CN114095314A - 一种基于5g/tsn技术的工业互联网网关 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于5G/TSN技术的工业互联网网关，包括电源模块，网络处理器模块，以及与网络处理器模块连接的时保安全模块、5G终端模块、通用接口模块和存储模块；时保安全模块与5G终端模块相连接；网络处理器模块具有用于连接工业设备的TSN以太网口；TSN以太网口以及通用接口模块均用于连接工业设备；网络处理器模块用于将各类工业控制协议解析成统一的通用以太网数据格式，以及用于将统一的通用以太网数据格式封装为各类工业控制协议；5G终端模块用于接入5G基站，实现5G无线空口回传。本发明将5G技术成功应用于工业制造领域中，实现了工业互联网网关与工业云平台之间的5G无线空口回传。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信系统技术领域，具体而言，涉及一种基于5G/TSN技术的工业互联网网关。
背景技术
5G技术是新一代移动通信系统，5G与工业融合之后，逐步成为支撑工业生产的基础设施。随着推动5G在垂直行业中的广泛应用，实现智能制造、工业互联网的发展以及5G未来的协议版本(R17以及以后的版本)对uRLLC以及mMTC的深度支持，未来逐步需要将IT与OT进行融合，能解决这一融合问题的就是TSN网络。
针对TSN工业互联网网关的相关技术如下：
公开号为CN112787806A的中国发明专利公开了一种基于IBE的工业互联网终端通用安全服务系统，包括工业互联网终端设备层、接入网关层和管控服务层构成。工业互联网终端设备层负责采集工业数据；接入网关层是工业互联网网关；管控服务层，响应网关设备请求。此专利将复杂的加解密运算交给网关代理和IBE XKMS服务，大大减轻了资源受限终端设备的计算压力。但是，它不能实现工业互联网网关与工业云平台之间的5G无线空口回传。
公开号为CN113259422A的中国发明专利公开了一种基于TSN网络标准的智能传感装置，它包括传感器单元，用于接收模拟量；ADC模块，其用于将模拟量转换为数字信号；采样数据预处理模块，针对采集数据进行滤波等数据的预处理；控制单元模块，其能够进行实时控制操作；基于TSN(时间敏感网络)，通过智能传感装置可以广泛用于实现需要高速且实时地对众多的信号的采集和向上位机信息处理系统的传送。此专利可适用于工业领域中，助力工业互联网在制造业中的运用及智能制造。但是，它不能实现工业互联网网关与工业云平台之间的5G无线空口回传。
综上所述，关于基于5G/TSN技术的工业互联网网关，公开号为CN112787806A和CN113259422A的中国发明专利都不能实现工业互联网关与工业云之间的5G无线空口回传。
发明内容
本发明旨在提供一种基于5G/TSN技术的工业互联网网关，以解决现有技术中不能实现工业互联网关与工业云之间的5G无线空口回传的问题。
本发明提供的一种基于5G/TSN技术的工业互联网网关，包括电源模块，网络处理器模块，以及与网络处理器模块连接的时保安全模块、5G终端模块、通用接口模块和存储模块；所述时保安全模块与5G终端模块相连接；
所述电源模块用于工业互联网网关供电；
所述时保安全模块用于在时钟不稳或时钟掉线时为网络处理器模块和5G终端模块提供稳定的参考时钟；
所述网络处理器模块具有用于连接工业设备的TSN以太网口；所述TSN以太网口以及通用接口模块均用于连接工业设备；
所述网络处理器模块用于将各类工业控制协议解析成统一的通用以太网数据格式，以及用于将统一的通用以太网数据格式封装为各类工业控制协议；
所述存储模块用于储存网络处理器模块产生的实时数据；
所述5G终端模块用于接入5G基站，实现5G无线回传
可选的，所述时保安全模块采用单独的时钟保持模块实现时钟保持功能。
可选的，所述5G终端模块具有天线，所述5G终端模块通过所述天线接入5G基站，实现5G无线空口。
可选的，所述通用接口模块包括RS485接口和PLC接口。
可选的，所述TSN以太网口为TSN千兆以太网口。
进一步的，所述基于5G/TSN技术的工业互联网网关的工作方法，包括：
(1)工业现场数据通过工业互联网网关上传到工业互联网：
S11，工业设备的状态参数通过通用接口模块或TSN以太网口传输到网络处理器模块；
S12，网络处理器模块将工业设备的状态参数解析成统一的通用以太网数据格式，并将解析后的工业设备的状态参数传输至5G终端模块；
S13，5G终端模块将解析后的工业设备的状态参数按照5G协议封装后辐射到5G无线空口上；
S14，5G基站接收到5G终端模块辐射的信号后，按照5G协议解析出工业设备的状态参数，并将解析出的工业设备的状态参数发送到工业互联网上；
(2)工业互联网下达任务命令到工业设备去执行：
S21，操作人员在操控设备的界面上下达任务指令，该任务指令会传输至5G基站；5G基站对任务指令按照5G协议封装后辐射到5G无线空口上；
S22，5G终端模块接收到5G基站辐射的信号后，按照5G协议解析出任务指令，并将解析出的任务指令传输至网络处理器模块；
S23，网络处理器模块将任务指令按照工业设备的工业控制协议进行封装，并将封装后的任务指令通过通用接口模块或TSN以太网口下达至工业设备。
进一步的，步骤S13中5G终端模块将解析后的工业设备的状态参数按照5G协议封装后，还要将封装后的工业设备的状态参数先通过DAC转换成模拟信号，再将模拟信号经过变频到无线射频频段并加以功率放大后，再辐射到5G无线空口上。
进一步的，步骤S21中5G基站对任务指令按照5G协议封装后，对封装后的任务指令先通过DAC转换成模拟信号，再经过射频FEM前端放大后，再辐射到5G无线空口上。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、相比于现有技术，本发明将5G技术成功应用于工业制造领域中，实现了工业互联网网关与工业云平台之间的5G无线空口回传，将5G作为工业互联网网关与工业云平台之间的无线管道，这样工业互联网网关可以自由布局，不受有线束缚；
2、相比于现有技术，本发明解决了当前众多实时以太网工业协议与5G协议之间的相互解析与转换；
3、相比于现有技术，本发明实现了IT与OT的深度融合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
图1为本发明实施例的基于5G/TSN技术的工业互联网网关的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种基于5G/TSN技术的工业互联网网关，包括电源模块，网络处理器模块，以及与网络处理器模块连接的时保安全模块、5G终端模块、通用接口模块和存储模块；所述时保安全模块与5G终端模块相连接；
所述电源模块用于工业互联网网关供电；
所述时保安全模块采用单独的时钟保持模块实现时钟保持功能，用于在时钟不稳或时钟掉线时为网络处理器模块和5G终端模块提供稳定的参考时钟，直至时钟恢复；
所述网络处理器模块具有用于连接工业设备的TSN以太网口；所述TSN以太网口以及通用接口模块均用于连接工业设备；可选地，所述TSN以太网口为TSN千兆以太网口；
所述网络处理器模块用于将各类工业控制协议(Modbus、EtherNet/IP、PowerLink、ProfiNet、EtherCAT)解析成统一的通用以太网数据格式，方便5G移动通信传输数据，以及用于将统一的通用以太网数据格式封装为各类工业控制协议；
所述存储模块用于储存网络处理器模块产生的实时数据；
所述5G终端模块用于接入5G基站，实现5G无线回传。一般地，所述5G终端模块具有天线，所述5G终端模块是通过所述天线接入5G基站，实现5G无线回传。
所述基于5G/TSN技术的工业互联网网关的具体实施步骤如下：
第一步，所述电源模块产生整个工业互联网网关所需要的供电电压，包括+5V、+3.3V、+1.8V、+1.5V、+1.0V等；并给所述时保安全模块、5G终端模块、通用接口模块、网络处理器模块和存储模块供电。确保各个模块都能正常上电工作。
第二步，所述5G终端模块在正常业务模式下，正常接入5G基站gNB的时候，会输出参考钟。所述5G终端模块的参考钟输出端口对接所述时保安全模块的时钟参考输入端口。所述时保安全模块会根据这个参考钟作为参考，进行时钟去jitter(消除时钟误差)后，重新锁定，并保持这个重新锁定的频率与参考时钟同相位，同源。另外，所述5G终端模块的高速serdes接口SGMII输出端口对接所述网络处理器模块的SGMII输入端口，所述5G终端模块的高速serdes接口PCIE GEN3输出端口对接所述网络处理器模块的PCIE GEN3输入端口。高速serdes接口SGMII与PCIE GEN3主要负责所述5G终端模块与所述网络处理器模块之间的业务数据的可靠性传输。
第三步，所述时保安全模块的参考时钟也可以从所述网络处理器模块中获取，时保安全模块重新锁定后的时钟保证与所述网络处理器模块的参考时钟同相位，同源。所述时保安全模块在现网时钟不稳或者时钟质量出问题时，可以作为一个备份，应急启动给网络处理器模块提供高精准的参考时钟。所述时保安全模块的CLK输出端口对接所述网络处理器模块的时钟输入端口。
第四步，所述网络处理器模块的SGMII输出端口对接通用接口模块的SGMII输入端口，此SGMII接口主要负责所述网络处理器模块将操作人员的任务指令通过这个SGMII接口传输到所述通用接口模块里。所述网络处理器模块的TSN千兆以太网口对接下游现场工业设备的输入千兆网口。TSN千兆以太网口具备有TSN SWITCH功能，除了数据以外还有时钟信息在里面，有了TSN功能，各个千兆网口可以通过消息的发送就能实现时钟上的同相位，同源，易于实现整个工业互联网网关的时钟同步。所述存储器主要负责存储网络处理器模块产生的实时数据。
第五步，所述通用接口模块的RS485接口对接现场工业设备的RS485总线，所述通用接口模块的PLC接口对接现场工业设备的PLC。
由此，所述基于5G/TSN技术的工业互联网网关的工作方法，包括：
(1)工业现场数据通过工业互联网网关上传到工业互联网：
S11，工业设备的状态参数通过通用接口模块或TSN以太网口传输到网络处理器模块；例如，带RS485/PLC的工业设备(包括工业车床、工业机械臂)的状态参数通过通用接口模块传输到网络处理器模块；带TSN千兆以太网口的工业设备(工业摄像头)的状态参数通过TSN以太网口传输到网络处理器模块；
S12，网络处理器模块将工业设备的状态参数解析成统一的通用以太网数据格式，并将解析后的工业设备的状态参数通过高速接口(SGMII/PCIE GEN3)传输至5G终端模块；
S13，5G终端模块将解析后的工业设备的状态参数按照5G协议封装后，将封装后的工业设备的状态参数先通过DAC转换成模拟信号，再将模拟信号经过变频到无线射频频段并加以功率放大后，再辐射到5G无线空口上；
S14，5G基站接收到5G终端模块辐射的信号后，按照5G协议解析出工业设备的状态参数，并将解析出的工业设备的状态参数发送到工业互联网上；这样一来就实现了现场工业设备的状态参数存在工业互联网上，任何一台只要有权限接入工业互联网的操控设备都能看到现场工业设备的状态参数，从而实现了对现场工业设备状态的实时监控与监测。
(2)工业互联网下达任务命令到工业设备去执行：
S21，操作人员在操控设备的界面上下达任务指令(包括车床下一步工作，机械臂的下一个动作等)，该任务指令会传输至5G基站；5G基站将任务指令下变频到基带，再对任务指令按照5G协议封装后，对封装后的任务指令先通过DAC转换成模拟信号，再经过射频FEM前端放大后，再辐射到5G无线空口上；
S22，5G终端模块接收到5G基站辐射的信号后，按照5G协议解析出任务指令，并将解析出的任务指令传输至网络处理器模块；
S23，网络处理器模块将任务指令按照工业设备的工业控制协议进行封装(组包、封包处理)，并将封装后的任务指令通过通用接口模块或TSN以太网口下达至工业设备，从而控制现场工业设备的下一个动作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于5G/TSN技术的工业互联网网关，其特征在于，包括电源模块，网络处理器模块，以及与网络处理器模块连接的时保安全模块、5G终端模块、通用接口模块和存储模块；所述时保安全模块与5G终端模块相连接；
所述电源模块用于工业互联网网关供电；
所述时保安全模块用于在时钟不稳或时钟掉线时为网络处理器模块和5G终端模块提供稳定的参考时钟；
所述网络处理器模块具有用于连接工业设备的TSN以太网口；所述TSN以太网口以及通用接口模块均用于连接工业设备；
所述网络处理器模块用于将各类工业控制协议解析成统一的通用以太网数据格式，以及用于将统一的通用以太网数据格式封装为各类工业控制协议；
所述存储模块用于储存网络处理器模块产生的实时数据；
所述5G终端模块用于接入5G基站，实现5G无线回传。
2.根据权利要求1所述的基于5G/TSN技术的工业互联网网关，其特征在于，所述时保安全模块采用单独的时钟保持模块实现时钟保持功能。
3.根据权利要求1所述的基于5G/TSN技术的工业互联网网关，其特征在于，所述5G终端模块具有天线，所述5G终端模块通过所述天线接入5G基站，实现5G无线回传。
4.根据权利要求1所述的基于5G/TSN技术的工业互联网网关，其特征在于，所述通用接口模块包括RS485接口和PLC接口。
5.根据权利要求1所述的基于5G/TSN技术的工业互联网网关，其特征在于，所述TSN以太网口为TSN千兆以太网口。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于5G/TSN技术的工业互联网网关的工作方法，其特征在于，包括：
(1)工业现场数据通过工业互联网网关上传到工业互联网：
S11，工业设备的状态参数通过通用接口模块或TSN以太网口传输到网络处理器模块；
S12，网络处理器模块将工业设备的状态参数解析成统一的通用以太网数据格式，并将解析后的工业设备的状态参数传输至5G终端模块；
S13，5G终端模块将解析后的工业设备的状态参数按照5G协议封装后辐射到5G无线空口上；
S14，5G基站接收到5G终端模块辐射的信号后，按照5G协议解析出工业设备的状态参数，并将解析出的工业设备的状态参数发送到工业互联网上；
(2)工业互联网下达任务命令到工业设备去执行：
S21，操作人员在操控设备的界面上下达任务指令，该任务指令会传输至5G基站；5G基站对任务指令按照5G协议封装后辐射到5G无线空口上；
S22，5G终端模块接收到5G基站辐射的信号后，按照5G协议解析出任务指令，并将解析出的任务指令传输至网络处理器模块；
S23，网络处理器模块将任务指令按照工业设备的工业控制协议进行封装，并将封装后的任务指令通过通用接口模块或TSN以太网口下达至工业设备。
7.根据权利要求6所述的基于5G/TSN技术的工业互联网网关的工作方法，其特征在于，步骤S13中5G终端模块将解析后的工业设备的状态参数按照5G协议封装后，还要将封装后的工业设备的状态参数先通过DAC转换成模拟信号，再将模拟信号经过变频到无线射频频段并加以功率放大后，再辐射到5G无线空口上。
8.根据权利要求6所述的基于5G/TSN技术的工业互联网网关的工作方法，其特征在于，步骤S21中5G基站对任务指令按照5G协议封装后，对封装后的任务指令先通过DAC转换成模拟信号，再经过射频FEM前端放大后，再辐射到5G无线空口上。
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