CN113536503A - 一种工厂异构设备接入平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工厂异构设备接入平台及方法，所述平台由设备层、驱动层、连接层、数据层和应用层组成，所述设备层为硬件层，所述数据层内储存有建模模型，所述应用层为建模操作层。本发明的工厂异构设备接入平台及方法，采用动态建模技术，生产设备一次建模后，对同类设备可实现快速连接，降低了工厂异构设备和制造信息系统的信息集成融合接入的复杂度；工厂内任意设备与设备之间、系统和设备间只需通过统一的数据服务接口，设备ID和接入授权码，即可在工厂内任意时间，任意位置，获取该设备的实时数据。
Description
技术领域
本发明属于生产设备的数据采集与通讯技术领域，具体涉及一种工厂异构设备接入平台及方法。
背景技术
现阶段大多数制造企业的工厂、车间分散建设，各类信息管理系统是定制开发，缺少异构设备接入信息系统的专用接口和数据通讯规范，制约了工厂异构设备的互联互通、与信息系统融合。
目前应用广泛的SCADA软件也不能完全满足异构设备接入要求：SCADA软件能很好支持标准化的仪表、DCS、PLC类设备的连接，而针对大型装备制造业工厂内的单片机/嵌入式类设备、工控机+运动控制器类别的自动化设备、非标设备、以及专用设备的连接支持不足；在我国制造业的利润偏低，若按SCADA系统变量点数付费，其连接成本很高，制约了制造业异构设备接入和升级改造的动力。
因此，需要设计一种工厂异构设备接入平台及方法，实现工厂异构设备接入的通用性、可移值性、可配置性和可扩展性，适应多种业务需求和流程的变化，低成本。
发明内容
针对上述背景技术所提出的问题，本发明的目的是：旨在提供一种工厂异构设备接入平台及方法。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种工厂异构设备接入平台，包括平台，所述平台由设备层、驱动层、连接层、数据层和应用层组成，所述设备层为硬件层，所述数据层内储存有建模模型，所述应用层为建模操作层。
进一步限定，所述设备层主要为面向工厂各类异构设备的物理硬件，具体表现为通过各种有线物理接口如，RS232、RS485、RJ45、现场总线、工业以太网等，或如，Wifi、433M、Zigbee、蓝牙、GPRS、3G/4G、LTE等无线接入。
进一步限定，所述驱动层则为工厂各类异构设备的直接通信驱动，常用有Modbus、ModbusTCP、MPI、PPI、Profibus、CClink、Can、DeviceNet、Hostlink、专有驱动(RFID、数控、机器人等)、OPC-UA等。驱动层为设备接入关键，需具体深入研究各类通信协议，进行测试验证，再集成到云平台中，或借鉴现在SCADA数据采集技术进行研究与测试。
进一步限定，所述连接层包含软网关GateWay(IOT Hub)、安全认证和权限策略、设备影子、设备管理、规则引擎五大部分。分别负责协议转换，身份认证鉴权、加密安全，设备状态存储及查询，设备管理，以及消息规则处理与数据流转。软网关的功能主要为进行设备驱动协议到设备与云端接口通信的协议转换，如把设备层协议的Modbus、MPI、现场总线等协议转换为云端接口OPC-UA协议(或常用物联网通信协议MQTT)；为规范化设备层与后端云平台的接口与协议，拟采用国际上工业互联网最为流行的OPC-UA与MQTT作为本平台设备与云端的标准通信协议。安全认证&权限策略主要为保护平台的安全性，设备需连入平台需进行安全认证和注册；规则引擎是连接前端与后端云平台的重要枢纽，规则引擎根据消息中的规则，将消息数据路由至后端可直接调用的相应数据云服务进行相关数据分析、处理、存储。
进一步限定，所述数据层主要包括数据接收、数据存储、数据服务三部分。数据层位于云端，主要通过OPC-UA与MQTT协议接收平台连接层中的软网关发送来的消息与数据，对消息或数据进行解析，并按指令或设备模型指定格式进行数据建模，把设备数据分别存储到实时数据库、SQL数据库、或NOSQL数据库中；数据服务采用微服务架构部署，包含数据搜索服务(Data Search)、指令接口服务(CMD Interface)、数据接口服务(DataInterface)。数据搜索服务为开放给用户、应用系统进行数据的搜索功能；指令接口服务则为用户、应用系统提供数据操作的指令接口，如，设备数据历史查询、设备实时状态数据获取、设备配方数据修改、设备控制指令下发等；设备数据服务则主要分析设备的实时数据、历史数据，进行数据的清洗、重构、设备数据AI分析等，以获得系统或用户所关心的关键数据、信息、模型，并通过数据接口服务开放给制造信息系统(如制造执行系统MES、能源管理系统等)使用。数据服务接口支持MQTT、Restful API、OPC-UA等方式。
进一步限定，所述应用层主要为云平台的人机交互接口，提供友好的云平台与用户的人机交互界面与操作功能。由于本平台能实现设备即插即连、动态建模的功能，因此平台界面以简单易用为设计指标，包括连接的管理、监控，设备的建模、注册、管理、监控，平台的用户管理等功能。
进一步限定，根据权利要求1～6任意一项所述的一种工厂异构设备接入平台的接入方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对生产设备进行建模，根据生产设备的原型和物理属性，建立生产设备的属性、方法和组建模型，生成方法集合变量字典；设备建模后，进行设备注册，注册后的设备，通过新建设备启动设备接入；
S2：生产设备或者根据建模设计的模拟装备连接后，先进行连接验证，如果设备通过了连接测试，则进行装备的节点浏览测试，生成设备的xml模型文件；
S3：通过连接验证后，读写操作的对象模型，与生产设备的信息模型进行比对验证，验证设备的变量字典信息，以及对设备节点进行读写验证；
S4：判定验证是否通过，如果通过，输出验证报告。
进一步限定，所述S2中，如果验证出现错误不能通过，则返回S1重新进行建模。
进一步限定，所述S4中，在判定验证时，当验证出现错误不能通过，则重新执行S3。
本发明的有益效果为：本发明的工厂异构设备接入平台及方法，采用动态建模技术，生产设备一次建模后，对同类设备可实现快速连接，降低了工厂异构设备和制造信息系统的信息集成融合接入的复杂度；工厂内任意设备与设备之间、系统和设备间只需通过统一的数据服务接口，设备ID和接入授权码，即可在工厂内任意时间，任意位置，获取该设备的实时数据。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
图1为本发明实施例一种工厂异构设备接入平台及方法的结构示意图；
图2为本发明实施例一种工厂异构设备接入平台及方法的设备建模图；
图3为本发明实施例一种工厂异构设备接入平台及方法的设备接入的结构示意图；
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1-3所示，本发明的一种工厂异构设备接入平台，平台由设备层、驱动层、连接层、数据层和应用层组成，设备层为硬件层，数据层内储存有建模模型，应用层为建模操作层。
优选设备层主要为面向工厂各类异构设备的物理硬件，具体表现为通过各种有线物理接口如，RS232、RS485、RJ45、现场总线、工业以太网等，或如，Wifi、433M、Zigbee、蓝牙、GPRS、3G/4G、LTE等无线接入。
优选驱动层则为工厂各类异构设备的直接通信驱动，常用有Modbus、ModbusTCP、MPI、PPI、Profibus、CClink、Can、DeviceNet、Hostlink、专有驱动(RFID、数控、机器人等)、OPC-UA等。驱动层为设备接入关键，需具体深入研究各类通信协议，进行测试验证，再集成到云平台中，或借鉴现在SCADA数据采集技术进行研究与测试。
优选连接层包含软网关GateWay(IOT Hub)、安全认证和权限策略、设备影子、设备管理、规则引擎五大部分。分别负责协议转换，身份认证鉴权、加密安全，设备状态存储及查询，设备管理，以及消息规则处理与数据流转。软网关的功能主要为进行设备驱动协议到设备与云端接口通信的协议转换，如把设备层协议的Modbus、MPI、现场总线等协议转换为云端接口OPC-UA协议(或常用物联网通信协议MQTT)；为规范化设备层与后端云平台的接口与协议，拟采用国际上工业互联网最为流行的OPC-UA与MQTT作为本平台设备与云端的标准通信协议。安全认证&权限策略主要为保护平台的安全性，设备需连入平台需进行安全认证和注册；规则引擎是连接前端与后端云平台的重要枢纽，规则引擎根据消息中的规则，将消息数据路由至后端可直接调用的相应数据云服务进行相关数据分析、处理、存储。
优选数据层主要包括数据接收、数据存储、数据服务三部分。数据层位于云端，主要通过OPC-UA与MQTT协议接收平台连接层中的软网关发送来的消息与数据，对消息或数据进行解析，并按指令或设备模型指定格式进行数据建模，把设备数据分别存储到实时数据库、SQL数据库、或NOSQL数据库中；数据服务采用微服务架构部署，包含数据搜索服务(DataSearch)、指令接口服务(CMD Interface)、数据接口服务(Data Interface)。数据搜索服务为开放给用户、应用系统进行数据的搜索功能；指令接口服务则为用户、应用系统提供数据操作的指令接口，如，设备数据历史查询、设备实时状态数据获取、设备配方数据修改、设备控制指令下发等；设备数据服务则主要分析设备的实时数据、历史数据，进行数据的清洗、重构、设备数据AI分析等，以获得系统或用户所关心的关键数据、信息、模型，并通过数据接口服务开放给制造信息系统(如制造执行系统MES、能源管理系统等)使用。数据服务接口支持MQTT、RestfulAPI、OPC-UA等方式。
优选应用层主要为云平台的人机交互接口，提供友好的云平台与用户的人机交互界面与操作功能。由于本平台能实现设备即插即连、动态建模的功能，因此平台界面以简单易用为设计指标，包括连接的管理、监控，设备的建模、注册、管理、监控，平台的用户管理等功能。
本实施例中，对生产设备进行建模的方法和过程，包括：生产设备都是由若干部件、物理属性以及各类操作组成的，每个部件又可以包含其它子部件和物理属性，因此需要定义相关的信息模型元素对生产设备进行抽象和描述，生产设备信息模型建模方法包括属性元素模型元素、属性模型元素、属性集模型元素、组件模型元素、组件集模型元素、设备模型元素、方法模型元素、方法集模型元素、引用模型元素。其中设备信息模型元素是对制造装备进行的抽象和描述，对于一个制造装备的描述，有且只能存在一个设备模型的实例。组件信息模型元素是对生产设备部件的抽象和描述，组件模型元素由静态属性集、过程属性集、配置属性集、方法集和子组件组成。方法集模型元素是多个方法的集合，只有组件和设备才能包含方法集；方法是用来表示对生产设备或者部件进行操作的抽象和描述，包括输入、输出和返回值；属性集是为了对生产设备物理属性进行组织和分类，现实中的生产设备并不存在属性集；属性是对生产设备物理属性的抽象和描述，由一系列属性元素组成；属性模型是信息模型元素的基本单元，属性元素如属性标识、属性名称等。
优选根据权利要求1～6任意一项的一种工厂异构设备接入平台的接入方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对生产设备进行建模，根据生产设备的原型和物理属性，建立生产设备的属性、方法和组建模型，生成方法集合变量字典；设备建模后，进行设备注册，注册后的设备，通过新建设备启动设备接入；
S2：生产设备或者根据建模设计的模拟装备连接后，先进行连接验证，如果设备通过了连接测试，则进行装备的节点浏览测试，生成设备的xml模型文件；
S3：通过连接验证后，读写操作的对象模型，与生产设备的信息模型进行比对验证，验证设备的变量字典信息，以及对设备节点进行读写验证；
S4：判定验证是否通过，如果通过，输出验证报告。
优选S2中，如果验证出现错误不能通过，则返回S1重新进行建模。
优选S4中，在判定验证时，当验证出现错误不能通过，则重新执行S3。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种工厂异构设备接入平台，其特征在于：包括平台，所述平台由设备层、驱动层、连接层、数据层和应用层组成，所述设备层为硬件层，所述数据层内储存有建模模型，所述应用层为建模操作层。
2.根据权利要求1所述的一种工厂异构设备接入平台，其特征在于：所述设备层主要为面向工厂各类异构设备的物理硬件，具体表现为通过各种有线物理接口如，RS232、RS485、RJ45、现场总线、工业以太网等，或如，Wifi、433M、Zigbee、蓝牙、GPRS、3G/4G、LTE等无线接入。
3.根据权利要求2所述的一种工厂异构设备接入平台，其特征在于：所述驱动层则为工厂各类异构设备的直接通信驱动，常用有Modbus、ModbusTCP、MPI、PPI、Profibus、CClink、Can、DeviceNet、Hostlink、专有驱动(RFID、数控、机器人等)、OPC-UA等。驱动层为设备接入关键，需具体深入研究各类通信协议，进行测试验证，再集成到云平台中，或借鉴现在SCADA数据采集技术进行研究与测试。
4.根据权利要求3所述的一种工厂异构设备接入平台，其特征在于：所述连接层包含软网关GateWay(IOT Hub)、安全认证和权限策略、设备影子、设备管理、规则引擎五大部分。分别负责协议转换，身份认证鉴权、加密安全，设备状态存储及查询，设备管理，以及消息规则处理与数据流转。软网关的功能主要为进行设备驱动协议到设备与云端接口通信的协议转换，如把设备层协议的Modbus、MPI、现场总线等协议转换为云端接口OPC-UA协议(或常用物联网通信协议MQTT)；为规范化设备层与后端云平台的接口与协议，拟采用国际上工业互联网最为流行的OPC-UA与MQTT作为本平台设备与云端的标准通信协议。安全认证&权限策略主要为保护平台的安全性，设备需连入平台需进行安全认证和注册；规则引擎是连接前端与后端云平台的重要枢纽，规则引擎根据消息中的规则，将消息数据路由至后端可直接调用的相应数据云服务进行相关数据分析、处理、存储。
5.根据权利要求4所述的一种工厂异构设备接入平台，其特征在于：所述数据层主要包括数据接收、数据存储、数据服务三部分。数据层位于云端，主要通过OPC-UA与MQTT协议接收平台连接层中的软网关发送来的消息与数据，对消息或数据进行解析，并按指令或设备模型指定格式进行数据建模，把设备数据分别存储到实时数据库、SQL数据库、或NOSQL数据库中；数据服务采用微服务架构部署，包含数据搜索服务(Data Search)、指令接口服务(CMD Interface)、数据接口服务(Data Interface)。数据搜索服务为开放给用户、应用系统进行数据的搜索功能；指令接口服务则为用户、应用系统提供数据操作的指令接口，如，设备数据历史查询、设备实时状态数据获取、设备配方数据修改、设备控制指令下发等；设备数据服务则主要分析设备的实时数据、历史数据，进行数据的清洗、重构、设备数据AI分析等，以获得系统或用户所关心的关键数据、信息、模型，并通过数据接口服务开放给制造信息系统(如制造执行系统MES、能源管理系统等)使用。数据服务接口支持MQTT、RestfulAPI、OPC-UA等方式。
6.根据权利要求5所述的一种工厂异构设备接入平台，其特征在于：所述应用层主要为云平台的人机交互接口，提供友好的云平台与用户的人机交互界面与操作功能。由于本平台能实现设备即插即连、动态建模的功能，因此平台界面以简单易用为设计指标，包括连接的管理、监控，设备的建模、注册、管理、监控，平台的用户管理等功能。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种工厂异构设备接入平台的接入方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对生产设备进行建模，根据生产设备的原型和物理属性，建立生产设备的属性、方法和组建模型，生成方法集合变量字典；设备建模后，进行设备注册，注册后的设备，通过新建设备启动设备接入；
S2：生产设备或者根据建模设计的模拟装备连接后，先进行连接验证，如果设备通过了连接测试，则进行装备的节点浏览测试，生成设备的xml模型文件；
S3：通过连接验证后，读写操作的对象模型，与生产设备的信息模型进行比对验证，验证设备的变量字典信息，以及对设备节点进行读写验证；
S4：判定验证是否通过，如果通过，输出验证报告。
8.根据权利要求7所述的一种工厂异构设备接入平台的接入方法，其特征在于：所述S2中，如果验证出现错误不能通过，则返回S1重新进行建模。
9.根据权利要求8所述的一种工厂异构设备接入平台的接入方法，其特征在于：所述S4中，在判定验证时，当验证出现错误不能通过，则重新执行S3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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