CN112910766A

CN112910766A - 一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关

Info

Publication number: CN112910766A
Application number: CN201911219853.3A
Authority: CN
Inventors: 刘博�; 石刚; 赵伟; 李永庆
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-04

Abstract

本发明公开了一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，包括如下三个模块：基于FPGA的数据采集模块支持多种现场总线通信协议及工业通信协议，基于FPGA技术能够同时对大量现场硬件设备信息进行集中采集汇聚，完成设备数据的采集与封装，解决现场总线控制系统的兼容性问题，实现了异构系统在网络上的集成；基于XML的组态信息描述模块将采集上来的每个数据通过结构化的XML语言描述出来以文本形式存储；基于工业以太网的OPC_UA通信接口模块通过XML文件导入的方式构建地址空间，并提供统一标准的数据访问接口以供应用软件程序调用，解决现场总线控制系统的“信息孤岛”问题，有利于实现工控信息平台的信息共享和统一管理。

Description

一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关

技术领域

本发明属于工业互联网技术领域，具体的说是一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关。

背景技术

随着“工业4.0”和“智能制造”等战略规划的提出，对于现场总线控制系统进行信息化和智能化的改造，成为当前工业自动化领域的研究热点之一。然而，目前工业自动化领域有多种现场总线共存，每种总线都有其产生的背景和应用领域并以大型跨国公司为后台扩张其势力范围，如西门子的Profibus、罗克韦尔的ControlNet、欧姆龙的Hostlink、阿尔斯通的WorldFIP、三菱的CC-Link等，大多数总线都成立了相应的国际组织，成为国际或地区标准，力图在设备商和制造业用户中创造影响，以加强自己的竞争地位。大多数设备商也都积极参加不止一个总线组织，各公司在力推自己的总线产品的同时，也都力图开发接口技术，将自己的总线产品与其他总线产品相连接，因此现场总线协调共存的局面会在较长时期内存在。并且，许多制造业用户特别是大型企业，为了避免过分依赖一家系统供应商，通常会采用几家不同厂商的总线设备，其互联互通问题给企业内部的系统集成、集中管理和升级带来了极大的困难，已经成为制约发展的瓶颈。因此，研究一种多协议自适应的智能网关，使得支持不同总线的多台设备可以互相通信和统一监控，解决当前现场总线控制系统的兼容性、通用性、开放性等难题，具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种现场总线控制系统中的网络通信中转服务设备，支持多种现场总线通信协议及应用较为广泛的工业通信协议，对大量的现场硬件设备信息进行集中采集汇聚，实现与不同功能应用软件之间的数据通信。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，包括基于FPGA的数据采集模块、基于XML的组态信息描述模块、基于工业以太网的OPC_UA通信接口模块；

所述基于FPGA的数据采集模块，同时连接多路底层设备，根据网关支持的现场总线通信协议和工业通信协议自动适配底层设备，并根据适配协议的报文格式完成工业设备数据的采集，将从底层采集上来的不同设备数据采用统一的标准格式进行封装；

所述基于XML的组态信息描述模块，将每个网关采集到的每个数据通过结构化的XML语言进行描述并以文本形式存储，在文本中使用标签元素将整个描述文本划分为不同部分用于体现网关、接口、变量之间的对应关系；

所述基于工业以太网的OPC_UA通信接口模块，采用客户端/服务器体系架构，通过XML文件导入的方式构建地址空间，将来自网关中的数据通过统一标准的接口格式输出给上层应用软件。

所述支持的现场总线通信协议包括Profibus、CAN、Modbus、CC-Link等，所述支持的工业通信协议包括RS232、RS485、HART。

所述工业设备数据为参考工业自动化领域的标准规范建立的，包括设备的静态数据和动态数据；所述静态数据为设备在工作运转中固定不变的数据；所述动态数据为设备在工作运转中不断变化的实时数据。

所述静态数据为性能指标、配置参数；所述动态数据为设备状态、工艺参数。

所述基于FPGA的数据采集模块将从底层采集上来的不同设备数据采用统一的标准格式进行封装为：

在基于FPGA的数据采集模块内建立主控单元、曼彻斯特编码器、曼彻斯特解码器、发送缓冲区和接收缓冲区；曼彻斯特编码器由主控单元触发读取来自发送缓冲区的数据，计算并插入CRC校验数据后将其编码为曼彻斯特码；曼彻斯特解码器由总线数据起始位触发读取来自总线的数据并进行解码，然后对收到的数据进行CRC校验后发送至接收缓冲区。

所述基于XML的组态信息描述模块，在文本中使用标签元素将整个描述文本划分为不同部分用于体现网关、接口、变量之间的对应关系，为：

所述基于XML的组态信息描述模块将信息描述文件划分为：表示网关信息的根节点元素、表示变量信息的根节点元素；

所述表示网关信息的根节点元素包括网关的基本信息子元素、表示网关的通信接口信息子元素；所述表示网关的基本信息子元素表示网关的名称、编号以及在线时长；所述表示网关的通信接口信息子元素包括表示网关的域名、端口号、接口数量、接口编号以及接口协议；

所述表示变量信息的根节点元素包括表示变量的基本信息子元素、表示变量的绑定信息子元素；所述表示变量的基本信息子元素包括变量的名称和编号；所述表示变量的绑定信息子元素包括变量所在网关编号、变量所在接口编号、接口内部字偏移、接口内部位偏移以及输入输出类型。

所述基于工业以太网的OPC_UA通信接口模块将来自网关中的数据通过统一标准的接口格式输出给上层应用软件，为：采用OPC_UA定义的接口标准开发数据的读接口和写接口。

所述读接口包括读取OPC_UA服务器的地址、请求读取的节点标识、请求读取的节点属性标识、读取结果列表参数，通过地址找到对应的OPC_UA服务器，通过节点标识找到需要读取的节点，通过属性标识获取存储结构集合内对应节点的属性值，然后将属性值状态和时间戳封装成OPC_UA默认的变量类型存储到读取结果列表中，返还给调用者。

所述写接口包括写入OPC_UA服务器的地址、请求写入的节点标识、请求写入的节点属性标识、写入结果列表参数，通过地址找到对应的OPC_UA服务器，通过节点标识找到需要写入的节点，通过属性标识定位存储结构集合内对应节点的属性值，并将属性值修改为新值，同时将写入结果的状态值和时间戳封装成OPC_UA默认的变量类型存储到写入结果列表中，返还给调用者。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明支持多种现场总线通信协议及应用较为广泛的工业通信协议，基于FPGA技术能够同时对大量现场硬件设备信息进行集中采集汇聚，解决现场总线控制系统的兼容性问题，实现了异构系统在网络上的集成。

2.本发明基于OPC_UA技术为网络上的应用软件程序提供一个统一标准的数据接口，使得下层各种现场硬件设备和上层不同功能应用之间可以相互通信，解决现场总线控制系统的“信息孤岛”问题，有利于实现工控信息平台的信息共享和统一管理。

附图说明

图1是本发明的功能架构图。

图2是本发明的FPGA模块逻辑结构图。

图3是本发明的组态信息描述文件结构图。

图4是本发明的OPC_UA通信接口功能框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明采用XILINX ZYNQ嵌入式解决方案，集成了FPGA和ARM CortexA9处理器，将高速并行处理能力与高性能运算能力完美结合在一起。FPGA负责实现现场总线通信协议和工业通信协议的转换以及多路底层设备数据的采集与封装，ARM负责实现组态信息的结构化描述和OPC_UA数据通信，此框架既保证了实时性，又具有非常好的扩展性。FPGA和ARM之间的数据交互主要包括三方面：一是配置功能，ARM通过接口配置FPGA中各寄存器和消息队列；二是命令功能，ARM通过接口控制FPGA的运行逻辑，如通过写命令寄存器启动定时器；三是数据功能，ARM通过接口与FPGA交换数据，如数据寄存器和消息队列的读写。

由于网关同时汇聚了多路底层设备数据，需要充分利用FPGA的高速并行处理能力以设定的时间间隔进行实时采集和更新，保证数据能够快速无误地传送到网关。基于FPGA的数据采集模块将从底层采集上来的不同设备数据采用统一的标准格式进行封装，保证不同的现场总线通信协议及工业通信协议能够变成统一的格式和信令。

如图2所示，基于FPGA的数据采集模块主要完成数据收发、CRC的生成与校验以及时序同步控制等。主控单元是整个FPGA逻辑模块的核心单元，和其他单元都有数据流的交互。曼彻斯特编码器由主控单元触发读取来自发送缓冲区的数据，计算并插入CRC校验数据后将其编码为曼彻斯特码；曼彻斯特解码器由总线数据起始位触发读取来自总线的数据并进行解码，然后对收到的数据进行CRC校验。定时器组用于对总线中的时间节点和协议中的时间参数的准确定时，定时控制器控制各定时器的启动和停止。通信存储器是一块FPGA和ARM都可访问的SDRAM存储器，用于暂存来自总线或上层协议传来的数据；通信存储控制器接收来自主控单元的命令通过双端口复用IO对通信存储器进行读写操作；中断控制器负责产生FPGA对ARM处理器发出的中断信号。同步控制器负责实现FPGA与ARM的时序同步，从ARM发出的所有信号只有经过同步控制器后才会被FPGA认为是同步信号；寄存器集中放置ARM可见的寄存器，ARM利用这些寄存器对FPGA进行全局控制。

由于实际现场总线控制系统会使用多个边缘计算智能网关，每个网关会采集到开关量与模拟量输入输出、寄存器和内存变量等大量数据，XML格式具有良好的可读性、方便的可扩展性，便于不同设备和系统之间的信息交换，因此为了清晰准确地描述每个数据，采用XML语言描述网关信息和变量信息，便于OPU_UA通信接口的调用。由于XML描述文档是以文本的形式进行存储的，不用进行移植转换即可在不同的设备和系统间使用，实现异质系统间的数据传输。

如图3所示，所述基于XML的组态信息描述模块，使用DevInfo元素表示网关信息的根节点，该元素下包含SrcProp和Interface子元素。SrcProp子元素表示网关的基本信息，主要包括Name、UniqID以及LiveTime属性，分别表示网关的名称、编号以及在线时长；Interface子元素表示网关的通信接口信息，主要包括Domain、DevPort、SerialNo、SerialID以及Protocol属性，分别表示网关的域名、端口号、接口数量、接口编号以及接口协议。使用ItemInfo元素表示变量信息的根节点，该元素下包括Basic和Bind子元素。Basic子元素表示变量的基本信息，主要包括Name和UniqID属性，分别表示变量的名称和编号；Bind子元素表示变量的绑定信息，主要包括DevID、SerialID、SerialByteID、SerialBitID以及IOType属性，分别表示变量所在网关编号、变量所在接口编号、接口内部字偏移、接口内部位偏移以及输入输出类型。

工业以太网能够满足高传输速率、高可靠性、抗干扰、实时确定传输、可扩展和维护、标准化和互操作等要求，并能够实现工业生产过程和远程监控。随着对现场控制级的渗透，工业以太网对解决控制系统和管理系统的集成提供了一种强有力的手段。工业以太网在技术上与商用以太网兼容，使得在整个工厂内实现统一的网络架构变成可能，真正实现了一网到底，为异构系统集成提供了坚实的通讯网络平台。然而，有了高性能工业标准的以太网设备从网络上构建了一种统一的网络结构仍然是不够的，实现集成还必须解决各种应用软件和网关相互通信的通信接口问题，需要有统一的软件接口标准作为支撑。将来自网关中的数据通过统一标准的接口格式暴露给上层应用软件，即网关作为OPC_UA数据服务器的角色，上层软件作为OPC_UA应用客户端的角色。

如图4所示，所述基于工业以太网的OPC_UA通信接口模块由网络通信与数据编码、通信配置与安全、地址空间管理、数据访问、数据上报、历史管理等组件组成。网络通信与数据编码组件基于OPC_UA通信协议栈，完成数据的编码、加密和传输等功能。通信配置与安全组件负责启动时的初始配置工作，包括域名和端口号的选择，安全证书的创建和核验，安全信道和会话的建立等功能。地址空间管理组件负责构建网关和应用软件程序相对接的地址空间，实现对网关和应用软件程序的数据调用和保存。数据访问组件提供了对模块建立的地址空间的访问接口功能，允许应用软件程序对地址空间内的数据进行读取和修改。数据上报组件负责监测应用软件程序关心的地址空间内数据的实时状态，会将超出设定阈值范围的数据变化情况主动上报给应用软件程序。历史管理组件基于数据库完成对历史数据的存储，并提供了访问接口以供应用软件程序进行读取操作。

Claims

1.一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，包括基于FPGA的数据采集模块、基于XML的组态信息描述模块、基于工业以太网的OPC_UA通信接口模块；

2.根据权利要求1所述的一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，所述支持的现场总线通信协议包括Profibus、CAN、Modbus、CC-Link等，所述支持的工业通信协议包括RS232、RS485、HART。

3.根据权利要求1所述的一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，所述工业设备数据为参考工业自动化领域的标准规范建立的，包括设备的静态数据和动态数据；所述静态数据为设备在工作运转中固定不变的数据；所述动态数据为设备在工作运转中不断变化的实时数据。

4.根据权利要求3所述的一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，所述静态数据为性能指标、配置参数；所述动态数据为设备状态、工艺参数。

5.根据权利要求1所述的一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，所述基于FPGA的数据采集模块将从底层采集上来的不同设备数据采用统一的标准格式进行封装为：

6.根据权利要求1所述的一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，所述基于XML的组态信息描述模块，在文本中使用标签元素将整个描述文本划分为不同部分用于体现网关、接口、变量之间的对应关系，为：

7.根据权利要求1所述的一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，所述基于工业以太网的OPC_UA通信接口模块将来自网关中的数据通过统一标准的接口格式输出给上层应用软件，为：采用OPC_UA定义的接口标准开发数据的读接口和写接口。

8.根据权利要求7所述的一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，所述读接口包括读取OPC_UA服务器的地址、请求读取的节点标识、请求读取的节点属性标识、读取结果列表参数，通过地址找到对应的OPC_UA服务器，通过节点标识找到需要读取的节点，通过属性标识获取存储结构集合内对应节点的属性值，然后将属性值状态和时间戳封装成OPC_UA默认的变量类型存储到读取结果列表中，返还给调用者。

9.根据权利要求7所述的一种面向现场总线控制系统的边缘计算智能网关，其特征在于，所述写接口包括写入OPC_UA服务器的地址、请求写入的节点标识、请求写入的节点属性标识、写入结果列表参数，通过地址找到对应的OPC_UA服务器，通过节点标识找到需要写入的节点，通过属性标识定位存储结构集合内对应节点的属性值，并将属性值修改为新值，同时将写入结果的状态值和时间戳封装成OPC_UA默认的变量类型存储到写入结果列表中，返还给调用者。