CN112578755A - 可编程智能控制器及基于可编程智能控制器的应用系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种可编程智能控制器及基于可编程智能控制器的应用系统。该可编程智能控制器包括：至少一个软件控制器，所述软件控制器用作总线控制器和对象控制器中的至少一种；所述对象控制器用于连接至少一个受控对象，所述至少一个受控对象映射为信息空间中的对象映射，所述对象映射为对象控制程序；所述总线控制器用于根据控制指令控制由所述受控对象映射得到的对象映射的运行，以控制与所述对象控制器连接的所述受控对象，使与所述对象控制器连接的受控对象执行所述控制指令指定的目标操作。采用本申请提供的可编程智能控制器以及基于可编程智能控制器的应用系统均能够实现受控对象的网络化控制。

Description

可编程智能控制器及基于可编程智能控制器的应用系统

技术领域

本发明涉及智能控制器技术领域，尤其是一种应用于工业技术领域的可编程智能控制器及基于可编程智能控制器的应用系统。

背景技术

随着工业和智能化技术的发展，互联网技术、物联网技术等在工业方面的应用越来越多。传统的工业控制采用可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)等系统控制生产。

然而，带有网络的PLC系统只是传统数据采集与监视管理系统(SCADA，Supervisory Control And Data Acquisition)系统，无法真正实现设备控制以及工业生产的网络化控制与操作。

传统的数采系统只能单向从设备内部采集数据，无法证明数据质量，而采集过程还会影响设备的安全性和稳定性，更不能对数据实现控制，使数据分析的结果无法直接对工业产生推动作用。

这些传统技术只是以实现设备控制为目标，而不是以实现设备的互联网控制为目标，因此这些控制系统本身的技术体系不容易将信息模型化，仅仅限于单点的数字化控制功能，更容易形成数据孤岛。目前有些人采用PLC网络或多个软PLC系统，号称工业互联网解决方案，实际上无法引入先进的IT技术，只是利用集成电路技术的发展，将更多的PLC集成在一起而已，除了提高应用难度，降低系统可靠性，与采用现场网络和现场总线连接的多PLC系统或FCS系统相比，实际上没有任何改进。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种新型的可编程智能控制器及基于可编程智能控制器的应用系统，以解决提到的上述技术问题。

一种可编程智能控制器，其包括：

至少一个软件控制器，所述软件控制器用作总线控制器和对象控制器中的至少一种；

所述对象控制器用于连接至少一个受控对象，所述至少一个受控对象映射为信息空间中的对象映射，所述对象映射为对象控制程序；

所述总线控制器用于根据控制指令控制由所述受控对象映射得到的对象映射的运行，以控制与所述对象控制器连接的所述受控对象，使与所述对象控制器连接的所述受控对象执行所述控制指令指定的目标操作。

在一个实施例中，所述可编程智能控制器包括总线控制器和对象控制器，所述对象控制器与所述至少一个受控对象连接，所述至少一个受控对象的对象映射通过控制总线与所述总线控制器连接，所述总线控制器通过所述控制总线向所述对象映射发出控制指令，所述对象映射将总线控制器的控制指令传递给所述对象控制器，所述对象控制器根据所述控制指令对所述受控对象进行控制。

在一个实施例中，所述可编程智能控制器包括管理总线和控制总线；所述管理总线用于管理所有软件控制器和与所述对象控制器非实时连接的受控对象；所述控制总线用于实现所述软件控制器对与所述对象控制器实时连接的受控对象的控制。

在一个实施例中，所述可编程智能控制器通过将所述受控对象映射到信息空间的模型化技术构造，所述总线控制器和所述对象控制器都包括模型化的虚拟工位。

在一个实施例中，所述虚拟工位包括管理总线接口和控制总线接口；所述可编程智能控制器通过控制总线在一个方向/纵向上接入新的虚拟工位进行一个方向/纵向扩展；所述可编程智能控制器通过管理总线在另一个方向/横向上接入新的虚拟工位，进行另一个方向/横向扩展。

在一个实施例中，所述可编程智能控制器包括至少两个软件控制器；所述至少两个软件控制器用于形成至少两个不同的网络，以提高可编程智能控制器的安全。

在一个实施例中，所述至少两个软件控制器形成控制网络，所述控制网络包括设备网络和操作网络；所述设备网络用于连接受控对象，所述操作网络用于提供用户操作入口。

在一个实施例中，所述至少两个软件控制器用于形成管理网络，所述管理网络包括外部网络和系统网络；所述外部网络用于连接外部系统，所述系统网络用于连接内部管理系统。

在一个实施例中，所述可编程智能控制器包括接入层、模型层、服务层和应用层，以将接入所述可编程智能控制器的受控对象模型化为虚拟工位；所述接入层采用软件定义网络方式，将所述可编程智能控制器内的连接转换为网络连接；所述模型层通过采用控制器技术和知识图谱实现模型化的数据表示；所述服务层通过容器云技术实现；所述应用层通过采用虚拟工位方式实现。

上述可编程智能控制器，通过软件定义方式在可编程智能控制器内创建软件控制器，该软件控制器可以担任总线控制器和对象控制器两种角色之一或同时担任两种角色。这样，可编程智能控制器连接的一个或者多个受控对象可与对象控制器连接，并映射为信息空间中的对象映射，对象控制器即可根据控制指令运行受控对象映射得到的对象映射，以通过与受控对象之间的连接控制受控对象，受控对象再执行控制指令指定的目标操作，从而实现设备控制的网络化控制，进而实现工业生产的网络化控制与操作。而且，可编程智能控制器的软件控制器可通过软件定义方式实现，可以有效地实现增量式开发，提高了软件系统的可靠性与开发效率。

一种基于可编程智能控制器的应用系统，所述应用系统包括前述任一实施例所述的可编程智能控制器；以及

组织模型，用于按照目标执行任务，从受控对象对应的虚拟工位中选择目标虚拟工位，将选中的所述目标虚拟工位组织为目标执行系统；

连接模型，用于连接形成所述目标执行系统的虚拟工位。

在一个实施例中，所述目标执行系统包括工业生产管理系统，所述工业生产管理系统的虚拟工位为控制虚拟工位，形成所述控制虚拟工位的软件控制器为所述总线控制器；

所述工业生产管理系统包括多个管理节点，每个管理节点采用所述工业生产管理系统所管理的其中一个受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位，形成所述设备虚拟工位的软件控制器为所述对象控制器；

所述总线控制器用于运行所述管控逻辑程序、并通过管理总线或控制总线将管理指令传递至所述对象控制器；

所述对象控制器用于根据所述管理指令运行所述受控对象映射得到的对象映射，以管理与所述对象控制器非实时连接的所述受控对象。

在一个实施例中，所述目标执行系统包括工业生产管理系统和工业生产控制系统，所述工业生产控制系统为所述工业生产管理系统的其中一个管理节点所管理的受控对象，所述其中一个管理节点的设备虚拟工位用作所述工业生产控制系统的控制虚拟工位；

所述工业生产管理系统包括多个控制节点，每个控制节点采用所述工业生产控制系统所控制的其中一个受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位；所述工业生产控制系统所控制的受控对象包括受控设备；

所述总线控制器用于运行所述管控逻辑程序、并通过管理总线或控制总线将控制指令传递至所述对象控制器；

所述对象控制器用于根据所述控制指令运行所述受控对象映射得到的对象映射，以控制与所述对象控制器实时连接的所述受控对象。

上述基于可编程智能控制器的应用系统，由于可编程智能控制器的总线控制器和/或对象控制器都包括模型化的虚拟工位，这样，组织模型即可按照目标执行任务，从虚拟工位中选择目标虚拟工位，将选中的目标虚拟工位组织为目标执行系统，连接模型再将目标执行系统的管控逻辑程序与其中一个软件控制器连接，形成目标执行系统的虚拟工位，从而基于虚拟工位实现工业场景中的具体执行系统进行网络化控制，进而实现工业生产的网络化控制与操作。

附图说明

图1为本发明一个实施例中可编程智能控制器的示意图；

图2为本发明另一个实施例中可编程智能控制器的示意图；

图3为本发明一个实施例中可编程智能控制器的网络划分示意图；

图4为本发明一个实施例中可编程智能控制器的应用系统内部的CPS系统结构示意图；

图5为本发明一个实施例中基于可编程智能控制器的工业应用系统的示意图；

图6为本发明另一个实施例中基于可编程智能控制器的工业应用系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本发明一个实施例中，如图1所示，提供了一种可编程智能控制器100，该可编程智能控制器100可以包括至少一个软件控制器110。该软件控制器110可用作总线控制器111和对象控制器112中的至少一种。

在本发明某些实施例中，软件控制器110包括总线控制器111和对象控制器112。软件控制器110创建于可编程智能控制器100内，可采用通用的编程语言开发完成。

在本实施例中，在至少一个可编程智能控制器(PIC，Programmable IntelligentController)内创建至少一个软件控制器。该软件控制器可以担任总线控制器和对象控制器两种角色之一或同时担任总线控制器和对象控制器。

软件控制器在用作对象控制器时，用于与受控对象连接。软件控制器在用作总线控制器时，通过控制总线实现与对象控制器之间的指令传输。

软件控制器可基于软件定义网络(SDN，Software Defined Network)实现，在控制器网络中同时包括总线控制器和对象控制器两种角色的控制器时，由多个控制器形成的控制器网络可以分层布局。

在任意相邻的两层软件控制器中，一般位于上层的软件控制器为总线控制器，位于下层的软件控制器为对象控制器。也就是说，总线控制器和对象控制器是相对概念，一个软件控制器既可以是总线控制器，也可以是对象控制器。

可编程智能控制器100通过外部对象连接设备120与外部对象连接。外部对象连接设备120可以为网线、各种工业总线或者其它类型合适的连接设备。可实施地，可编程智能控制器100用于连接至少一个受控对象130，受控对象130映射为信息空间中的对象映射113。该对象映射113可以是对象控制程序。

其中，受控对象130是需要被可编程智能控制器所控制的外部对象，也可以称为外部受控对象。受控对象130可以是实体对象，也可以是非实体对象。在某些实施例中，受控对象可以是实体的受控设备、装置、机床、制造系统、生产车间、智能工厂等。例如，受控对象为搬运机器人(Automated Guided Vehicle，AGV)、机床、锅炉、生产系统、加工产线等。受控对象130也可以是信息、流程、方法和规则等，尤其是在工业应用领域的信息、流程、方法和规则等。信息可以包括各种信息，尤其是工业场景中用到的信息，包括申请物料、加工信息、审批信息、工单信息、质量信息等。流程包括各种流程，尤其是指工业场景中用到的各种规定的流程。例如，流程可以包括生产流程、入库流程、出库流程、审批流程、检测流程、点检流程等。方法包括各种方法，尤其是工业场景中用到的各种方法。方法可以包括热处理方法、淬火方法、粗加工方法、精加工方法、生化反应方法、工程管理方法、项目管理方法、安全管理方法等。

对象映射113即为对象控制程序，是用于控制受控对象130的程序。在本申请的某些实施例中，可编程智能控制器支持通用编程语言，对象控制程序则采用通用编程语言开发。比如Java等。那么工业环境下的工作人员无需专门学习特定的编程方式，即可根据软件定义网络定义可编程智能控制器的软件控制器，再以软件控制器为控制器本体，采用通用编程语言自主开发对象控制程序，通过软件控制器运行对象控制程序来控制受控对象。这样便可以提高软件程序代码的复用率，进而可以提高可编程智能控制器的可靠性与开发效率。

在本实施例中，可编程智能控制器100的软件控制器110在用作总线控制器111时，该总线控制器111用于根据控制指令控制由受控对象130映射得到的对象映射113的运行，以控制与对象控制器112连接的受控对象130。

在本发明某些实施例中，可编程智能控制器包括一个软件控制器，该软件控制器用作对象控制器；该软件控制器用作对象控制器时可以与受控对象(比如外部的物理实体设备等)连接，通过受控对象的设备映射，控制该受控对象；该软件控制器本身也可直接包括软件设备，直接实现该软件设备对应的功能。

在本申请的某些实施例中，可编程智能控制器可包括至少两个软件控制器，其中一部分软件控制器可用作对象控制器，一部分软件控制器可用作总线控制器。总线控制器与对象控制器之间通过控制总线或者管理总线连接。用作总线控制器的软件控制器用于通过控制总线向对象映射发出控制指令，对象映射将接收到的控制指令传递给用作对象控制器的软件控制器，用作对象控制器的软件控制器则根据控制指令对与其连接的受控对象进行控制。

受控对象130可以通过执行总线控制器发出的控制指令完成指定的目标操作。比如，目标操作比如采集、测量等。

上述可编程智能控制器，通过软件定义方式在可编程智能控制器内创建软件控制器，该软件控制器可以担任总线控制器和对象控制器两种角色之一或同时担任两种角色。这样，可编程智能控制器连接的一个或者多个受控对象可与对象控制器连接，并映射为信息空间中的对象映射，对象控制器即可根据控制指令运行受控对象映射得到的对象映射，以通过与受控对象之间的连接控制受控对象，受控对象再执行控制指令指定的目标操作，从而实现设备控制的网络化控制，进而实现工业生产的网络化控制与操作。而且，可编程智能控制器的软件控制器可通过软件定义方式实现，可以有效地实现增量式开发，提高了可编程智能控制器的可靠性与开发效率。

在一个实施例中，可编程智能控制器可以包括总线控制器和对象控制器，对象控制器与受控对象连接，受控对象的对象映射通过控制总线与总线控制器连接，总线控制器通过控制总线向对象映射发出控制指令，对象映射将总线控制器的控制指令传递给对象控制器，对象控制器根据控制指令对受控对象进行控制。

本发明一些实施例中，可编程智能控制器可以包括总线控制器和对象控制器两种角色的控制器，这两种角色的控制器都是软件控制器。其中，总线控制器用于通过控制总线将控制指令传递至对象映射，对象映射再将总线控制器传递的控制指令传递给对象控制器，对象控制器则用于根据控制指令运行受控对象映射得到的对象映射，以控制与对象控制器连接的受控对象。

在本实施例中，软件控制器均可以配置有控制总线接口，总线控制器通过控制总线将控制指令传递至对象控制器，控制对象控制器；对象控制器通过运行受控对象映射得到的对象映射，以控制实时连接的受控对象。同一层级的对象控制器之间的通信可通过上一层级的总线控制器实现。

在一个实施例中，可编程智能控制器可以包括管理总线和控制总线；管理总线用于管理所有软件控制器和与对象控制器非实时连接的受控对象；控制总线用于实现软件控制器对与对象控制器实时连接的受控对象的控制。

可实施地，所有软件控制器均可以包括管理总线接口，这样即可通过管理总线接口接收通过管理总线传递的管理指令，实现通过管理总线对所有软件控制器和与对象控制器非实时连接的受控对象进行管理。另外，软件控制器也均可以包括控制总线接口，在需要进行控制的场景下，则通过控制总线接口，接收通过控制总线传递的控制指令，实现软件控制器对与对象控制器实时连接的受控对象的控制。

在一个实施例中，可编程智能控制器通过将受控对象映射到信息空间的模型化技术构造，总线控制器和对象控制器都包括模型化的虚拟工位。

可实施地，可编程智能控制器通过将受控对象映射到信息空间的模型化技术构造，那么可编程智能控制器中包含两种类型的模型，静态模型和动态模型。其中静态模型表示数据，动态模型表示数据和操作的组合。静态模型采用键值对和列表的形式将基本数据(如整数，实数，字符串，布尔量等)和数据块(如音频，视频，图片，文件，数据采集样本等)组合成为完整的数据资产。动态模型可以采用虚拟工位的形式表示，将数据和程序组装成具有数据和动作的模型。

在本申请的某些实施例中，可编程智能控制器将受控对象均模型化为对象控制模型。具体地，由于可编程智能控制器中最基本的模型即为虚拟工位，虚拟工位以软件控制器用作控制器本体。当指定某些虚拟工位用于控制，而另一些虚拟工位用于对象映射时，可编程智能控制器可以自动分配相应的虚拟工位实现相应功能，将对象控制程序和对象连接程序部署到合适的虚拟工位中。在一些实施例中，对象控制程序和对象连接程序可以是事先设置好的，被封装在软件控制器的虚拟工位里。软件控制器通过网络连接受控对象，具体的网络连接方式，可以自定义设置。

在本申请的某些实施例中，受控对象的对象控制程序可模型化为操作模型，受控对象的对象数据可模型化为数据模型；连接受控对象的操作模型和数据模型可以形成受控对象对应的虚拟工位；虚拟工位以软件控制器用作控制器本体。

在本申请的某些实施例中，可编程智能控制器采用信息系物理系统(CPS，CyberPhysical System)技术映射生成SDN的网络节点，包含了虚拟化的控制器本体和控制逻辑，以此代表虚拟工人和工位操作流程，统称为虚拟工位，也就是软件控制器。通常，软件控制器中包括控制器的本体和实现设备控制的控制软件。当多个软件控制器通过网络连接起来，藉此可以实现可编程智能控制器的整个控制器网络。如果软件控制器的控制器本体用软件实现，那么可编程智能控制器的网络不再是物理的网络，而必须是软件定义网络SDN。本发明的可编程智能控制器通过软件方式创建实现的软件控制器，跟硬件控制器，例如PLC一样，包含了控制器的本体和控制设备所需的控制软件，或称为控制逻辑。这种通过软件方式实现的控制器可以称为软件控制器、软件定义控制器或者虚拟工位，它是SDN网络的一个节点。映射为网络节点的软件控制器中的数据包括虚拟工位、受控设备的描述数据、和控制设备的控制逻辑程序。

在本申请的某些实施例中，软件控制器用作虚拟工位的控制器本体。根据软件控制器的作用不同，软件控制器可以分为总线控制器和对象控制器。通常，总线控制器用作控制功能且控制对象控制器，可称为控制虚拟工位；对象控制器用作控制功能且控制受控对象，可称为对象虚拟工位。在受控对象为设备时，对象控制器用作控制功能且控制受控设备，可称为设备虚拟工位。

请参阅图2所示，图2为本发明另一个实施例中可编程智能控制器的示意图，控制虚拟工位与设备虚拟工位之间的连接关系可参考该图。可实施地，图2中示意的可编程智能控制器200包括总线控制器和对象控制器。其中，总线控制器具体可以是控制虚拟工位201，对象控制器具体可以是设备虚拟工位202。该可编程智能控制器200用于连接和控制外部受控对象。可编程智能控制器200可以通过外部对象连接设备220连接外部受控对象203。该外部受控对象203可以包括若干设备203，即设备1、设备2、至设备n等。该外部受控对象203即通过外部对象连接设备220与可编程智能控制器200连接。该外部受控对象203可以通过CPS技术映射为设备映射205，即设备1、设备2、至设备n可以通过CPS技术映射为设备映射1、设备映射2、至设备映射n。控制虚拟工位201可以通过控制总线将控制指令传递给设备映射205。即控制虚拟工位201将控制指令通过控制总线传递给设备映射1、设备映射2、至设备映射n。设备虚拟工位202运行相应的设备映射，比如设备虚拟工位1运行设备映射1、设备虚拟工位2运行设备映射2、设备虚拟工位n运行设备映射n等，从而控制与设备虚拟工位实时连接的外部受控设备。

具体来说，可编程智能控制器采用CPS技术将外部物理实体设备(即受控设备或受控对象)映射到信息空间，形成信息空间内的设备映射。由于本发明的可编程智能控制器采用CPS的模型化技术构造，该可编程智能控制器中最基本的模型即为虚拟工位。该可编程智能控制器可以采用一个软件控制器用作总线控制器，作为控制虚拟工位；采用另外的软件控制器用作对象控制器，与外部物理设备连接，作为设备虚拟工位。该可编程智能控制器内部的控制虚拟工位通过控制总线对设备虚拟工位进行控制，而设备虚拟工位通过运行与设备虚拟工位实时连接的外部设备映射得到的设备映射，将控制虚拟工位的控制指令实时传递至设备，从而实现了对外部物理设备的控制。

在本发明某些实施例中，可编程智能控制器的虚拟工位可以包括管理总线接口和控制总线接口。该可编程智能控制器可以根据具体应用需求，通过控制总线在纵向上不断接入新的虚拟工位进行纵向扩展。该可编程智能控制器亦可以根据具体应用需求，通过管理总线在横向上不断接入新的虚拟工位，进行横向扩展。总之，本发明的可编程智能控制器可以通过控制总线不断接入新的虚拟工位在一个方向上进行扩展，可以通过管理总线不断接入新的虚拟工位，在另一个方向上进行扩展。

在某些实施例中，可编程智能控制器可以包括至少两个软件控制器。所述至少两个软件控制器用于形成至少两个不同的网络，以提高可编程智能控制器的系统安全。

可实施地，可编程智能控制器的数量可以为至少一个。每个可编程智能控制器可以包括至少两个软件控制器，在实际的工业应用场景中会使用到多个软件控制器甚至多个可编程智能控制器。在软件控制器的数量不止一个时，不同的软件控制器之间则需要相互通信，那么这至少两个软件控制器之间便可以形成控制网络。为了提高可编程智能控制器的应用系统的安全，可以基于至少一个可编程智能控制器的至少两个软件控制器形成至少两个不同的网络，不同的网络分别实现不同的功能。

在一个实施例中，至少两个软件控制器形成控制网络，控制网络可以包括设备网络和操作网络。其中，设备网络用于连接受控对象，操作网络用于提供用户操作入口。

可以理解，“控制”是可编程智能控制器实际的应用场景，尤其是工业应用场景中经常会涉及的内容。如果采用网络方式进行通信，那可编程智能控制器即可形成控制网络。实际的工业应用场景中可编程智能控制器可以控制设备，也可以控制操作，还可以控制其他类型的对象。那么，在本申请的实施例中，可基于控制的对象的不同，将控制网络划分为不同的子网络。比如将控制网络划分为设备网络和操作网络。该设备网络用于连接受控对象，该操作网络用于提供用户操作入口。这样本发明的可编程智能控制器通过不同的网络分别实现不同的控制功能，可以提高该可编程智能控制器的安全性。

在一个实施例中，可编程智能控制器的至少两个软件控制器可以用于形成管理网络，该管理网络包括外部网络和系统网络；所述外部网络用于连接外部系统，所述系统网络用于连接内部管理系统。

可以理解，“管理”也是可编程智能控制器实际的应用场景，尤其是工业应用场景中经常会涉及的内容，如果采用网络方式进行通信，那可编程智能控制器也可形成管理网络。实际的工业应用场景中可编程智能控制器可以管理外部对象，也可以管理内容对象，还可以控制其他类型的对象。那么，在本申请的实施例中，可基于管理的对象的不同，将管理网络划分为不同的子网络。比如将管理网络划分为外部网络和系统网络；外部网络用于连接外部系统，系统网络用于连接内部管理系统。这样通过不同的网络分别实现不同的管理功能，可以提高可编程智能控制器的安全性，从而也可以有效地保证基于该可编程智能控制器的应用系统的安全性。

本发明的可编程智能控制器通过至少两个软件控制器形成不同的网络，将可编程智能控制器整个区域按不同功能进行划分，提高了可编程智能控制器及应用系统的安全性。

可实施地，可编程智能控制器包括实现两种基本的系统连接方式：实时连接和非实时连接。实时连接可通过控制总线实现设备接入和控制，而非实时连接是通过管理总线实现对可编程智能控制器所有元件/设备的连接和管理。请一并结合图3所示，为了方便对可编程智能控制器的网络按功能进行管理，可将网络按照方位进行划分，比如可将可编程智能控制器的控制网络划分为南方的设备网络和北方的操作网络，可将可编程智能控制器的管理网络划分为西方的系统网络和东方的外部网络。在图3中，南方的设备网络中的受控对象可以为机床、检验、货架、AGV(Automated Guided Vehicle，自动化导航车)、机器人、清洗、烘干、托盘等受控对象中的一种或多种。北方的操作网络中的受控对象可以为看板、开发、调度、操作、报表、IT(Internet Technology，互联网技术)、维修、管理等多种受控对象中的一种或多种。西方的系统网络可以为MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)、CAPP(Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺过程设计)、ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划)以及其他系统等受控对象中的一种或者多种。东方的外部网络则可以包括外部服务、外部展示、外部系统、外部监管、外部协同、外部连接等多种受控对象中的一种或者多种。

在本发明某些实施例中，可编程智能控制器可以包括接入层、模型层、服务层和应用层中的一种或者多种，以将接入可编程智能控制器的受控对象都模型化为虚拟工位。其中，接入层用于采用软件定义网络方式，将控制系统中的连接转换为网络连接；模型层通过采用控制器技术和知识图谱定义数据模型实现；服务层通过采用容器云技术实现；应用层通过采用虚拟工位的方式实现。

具体地，可编程智能控制器内部的实时连接采用信息物理系统结构实现，该实时连接系统通过控制总线和可编程智能控制器的外部设备连接，如图4所示。图4为本发明一个实施例中可编程智能控制器的应用系统内部的CPS系统结构示意图。该应用系统可以是工业应用系统，也可以是其它类型的包含本发明的可编程智能控制器的应用系统。在图4所示的实施例中，该可编程智能控制器的工业应用系统是按照信息物理系统的5C层次结构设计的。其中，该5C层次结构具体可以包括连接、转化、网络、认知和配置五个层次。可编程智能控制器是工业应用系统的基本组成部分，该可编程智能控制器可设置包括接入层、模型层、服务程和应用层。该可编程智能控制器通过上述设置将所有接入工业应用系统的设备、信息、流程、方法、规则都模型化为虚拟工位和系统连接。

可以理解，传统的可编程逻辑控制器PLC有特定的编程方式，普通IT人员需要通过长期学习才能编写工业控制程序或者软件。本发明的可编程智能控制器通过采用虚拟工位技术，支持采用普通IT软件，例如Python，进行工业控制程序的编写。本申请实施例中采用工业生产线的方式进行软件开发，让IT人员可以开发高质量工业软件。这里IT人员编写的工业软件，指的是工业控制软件、数据采集软件、质量管理软件、物流管控软件以及设备运维软件等在各种工业场合应用的软件。本发明的可编程智能控制器对上述的开发方式提供了统一的支撑平台。

而且，本发明的可编程智能控制器内部采用容器云技术实现了云原生系统。该可编程智能控制器中每个虚拟工位都是一个容器(Container)，每个容器都可以对外提供服务，称为微服务。可编程智能控制器利用云原生技术实现了工业智能系统与IT软件系统的统一。本发明的基于可编程智能控制器的工业应用系统可以实现新型虚拟工业生产线技术改造现有工业设备、工业产线、工厂管理和工业协同系统，从而实现智能制造。

在本申请的某些实施例中，软件控制器在用作对象控制器时，还可以包括软件设备。这样，软件控制器在用作对象控制器时，不仅可以与受控对象连接，通过对象映射控制受控设备，还可以直接控制本身就包括的软件设备，实现该软件设备对应的目标功能。

在一个实施例中，本申请还提供了一种应用系统，该应用系统包括上述任一实施例提到的可编程智能控制器。该应用系统可以是基于上述可编程智能控制器应用在工业领域的应用系统，也可以是基于上述可编程智能控制器应用在其它领域的应用系统。

如图5所示，本申请还提供了一种基于本发明的可编程智能控制器的应用系统500，该应用系统具体可以为工业应用系统，或者也可以为其它应用领域的应用系统。在图5所示的实施例中，该工业应用系统500可以包括可编程智能控制器510。该可编程智能控制器510可以是上述任一实施例中提供的可编程智能控制器。

在本实施例中，该工业应用系统500还可以包括组织模型520，用于按照目标执行任务，从受控对象550对应的虚拟工位中选择目标虚拟工位，将选中的目标虚拟工位组织为目标执行系统560。

连接模型530，用于连接形成目标执行系统560的虚拟工位570。

可实施地，可编程智能控制器510可以包括总线控制器，总线控制器可实现为控制虚拟工位511，可编程智能控制器510可以包括对象控制器，对象控制器可实现为设备虚拟工位512，可编程智能控制器510通过外部对象连接设备540与外部受控对象550连接。比如，可编程智能控制器510可连接至少一个受控对象550，受控对象550则可映射为信息空间中的对象映射513。具体地在应用场景下，组织模型520可按照目标执行任务，从受控对象对应的虚拟工位(如各设备虚拟工位513)中选择目标虚拟工位，将选中的目标虚拟工位组织为目标执行系统560。连接模型530则连接形成目标执行系统560的虚拟工位570，具体可为控制虚拟工位511。

可实施地，可编程智能控制器可先基于软件定义网络构造虚拟工位，形成软件控制器，连接模型再将软件控制器作为控制器本体与受控对象映射得到的对象映射连接后，形成对象控制模型，此时的虚拟工位为受控对象对应的虚拟工位。

在本申请的某些实施例中，基于本发明的可编程智能控制器的应用系统应用在具体工业场景中时，可以利用模型化技术将软件开发和软件组织区分开。这里软件开发指的是各种工业操作、管理、运维等活动有关的，可以由软件模型化的部分。这样的部分可以包括机床控制、刀具检测、零件检测、机器人控制、AGV控制、传感器操作等。而软件组织是指将这些部分组装成完整的生产管控系统，例如智能生产线、智能物流输送线、智能质检产线等。传统地，这些系统在开发的时候，例如，生产执行系统，往往需要编写不同的设备连接和操作等对应的程序，从而，导致工业软件无法复制，也无法标准化。本申请的实施例中，基于可编程智能控制器的应用系统将软件控制器和对象映射组装在一起，形成统一的模型，这样对于实际操作和控制对象的软件被封装在模型中，而上层软件实际上是一条虚拟生产线，只需将不同的模型插入虚拟生产线，即可形成完整的工业软件。软件组织的方式就是虚拟产线，这样可以采用标准化的方式，组织工业软件。基于此，在基于工业互联网的控制系统中便可以通过组织模型按照目标执行任务，从虚拟工位中选择目标虚拟工位，将选中的目标虚拟工位组织为目标执行系统。

在一个实施例中，基于本发明的可编程智能控制器的目标执行系统可以包括工业生产管理系统。该工业生产管理系统的虚拟工位为控制虚拟工位，形成控制虚拟工位的软件控制器为总线控制器。该工业生产管理系统可以包括多个管理节点，每个管理节点采用工业生产管理系统所管理的其中一个受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位，形成设备虚拟工位的软件控制器为对象控制器。所述总线控制器用于运行管控逻辑程序、并通过管理总线或控制总线将管理指令传递至对象控制器。所述对象控制器用于根据管理指令运行受控对象映射得到的对象映射，以管理与对象控制器非实时连接的受控对象。

具体地，该目标执行系统可以包括工业生产管控系统，工业生产管控系统可以包括工业生产管理系统。该工业生产管理系统的虚拟工位用作控制虚拟工位，控制虚拟工位的软件控制器当前用作总线控制器。该工业生产管理系统可以包括多个管理节点，每个管理节点采用工业生产管理系统所管理的其中一个受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位，设备虚拟工位的软件控制器用作对象控制器。该工业生产管理系统的控制虚拟工位还用于运行管控逻辑程序、并通过管理总线将管理指令传递至工业生产管理系统的设备虚拟工位。该工业生产管理系统的设备虚拟工位还用于根据管理指令运行受控对象映射得到的对象映射，以管理与对象控制器非实时连接的受控对象。

可以理解，在本申请的某些实施例中，工业生产管控系统可以包括至少一个受控对象和至少两个层次的软件控制器，也就是说工业生产管控系统可以包括至少两个虚拟工位。每个虚拟工位都具有控制总线接口，控制总线接口可以通过控制总线将多个虚拟工位连接起来，实现设备控制。比如简单场景下的机床控制等。每个虚拟工位也都具有管理总线接口，管理总线接口可以通过管理总线将多个虚拟工位连接起来，形成更大规模的生产系统。比如复杂场景下的流程管理等。

进一步地，在实际工业应用场景下，可以根据工业生产管控需求，可以增加受控对象，并扩展软件控制器。其中，扩展软件控制器可以包括同一层级的扩展，也可以包括向下/向上延伸层级的扩展。比如，生产过程新增了N道工序，每道工序则对应一个受控对象，那么在该生产过程的层级可以为每个新增的受控对象扩展一个对应的软件控制器，并为每个新增的受控对象开发相应的对象控制程序，形成每个新增的受控对象对应的虚拟工位。再比如，生产过程的其中一道工序被拆解为多道子工序，每道子工序对应一个受控对象，那么在该生产过程的层级可以向下扩展一个层级布局软件控制器，在该层级为每个新增的受控对象扩展一个对应的软件控制器，并为每个新增的受控对象开发相应的对象控制程序，形成每个新增的受控对象对应的虚拟工位。此时，该被拆解的工序原来对应的虚拟工位，则可看作这些新增虚拟工位的控制虚拟工位。

具体地，请参考图6，其为本发明基于可编程智能控制器的应用系统的一个实施例。该应用系统可以包括工业生产管理系统。该工业生产管理系统可以包括以下部分：PICMES(接收订单、排产)→PICMES(派工、生产)→PIC生产(生产过程)→PIC分析(生产结果分析)→PICMES(生产状态和结果)。控制该具体的工业生产管理系统的虚拟工位可用作控制虚拟工位，该控制虚拟工位的软件控制器此时用作总线控制器。该工业生产管理系统具体可以包括5个管理节点，则对应存在至少5个设备虚拟工位。比如，对于PICMES(接收订单、排产)管理节点，用于管理接收订单和排产等管理任务，该管理任务可看作一个受控对象，那么该受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位。再如，对于PIC生产(生产过程)管理节点，用于管理生产过程等管理任务，该管理任务可看作一个受控对象，那么该受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位。其中，MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。

在一个实施例中，目标执行系统可以包括工业生产管理系统和工业生产控制系统。其中，工业生产控制系统为工业生产管理系统的其中一个管理节点所管理的受控对象，其中一个管理节点的设备虚拟工位用作工业生产控制系统的控制虚拟工位。该工业生产管理系统可以包括多个控制节点，每个控制节点采用工业生产控制系统所控制的其中一个受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位。该工业生产控制系统所控制的受控对象可以包括受控设备。该应用系统的总线控制器用于运行管控逻辑程序、并通过管理总线或控制总线将控制指令传递至对象控制器。该应用系统的对象控制器用于根据控制指令运行受控对象映射得到的对象映射，以控制与对象控制器实时连接的受控对象。

具体地，工业生产控制系统为工业生产管理系统的其中一个管理节点所管理的受控对象，其中一个管理节点的设备虚拟工位的软件控制器当前用作总线控制器，以用作工业生产控制系统的控制虚拟工位。该工业生产管理系统可以包括多个控制节点，每个控制节点采用工业生产控制系统所控制的其中一个受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位。工业生产控制系统所控制的受控对象可以包括受控设备。该工业生产控制系统的控制虚拟工位还用于运行控制逻辑程序、并通过控制总线将控制指令传递至工业生产控制系统的设备虚拟工位。该工业生产控制系统的设备虚拟工位还用于根据控制指令运行受控设备映射得到的设备映射，以控制与对象控制器实时连接的受控对象。

具体地，继续参考图6，PIC人员(准备原料，安装定位卡盘)→PIC料架(人工上料)→PIC机器人(取料，开始生产)→PIC机床(生产加工)→PIC清洗(清洗烘干)→PIC三坐标(误差检测)→PIC料架(机器人上料)→PIC人工(人工后续处理)为一个具体的工业生产控制系统，PIC生产(生产过程)管理节点用于控制该工业生产控制系统，那么该管理节点对应的虚拟工位此时可用作控制虚拟工位。该工业生产控制系统可以包括8个控制节点，则对应存在至少8个设备虚拟工位。比如，PIC机床(生产加工)控制节点，用于执行生产加工任务，该任务可看作一个受控对象，那么该受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位。比如，PIC清洗(清洗烘干)控制节点，用于执行清洗烘干任务，该任务可看作一个受控对象，那么该受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位。

由上述实施例可以看出，工厂采用本发明的可编程智能控制器的应用系统后，工厂可以按照实际需求更改工业生产管控系统(比如生产流程，或管理策略等)，而无需关心底层控制系统的实现。工厂在采购新的物理实体设备后，也只需编写相应的设备控制程序和扩展逻辑程序，就可以将新的实体设备加入整个工业互联网系统中，可以实现新的管理或者生产流程。

基于本发明的可编程智能控制器的应用系统，可以根据具体应用需求，通过可编程智能控制器的控制总线在一个方向/纵向上不断接入新的虚拟工位进行应用系统的一个方向/纵向扩展。或者，该应用系统亦可根据具体应用需求，通过可编程智能控制器的管理总线在另一个方向/横向上不断接入新的虚拟工位，进行应用系统的另一个方向/横向扩展。该应用系统通过可编程智能控制器将受控对象均模型化为对象控制模型，由此简化了应用系统的设计。具体地，由于应用系统的可编程智能控制器中最基本的模型为虚拟工位，虚拟工位以软件控制器用作控制器本体。另外，本发明的应用系统可以重复调用大量以前实现的虚拟工位，无需重新编写虚拟工位，提高了整个应用系统的可靠性和开发效率。

综上所述，本申请实施例中，可编程智能控制器和基于可编程智能控制器的应用系统可以基于CPS技术的物理空间到信息空间双向实时映射的方法实现设备连接和控制。另外，本发明的可编程智能控制器和基于该可编程智能控制器的应用系统可以采用SDN实现基本控制器架构，多个控制器之间通过网络连接形成控制器网络，将统一的控制器分解为工业网络和一系列网络单元的集合。进一步，本发明的可编程智能控制器和基于可编程智能控制器的应用系统还可以基于CPS技术映射生成SDN的网络节点，包含了虚拟化的控制器本体和控制逻辑，形成虚拟工位。

本申请提供的基于可编程智能控制器的应用系统(包括但不限于工业应用系统)与现有工业互联网的云边端系统相比，采用统一的模型化方式表示从云端到工业现场的所有数字化资产，而云边端系统由于采用不同的技术应对不同的场景，无法实现资产数字化，更无法采用同样的方式对数字化资产进行描述和操作。

本申请提供的可编程智能控制器与传统数采系统相比，本发明的可编程智能控制器本身是控制器，可以实现完整的CPS映射，由于形成了数据采集和控制的闭环操作，因此数据质量可以被证明。而且采用精简的云原生技术，将云边端不同的需求均采用同样的云原生技术实现，使工业设备实现了直接云端操作，为数字化资产的建设打下了基础。

本申请提供的可编程智能控制器与PLC、软PLC以及DCS等传统技术相比，本申请采用云计算技术，将工业控制器和工业实时网络虚拟化，实现类似IT服务器的横向扩展方式，完全改变了一个控制器控制一台设备的传统技术，实现了全数字化云端控制技术，打破了现场网络和现场总线的限制，直接在云端实现虚拟设备的管理和控制。实现了设备虚拟化，网络虚拟化，工艺虚拟化，管理虚拟化，直至生产线虚拟化和工厂虚拟化。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种可编程智能控制器，其特征在于，所述可编程智能控制器包括：

至少一个软件控制器，所述软件控制器用作总线控制器和对象控制器中的至少一种；

所述对象控制器用于连接至少一个受控对象，所述至少一个受控对象映射为信息空间中的对象映射，所述对象映射为对象控制程序；

所述总线控制器用于根据控制指令控制由所述受控对象映射得到的对象映射的运行，以控制与所述对象控制器连接的所述受控对象，使与所述对象控制器连接的受控对象执行所述控制指令指定的目标操作。

2.根据权利要求1所述的可编程智能控制器，其特征在于，所述可编程智能控制器包括总线控制器和对象控制器，所述对象控制器与所述至少一个受控对象连接，所述至少一个受控对象的对象映射通过控制总线与所述总线控制器连接，所述总线控制器通过所述控制总线向所述对象映射发出控制指令，所述对象映射将总线控制器的控制指令传递给所述对象控制器，所述对象控制器根据所述控制指令对所述受控对象进行控制。

3.根据权利要求1所述的可编程智能控制器，其特征在于，所述可编程智能控制器包括管理总线和控制总线；所述管理总线用于管理所有软件控制器和与所述对象控制器非实时连接的受控对象；所述控制总线用于实现所述软件控制器对与所述对象控制器实时连接的受控对象的控制。

4.根据权利要求3所述的可编程智能控制器，其特征在于，所述可编程智能控制器通过将所述受控对象映射到信息空间的模型化技术构造，所述总线控制器和所述对象控制器都包括模型化的虚拟工位。

5.根据权利要求4所述的可编程智能控制器，其特征在于，所述虚拟工位包括管理总线接口和控制总线接口；所述可编程智能控制器通过控制总线在一个方向上接入新的虚拟工位进行扩展；所述可编程智能控制器通过管理总线在另一个方向上接入新的虚拟工位，进行另一个方向上的扩展。

6.根据权利要求1所述的可编程智能控制器，其特征在于，所述可编程智能控制器包括至少两个软件控制器；所述至少两个软件控制器用于形成至少两个不同的网络，以提高可编程智能控制器的安全。

7.根据权利要求6所述的可编程智能控制器，其特征在于，所述至少两个软件控制器形成控制网络，所述控制网络包括设备网络和操作网络；所述设备网络用于连接受控对象，所述操作网络用于提供用户操作入口。

8.根据权利要求7所述的可编程智能控制器，其特征在于，所述至少两个软件控制器用于形成管理网络，所述管理网络包括外部网络和系统网络；所述外部网络用于连接外部系统，所述系统网络用于连接内部管理系统。

9.根据权利要求1所述的可编程智能控制器，其特征在于，所述可编程智能控制器包括接入层、模型层、服务层和应用层，以将接入所述可编程智能控制器的受控对象模型化为虚拟工位；所述接入层用于采用软件定义网络方式，将所述可编程智能控制器内的连接转换为网络连接；所述模型层通过采用控制器技术和知识图谱实现模型化的数据表示；所述服务层通过容器云技术实现；所述应用层通过采用虚拟工位方式实现。

10.一种基于可编程智能控制器的应用系统，其特征在于，所述应用系统包括权利要求1-9中任一项所述的可编程智能控制器；以及

组织模型，用于按照目标执行任务，从受控对象对应的虚拟工位中选择目标虚拟工位，将选中的所述目标虚拟工位组织为目标执行系统；

连接模型，用于连接形成所述目标执行系统的虚拟工位。

11.根据权利要求10所述的应用系统，其特征在于，所述目标执行系统包括工业生产管理系统，所述工业生产管理系统的虚拟工位为控制虚拟工位，形成所述控制虚拟工位的软件控制器为所述总线控制器；

所述工业生产管理系统包括多个管理节点，每个管理节点采用所述工业生产管理系统所管理的其中一个受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位，形成所述设备虚拟工位的软件控制器为所述对象控制器；

所述总线控制器用于运行管控逻辑程序、并通过管理总线或控制总线将管理指令传递至所述对象控制器；

所述对象控制器用于根据所述管理指令运行所述受控对象映射得到的对象映射，以管理与所述对象控制器非实时连接的所述受控对象。

12.根据权利要求10所述的应用系统，其特征在于，所述目标执行系统包括工业生产管理系统和工业生产控制系统，所述工业生产控制系统为所述工业生产管理系统的其中一个管理节点所管理的受控对象，所述其中一个管理节点的设备虚拟工位用作所述工业生产控制系统的控制虚拟工位；

所述工业生产管理系统包括多个控制节点，每个控制节点采用所述工业生产控制系统所控制的其中一个受控对象对应的虚拟工位用作设备虚拟工位；所述工业生产控制系统所控制的受控对象包括受控设备；

所述总线控制器用于运行管控逻辑程序、并通过管理总线或控制总线将控制指令传递至所述对象控制器；

所述对象控制器用于根据所述控制指令运行所述受控对象映射得到的对象映射，以控制与所述对象控制器实时连接的所述受控对象。

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