CN112947348A - 智能工厂工业互联网系统体系架构 - Google Patents

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封桂荣
张磊
胡博祎
杜涛
李亚杰
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Abstract

本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构，包括OPC UA服务器、控制网络、PLC控制器、逆变器和远程IO设备，PLC控制器、新型逆变器、新型远程IO设备均经Ethernet网络接口接于控制网络上，老式远程IO设备和老式逆变器经数据转换器接于控制网络上，数据转换器通过现场总线的数据格式和机制与OPC UA的数据格式和机制的相互转化，实现与OPC UA服务器的通信。本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构，通过OPC UA服务器的高速服务机制，使远程控制设备的数据读写速度大大提升，使1对1、1对多通信时间满足PLC的单次扫描时间要求，并且使网络中重复数据的传递量大大降低，节约网络资源。

Description

智能工厂工业互联网系统体系架构
技术领域
本发明涉及一种智能工厂工业互联网系统体系架构，更具体的说，尤其涉及一种不具有Ethernet网络接口的设备经数据转换器与OPC UA服务器相通信的智能工厂工业互联网系统体系架构。
背景技术
现行工业网络体系中，大量采用基于串口通信的工业总线设备，但近几年各大自动化设备提供商都在统一网络接口，比如西门子公司，近几年推出的新型PLC CPU上面已经没有PROFIBUS DP接口，与此对应的其他厂商也是在新出现的总线设备往往都提供Ethernet接头，支持网络直接连接，这些硬件上的改动趋势是本方案的重要基础。
与此同时，OPC Foundation提出的UA结构，加强了对大量数据及终端接入的应对能力，同时提高了数据支持的实时性，同时将OPC Server与Windows平台解绑，使之出现了大量硬件OPC Server。这也构成了本方案的技术基础。
传统的工厂自动化控制系统连接方式如附图2所示，OPC作为PLC等控制硬件与ERP等软件系统的数据交换通道。PLC负责依照本地IO和远程IO数据按照控制逻辑进行设备控制输出，同时控制变频器等自动化设备，并且还要肩负与上下游生产工位控制器之间的连接与通信工作。当PLC扫描模式为一般模式下，PLC的工作流程为首先读入IO与远程IO的数据，完成通讯任务；然后进行内部控制逻辑计算，并将运算结果存放在寄存区中；最后进行结果输出，并开始下一个循环。鉴于此种工作模式下，PLC读取自身连接现场总线设备时仅需要一个Scan Cycle，如果读取其他PLC下连接的总线设备数据，则需要最少3个ScanCycle。在大型控制系统中，一个Scan Cycle 往往需要占用100ms的时间，对于有些传感器数据反应不及时，可能会引发较大问题。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种智能工厂工业互联网系统体系架构。
本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构，包括OPC UA服务器、控制网络、局域网、PLC控制器、新型逆变器、新型远程IO设备、老式逆变器以及老式远程IO设备，OPC UA服务器经局域网连接有服务器，新型逆变器和新型远程IO设备上均设置有Ethernet网络接口；其特征在于：所述PLC控制器、新型逆变器、新型远程IO设备均经Ethernet网络接口接于控制网络上，以实现与OPC UA服务器的直接通信；所述老式远程IO设备和老式逆变器经数据转换器接于控制网络上，以通过数据转换器实现与OPC UA服务器的通信，数据转换器通过现场总线的数据格式和机制与OPC UA的数据格式和机制的相互转化，实现老式远程IO设备和老式逆变器与OPC UA服务器的通信。
本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构，所述数据转换器由控制模块、现场总线模块和OPC UA模块组成，现场总线模块和OPC UA模块均与控制模块相连接，控制模块经现场总线模块与现场总线上的设备相通信，控制模块经OPC UA模块与OPC UA服务器相通信，控制模块实现现场通信协议与OPC UA通信协议之间的相互转化。
本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构，所述OPC UA服务器经局域网所连接的服务器包括企业资源计划服务器ERP、生产过程执行管理服务器MES和IP多媒体子系统服务器IMS。
本发明的有益效果是：本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构，通过设置OPCUA服务器、控制网络和数据转换器，使得具有Ethernet网络接口的PLC控制器、新型逆变和新型远程IO设备直接接于控制网络上，实现与OPC UA服务器的通信，而不具有Ethernet网络接口的老式逆变器和老式远程IO设备经数据转换器与OPC UA服务器相通信，使得控制网络上所接设备的数量（如最多不超255）不再受限制，同时由于OPC UA服务器与现场设备之间采用订阅者事件响应机制，最大限度地避免了PLC控制器读取现场设备时的延时，确保了现场数据采集和控制的实时性和准确性。可见，通过OPC UA 服务器的高速服务机制，使远程控制设备的数据读写速度大大提升，使1对1、1对多通信时间满足PLC的单次扫描时间要求，并且使网络中重复数据的传递量大大降低，节约网络资源。
附图说明
图1为传统三级工业网络示意图；
图2为传统控制系统的连接结构图；
图3为本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构的连接结构图；
图4为OPC UA服务器的发布者-订阅者的原理图；
图5为CCLINK通信数据包格式示意图。
图中：1 OPC UA服务器，2控制网络，3 PLC控制器，4新型逆变器，5新型远程IO设备，6数据转换器，7老式逆变器，8老式远程IO设备，9局域网，10企业资源计划服务器ERP，11生产过程执行管理服务器MES，12 IP多媒体子系统服务器IMS。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了传统三级工业网络示意图，其由工厂级网络、车间级网络和现场级网络构成，工厂级网络又包含办公网和生产网，车间级网络由工业以太网和/或无线网络构成，具有人机界面接口，实现数据采集与监视控制；现场级网络由现场总线、工业以太网和/或无线网络构成，在过程可控制系统（DCS）和分散控制系统（FCS）中可编程控制器PLC的控制下，对现场的机器等设备进行控制。其中的第一级网络（工厂级网络）与第二级网络（车间级网络）具有相互融合的趋势。
本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构，就是针对工厂互联网络第一第二级相互融合的趋势，以及多级网络传输延时的问题，设计一套利用OPC服务器作为中间传媒装置，节省投资，节约网络资源，提高数据传输利用率的异构工业网络互联结构；并设计开发针对性的网络驱动模块。
如图2所示，给出了传统控制系统的连接结构图，所示的OPC服务器经控制网络与PLC控制器相连接，PLC控制器再经现场总线（Field Bus）与逆变器和远程IO设备相连接，其中PLC控制器上的IO端口也连接有设备（称为本地IO设备）。采用这种方式，所能连接的设备数量通常不能超过255个，限制的现场设备的数量。而且，PLC控制器读取自身IO端口所连接的现场设备时，需要1个Scan Cycle（为100ms），当PLC控制器读取远程IO设备时需要2个Scan Cycle，即需要200ms，当PLC1访问PLC2下的远程IO设备时，则需要3个Scan Cycle，即需要300ms，对于在极短的时间内需要更新传感器数据时，则可能造成传感器数据更新不及时，可能会引发较大问题。
如图3所示，给出了本发明的智能工厂工业互联网系统体系架构的连接结构图，其由OPC UA服务器1、控制网络2、PLC控制器3、新型逆变器4、新型远程IO设备5、数据转换器6、老式逆变器7、老式远程IO设备8以及局域网9构成，所以的PLC控制器3、新型逆变器4和新型远程IO设备5上均设置有Ethernet网络接口。OPC UA服务器1经局域网（以太网）与企业资源计划服务器ERP10、生产过程执行管理服务器MES11和IP多媒体子系统服务器IMS12相通信。
所示的PLC控制器3、新型逆变器4和新型远程IO设备5经Ethernet网络接口直接接于控制网络2上，以实现与OPC UA服务器1的通信。对于老式逆变器7和老式远程IO设备8来说，其上没有设置Ethernet网络接口，老式逆变器7和老式远程IO设备8经现场总线（FieldBus）接于数据转换器6（Data Convertor）上，数据转换器6实现现场总线通信协议与OPC UA通信协议之间的转换，数据转换器6经Field Bus采集设备数据，将其转化为OPC UA通信协议后，上传至OPC UA服务器1上，OPC UA服务器1下发的指令信息经数据转换器6的转换为现场总线通信协议，并下发至相应的老式逆变器7或老式远程IO设备8中。
可见，对于新型总线设备（提供Ethernet接口）直接接入控制网络，利用OPC服务器的数据接口直接提供数据读写操作。对于老式设备，通过Ethernet-FieldBus转换器进行操作，将原来依靠PLC的总线数据读取业务提升到控制层面。将它PLC数据读写速度提升到与自PLC数据读写速度一致的水平上来。
如图4所示，给出了OPC UA服务器的发布者-订阅者的原理图，图5给出了CCLINK通信数据包格式示意图，在信息传递机制上，为了保证数据有效的传输到有需要的客户端，OPC UA主要采用服务器与客户端之间的订阅者事件响应机制，即各个OPC客户端向服务器登记自己需要的数据项（Item），只有当数据项的数值发生变化时，服务器会向已经登记的各客户端发送信息；而大多数的现场总线都是采用轮询问答机制，周期性的问询各个设备并获取返回值的过程。那么为了将现场总线的数据转换为OPC UA的数据格式及机制，需要建立一个专门的转换逻辑。这其中除了通信机制的转换以外也有通信格式转换的问题，比如图5中所表示的CCLINK通信数据包格式中，实际的有效信息为数据（DATA）信息，其余内容为保证信息正确有效的传递到需要的站点附加的格式；而OPC UA通信结构中已经包括了这一部分，那么就需要将此信息解包，并且按照OPC UA的要求从新打包数据。
通过OPC UA 服务器的高速服务机制，使远程控制设备的数据读写速度大大提升。使1对1,1对多通信时间满足PLC的单次扫描时间要求，并且使网络中重复数据的传递量大大降低，节约网络资源。通过这种方式，在新设备组网的时候，可以提高设备选型灵活度，节约控制系统建设成本，提高系统灵活性，真正的实现工业控制网络的多网融合。

Claims (3)

1.一种智能工厂工业互联网系统体系架构，包括OPC UA服务器（1）、控制网络（2）、局域网（9）、PLC控制器（3）、新型逆变器（4）、新型远程IO设备（5）、老式逆变器（7）以及老式远程IO设备（8），OPC UA服务器经局域网连接有服务器，新型逆变器和新型远程IO设备上均设置有Ethernet网络接口；其特征在于：所述PLC控制器、新型逆变器、新型远程IO设备均经Ethernet网络接口接于控制网络上，以实现与OPC UA服务器的直接通信；所述老式远程IO设备和老式逆变器经数据转换器（6）接于控制网络上，以通过数据转换器实现与OPC UA服务器的通信，数据转换器（6）通过现场总线的数据格式和机制与OPC UA的数据格式和机制的相互转化，实现老式远程IO设备和老式逆变器与OPC UA服务器的通信。
2.根据权利要求1所述的智能工厂工业互联网系统体系架构，其特征在于：所述数据转换器（6）由控制模块、现场总线模块和OPC UA模块组成，现场总线模块和OPC UA模块均与控制模块相连接，控制模块经现场总线模块与现场总线上的设备相通信，控制模块经OPC UA模块与OPC UA服务器相通信，控制模块实现现场通信协议与OPC UA通信协议之间的相互转化。
3.根据权利要求1或2所述的智能工厂工业互联网系统体系架构，其特征在于：所述OPCUA服务器（1）经局域网（9）所连接的服务器包括企业资源计划服务器ERP（10）、生产过程执行管理服务器MES（11）和IP多媒体子系统服务器IMS（12）。
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