。具有快速性和低成本，这种建模方式因其通用性，同时带来可快速部署和建模成本低廉的特点。具有跟随性，以本发明方式建立的工业互联网平台的信息物理系统模型，在实际的物理设备控制器的软件、配置等因素随使用阶段、生产情况等发生变化的时候，在信息物理系统中也能随时反映出来。

附图说明

图1为本发明的针对工业设备的信息物理系统的基本原理结构。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实例来进行进一步的描述。

本发明的该针对工业设备的信息物理系统，其中包括：

工业互联网平台，用于架设网盘服务并提供存储空间，并为每个设备建立设备网盘；

设备控制器，与所述的工业互联网平台相连接，用于安装网盘客户端，在客户端配置选定的文件夹和部署在所述工业互联网平台的设备网盘进行同步；

设备虚拟机，与所述的工业互联网平台相连接，与设备控制器具有相同硬件配置，用于对接需要模拟的设备网盘，将该虚拟机形成物理设备的信息物理系统。

作为本发明的优选实施方式，所述的工业互联网平台包括云端网盘管理系统，用于为每个设备建立设备网盘。

作为本发明的优选实施方式，所述的设备虚拟机和设备控制器均包括控制模块、网盘客户端和操作系统，所述的网盘客户端，与所述的工业互联网平台相连接，用于对接工业互联网平台的设备网盘；所述的控制模块对同步操作和文件进行控制；所述的操作系统具有文件系统管理能力。

作为本发明的优选实施方式，所述的设备虚拟机同步文件夹具有两种方式：在物理设备的控制器内的控制模块不被改变的情况下，在虚拟机内预先安装相同的控制模块，仅将体现工业设备整体状态和行为的关键数据的文件夹与设备网盘同步；在不保证物理设备的控制器内的控制模块不被改变的情况下，则将控制模块所在的文件夹和体现工业设备整体状态和关键数据的文件夹同时与设备网盘同步。

作为本发明的优选实施方式，所述的系统仅在设备控制器的模块或配置通过联网升级的情况下，才开启所述的工业互联网平台的设备网盘向设备控制器的文件同步，以防物理设备受到来自工业互联网平台的干扰。

作为本发明的优选实施方式，所述的同步文件夹包含体现工业设备整体状态和行为的挂件数据，包括但不限于工艺配置、加工工艺、运行状态。

作为本发明的优选实施方式，所述的控制模块包含在同步文件夹中，或不包含在同步文件夹中。

作为本发明的优选实施方式，所述的设备虚拟机部署在任意支持虚拟机的平台上，包括但不限于所述的工业互联网平台；设备虚拟机还支持在另一台与现场设备同一型号的物理设备的控制器，实现在远离现场的实验室内复现和追查现场设备的问题。

本发明的具体实施方式中，针对采用工业计算机作为控制器的设备，提供一种通用的建立信息物理系统的方法，以解决工业互联网系统中如何以较低的成本快速建立相对完整的且可持续反映物理设备状态的数字机理模型的问题，从而达到信息物理系统中的设备机理模型尽可能与物理设备的当前状态保持一致的效果。

建立工业设备的信息物理系统，将网盘技术引入基于工业控制计算机的控制器中，配合虚拟机机制，形成了一种可以快速、低成本部署的通用的设备信息部物理系统机理模型。

适用于基于工业控制计算机实现的控制器，并具有带有文件系统管理能力的高级操作系统。

需要在工业互联网平台部署云端网盘管理系统，并为每个设备建立设备网盘。

需要在设备控制器上安装网盘客户端软件，以对接工业互联网平台的云端资料库。

需要部署设备虚拟机，并在该虚拟机上也部署网盘客户端对接需要模拟的设备网盘，从而将该虚拟机形成物理设备的信息物理系统。

设备虚拟机可以部署任意支持虚拟机的平台上，包括但不限于所述的工业互联网平台；特别地，如果部署在另一台与现场设备同一型号的物理设备的控制器，则可以更加真实地在远离现场的实验室内复现和追查现场设备的问题。

信息物理系统可以来用于物理设备的仿真、预测、查错、软件升级、配置升级等功能。

本发明的目的通过如下措施来达到：

首先，本发明实施的基础，主要是采用基于工业控制计算机为控制器的工业设备。随着越来越多的工业控制器采用工业控制计算机配合适当的扩展板卡和软件来实现，为本发明作为一项通用技术来实施奠定了行业基础。

本发明适用的工业控制计算机，包括但不限于Intel X86架构、ARM架构、MIPS架构等基本CPU架构的计算机。另外必须配备有适当的、支持文件系统的高级操作系统，如Windows、Linux等。

其次，本发明的具体技术方案的核心是网盘技术。所谓网盘技术，是指在设备和提供数据存储服务的云端服务器之间以一定的数据传输协议和同步规则来构建文件系统的镜像，从而使得设备端选择和文件夹和云端对应的设备网盘之间按照设定的同步规则进行文件数据同步。

具体的实施方案如图1所示，在工业互联网平台上架设网盘服务并提供一定的存储空间，并为每个设备建立设备网盘，同时在设备的基于工业控制计算机实现的控制器上安装网盘客户端。用户可以在客户端配置选定的文件夹和设备网盘进行同步。在工业互联网平台或其他云服务平台架设与设备控制器相同硬件配置和操作系统的虚拟机，而虚拟机的对应文件夹同时选择和设备的设备网盘同步。

在选择同步的文件夹的时候可以有两种方案：

方案一：如果可以保证物理设备的控制器内的控制模块不会被改变，则可以在虚拟机内预先安装同样的控制模块，而仅将可以体现工业设备整体状态和行为的工艺配置、加工工艺、运行状态等关键数据的文件夹与设备网盘同步。

方案二：如果不能保证物理设备的控制器内的控制模块不会被改变，比如设备试运行期间可能优化升级软件的场景，则可以在将控制模块所在的文件夹和可以体现工业设备整体状态和行为的工艺配置、加工工艺、运行状态等关键数据的文件夹一同与设备网盘同步。

这样就可以始终保持一个和实际的物理设备的控制器一致的控制器的虚拟机，即设备虚拟机。利用这个设备虚拟机，工业互联网平台、其他信息系统或人员可以随时根据自身的需要进行包括但不仅限于仿真、预测、查错、软件升级、配置升级等功能。

特别地，如果和现场的物理设备同步设备网盘的不是工业互联网平台或其他平台的设备虚拟机而是另一台与现场设备同一型号的物理设备的控制器，则可以更加真实地在远离现场的实验室内复现和追查现场设备的问题。

此时应注意设备控制器内文件的安全性，即以“设备控制器向设备网盘单向同步且设备网盘向设备虚拟机单向同步”为日常使用的缺省配置；除非需要对物理设备控制器进行软件或参数升级，否则不应开启“设备网盘向设备控制器”和“设备虚拟机向设备网盘”的文件同步，例如：如果需要在云端利用虚拟机进行具有一定潜在危险性或可能干扰实际的物理设备的试验时，应暂时切断设备虚拟机和设备网盘的同步，以防止因为设备虚拟机在试验中改变的文件通过设备网盘同步机制反向传递到物理设备而影响正在生产中的物理设备。

本发明以上海维宏电子科技股份有限公司(以下简称“维宏股份”)的NC65C数控系统作为具体实施例。该数控系统基本架构为Intel X86架构的工业控制计算机，内置有维宏股份出品的运动控制卡，操作系统为微软Windows 8，运行的数控软件为维宏股份自行开发的NcStudio。为了应用本发明，在维宏股份开发并运营的工业互联网平台NcCloud维宏云上部署了设备网盘功能。并在NC65C上安装了内置有设备网盘客户端的NcGateway数据网关软件，从而实现了数控系统和云端网盘的文件同步。用户可以利用以下方式来模拟现场中应该用了Nc65C的数控机床的运行情况：

在现场数控机床的NC65C上配置设备网盘客户端将数控软件NcStudio的所有相关文件夹进行同步。然后在维宏云平台同时部署与NC65C硬件配置相同的虚拟机，并配置设备网盘将数控软件NcStudio的所有相关文件夹进行同步。

在数控机床刚交付用户的调试阶段，数控系统的软件和配置均可能反复修改和调试。因为现场设备的文件可以随时经过设备网盘同步到设备虚拟机上，每次发现问题即可以在设备虚拟机上立即查看同步过来的设备日志，并进行复现和模拟。同时，每次针对问题修正的软件和配置，也可从设备虚拟机上向设备网盘同步，然后再从设备网盘同步到现场设备上。

采用了本发明的针对工业设备的信息物理系统，具有通用性，通过本发明这种利用控制器虚拟机和网盘机制建立的设备信息物理系统机理模型，从技术上提供了一个针对基于工业控制计算机作为控制器的工业设备的通用机理模型建模方式。该方式无需针对工业设备的具体工作原理和设备状态进行推理和试验，即可完成云端模型的建立，且可以适用于不同类型的设备。具有快速性和低成本，这种建模方式因其通用性，同时带来可快速部署和建模成本低廉的特点。具有跟随性，以本发明方式建立的信息物理系统模型，在实际的物理设备控制器的软件、配置等因素随使用阶段、生产情况等发生变化的时候，在云端也能随时反映出来。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种针对工业设备的信息物理系统，其特征在于，所述的系统包括：

工业互联网平台，用于架设网盘服务并提供存储空间，并为每个设备建立设备网盘；

设备控制器，与所述的工业互联网平台相连接，用于安装网盘客户端，在客户端配置选定的文件夹和部署在所述工业互联网平台的设备网盘进行同步；

设备虚拟机，与所述的工业互联网平台相连接，与设备控制器具有相同硬件配置，用于对接需要模拟的设备网盘，将该虚拟机形成物理设备的信息物理系统。

2.根据权利要求1所述的针对工业设备的信息物理系统，其特征在于，所述的工业互联网平台包括云端网盘管理系统，用于为每个设备建立设备网盘。

3.根据权利要求1所述的针对工业设备的信息物理系统，其特征在于，所述的设备虚拟机和设备控制器均包括控制模块、网盘客户端和操作系统，所述的网盘客户端，与所述的工业互联网平台相连接，用于对接工业互联网平台的设备网盘；所述的控制模块控制物理设备；所述的操作系统必须具有文件系统管理能力。

4.根据权利要求1所述的针对工业设备的信息物理系统，其特征在于，所述的同步文件夹具有两种方式：在物理设备的控制器内的控制模块不被改变的情况下，在虚拟机内预先安装相同的控制模块，仅将体现工业设备整体状态和行为的关键数据的文件夹与设备网盘同步；在不保证物理设备的控制器内的控制模块不被改变的情况下，则将控制模块所在的文件夹和体现工业设备整体状态和关键数据的文件夹同时与设备网盘同步。

5.根据权利要求1所述的针对工业设备的信息物理系统，其特征在于，所述的系统仅在设备控制器的模块或配置通过联网升级的情况下，才开启工业互联网平台的设备网盘向设备控制器的文件同步，以防物理设备受到来自工业互联网平台的干扰。

6.根据权利要求4所述的针对工业设备的信息物理系统，其特征在于，所述的同步文件夹包含体现工业设备整体状态和行为的关键数据，包含但不限于工艺配置、加工工艺、运行状态。

7.根据权利要求3所述的针对工业设备的信息物理系统，其特征在于，所述的控制模块包含在同步文件夹中，或不包含在同步文件夹中。

8.根据权利要求3所述的针对工业设备的信息物理系统，其特征在于，设备虚拟机部署在任意支持虚拟机的平台上，包括但不限于所述的工业互联网平台；设备虚拟机还支持部署在另一台与现场设备同一型号的物理设备的控制器，实现在远离现场的实验室内复现和追查现场设备的问题。

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