CN113625674A - 一种适用于大规模、复杂生产线的组态化scada系统构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，包括设备连接协议、网络通信架构和设备连接架构，其中设备握手协议基于UUID而非生产线设备IP地址；网络通信架构采用两级路由结构，分别为用于多设备组网的一级路由以及用于单条生产线抽象化的二级路由；设备连接架构采用三层结构，分别为生产线抽象化层、中间控制层以及前端显示层。通过上述方式，本发明提出的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法能够自适应的识别接入设备、自动识别设备的通信协议、使用UUID建立通信提升安全性、通过多级路由构架最小化改动生产线，提高了在大规模、复杂生产线上构建SCADA系统的效率，节省了多生产线组网时的改造成本。
Description
技术领域
本发明涉及数据采集与监视控制系统技术领域，特别是涉及一种适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法。
背景技术
SCADA系统在当前诸多领域具有重要的作用，目前已经在电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域起到了不可替代的作用。
随着科技的不断发展，传统工业制造领域正在不断向智能制造进行转型，我国已在此进行了多方面的布局。在智能制造中，对生产过程的感知是后续分析、决策等部分的基础，而生产过程的感知即通过传感器对生产制造过程的数据进行采集和存储。
当前对于智能制造的工厂的构建主要包括了新一代工厂的建立以及对传统工厂进行智能化改造。前者由于是从零到一的过程，可以在工厂构建之初进行布局；对于传统工厂的智能化改造则因历史原因，即便是工厂中相同工艺的生产线也会由于各种因素扩充了不同型号的生产线设备，进而具有不同的编程环境、软/硬件通信接口等。
此外，对于规模较大的工厂，通常具有多种不同类型的生产制造工艺。这些因素使得在构建或改造工厂生产线设备接入SCADA时，大多需要修改每一个生产线设备的程序，重新对复杂生产线组网，费时费力且不易于后续生产设备的扩充或调整。此外，由于工业生产过程中安全是第一位，而智能化工厂不可避免要考虑接入防御网络入侵对工厂设备造成破坏。
尽管目前已有一些SCADA系统构建的相关专利，然而大多需要对生产线设备进行修改而不利于后续对生产线设备的升级，或是基于固定分配的IP地址不利于生产线设备的动态连接，或是没有考虑到安全因素等。
发明内容
本发明主要针对现有技术问题，提供一种适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，通过网络设备层（1）、数据解析层（2）、服务接口层（3）、功能层（4）以及人机交互层（5）自底向上的五层架构，组态化实现工厂的SCADA系统构建。
进一步地，网络设备层（1）涉及到对当前车间进行基于专有网络通信架构（6）的网络连接的改造。
通过为每条生产线配置独立的二级路由（9），通过将生产线都接入二级路由（9）路由的LAN并关闭二级路由（9）的LAN的DHCP功能；通过将所有的二级路由（9）的WAN接入到同一个一级路由（8）的LAN网络，通过一级路由（8）的DHCP自动为二级路由（9）分配IP地址；通过在二级路由（9）中配置端口映射，将二级路由（9）的LAN中用于通信的端口映射到二级路由（9）的WAN相应端口，从而能够在一级路由（8）所组建的LAN网络中访问所有的生产线。
进一步地，数据解析层（2）涉及到对实际生产线（7）抽象化数字化生产线（12）：在实际生产线（7）中，分别分配独立的UUID到实际生产线（7）设备的某寄存器中，用作设备的识别以及通信密钥；数字化生产线（12）体现为设备信息数据库（14），用户应将相应UUID的实际生产线（7）设备，需要读/写的寄存器数据以及其它所需要的描述信息，存入设备信息数据库（14）。
进一步地，数据解析层（2）还涉及通过通用协议栈（11）实现生产线设备的动态接入：实际生产线上的生产线设备（7）按照专有网络通信架构（6）接入后，可以通过PING、ARP等网络设备嗅探（10）技术识别到具有某IP地址的设备连接/断开网络，之后通过通用协议栈（11）设备连接协议池中的连接协议，以轮巡或并发等方式，尝试连接具有某IP地址，在连接成功后读取生产线设备（7）指定区块中预先存储的UUID，将读取到的UUID与用户预先注册在设备信息数据库（14）中的数字生产线（12）进行匹配，匹配成功后即将 IP地址与UUID绑定，完成实际生产线与数字化生产线的匹配，进而根据数字生产线（12）的信息规则读取相应数据实现数据采集。
进一步地，对于采集到的数据以及设备信息，通过OpcUa、RestAPI等技术，实现统一接口服务协议（13），从而实现使用统一的数据读取协议接口访问所有的数字生产线（12）。
进一步地，通过运行在设备端的本地化程序或服务器提供在网络的WEB服务实现人机交互层（5），一方面能够使操作人员方便的进行数字生产线（12）的增、删、改、查以及生产线设备（7）的连接控制等管理功能；另一方面能够使用功能层（4）实现的诸多业务相关的功能。
本发明的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法的有益效果：自底向上的五层架构，提供了组态化构建SCADA系统的方式，不仅能用于全新的智能制造工厂改造，还解决了对现有传统工厂的大规模、复杂生产线改造困难、耗时耗力且效率不高的问题；
采用专有网络架构，相较于目前将工厂生产线设备统一接入一个局域网内，在一级路由发生故障时不影响使用，提高了生产线的稳定性；
采用多级路由架构，通过端口映射来暴露出所需的接口，从而无需对当前生产线进行重新组网，仅需要在二级路由上进行配置，组网过程不涉及PLC进行改造，不仅提高了效率，且便于对生产线进行抽象化；
采用基于UUID的设备握手协议，存入UUID为本方案唯一涉及到的PLC的程序改造，且后续对生产线的升级改造仅需要将升级改造后的生产线信息录入到服务器的数据库即可，利于提高了效率，增强了动态扩充能力；
同时基于UUID的设备握手协议使用动态分配IP地址而非固定为生产线分配，不仅便于设备的动态接入/断开以及生产线的变动，且在没有注册UUID到系统的非法设备接入时直接拒接连接，提高了安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图，其中：
图1是本发明的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统一较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法中专有网络通信架构（6）一较佳实施例的结构示意图；
图3是本发明的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法中专有数据解析层（2）一较佳实施例的结构示意图；
图4是本发明的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法中通用协议栈（11）一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图4，
本实施方案以光缆制造过程中，对传统型工厂的二套工艺生产车间构建 SCADA系统为例，实际专利保护范围不应局限于某一特定制造业或工艺，并且相同功能使用不同技术或不同软件提供商提供也应视为在本专利所要求权利保护范围内。
本实例中的车间共有 13 条生产线，由于产线随市场需求进行过扩充以及针对不同需求购置了差异化的生产线，因此不同的生产线的构成可能具有不同的工控机（含工控机程序）以及PLC、传感器构成。此外，由于技术不断的迭代和发展，工厂研发部分还对不同生产线进行过程序的改进以及传感器的增加。
光缆二套工艺的单条生产线由一台工控机和数台PLC组，成生产线的内部具有自己独立的LAN。生产线上负责监测不同参数的传感器都由PLC来读取数据，并将数据汇总到一台主控PLC上。
依据图 2所示的专有网络通信架构（6），为13条生产线配置13个二级路由器，按照二级路由器所在生产线原本的LAN配置二级路由器LAN的网段，例如对于生产线所处为192.168.0.1/24 的LAN，路由器也配置相同的网段并关闭其DHCP功能。之后，依据所在生产线主控PLC的通信协议，在二级路由器上配置端口映射。
例如，对于生产线上地址为192.168.0.5的主控PLC，使用了snap7协议（即通信端口为102），则配置二级路由的端口映射为LAN192.168.0.5:102到二级路由WAN的102，完成配置后即可将二级路由的LAN连接到所在生产线的LAN中。
对于不具备网络接口的生产线，通过配置RS485或RS232转网口的模块即可实现网络连接。
将生产线上所有的二级路由器的WAN口接入到一台车间交换机上，交换机则与一级路由器的LAN连接。级路由器的LAN开启DHCP功能，因此每台二级路由器的WAN都将被自动分配到一个IP地址，由此网络设备层（1）布置完成。
对于数据解析层（2），首先在SQLServer 2012内创建Factory数据库，该数据库用于存储数字生产线（12）的内容。
在本实例中，将Factory数据库设计为production_lines表以及sensors表。其中，production_lines表包含了生产线的整体信息，具体包含了ID [int]、uuid [nchar(36)]、name [varchar(max)]、register [varchar(256)]、size [int]、protocol [varchar(256)]、type [varchar(256)]七个字段，分别表示数字生产线在表内的唯一识别码、与相应实际生产线对应的UUID、生产线名称、实际生产线UUID存储的寄存器起始地址、实际生产线UUID存储的寄存器偏移量、通信协议、生产线所述的工艺车间；
sensors表包含了生产线上寄存器的信息，具体包含了ID [int]、measurement_type [varchar(256)]、measurement_unit [varchar(256)]、name [text]、description[text]、register [varchar(256)]、type [varchar(256)]、sample_duration [int]、uuid[nchar(36)]，分别表示传感器在表内的唯一识别码、传感器测量变量的类型、传感器测量变量的单位、传感器名称、对传感器的描述、传感器在生产线主控PLC上寄存器的起始地址、传感器在生产线主控PLC上寄存器内的数据类型、传感器读取采样率、传感器所在生产线的UUID。
通过统计实际生产线上各传感器信息，通过SQLServer 2012 管理软件写入Factory数据库的各个表中，完成实际生产线的抽象化。
实际操作为使操作人员更为便捷，也可以另行编写管理软件便于对生产线以及生产线所含传感器进行增、删、改、查，对于实际生产线的主控PLC，将对应的数字化生产线所记录的寄存器内写入UUID，在完成上文配置后，对车间的改造即为完成。
通过编写软件实现数据解析层（2）以及通用协议栈（11）的流程逻辑，同时针对每条生产线设计相应的软件线程和定时器即可实现生产线数据的定时采集。采集到的数据可以存放在自定义的数据库或其它位置进行保存，从而用于回顾性分析。
在本实例中，选择使用工业领域常用的OpcUa作为统一接口服务协议（13），将采集到的数据按照所需的结构构件OpcUa服务端，在功能层（4）以及人机交互层（5）中仅需实现OpcUa客户端即可以完成数据的读取并进行可视化或其它分析等操作。
本发明适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法的有益效果是：
能够自适应的识别接入设备、自动识别设备的通信协议、使用UUID建立通信提升安全性、通过多级路由构架最小化改动生产线，提高了在大规模、复杂生产线上构建SCADA系统的效率，节省了多生产线组网时的改造成本。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，其特征在于，SCADA系统包括：网络设备层（1）、数据解析层（2）、服务接口层（3）、功能层（4）和人机交互层（5），
其中网络设备层（1）通过专有网络通信架构（6）将生产线设备（7）与运行SCADA系统的计算机服务器的数据解析层（2）进行数据传输，
数据解析层（2）与网络设备层（1）数据传输，服务接口层（3）与数据解析层（2）数据传输，功能层（4）与数据解析层（2）数据传输，人机交互层（5）与功能层（4）数据传输。
2.根据权利要求1所述的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，其特征在于，网络通信架构（6）包括一级路由（8）和一级路由（8）：
一级路由（8）的LAN直接或通过交换机与多个二级路由（9）的WAN连接，二级路由（9）通过一级路由（8）的DHCP从获取独立的WANIP地址；
二级路由（9）关闭LANDHCP后，将二级路由（9）的LAN与生产线设备（7）连接；
二级路由（9）配置端口映射，将二级路由（9）LAN中生产线设备（7）的端口映射到二级路由（9）的WAN端口。
3.根据权利要求2所述的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，其特征在于，数据解析层（2）将实际生产线上的生产线设备（7）按照网络通信架构（6）接入后，可以通过网络设备嗅探（10）识别到具有某IP地址的设备连接/断开网络，之后通过通用协议栈（11）尝试连接所接入的生产线设备（7），之后通用协议栈（11）连接成功后读取生产线设备（7）指定区块中预先存储的UUID，将读取到的UUID与用户预先注册在设备信息数据库（14）中的数字生产线（12）进行匹配，匹配成功后即将IP地址与UUID绑定，完成实际生产线与数字化生产线的匹配。
4.根据权利要求3所述的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，其特征在于，通用协议栈（11）通过设备连接协议池中的连接协议，以轮巡或并发等方式，尝试连接具有某IP地址的设备并读取UUID。
5.根据权利要求3所述的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，其特征在于，设备信息数据库（14）储存生产线设备（7）的UUID、需要读/写的寄存器数据以及其它所需要的描述信息，从而使生产线设备（7）抽象化为数字生产线（12）。
6.根据权利要求5所述的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，其特征在于，对于采集到的数据以及设备信息，通过OpcUa或RestAPI技术实现统一接口服务协议（13），提供统一的数据读取协议接口访问数字生产线（12）。
7.根据权利要求1所述的适用于大规模、复杂生产线的组态化SCADA系统构建方法，其特征在于，人机交互层（5）通过运行在设备端的本地化程序或服务器提供在网络的WEB服务。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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