CN112039746B - 一种工业控制网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的工业控制网络系统，应用于工业控制技术领域，该系统包括至少一个主控模块和至少一个IO模块，主控模块包括主控制器和TSN通信模块，IO模块包括TSN传输模块和至少一个IO接口。主控制器与TSN通信模块相连，TSN传输模块分别与各IO接口相连，各主控模块内的TSN通信模块分别与各IO模块内的TSN传输模块相连，从而形成工业控制网络系统，在本网络系统中，TSN传输模块与TSN通信模块之间基于TSN协议进行网络数据传输，主控制器则基于所得网络数据执行预设控制功能，在实现工业控制网络系统预设控制功能的前提下，利用TSN网络协议能够精准传输网络数据的特性，提高工业控制网络系统的数据传输性能，从而满足对于数据传输时效性的要求。
Description
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，尤其涉及一种工业控制网络系统。
背景技术
在工业控制的大多数应用场景中，对控制网络的传输性能要求极高，不仅局限于对网络数据传输过程中的抖动和时延的要求，更要求网络数据可以在高确定及可预测的时间点送达。
当前的工业控制网络系统大都是在标准以太网的基础上，经过对标准以太网通信协议的改进，同时配合硬实时或软实时等技术手段实现网络数据的传输。由于标准以太网本质上属于一种非确定性传输网络，对于网络数据传输过程中的时延无法有效保证，导致现有技术中基于标准以太网实现的工业控制网络系统的数据传输性能欠佳，难以满足实际应用中对于数据传输的时效性要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工业控制网络系统，基于TSN协议进行网络数据的传输，利用TSN协议能够实现网络数据精准传输的特性，提高工业控制网络系统的数据传输性能，从而满足实际应用对于数据传输时效性的要求，具体方案如下：
本发明提供一种工业控制网络系统，包括：至少一个主控模块和至少一个IO模块，其中，
所述主控模块包括主控制器和TSN通信模块；
所述主控制器与所述TSN通信模块相连；
所述IO模块包括TSN传输模块和至少一个与工业设备进行网络数据交互的IO接口；
所述TSN传输模块分别与各所述IO接口相连；
各所述TSN通信模块分别与各所述TSN传输模块相连；
所述TSN传输模块与所述TSN通信模块之间基于TSN协议进行网络数据传输；
所述主控制器基于所述网络数据执行预设控制功能。
可选的，本发明提供的工业控制网络系统，还包括：网关模块，其中，
所述网关模块的一侧分别与各所述TSN通信模块以及各所述TSN传输模块相连，所述网关模块的另一侧与监控操作站相连；
所述网关模块用于实现所连接的各模块与所述监控操作站之间的数据格式转换和数据传输。
可选的，所述TSN通信模块包括：第一TSN接口电路、通信控制器，以及控制器接口，其中，
所述控制器接口的一端与所述主控制器相连；
所述控制器接口的另一端分别与所述通信控制器和所述第一TSN接口电路相连；
所述通信控制器与所述第一TSN接口电路相连；
所述第一TSN接口电路与各所述TSN传输模块相连；
所述通信控制器用于配置所述第一TSN接口电路的网络配置，并驱动所述第一TSN接口电路工作。
可选的，所述TSN传输模块包括：第二TSN接口电路和传输控制器，其中，
所述第二TSN接口电路的一端与各所述TSN通信模块相连，所述第二TSN接口电路的另一端与所述传输控制器相连；
所述传输控制器与所属IO模块内的各IO接口相连；
所述传输控制器用于配置所述第二TSN接口电路的网络配置，并驱动所述第二TSN接口电路工作。
可选的，所述网关模块包括：第三TSN接口电路、网关控制器，以及以太网接口电路，其中，
所述网关控制器分别与所述第三TSN接口电路以及所述以太网接口电路相连；
所述第三TSN接口电路分别与各所述TSN通信模块以及各所述TSN传输模块相连；
所述以太网接口电路与所述监控操作站相连；
所述网关控制器用于实现所述第三TSN接口电路所连接的各模块与所述以太网接口电路所连接的所述监控操作站之间的数据格式转换和数据传输。
可选的，所述主控模块还包括：网络处理器NPU，其中，
所述NPU与所述主控制器相连；
所述NPU用于实现预设的边缘计算功能。
可选的，所述主控模块还包括：现场总线模块，其中，
所述现场总线模块的一侧与所述主控制器相连；
所述线程总线模块的另一侧与工业设备相连。
可选的，各所述主控模块之间相互通信连接。
可选的，针对任一所述IO模块，所述IO模块内的TSN传输模块通过local bus分别与各IO接口相连。
可选的，本发明提供的工业控制网络系统，还包括：网络摄像头，其中，
所述网络摄像头分别与各所述主控模块、各所述IO模块，以及所述网关模块相连。
基于上述技术方案，本发明提供的工业控制网络系统，包括至少一个主控模块和至少一个IO模块，主控模块包括主控制器和TSN通信模块，IO模块包括TSN传输模块和至少一个与工业设备进行网络数据交互的IO接口。主控模块内的主控制器与TSN通信模块相连，IO模块内的TSN传输模块分别与各IO接口相连，各主控模块内的TSN通信模块分别与各IO模块内的TSN传输模块相连，从而形成本发明提供的工业控制网络系统，在本网络系统中，TSN传输模块与TSN通信模块之间基于TSN协议进行网络数据传输，主控制器则基于所得网络数据执行预设控制功能。
本发明提供的工业控制网络系统，网络系统中的主控模块和IO模块均设置有基于TSN网络协议实现的功能模块，相互之间能够基于TSN协议进行网络数据传输，同时，主控模块执行预设控制功能，与现有技术相比，在实现工业控制网络系统预设控制功能的前提下，利用TSN网络协议能够精准传输网络数据的特性，实现网络数据的准确传输，提高工业控制网络系统的数据传输性能，从而满足实际应用对于数据传输时效性的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种工业控制网络系统的结构架构图；
图2是本发明实施例提供的一种主控模块的结构框图；
图3是本发明实施例提供的一种IO模块的结构框图；
图4是本发明实施例提供的另一种工业控制网络系统的结构架构图；
图5是本发明实施例提供的网关模块的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
参见图1，图1是本发明实施例提供的一种工业控制网络系统的结构架构图，本发明实施例提供的工业控制网络系统包括：至少一个主控模块10（图1中以多个示出）和至少一个IO模块20（图1中以多个示出），其中，
主控模块10包括主控制器110和TSN通信模块120。主控制器110与TSN通信模块120相连，主控制器110与TSN通信模块120可以进行网络数据的互相传输，即主控制器110可以接收TSN通信模块120发送的网络数据，也可以向TSN通信模块120发送网络数据。需要说明的是，在本发明实施例以及后续各个实施例中所述及的网络数据，泛指能够在网络系统中传输的全部数据类型，包括但不限于通信数据、控制数据、控制指令等网络数据，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样都属于本发明保护的范围内。
IO模块20包括TSN传输模块210和至少一个与工业设备进行网络数据交互的IO接口220，TSN传输模块210分别与各IO接口220相连，具体的，TSN传输模块210可以通过localbus分别与各IO接口相连。根据上述对于IO接口220的限定可以看出，IO接口220在实际应用中负责连接控制现场的工业设备，因此，本发明实施例中所述及的IO接口220可以选用现有技术中与工业设备相适配的接口类型，本发明对于IO接口220的具体选型不做限定，现有技术中用于连接工业设备的IO接口都是可选的。
基于上述主控模块10以及IO模块20的基本构成，各主控模块10的TSN通信模块110分别与各IO模块20中的TSN传输模块210相连，从而实现各主控模块10与各IO模块20相互之间的连接。当然，网络系统内的各个主控模块10之间也可以互相通信，进行网络数据，特别是控制数据的相互传输。
可选的，对于主控模块10的具体构成，本发明实施例还给出一种可选的实施方式。参见图2，图2是本发明实施例提供的主控模块的结构框图，如图2所示，本实施例提供的主控模块中，TSN通信模块120具体由第一TSN接口电路1201、通信控制器1202，以及控制器接口1203构成。
在具体连接关系上，TSN通信模块120的控制器接口1203的一端与主控制器110相连，控制器接口1203的另一端分别与通信控制器1202和第一TSN接口电路1201相连。可选的，对于控制器接口1203，具体可以选用PCIe接口，以达到提高通信效率的目的。在具体实现中，控制器接口1203可以基于FPGA实现，充分利用FPGA的可编辑特性，按照控制需求进行网络数据的处理以及交互。
进一步的，通信控制器1202还与第一TSN接口电路1201相连。可选的，通信控制器1202主要用于配置第一TSN接口电路1201的网络配置，并驱动第一TSN接口电路1201工作。
作为主控模块10对外连接的接口，第一TSN接口电路1201与网络系统中各IO模块20的TSN传输模块相连，实现主控模块10与IO模块20之间的数据交互。
可选的，作为应用TSN网络协议进行数据传输的关键，第一TSN接口电路1201具体由TSN芯片和相应的接口电路构成，在本实施例中，为了提高系统的应用范围，第一TSN接口电路1201中的TSN芯片支持801.1AS、802.1Qbv、802.1Qbu及802.1Qcc等标准。相应的，主控制器110中也预设有与TSN通信相关的软件设计，主要包含：与Linux操作系统适配的TSNBSP（Board Support Package，板级支持包）以及TSN API（Application ProgrammingInterface，应用程序接口）与工业以太API/socket的对接等。
进一步的，参见图3，图3是本发明实施例提供的IO模块的结构框图，本发明实施例提供的IO模块包括：TSN传输模块210和至少一个IO接口220。在图2所示实施例中，具体示出了TSN传输模块210的可选构成，具体的，TSN传输模块210包括：第二TSN接口电路2101和传输控制器2102，其中，
第二TSN接口电路2101作为IO模块对外连接的接口，第二TSN接口电路2101的一端与网络系统内各主控模块10中的TSN通信模块120相连，进一步的，第二TSN接口电路2101的另一端与传输控制器2102相连。
传输控制器2102与所属IO模块内的各IO接口相连，如前所述，可以基于local bus实现传输控制器2102与各IO接口的连接，此处不再赘述。与前述通信控制器类似，IO模块内的传输控制器2102主要用于配置第二TSN接口电路2101的网络配置，并驱动第二TSN接口电路2101工作。
可选的，传输控制器2102可以选用M3或M4系列的ARM芯片，与TSN通信相关的软件均在传输控制器2102中实现，主要包含：适配无操作系统的TSN BSP以及与工业以太API对接等功能。
基于上述内容可以看出，本发明实施例提供的工业控制网络系统中，各主控模块和各IO模块均设置有基于TSN网络协议实现的功能模块，因此，各IO模块内的TSN传输模块与各主控模块内TSN通信模块之间，以及各主控模块的TSN通信模块之间，都可以基于TSN协议进行网络数据传输。
综上所述，本发明提供的工业控制网络系统，网络系统中的主控模块和IO模块均设置有基于TSN网络协议实现的功能模块，相互之间能够基于TSN协议进行网络数据传输，同时，主控模块执行预设控制功能，与现有技术相比，在实现工业控制网络系统预设控制功能的前提下，利用TSN网络协议能够精准传输网络数据的特性，实现网络数据的准确传输，提高工业控制网络系统的数据传输性能，从而满足实际应用对于数据传输时效性的要求。
可选的，在实际应用中，工业控制网络系统不可避免的要与上层控制系统进行通信，向上层控制系统传输必要的控制数据，接收相应的控制指令等。结合实际应用需求，上层控制系统包括但不限于工程师站、软件服务器、历史服务器，以及人际界面，在本实施例中将这些上层控制系统的可选构成，统称为监控操作站。
在现有应用中，监控操作站是基于标准以太网实现数据通信的，而本实施例提供的工业控制网络系统是基于TSN网络协议实现数据通信的，要想实现本发明提供的工业控制网络系统与监控操作站之间的通信，就必须要设置网关。
基于上述内容，参见图4，图4是本发明实施例提供的另一种工业控制网络系统的结构架构图，在图1所示实施例的基础上，本实施例提供的工业控制网络系统还包括：网关模块30。
如图4所示，网关模块30的一侧连接本发明实施例提供的工业控制网络系统，即分别与各主控模块10中的TSN通信模块120，以及各IO模块20中的TSN传输模块210相连，相应的，网关模块30的另一侧与监控操作站40相连。
在实际应用中，网关模块30主要用于实现所连接的各模块与监控操作站40之间的数据格式转换和数据传输。通过设置网关模块30，可以保护工业现场客户的已有投资，让不具备TSN通信的设备节点（即监控操作站40中包括的各构成部分）接入基于TSN通信协议实现的工业控制网络系统中。标准以太网数据可以通过本发明提供的网关模块转换成TSN数据，进而参与TSN通信的分队、排队以及调度等。通过使用此网关模块，可以在此架构上实现OT和IT的融合，这种融合可以有效提高工业设备的连接性，为未来的大数据分析、边缘智能及新型业务等提供发展路径，可推动关键和非关键的控制信息和数据汇聚到本发明实施例提供的网络系统中，再通过增加必要的网络安全措施，从而真正实现一网到底。
可选的，为方便在现场应用，本发明实施例提供的网关模块支持通过串口进行TSN通信的设置，配置的过程如下：
1）基础通信配置：除了需要配置网关模块本身的物理地址等，还需要配置连接到这个网关模块的标准以太网设备MAC地址，如监控操作站40中的工程师站的MAC地址等；
2）时间同步配置，可设置是否允许此网关模块充当网络基础时钟等；
3）流转换设置：确定要从标准以太网设备中将哪些数据流放入TSN网络的哪类传输流中，其中未标识的流将自动归类为尽力传输流量；按数据流方向，区分为演讲者和侦听者，对于不同演讲者流，又可以使用区分目标地址及帧类型等方法标识来自监控操作站的标准以太网数据，将其转换为TSN数据；
4）流队列设置：可以将定义要发送给TSN网络中的客户端数据流分配给队列，以便可以在网络上的特定时间调度这些数据流；
5）网络调度配置：设置调度的基础周期时间及各队列的偏移时间，当所有队列均使能时，先服务优先级最高的队列。
可选的，参见图5，图5是本发明实施例提供的网关模块的结构框图，本发明实施例提供的网关模块包括：第三TSN接口电路310、网关控制器320，以及以太网接口电路330，其中，
网关控制器320分别与第三TSN接口电路310以及以太网接口电路330相连，第三TSN接口电路310作为网关模块的对外接口，还分别与各主控模块的TSN通信模块以及各IO模块的TSN传输模块相连；相应的，以太网接口电路330与现有技术中的以太网适配，与监控操作站40相连。
对于上述内容所记载的网关模块的配置过程，以及网络数据的转换以及传输过程，都是由网关控制器320实现的，此处不再复述。
可选的，本发明实施例提供的工业控制网络系统中，还包括网络摄像头50，网络摄像头50分别与各主控模块10、各IO模块20，以及网关模块30相连。监控操作站40可以通过网管模块30获取网络摄像头50采集的内容，当然，工业控制网络系统内的各个主控模块10也可以直接获取网络摄像头50采集的内容。
综上所述，本发明实施例提供的工业控制网络系统可让系统内的实时性数据和标准以太网内的非实时性数据在同一个网络中传输，保证各种类型数据的有序传输，尤其可以保证高实时控制数据的周期性传输，其它数据不会对这种周期性数据造成阻塞，也不会有时快时慢的延时响应，非常满足工业控制中实时数据的“确定时延、不被中断、可靠传输”的需求。
可选的，在上述任一实施例提供的工业控制网络系统中，主控模块还可以包括NPU（Neural-Network Processing Unit，网络处理器）和现场总线模块，其中，NPU与主控制器相连，用于实现预设的边缘计算功能。现场总线模块的一侧与主控制器相连，线程总线模块的另一侧与工业设备（特别是第三方设备）相连。
需要说明的是，在上述各个实施例中述及的基于TSN网络协议实现的通信是针对链路层而言的，在实际应用中，还需要在应用层实现通信，为此，本发明各实施例提供的工业控制网络系统中，主控模块及IO模块与监控操作站之间在应用层使用OPC UA协议通信，建立基于TSN实现的OPC UA 通讯链路。OPC UA定义了信息交换的统一架构，它覆盖了主流的交互模式（Read/Wirite、Pub/Sub），同时它的信息模型层不仅对资源抽象定义，而且还规范了实时数据、告警/事件、历史数据等的访问等。本发明各实施例建立基于TSN实现的OPCUA 通讯链路，实现以统一的接口和语义去配置各个TSN设备的网络参数，同时支持在资源访问路径中指定资源的TSN特性优先级。
进一步的，本发明各实施例中的主控模块和IO模块还通过Modbus TCP协议进行过程数据的交互，建立基于TSN实现的Modbus TCP通讯链路，实现主控模块与IO模块之间的简单及高效率的通信机制。
综上所述，本发明各个实施例建立建立基于TSN实现的OPC UA 通讯链路以及基于TSN实现的OPC UA 通讯链路，实现至少两种不同实时性要求的工业数据协议在链路层的融合，突破异构系统的网络通信瓶颈。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种工业控制网络系统，其特征在于，包括：至少一个主控模块和至少一个IO模块，其中，
所述主控模块包括主控制器和TSN通信模块；
所述主控制器与所述TSN通信模块相连；
所述IO模块包括TSN传输模块和至少一个与工业设备进行网络数据交互的IO接口；
所述TSN传输模块分别与各所述IO接口相连；
各所述TSN通信模块分别与各所述TSN传输模块相连；
所述TSN传输模块与所述TSN通信模块之间基于TSN协议进行网络数据传输；
所述主控制器基于所述网络数据执行预设控制功能；
其中，
所述TSN通信模块包括：第一TSN接口电路、通信控制器，以及控制器接口，其中，
所述控制器接口的一端与所述主控制器相连；
所述控制器接口的另一端分别与所述通信控制器和所述第一TSN接口电路相连；
所述通信控制器与所述第一TSN接口电路相连；
所述第一TSN接口电路与各所述TSN传输模块相连；
所述通信控制器用于配置所述第一TSN接口电路的网络配置，并驱动所述第一TSN接口电路工作；
所述TSN传输模块包括：第二TSN接口电路和传输控制器，其中，
所述第二TSN接口电路的一端与各所述TSN通信模块相连，所述第二TSN接口电路的另一端与所述传输控制器相连；
所述传输控制器与所属IO模块内的各IO接口相连；
所述传输控制器用于配置所述第二TSN接口电路的网络配置，并驱动所述第二TSN接口电路工作。
2.根据权利要求1所述的工业控制网络系统，其特征在于，还包括：网关模块，其中，
所述网关模块的一侧分别与各所述TSN通信模块以及各所述TSN传输模块相连，所述网关模块的另一侧与监控操作站相连；
所述网关模块用于实现所连接的各模块与所述监控操作站之间的数据格式转换和数据传输。
3.根据权利要求2所述的工业控制网络系统，其特征在于，所述网关模块包括：第三TSN接口电路、网关控制器，以及以太网接口电路，其中，
所述网关控制器分别与所述第三TSN接口电路以及所述以太网接口电路相连；
所述第三TSN接口电路分别与各所述TSN通信模块以及各所述TSN传输模块相连；
所述以太网接口电路与所述监控操作站相连；
所述网关控制器用于实现所述第三TSN接口电路所连接的各模块与所述以太网接口电路所连接的所述监控操作站之间的数据格式转换和数据传输。
4.根据权利要求1所述的工业控制网络系统，其特征在于，所述主控模块还包括：网络处理器NPU，其中，
所述NPU与所述主控制器相连；
所述NPU用于实现预设的边缘计算功能。
5.根据权利要求4所述的工业控制网络系统，其特征在于，所述主控模块还包括：现场总线模块，其中，
所述现场总线模块的一侧与所述主控制器相连；
所述现场总线模块的另一侧与工业设备相连。
6.根据权利要求1所述的工业控制网络系统，其特征在于，各所述主控模块之间相互通信连接。
7.根据权利要求1所述的工业控制网络系统，其特征在于，针对任一所述IO模块，所述IO模块内的TSN传输模块通过local bus分别与各IO接口相连。
8.根据权利要求2所述的工业控制网络系统，其特征在于，还包括：网络摄像头，其中，
所述网络摄像头分别与各所述主控模块、各所述IO模块，以及所述网关模块相连。
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