CN113741360A - 一种工业控制网关、系统、控制方法和存储介质 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种应用于工业控制系统的工业控制网关、控制方法、存储介质和工业控制系统。其中，所述工业控制网关包括，第一从站模块、主站模块、第一无线转换模块和第一5G通信模块；其中，第一从站模块设置为，作为从站采用工业以太网协议与工业控制系统中的控制器进行交互；主站模块设置为，实现工业以太网协议和现场总线协议之间的转换；还设置为作为主站采用现场总线协议与工业控制系统中的被控制设备进行交互；第一无线转换模块设置为，实现现场总线协议和5G通信协议之间的转换。该方案在满足工业控制系统通信性能需求的前提下，能够显著提升工业控制系统的环境适应性，节省布线成本。

Description

一种工业控制网关、系统、控制方法和存储介质

技术领域

本发明涉及但不限于工业控制领域，具体涉及一种应用于工业控制系统的工业控制网关、控制方法、存储介质和工业控制系统。

背景技术

工业现场环境包罗万象，在旋转类机械装备、老旧工业控制系统改造替换、以及高温高湿高腐场所等环境条件下，生产现场的实时控制信号(如控制器要求100ms内获取到100个从站数据)采用有线传输的建设成本及维护成本均很高，领域内急需一种能够实现控制网络无线化的解决方案。

现有的工业无线协议(如WirelessHart、ISA100、WIA-PA等)由于延时大、通信速率低，一般只能用于监视生产现场的温度、压力、流量等场景，无法满足生产现场实时控制数据的传输应用，所以工业控制领域DCS(集散控制系统)系统对实时性要求较高的控制信号传输现在仍然停留在有线传输阶段。

因此，提出新的控制方法，以满足工业控制领域的业务要求，并有效降低工业控制网络部署复杂性，是工业控制领域有待改进的方面。

发明内容

本公开实施例提供一种应用于工业控制系统的工业控制网关、控制方法、存储介质和工业控制系统，提出了基于5G的工业控制网络架构，能够显著提升工业控制系统的环境适应性，节省布线成本，提升了工业控制网络的组网灵活性和重构生产线的灵活性。

本公开实施例提供一种工业控制网关，应用于工业控制系统，包括，

第一从站模块、主站模块、第一无线转换模块和第一5G通信模块；

其中，所述第一从站模块设置为，作为从站采用工业以太网协议与所述工业控制系统中的控制器进行交互；

所述主站模块设置为，实现所述工业以太网协议和所述现场总线协议之间的转换；还设置为作为主站采用现场总线协议与所述工业控制系统中的被控制设备进行交互；

所述第一无线转换模块设置为，实现所述现场总线协议和5G通信协议之间的转换；

所述第一5G通信模块设置为，发送或接收5G通信协议报文。

本公开实施例还提供一种工业控制系统，包括，

控制器、如上所述的工业控制网关和被控制设备；

其中，所述控制器设置为通过所述工业控制网关与所述被控制设备进行交互以实现对所述被控制设备的控制。

本公开实施例还提供一种控制方法，应用于工业控制系统，包括，

作为从站采用工业以太网协议与所述工业控制系统中的控制器进行通信，接收和/或发送承载了交互指令的工业以太网协议报文；

作为主站进行所述工业以太网协议报文和现场总线协议报文之间的转换；还进行所述现场总线协议报文和5G通信协议报文之间的转换；

与所述工业控制系统中的第二从站或所述工业控制系统中的被控制设备进行5G通信协议报文的发送和/或接收，以控制所述被控制设备。

本公开实施例还提供一种控制方法，应用于工业控制系统，包括，

接收和/或发送5G通信协议报文，进行所述5G通信协议报文和现场总线协议报文之间的转换；

根据所述现场总线协议报文，采用现场总线协议通过通用IO模块与所述工业控制系统中被控制设备通信，实现对所述被控制设备的控制。

本公开实施例还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一实施例所述的控制方法。

在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1为相关方案中工业控制系统示意图；

图2为工业控制系统中从站和被控制设备的应用场景示意图；

图3为本公开实施例中一种工业控制网关的结构示意图；

图4为本公开实施例中一种工业控制系统的结构示意图；

图5为本公开实施例中另一种工业控制系统的结构示意图；

图6为本公开实施例中另一种工业控制系统的结构示意图；

图7为本公开实施例中另一种工业控制系统的结构示意图；

图8为本公开实施例中另一种工业控制系统的结构示意图；

图9为本公开实施例中另一种工业控制系统的结构示意图；

图10为本公开实施例中一种控制方法流程图；

图11为本公开实施例中另一种控制方法流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

工业控制系统DCS主要由操作员站OPS、工程师站ENG、历史站HIS、现场控制站、网络交换机等组成。相关技术方案中DCS系统框图如图1所示。

相关技术方案中，DCS系统网络从上至下由管理网、系统网、控制网三层构成。管理网主要用于和第三方系统通讯、WEB发布，实现数据共享和管理。系统网主要用于控制站、操作员站、工程师站、历史站之间的数据通讯。控制网为DCS控制器与I/O卡件、第三方设备之间的数据通讯，用于数据采集上报、控制指令下达，设备诊断等。本公开实施例中记载的被控制设备，也称为现场设备，指工业控制系统中被控制\管理对象，包括输入类设备，也称为采集类设备，该类设备被控制器控制采集现场数据，例如采集压力、温度、开关状态值等现场数据；还包括输出类设备，该类设备被控制器控制执行输出信息或控制指令，例如打开控制开关等；还包括工业控制系统中其他类型的设备，不限于上述示例。

需要说明的是，本公开实施例中控制所述工业控制系统中的被控制设备中的“控制”，不仅仅指控制指令的下达和执行，还包括数据采集上报、设备诊断等，泛指工业控制领域中的数据交互和控制动作。

分析工业控制系统中现场仪表设备(被控制设备)的应用场景，如图2所示，主要分为以下3类：

A场景：仪表设备在现场的位置处于与设备电子间(控制应用)较近的距离(小于100米)。

B场景：仪表设备在现场的位置处于与设备电子间(控制应用)较远的位置(大于100米)，且仪表设备间的距离也比较远(大于100米)。

C场景：仪表设备在现场的位置处于与设备电子间(控制应用)较远的位置(大于100米)，但仪表设备成组分布，各组内仪表设备间的距离却比较近(小于100米)。

相关有线网络的工业控制系统中，仪表设备和设备电子间采用有线方式连接，在进行无线部署的改进中，考虑上述多种场景，选择能够兼顾的无线方案。近年高速发展的5G技术具有的大带宽、高可靠、低时延、广连接等特点，使其面向行业深度融合应用成为可能。相比于前几代移动通信技术，5G在速率、时延、可靠性及连接数等关键能力指标上都有较大地提升，这使得5G面向工业等行业推广应用成为可能。公开实施例方案提出基于5G的解决方案进行工业控制网络的无线化改进。

本公开实施例提供一种工业控制网关，如图3所示，应用于工业控制系统，包括：

第一从站模块301、主站模块302、第一无线转换模块303和第一5G通信模块304；

其中，所述第一从站模块301设置为，作为从站采用工业以太网协议与所述工业控制系统中的控制器进行交互；

所述主站模块302设置为，实现所述工业以太网协议和所述现场总线协议之间的转换；还设置为作为主站采用现场总线协议与所述工业控制系统中的被控制设备进行交互；

所述第一无线转换模块303设置为，实现所述现场总线协议和5G通信协议之间的转换；

所述第一5G通信模块304设置为，发送或接收5G通信协议报文。

一些示例性实施例中，所述主站模块302设置为，作为主站采用所述5G通信协议报文承载现场总线协议报文与所述工业控制系统中的被控制设备进行交互。需要说明的是，该实施例中工业控制系统中的被控制设备是带有5G通信功能的无线设备(现场仪表)，则该被控制设备自身作为从站，通过5G通信模块收发所述现场总线协议报文，实现对自身的控制及数据交互，包括指令执行、数据采集或设备诊断等。

一些示例性实施例中，所述主站模块302设置为，作为主站采用5G广播报文承载将要发送给设定范围内的全部被控制设备的现场总线协议报文。广播可接收范围内的带有5G通信功能的被控制设备(现场仪表)实时接收5G广播报文，根据其中的总线协议报文执行自身对应的控制指令。通过该方式，可以使得控制器所控制范围内的被控制设备可以不用等待逐一被轮询，显著缩小了各被控制设备接收到控制指令的延时。

一些示例性实施例中，所述主站模块302设置为，作为主站采用5G非广播报文分别封装将要发送给各被控制设备的现场总线协议报文，采用流水线方式分别下发给各被控制设备。带有5G通信功能的被控制设备(现场仪表)实时接收发给自己的5G非广播报文，根据其中的总线协议报文执行对应的控制指令和/或返回上报信息。通过该方式，可以使得控制器所控制范围内的被控制设备可以不用等待逐一采用请求-应答模式被轮询，显著提升缩小了各被控制设备和控制器之间数据交互的延时。

一些示例性实施例中，所述主站模块302包括第一状态机管理单元；

所述第一状态机管理单元设置为，维护所述工业控制系统中各被控制设备的状态机；

所述主站模块302还设置为，根据被控制设备的状态机的状态，采用5G广播报文承载将要发送给全部被控制设备的现场总线协议报文；所述5G广播报文通过广播方式发给各被控制设备；

或者，

所述主站模块302还设置为，根据被控制设备的状态机的状态，采用5G非广播报文分别承载将要发送给各被控制设备的总线协议报文；所述5G非广播通过流水线方式分别发送给对应各被控制设备。

可选地，一些示例性实施例中，所述主站模块302设置为，作为主站采用所述5G通信协议报文承载现场总线协议报文与所述工业控制系统中第二从站进行交互，以控制所述工业控制系统中的被控制设备。

需要说明的是，该实施例中工业控制系统中的被控制设备是传统的有线设备(现场仪表)，则引入具有5G通信功能的第二从站，以实现5G通信协议报文与现场总线协议报文的转换，采用转换模块+通用输入输出IO模块+传统有线设备(被控制设备)的方式，实现对传统有线被控制设备的控制及数据交互，包括指令执行、数据采集或设备诊断等。其中，第二从站下管理\控制的有线设备可以包括一个或多个，可是不同类型的设备。

一些示例性实施例中，所述主站模块302包括第一状态机管理单元；

所述第一状态机管理单元设置为，维护所述工业控制系统中各第二从站的状态机；

所述主站模块302还设置为，根据第二从站的状态机的状态，采用5G广播报文承载将要发送给全部被控制设备的现场总线协议报文；所述5G广播报文通过广播方式发给各第二从站。通过该方式，可以使得控制器所控制范围内的第二从站可以不用等待逐一被轮询，显著缩小了各从站接收到控制指令的延时。

可选地，一些示例性实施例中，所述主站模块302还设置为，根据第二从站的状态机的状态，采用5G非广播报文分别承载将要发送给各被控制设备的总线协议报文；所述5G非广播通过流水线方式分别发送给对应各第二从站。通过该方式，可以使得控制器所控制范围内的第二从站可以不用等待逐一采用请求-应答模式被轮询，显著提升缩小了各第二从站和控制器之间数据交互的延时。

其中，5G广播报文由第一转换模块303进行封装，至少包括一个5G广播数据帧；每一个5G非广播报文均由第一无线转换模块303进行封装，至少包括一个5G非广播数据帧。如果数据量超过一个数据帧的最大长度，则分为多个数据帧发送。具体的封装及分包根据相关技术实现，不属于本发明申请保护或限定的范围。

一些示例性实施例中，所述第一状态机管理单元设置为，至少根据以下方式之一设置各第二从站的状态机：

所述控制网关启动后，初始化各第二从站的状态机为查询唤醒状态；

接收到第二从站的状态查询响应报文后，设置所述第二从站的状态机为参数设置状态；

接收到第二从站的参数设置响应报文后，设置所述第二从站的状态机为数据交换状态。

一些示例性实施例中，被控制设备为具有5G通信能力的被控制设备，记为5G被控制设备，所述第一状态机管理单元设置为，至少根据以下方式之一设置各5G被控制设备的状态机：

所述控制网关启动后，初始化各5G被控制设备的状态机为查询唤醒状态；

接收到5G被控制设备的状态查询响应报文后，设置所述5G被控制设备的状态机为参数设置状态；

接收到5G被控制设备的参数设置响应报文后，设置所述5G被控制设备的状态机为数据交换状态。

一些示例性实施例中，所述第一5G通信模块304包括以下方案之一：

(1)所述第一5G通信模块304包括一套5G模组和天线，所述第一5G通信模块设置为通过所述5G模组和天线连接第一5G网络收发所述5G通信协议报文；

或者，

(2)所述第一5G通信模块304包括两套5G模组和天线，所述第一5G通信模块设置为通过一套5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，通过另一套5G模组和天线连接第二5G网络收发5G通信协议报文；

或者，

(3)所述第一5G通信模块包括一套5G模组和天线，所述第一5G通信模块设置为通过所述5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，还通过所述5G模组和天线连接第二5G网络收发5G通信协议报文；

或者，

(4)所述第一5G通信模块包括两套5G模组和天线，所述第一5G通信模块设置为通过一套5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，通过另一套5G模组和天线也连接第一5G网络收发5G通信协议报文。

需要说明的是，上述(1)的方面满足所述工业控制网关的基本5G通信需求。上述(2)-(4)为5G通信冗余方案。其中，(2)中2套5G通信模组和天线，分别与2个5G网络搭建两条通信链路同时接收/发送数据，在第一转换模块303中进行链路数据的选择及切换，选择其中一条链路收到的数据进行运算或执行，当检验到数据有错误或检测到链路有故障时，及时选择到另一条链路收到的数据进行运算或执行。(3)中1套5G通信模组和天线可以同时往2个5G网络发送数据，但不能同时接收两个5G网络的数据，工业控制网关按需切换网络。具体地，网关上的1套5G通信模组和天线同时往两个5G网络中发送数据，但默认选择其中一个5G网络进行数据接收，当检验到数据有错误或检测到链路有故障时，及时切换到另一个基站网络中接收数据。(4)中2套5G通信模组和天线，与同一个5G网络搭建两条通信链路同时接收/发送数据，在第一转换模块303中进行链路数据的选择及切换，选择其中一条链路收到的数据进行运算或执行，当检验到数据有错误或检测到链路有故障时，及时选择到另一条链路收到的数据进行运算或执行。

可以看到，方案(2)的5G网络(基站)、网关的通信模组和天线均冗余，成本最高，但可靠性最好；方案(3)适用于5G网络(基站)非常重要需要冗余，但个别非重要节点(工业控制网关)可不冗余通信的场合；方案(4)适合于5G网络(基站)不需要冗余，但个别重要节点(工业控制网关)需要冗余通信的场合。例如，受工厂环境限制，网络环境恶劣，为确保网络通信的可靠运行，5G网络需要冗余。工业控制网络中节点众多，有些网关节点由于结构限制成本约束等原因，物理上只能集成1套5G通信模组和天线，这种情况下，此类网关节点也需要通信冗余方案来提高通信可靠性，则可以选择上述方案(3)的方案。又例如，5G基站所处位置以及工厂网络环境良好，评估认为5G网络不需要冗余。但有些网关节点由于自身所处环境恶劣，为避免因模块自身元器件失效等情况引起的节点通信异常，网关节点需集成冗余的通信模组和天线，以提高通信的可靠性，则可以选择上述方案(4)的方案。

需要说明的是，方案(3)可以根据现场应用情况与方案(2)进行混用，方案(4)可以在单5G网络(基站)中与方案(1)的非冗余网关混用。可选地，还可以采用其他方式，在整个工业控制系统中混合部署不同冗余的工业控制网关，不限于本公开示例的方面。

本公开实施例还提供一种业控制系统，如图4所示，包括，

控制器401、工业控制网关402和被控制设备403；

其中，所述控制器401设置为通过所述工业控制网关402与所述被控制设备进行交互以实现对所述被控制设备403的控制。

一些示例性实施例中，所述系统还包括：第二从站404；

所述控制器401设置为通过所述工业控制网关402与所述第二从站404进行交互以实现对所述被控制设备403的控制；

所述第二从站404包括：第二无线转换模块4041、通用输入输出IO模块4042和第二5G通信模块4043；

所述第二无线转换模块4041设置为，实现5G通信协议和现场总线协议之间的转换；还设置为采用所述现场总线协议，通过所述通用IO模块4042与所述被控制设备403通信；

所述第二5G通信模块4043设置为，发送或接收5G通信协议报文。

一些示例性实施例中，所述第二从站404还包括第二状态机管理单元；

所述第二状态机管理单元设置为，至少根据以下方式之一维护所述第二从站的状态机：

所述第二从站404启动后，初始化自身的状态机为查询唤醒状态；

接收到所述控制网关的状态查询报文，返回状态查询响应报文后，设置所述第二从站的状态机为参数设置状态；

接收到所述控制网关的参数设置报文，返回参数设置响应报文后，设置所述第二从站的状态机为数据交换状态。

一些示例性实施例中，所述工业控制系统中包括一个或多个工业控制网关402；。

一些示例性实施例中，所述工业控制系统中包括一个或多个被控制设备403。

一些示例性实施例中，所述工业控制系统中包括一个或多个第二从站404。

一些示例性实施例中，每一个工业控制网关402与一个或多个被控制设备403通信；或者，每一个工业控制网关402与一个或多个第二从站通信404。

一些示例性实施例中，每一个第二从站404与一个或多个被控制设备403通信。

一些示例性实施例中，所述第二从站404还包括第二状态机管理单元4044；

所述第二状态机管理单元4044设置为，至少根据以下方式之一维护所述第二从站的状态机：

所述第二从站启动后，初始化自身的状态机为查询唤醒状态；

接收到所述工业控制网关402的状态查询报文，返回状态查询响应报文后，设置所述第二从站的状态机为参数设置状态；

接收到所述工业控制网关402的参数设置报文，返回参数设置响应报文后，设置所述第二从站的状态机为数据交换状态。

一些示例性实施例中，所述第二5G通信模块4043包括以下之一：

(1)所述第二5G通信模块4043包括一套5G模组和天线，所述第二5G通信模块设置为通过所述5G模组和天线连接第一5G网络收发所述5G通信协议报文；

或者，

(2)所述第二5G通信模块4043包括两套5G模组和天线，所述第二5G通信模块设置为通过一套5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，通过另一套5G模组和天线连接第二5G网络收发5G通信协议报文；

或者，

(3)所述第二5G通信模块4043包括一套5G模组和天线，所述第二5G通信模块设置为通过所述5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，还通过所述5G模组和天线连接第二5G网络收发5G通信协议报文；

或者，

(4)所述第二5G通信模块4043包括两套5G模组和天线，所述第二5G通信模块设置为通过一套5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，通过另一套5G模组和天线也连接第一5G网络收发5G通信协议报文。

需要说明的是，第二从站中的第二5G通信模块的(1)-(4)的可选方案，与前述工业控制网关的第一5G通信模块的(1)-(4)可选方案一致，相关实现和技术效果一致，在此不再赘述。工业控制系统中，工业控制网关和第二从站各自独立确定自身的(第一\第二)5G通信模块的具体实现，可以选择相同或不同的具体方式。

本公开实施例还提供一种工业控制系统，如图5所示，相关工业控制系统中的引入了工业控制网关，将工业控制系统中的控制网分为2个控制子网，控制网I和控制网II，工业控制网关实现控制网I(工业以太网)到控制网II(现场总线，例如Profibus-DP)的转换，还实现有线网络到5G无线网络的转换。如图5所示的工业控制系统，包括：无线管理软件、上位机系统(操作员站OPS、工程师站ENG、历史站HIS等)，控制器、工业控制网关。

还包括：5G基站、核心网构成的5G通信系统；

还包括：第二从站、通用IO模块和/或5G现场仪表(被控制设备)。

其中，工业控制网关包括：第一从站模块，主站模块，第一无线转换模块和第一5G通信模块；所述主站模块也称为控制网络II协议栈主站模块，用于适配5G通信实现与各第二从站和/或5G被控制设备进行并发通信。具体地，协议栈支持以5G广播报文采用广播方式下发采集指令或输出信号，第二从站和/或5G被控制设备进行实时响应；或者，以5G非广播报文采用流水线方式下发采集指令或输出信号，第二从站和/或5G被控制设备进行实时响应。

一些示例性实施例中，对于传统的有线现场仪表(被控制设备)，引入第二从站，实现5G通信协议和现场总线协议之间的转换，通过通用IO模块与有线现场仪表(被控制设备)通信。

一些示例性实施例中，所述第二从站包括：第二无线转换模块、通用输入输出IO模块和第二5G通信模块。其中，第二无线转换模块与通用IO模块之间采用光纤及现场总线协议通信，通用IO模块与有线现场仪表间采用硬接线的方式连接。通用IO模块一端连接第二无线转换模块，一端连接有线现场仪表(被控制设备)。

需要说明的是，图5所示的工业控制网关中的第一5G通信模块可以采用前述的(1)-(4)任一所示的方式实现，在图5中未体现具体细节。

本公开实施例还提供一种工业控制系统，如图6所示，被控制设备为传统的有线现场仪表，则采用“转换模块+通用IO模块+传统有线仪表设备”的方式实现无线改造，通过第二从站实现对各传统有线仪表设备的相关工业控制功能。

本公开实施例还提供一种工业控制系统，如图7所示，工业控制网关和第二从站的5G通信采用方案(2)的冗余实现。

本公开实施例还提供一种工业控制系统，如图8所示，工业控制网关和第二从站的5G通信采用方案(3)的冗余实现。

本公开实施例还提供一种工业控制系统，如图9所示，工业控制网关和第二从站的5G通信采用方案(4)的冗余实现。

本公开实施例还提供一种控制方法，应用于工业控制系统，如图10所示，包括，

步骤101，作为从站采用工业以太网协议与所述工业控制系统中的控制器进行通信，接收和/或发送承载了交互指令的工业以太网协议报文；

步骤102，作为主站进行所述工业以太网协议报文和现场总线协议报文之间的转换；还进行所述现场总线协议报文和5G通信协议报文之间的转换；

步骤103，与所述工业控制系统中的第二从站或所述工业控制系统中的被控制设备进行5G通信协议报文的发送和/或接收，以控制所述被控制设备。

一些示例性实施例中，从控制器下发数据至被控制设备的角度(也称为数据下行角度)来说，所述控制方法包括：

作为从站采用工业以太网协议与所述工业控制系统中的控制器进行通信，接收承载了交互指令的工业以太网协议报文；

作为主站将所述工业以太网协议报文转换为现场总线协议报文；将所述现场总线协议报文转换为5G通信协议报文；

发送所述5G通信协议报文给所述工业控制系统中的第二从站或所述工业控制系统中的被控制设备，以控制所述被控制设备。

一些示例性实施例中，从向控制器上报来自被控制设备的数据的角度来说(也称为数据上行角度)，所述控制方法包括：

作为主站接收来自所述工业控制系统中的第二从站或所述工业控制系统中的被控制设备的5G通信协议报文；

将所述5G通信协议报文转换为现场总线协议报文；

将所述现场总线协议报文转换为工业以太网协议报文；

作为从站将所述工业以太网协议报文发送给所述工业控制系统中的控制器。

一些示例性实施例中，所述方法还包括：步骤104，维护所述工业控制系统中各第二从站的状态机和/或各被控制设备的状态机。

相应地，步骤102包括：根据第二从站和/或被控制设备的状态机的状态，采用5G广播报文承载将要发送给全部被控制设备的现场总线协议报文；所述5G广播报文通过广播方式发给各第二从站和/或被控制设备；

或者，

所述主站模块还设置为，根据第二从站和/或被控制设备的状态机的状态，采用5G非广播报文分别承载将要发送给各被控制设备的总线协议报文；所述5G非广播报文通过流水线方式分别发送给对应各第二从站和/或被控制设备。

一些示例性实施例中，所述步骤104包括：至少根据以下方式之一设置各第二从站的状态机：

所述控制网关启动后，初始化各第二从站的状态机为查询唤醒状态；

接收到第二从站的状态查询响应报文后，设置所述第二从站的状态机为参数设置状态；

接收到第二从站的参数设置响应报文后，设置所述第二从站的状态机为数据交换状态。

一些示例性实施例中，如图10所示的控制方法在工业控制网关中执行。

本公开实施例还提供一种控制方法，应用于工业控制系统，如图11所示，包括，

步骤111，接收和/或发送5G通信协议报文，进行所述5G通信协议报文和现场总线协议报文之间的转换；

步骤112，根据所述现场总线协议报文，采用现场总线协议通过通用IO模块与所述工业控制系统中被控制设备通信，实现对所述被控制设备的控制。

一些示例性实施例中，如图11所示的控制方法在第二从站中执行。

一些示例性实施例中，从接收工业控制网关下发数据至被控制设备的角度(也称为数据下行角度)来说，所述控制方法包括：

接收5G通信协议报文，将所述5G通信协议报文转换为现场总线协议报文；

根据所述现场总线协议报文，采用现场总线协议通过通用IO模块与所述工业控制系统中被控制设备通信，实现对所述被控制设备的控制。

其中，接收到的5G通信报文中承载了现场总线协议报文，所述现场总线协议报文是根据工业以太网协议报文转换而来。

一些示例性实施例中，从被控制设备向工业控制网关上报数据的角度(也称为数据下行角度)来说，所述控制方法包括：

采用通用IO模块与所述工业控制系统中被控制设备通信，接收承载了所述被控制设备的上报数据的现场总线协议报文；

将所述现场总线协议报文转换为5G通信协议报文，发送给工业控制网关。

一些示例性实施例中，工业控制网关将解析5G通信协议报文得到所述现场总线协议报文后，进一步转换为工业以太网协议报文后发送给控制器，以实现控制响应数据的上报或采集数据的上报等。

一些示例性实施例中，所述方法还包括：

步骤113，维护所述第二从站的状态机；

步骤114，根据状态机的状态，响应来自控制器的指令。

一些示例性实施例中，所述步骤113包括：至少根据以下方式之一设置所述第二从站的状态机：

所述第二从站启动后，初始化自身的状态机为查询唤醒状态；

接收到所述工业控制网关的状态查询报文，返回状态查询响应报文后，设置所述第二从站的状态机为参数设置状态；

接收到所述工业控制网关的参数设置报文，返回参数设置响应报文后，设置所述第二从站的状态机为数据交换状态。

需要说明的是，本公开实施例中记载的实现所述工业以太网协议和所述现场总线协议之间的转换，是指协议之间的转换或封装，不限定特定的实现方式，本领域技术人员根据相关技术规范实现即可，不属于本公开实施例申请保护和限定的范围。本公开实施例中记载的实现所述现场总线协议和5G通信协议之间的转换，是指协议之间的转换或封装，不限定特定的实现方式，本领域技术人员根据相关技术规范实现即可，不属于本公开实施例申请保护和限定的范围。

还需要说明的是，本公开实施例中涉及的5G网络，可以是已有移动运营商的与普通用户共用的5G通信网络(公用网络)，还可以是工业控制系统租用移动运营商的网络资源建立的虚拟专用5G通信网络(虚拟专用网络)，还可以是工业控制系统在应用范围内自建的有限范围的私有5G通信网络(私有网络)，不限于特定方式。其中，采用公用网络的情况下，一些示例性实施例中，可以采用应用层安全方案提升通信安全性；采用虚拟专用网络的情况下，在虚拟网络层安全方案提升通信安全性；采用私有网络的情况下，则更优地实现了数据的隔离，具备更高安全性。同时，不同的5G网络方案，对应的实施成本也不同，具体实施中根据应用安全性要求和成本要求综合确定即可，不限定特定方案。

本公开实施例还提供一种控制方法，应用于工业控制系统，包括：

1、工业控制网关的第一从站模块接收来自控制器的配置数据，配置数据指示主站模块周期性地向被管控的第二从站发送管控报文；

2、工业控制网关的主站模块对每一个被管控的第二从站均维护独立的状态机，初始化各第二从站的状态机处于“查询唤醒”状态；各第二从站均初始化自身的状态机处于“查询唤醒”状态；

3、工业控制网关的主站模块统一采用广播方式发送5G广播报文或流水线方式发送5G非广播报文进行第二从站的状态查询；

4、各第二从站接收到状态查询报文，回复自身当前节点状态、ID号及站地址，即回复状态查询响应报文；其中，各第二从站保留传统的站地址设置功能，方便现场人员调试应用；

5、同一传输周期，多个第二从站的状态查询响应报文在5G网络中并发传输，工业控制网关的第一5G通信模块接收多个第二从站的查询响应报文；

6、工业控制网关的主站模块根据接收到的查询响应报文，设置对应第二从站的状态机；设置已经回复的第二从站进入“参数设置”状态，未回复的第二从站仍保留在“查询唤醒”状态；回复查询响应报文后，各第二从站也分别设置自身的状态机进入“参数设置”状态；

7、工业控制网关的主站模块处理完各第二从站状态机后，进入“自由时间”阶段，持续监听是否还有第二从站回复数据，如果有第二从站回复数据就处理对应第二从站状态机，否则一直等待着报文发送周期时间的到达；

8、报文发送周期时间到达，工业控制网关的主站模块根据各第二从站状态机的实际情况把需要发给各第二从站的数据打包成一个5G广播数据帧，通过5G网络广播发送出去；或者，把需要发给各第二从站的数据分别打包为5G非广播数据帧，通过5G网络分别发送给各第二从站。如果数据帧长度超过5G数据帧的最大报文传输长度，则进行分包传输处理；

9、已经处于“参数设置”状态的各第二从站在接收到来自工业控制网关的参数设置报文后，经过程序处理参数设置后回复当前节点状态及站地址，即返回参数设置响应报文。仍处于“查询唤醒”的各第二从站在接收到来自控制网关的参数设置报文后，也回复当前节点状态、ID号及站地址，即返回状态查询响应报文。返回参数设置响应报文后，第二从站状态机进入“数据交换”状态；

10、工业控制网关的主站模块收到多个第二从站的回复数据后，立即维护各从站对应的状态机。为“参数设置”状态的第二从站状态机在收到正确参数设置响应报文后进入“数据交换”状态，为“查询唤醒”状态的第二从站状态机在收到正确状态查询响应报文后进入“参数设置”状态。主站模块处理完各第二从站状态机后，进入“自由时间”阶段，持续监听是否还有第二从站回复数据，如果有第二从站回复数据就处理对应第二从站状态机，否则一直等待着报文发送周期时间的到达。

11、报文发送周期时间到达，工业控制网关的主站模块根据各第二从站状态机的实际情况把需要发给各第二从站的数据打包成一个5G广播数据帧，通过5G网络广播出去；或者，把需要发给各第二从站的数据分别打包为5G非广播数据帧，通过5G网络分别发送给各第二从站。如果数据帧长度超过5G数据帧的最大报文传输长度，则进行分包传输处理。其中主站模块对已经为“数据交换”状态的第二从站下发的报文为控制数据报文。

12、已经处于“数据交换”状态的各第二从站在接收到来自工业控制网关的控制数据报文后：输出类设备通过程序执行后续动作(比如打开控制开关等)，并回复当前节点状态及站地址；输入类设备(采集类设备)通过程序把当前采集到的现场数据(比如温度、压力值及开关状态值等)上传给工业控制网关，并在报文中包含当前节点状态及站地址。处于“查询唤醒”和“参数设置”状态的第二从站回复当前节点状态及站地址。

13、第二从站一旦处于“数据交换”状态后，工业控制网关和第二从站间通过5G网络保持长连接状态，以便双方周期进行控制命令及过程数据的来回交互。

14、当第二从站诊断到本站有严重故障并上报了节点状态后，主站模块根据事先配置好的处理策略可以复位第二从站状态机，与第二从站重新建立通信。

一些示例性实施例中，根据步骤1中控制器下发的配置数据，在需要控制网关上报被控制设备(现场仪表)的现场数据的情况下，步骤12之后还包括：

步骤15、工业控制网关的第一从站模块将被控制设备的上报数据上报给控制器。

可以看到，本公开实施例提供的工业控制系统，利用5G网络的速率高、时延低、可靠性高的特点，引入具有5G通信能力的工业控制网关，提出了新的工业控制系统的控制网络架构，在整体的系统环境适应、节省布线成本、灵活组网、生产线重构等方面相比于当前有线传输的工业控制网络架构具有显著优势。一些示例性实施例中，提出的5G通信冗余方案，能够进一步增强控制信号无线传输的可靠性。

本公开实施例还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一实施例中所述的控制方法。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种工业控制网关，应用于工业控制系统，其特征在于，包括，

第一从站模块、主站模块、第一无线转换模块和第一5G通信模块；

其中，所述第一从站模块设置为，作为从站采用工业以太网协议与所述工业控制系统中的控制器进行交互；

所述主站模块设置为，实现所述工业以太网协议和所述现场总线协议之间的转换；还设置为作为主站采用现场总线协议与所述工业控制系统中的被控制设备进行交互；

所述第一无线转换模块设置为，实现所述现场总线协议和5G通信协议之间的转换；

所述第一5G通信模块设置为，发送或接收5G通信协议报文。

2.如权利要求1所述的工业控制网关，其特征在于，

所述主站模块设置为，作为主站采用所述5G通信协议报文承载现场总线协议报文与所述工业控制系统中的被控制设备进行交互；

或者，

所述主站模块设置为，作为主站采用所述5G通信协议报文承载现场总线协议报文与所述工业控制系统中第二从站进行交互，以控制所述工业控制系统中的被控制设备。

3.如权利要求2所述的工业控制网关，其特征在于，

所述主站模块包括第一状态机管理单元；

所述第一状态机管理单元设置为，维护所述工业控制系统中各第二从站的状态机和/或各被控制设备的状态机；

所述主站模块还设置为，根据第二从站和/或被控制设备的状态机的状态，采用5G广播报文承载将要发送给全部被控制设备的现场总线协议报文；所述5G广播报文通过广播方式发送给各第二从站和/或被控制设备；

或者，

所述主站模块还设置为，根据第二从站和/或被控制设备的状态机的状态，采用5G非广播报文分别承载将要发送给各被控制设备的总线协议报文；所述5G非广播报文通过流水线方式分别发送给对应的各第二从站和/或被控制设备。

4.如权利要求3所述的工业控制网关，其特征在于，

所述第一状态机管理单元设置为，至少根据以下方式之一设置各第二从站的状态机：

所述控制网关启动后，初始化各第二从站的状态机为查询唤醒状态；

接收到第二从站的状态查询响应报文后，设置所述第二从站的状态机为参数设置状态；

接收到第二从站的参数设置响应报文后，设置所述第二从站的状态机为数据交换状态。

5.如权利要求1-4任一项所述的工业控制网关，其特征在于，

所述第一5G通信模块包括一套5G模组和天线，所述第一5G通信模块设置为通过所述5G模组和天线连接第一5G网络收发所述5G通信协议报文；

或者，

所述第一5G通信模块包括两套5G模组和天线，所述第一5G通信模块设置为通过一套5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，通过另一套5G模组和天线连接第二5G网络收发5G通信协议报文；

或者，

所述第一5G通信模块包括一套5G模组和天线，所述第一5G通信模块设置为通过所述5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，还通过所述5G模组和天线连接第二5G网络收发5G通信协议报文；

或者，

所述第一5G通信模块包括两套5G模组和天线，所述第一5G通信模块设置为通过一套5G模组和天线连接第一5G网络收发5G通信协议报文，通过另一套5G模组和天线也连接第一5G网络收发5G通信协议报文。

6.一种工业控制系统，其特征在于，包括，

控制器、如权利要求1-5任一项所述的工业控制网关和被控制设备；

其中，所述控制器设置为通过所述工业控制网关与所述被控制设备进行交互以实现对所述被控制设备的控制。

7.如权利要求6所述的工业控制系统，其特征在于，

所述系统还包括：第二从站；

所述控制器设置为，通过所述工业控制网关与所述第二从站进行交互以实现对所述被控制设备的控制；

所述第二从站包括：第二无线转换模块、通用输入输出IO模块和第二5G通信模块；

所述第二无线转换模块设置为，实现5G通信协议和现场总线协议之间的转换；还设置为采用所述现场总线协议，通过所述通用IO模块与所述被控制设备通信；

所述第二5G通信模块设置为，发送或接收5G通信协议报文。

8.一种控制方法，应用于工业控制系统，其特征在于，包括，

作为从站采用工业以太网协议与所述工业控制系统中的控制器进行通信，接收和/或发送承载了交互指令的工业以太网协议报文；

作为主站进行所述工业以太网协议报文和现场总线协议报文之间的转换；还进行所述现场总线协议报文和5G通信协议报文之间的转换；

与所述工业控制系统中的第二从站或所述工业控制系统中的被控制设备进行5G通信协议报文的发送和/或接收，以控制所述被控制设备。

9.一种控制方法，应用于工业控制系统，其特征在于，包括，

接收和/或发送5G通信协议报文，进行所述5G通信协议报文和现场总线协议报文之间的转换；

根据所述现场总线协议报文，采用现场总线协议通过通用IO模块与所述工业控制系统中被控制设备通信，实现对所述被控制设备的控制。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求8或9所述的方法。

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