CN113759815A - 一种基于边缘计算的互联工厂iotplc处理平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，属于工业云平台控制器技术领域，包括边缘PLC，所述边缘PLC输入端与传感器&执行器的输出端的电性连接，所述边缘PLC的输出端与云平台/MES的输入端通讯连接，所述边缘PLC用于通过云平台/MES协同远程工业云平台实现智能产线控制，所述传感器&执行器用于执行远程工业云平台产线控制操作。本发明中，通过将边缘控制器对PLC控制器、网关，I/O数据采集、现场总线协议、设备联网多领域功能集成于一体，能够承担与IT系统的开放式交互，同时通过相应的开放式物联网编程平台实现对PLC运行时可视化编写PLC程序，进而实现对LOTPLC处理平台的工业现场端的边缘计算处理能力，满足使用需要。
Description
技术领域
本发明属于工业云平台控制器技术领域，尤其涉及一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台。
背景技术
边缘计算作为云计算的一项重要补充，在构建互联工厂中的作用正越来越受到重视。边缘计算实现了数据在网络边缘侧的分析、处理与储存，不仅减少了对云端依赖，也提高了数据的安全性。不管是因为云计算本身，还是网络传输受限，或者是担心数据安全，边缘计算是时下构建智能化工厂过程中必须优先考虑的内容之一。
传统plc数据上传，边缘计算都需要增加智能网关，通过与PLC的接口进行数据交互，为了实现这种方式，可能需要通过硬件配置来建立连接通道，然后再由用户自己编程进行收发，要想顺利完成这种通讯和调试，需要了解计算机编程以及PLC编程调试的人员。在调试完毕后，增加或改变相应控制变量，需要进行整体重构修改，比较复杂，PLC提供不需要编程的外部访问协议，比如，OPC-UA、MODBUS TCP等：OPC-UA要购买授权，MODBUS TCP也需要在PLC里进行编程、配置，向下兼容性能不足，因此需要对其进行调整，同时，工业自动化领域的控制器对于工业应用场景要求非常高，在接收到外部信号后需要立即进行处理并输出信号，通常使用PLC中断子程序来进行处理，而要求不是很高的场景通常使用指定的周期进行循环即可：读取I/O信号->进行逻辑处理->输出I/O信号，传统控制器，缺乏对硬实时的支持能力，影响到工业场景的应用适配，2015年北京工业职业技术学院重点科研课题(BGZYKYZ201502)；2020北京工业职业技术学院“双高计划”技术技能创新服务平台对上述问题进行了深入研究，提出的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决通过与PLC的接口进行数据交互，为了实现这种方式，可能需要通过硬件配置来建立连接通道，然后再由用户自己编程进行收发，要想顺利完成这种通讯和调试，需要了解计算机编程以及PLC编程调试的人员的问题，而提出的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，包括边缘PLC，所述边缘PLC输入端与传感器&执行器的输出端的电性连接，所述边缘PLC的输出端与云平台/MES的输入端通讯连接，所述边缘PLC用于通过云平台/MES协同远程工业云平台实现智能产线控制，所述传感器&执行器用于执行远程工业云平台产线控制操作，所述云平台/MES输入端与系统实时性调控单元输入端电性连接；
所述云平台/MES包括控制边缘PLC的TI平台和OT平台，所述IT平台输出端和数据处理模块输入端、编辑器模块输入端、运动控制模块输入端相连接，所述IT平台用于通过软件平台编程控制实现对边缘PLC软硬件的控制，所述数据处理模块用于处理树莓派单元本地数据，所述数据处理模块输出端与传感器&执行器输入端相连接，所述编辑器模块用于运行时编写PLC程序，所述运动控制模块用于控制相应硬件传动操作，所述OT平台输出端与开放式物联网编程平台输入端、本地嵌入式数据库、第一通信接口输入端和第二通信接口输入端相连接，所述OT平台用于服务基于开放式OT平台的硬件，所述开放式物联网变成平台用于通过Web端控制物联网边缘PLC，所述本地嵌入式数据库用于服务数据库进行数据支撑，所述第一通信接口输入端和第二通信接口输入端均用于进行数据输入输出端。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述边缘PCL为与传感器&执行器通信连接的树莓派单元。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第一通信接口和第二通信接口分别为OPC-UA和MQTT协议通信接口。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述系统实时性调控单元包括循环周期校准模块，所述循环周期校准模块输入端与执行模块输出端电性连接，所述循环周期校准模块输出端分别与IT平台和OT平台输入端电性连接，所述循环周期校准模块输入端与循环周期调整模块输出端电性连接，所述循环周期调整模块输入端与硬实时模块和软实时模块输出端电性连接，所述循环周期校准模块用于控制边缘PLC在规定时间内的响应能力，所述循环周期调整模块用于通过硬实时模块和软实时模块提高校准调控能力，所述执行模块用于提高执行PLC控制命令。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述硬实时模块为严格控制确定性，所述软实时模块为允许延迟控制确定性。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述开放式物联网编程平台为Node-RED平台用以实现控制器的开放性增强。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述边缘PLC包括树莓派单元集成PREEMPT-RT实时内核补丁，且最大响应延迟小于120US。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述边缘PLC最大延迟通过cyclictest工具在边缘PLC处理器满负荷情况下测定。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，通过将边缘控制器对PLC控制器、网关，I/O数据采集、现场总线协议、设备联网多领域功能集成于一体，同时实现设备数据采集、运算和与云端相连，以及在边缘侧协同远程工业云平台实现智能产线控制等，兼具数据处理和逻辑控制，两种任务同时进行同时互不干扰，并且通过高速处理工业现场OT数据，同时能够承担与IT系统的开放式交互，并且具有一定的运算能力可以对大量的工业现场OT数据进行预处理，仅仅交付云平台需要的数据，而不是所有的数据处理功能都在云平台上完成，同时通过在树莓派单元集成实时内核补丁，将树莓派上标准的控制最差的响应延时控制在确定的120us以内，并且通过系统实时性调控单元实现对数据的软硬调控处理，同时通过相应的开放式物联网编程平台实现对PLC运行时可视化编写PLC程序，进而实现对LOTPLC处理平台的工业现场端的边缘计算处理能力，满足使用需要。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台的系统逻辑结构图；
图2为本发明提出的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台的系统框图；
图3为本发明提出的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台的系统实时性调控单元系统框图。
图例说明：
1、边缘PLC；2、传感器&执行器；3、云平台/MES；301、运动控制模块；302、编辑器模块；303、数据处理模块；304、IT平台；305、OT平台；306、开放式物联网编程平台；307、本地嵌入式数据库；308、第一通信接口；309、第二通信接口；4、系统实时性调控单元；401、循环周期校准模块；402、执行模块；403、循环周期调整模块；404、硬实时模块；405、软实时模块。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，包括边缘PLC1，所述边缘PLC1输入端与传感器&执行器2的输出端的电性连接，所述边缘PLC1的输出端与云平台/MES3的输入端通讯连接，所述边缘PLC1用于通过云平台/MES3协同远程工业云平台实现智能产线控制，所述传感器&执行器2用于执行远程工业云平台产线控制操作，所述云平台/MES3输入端与系统实时性调控单元4输入端电性连接；
所述云平台/MES3包括控制边缘PLC1的TI平台和OT平台305，所述IT平台304输出端和数据处理模块303输入端、编辑器模块302输入端、运动控制模块301输入端相连接，所述IT平台304用于通过软件平台编程控制实现对边缘PLC1软硬件的控制，所述数据处理模块303用于处理树莓派单元本地数据，所述数据处理模块303输出端与传感器&执行器2输入端相连接，所述编辑器模块302用于运行时编写PLC程序，所述运动控制模块301用于控制相应硬件传动操作，所述OT平台305输出端与开放式物联网编程平台306输入端、本地嵌入式数据库307、第一通信接口308输入端和第二通信接口309输入端相连接，所述OT平台305用于服务基于开放式OT平台305的硬件，所述开放式物联网变成平台用于通过Web端控制物联网边缘PLC1，所述本地嵌入式数据库307用于服务数据库进行数据支撑，所述第一通信接口308输入端和第二通信接口309输入端均用于进行数据输入输出端。
所述边缘PCL为与传感器&执行器2通信连接的树莓派单元，进一步的，基于树莓派Zero核心板应用于工业场景的软硬件优劣势，集成了实现边缘计算PLC的软件平台IEC61131-3标准Openplc Editor与开放式物联网开发平台Node-RED，其中开放式物联网开发平台，标准的Openplc Editor编程工具，可让您为OpenPLC运行时编写PLC程序。这些程序是根据IEC 61131-3标准编写的，该编辑器使用起来非常简单，并支持标准中定义的所有五种语言：梯形图(LD)、功能块图(FBD)、指令列表(IL)、结构化文本(ST)和顺序功能图(SFC)与实时多任务架构，同时支持丰富的调试手段与功能(在线变量实时监控、包括强制、软件示波器、断点与单步调试等等功能)，LogicLab编程工具可以进行OEM贴牌以及进行二次扩展开发进行开放式定制，另外也支持Modbus、CANopen、EtherCAT等现场总线，HMI与运动控制等等解决方案，所述开放式物联网编程平台306为Node-RED平台用以实现控制器的开放性增强，面向工业物联网应用，Node-RED平台将进一步增强控制器的开放性，提升数据处理与通讯能力。Node-RED是由IBM主导的开源物联网开发平台，基于Node.JS开发。使用Web浏览器就可以对数据流进行拖拽式组态、参数设定、程序加密、调试与下载等等，大大缩减了开发周期；
所述第一通信接口308和第二通信接口309分别为OPC-UA和MQTT协议通信接口；
某新建雨水处理泵站，多台雨水泵，污水泵与启闭机的控制，水位监控，实现了雨水泵污水泵等设备的联动控制与轮换控制，同时将现场各个设备的运转信息及传感器的信息传到云平台，实现了无人值守的功能，与传统PLC控制相比造价更低，编程更加方便。
实施例2
一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，包括边缘PLC1，所述边缘PLC1输入端与传感器&执行器2的输出端的电性连接，所述边缘PLC1的输出端与云平台/MES3的输入端通讯连接，所述边缘PLC1用于通过云平台/MES3协同远程工业云平台实现智能产线控制，所述传感器&执行器2用于执行远程工业云平台产线控制操作，所述云平台/MES3输入端与系统实时性调控单元4输入端电性连接；
某大棚自动化控制改造，电磁阀、水泵、风机、卷帘等设备的自动控制和远程，空气温湿度和土壤氮磷钾等环境参数的监测，实时数据上传。对于大棚控制实时度没有工业场景要求那么高，同时大棚控制要求的改造成本很低
为了实现上述目标，除了强大的数据处理能力，大容量的存储器等等硬件支持以外，在软件上需要同时支持开放式OT与IT平台304，例如：IEC61131-3编程、PLCopen MC运动控制、EtherCAT、CANopen、Modbus等等传统OT技术，开放式物联网编程平台306Node-RED、本地嵌入式数据库307、OPC-UA、MQTT等等IT技术
所述系统实时性调控单元4包括循环周期校准模块401，所述循环周期校准模块401输入端与执行模块402输出端电性连接，所述循环周期校准模块401输出端分别与IT平台304和OT平台305输入端电性连接，所述循环周期校准模块401输入端与循环周期调整模块403输出端电性连接，所述循环周期调整模块403输入端与硬实时模块404和软实时模块405输出端电性连接，所述循环周期校准模块401用于控制边缘PLC1在规定时间内的响应能力，所述循环周期调整模块403用于通过硬实时模块404和软实时模块405提高校准调控能力，所述执行模块402用于提高执行PLC控制命令，其中，对于开发工业控制器要选择稳定可靠的实时操作系统(RTOS)构建工业控制器的基础平台，除非是现场的实际应用需求只有软实时的要求，系统实时性出现问题不会造成重大的现场问题，例如：智能楼宇商用应用场合，灯光、风机、空调开关偶然性慢一点虽然最好能够及时响应，但是偶然超出设计指标也不会造成什么问题，那么这种场合下软实时符合要求；
具体的，所述硬实时模块404为严格控制确定性，无论是触发外部信号中断立即执行PLC程序逻辑，还是精确定时从而可以达到精确的1-200ms循环周期执行PLC程序逻辑，涉及树莓派的Linux操作系统实时性就是非常关键的因素，而实时性与操作系统的定时精度、中断响应时间、任务切换时间等等因素的确定性都息息相关，相关因素的时间需要具有严格确定性才可以称之为硬实时，所述软实时模块405为允许延迟控制确定性，所述边缘PLC1包括树莓派单元集成PREEMPT-RT实时内核补丁，且最大响应延迟小于120US，其中，树莓派支持的传统的Linux系统Raspbian是没有任何硬实时的支持，因此将树莓派Zero核心板用于实现工业控制器时，一定需要对标准的Linux其进行升级改造才能提高其实时性。因此这里我们对标准的树莓派Linux系统进行了升级改造，集成Linux的PREEMPT-RT实时内核补丁，将树莓派上标准的控制最差的响应延时从不确定的>200us(通常在200-500us，但是随着处理器负荷提高，偶发性的响应延迟将达到ms级别以上)控制在确定的<120us以内，所述边缘PLC1最大延迟通过cyclictest工具在边缘PLC1处理器满负荷情况下测定；
具体的，稳定经济可靠的硬件是应对于小场景工业控制器的基础，强大的开源社区软硬件资源的支持，但是由于标准的树莓派(包括最新的树莓派3B/3B+/4B)产品硬件不是面对工业级的应用而设计，仅仅适用于实验、学习与测试，而不适合于在环境较复杂以及对可靠性要求较高的工业现场进行使用。所以我们对树莓派核心板进行了工业化处理，使其能够在工业环境下稳定运行
树莓派Zero参数如下：
处理器：Broadcom BCM2835 1Ghz ARM11内核
RAM存储器：512MB
工作温度范围：-25℃-80℃
硬件认证：
Electromagnetic Compatibility Directive(EMC)2014/30/EU
Restriction of Hazardous Substances(RoHS)Directive2011/65/EU
维护截止日期：2026年1月。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，包括边缘PLC(1)，其特征在于，所述边缘PLC(1)输入端与传感器&执行器(2)的输出端的电性连接，所述边缘PLC(1)的输出端与云平台/MES(3)的输入端通讯连接，所述边缘PLC(1)用于通过云平台/MES(3)协同远程工业云平台实现智能产线控制，所述传感器&执行器(2)用于执行远程工业云平台产线控制操作，所述云平台/MES(3)输入端与系统实时性调控单元(4)输入端电性连接；
所述云平台/MES(3)包括控制边缘PLC(1)的TI平台和OT平台(305)，所述IT平台(304)输出端和数据处理模块(303)输入端、编辑器模块(302)输入端、运动控制模块(301)输入端相连接，所述IT平台(304)用于通过软件平台编程控制实现对边缘PLC(1)软硬件的控制，所述数据处理模块(303)用于处理树莓派单元本地数据，所述数据处理模块(303)输出端与传感器&执行器(2)输入端相连接，所述编辑器模块(302)用于运行时编写PLC程序，所述运动控制模块(301)用于控制相应硬件传动操作，所述OT平台(305)输出端与开放式物联网编程平台(306)输入端、本地嵌入式数据库(307)、第一通信接口(308)输入端和第二通信接口(309)输入端相连接，所述OT平台(305)用于服务基于开放式OT平台(305)的硬件，所述开放式物联网变成平台用于通过Web端控制物联网边缘PLC(1)，所述本地嵌入式数据库(307)用于服务数据库进行数据支撑，所述第一通信接口(308)输入端和第二通信接口(309)输入端均用于进行数据输入输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，其特征在于，所述边缘PCL为与传感器&执行器(2)通信连接的树莓派单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，其特征在于，所述第一通信接口(308)和第二通信接口(309)分别为OPC-UA和MQTT协议通信接口。
4.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，其特征在于，所述系统实时性调控单元(4)包括循环周期校准模块(401)，所述循环周期校准模块(401)输入端与执行模块(402)输出端电性连接，所述循环周期校准模块(401)输出端分别与IT平台(304)和OT平台(305)输入端电性连接，所述循环周期校准模块(401)输入端与循环周期调整模块(403)输出端电性连接，所述循环周期调整模块(403)输入端与硬实时模块(404)和软实时模块(405)输出端电性连接，所述循环周期校准模块(401)用于控制边缘PLC(1)在规定时间内的响应能力，所述循环周期调整模块(403)用于通过硬实时模块(404)和软实时模块(405)提高校准调控能力，所述执行模块(402)用于提高执行PLC控制命令。
5.根据权利要求4所述的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，其特征在于，所述硬实时模块(404)为严格控制确定性，所述软实时模块(405)为允许延迟控制确定性。
6.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，其特征在于，所述开放式物联网编程平台(306)为Node-RED平台用以实现控制器的开放性增强。
7.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，其特征在于，所述边缘PLC(1)包括树莓派单元集成PREEMPT-RT实时内核补丁，且最大响应延迟小于120US。
8.根据权利要求7所述的一种基于边缘计算的互联工厂IOTPLC处理平台，其特征在于，所述边缘PLC(1)最大延迟通过cyclictest工具在边缘PLC(1)处理器满负荷情况下测定。
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