CN114200894B - 一种基于网络流量分析的plc生产线全息监控系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，包括PLC设备、MES系统、OPC服务器和数据采集服务器；MES系统与OPC服务器之间通过网络流量传输形成第一段交互数据，OPC服务器与PLC设备之间通过网络流量传输形成第二段交互数据；数据采集服务器用于采集并汇聚第一段交互数据和第二段交互数据，并将两段交互数据传输到业务流量分析服务器进行数据分析，并结合业务特征数据，以完成MES系统到PLC设备的全线监控。本发明克服了现有技术的不足，通过网络流量镜像及分析技术，可以在无损用户数据、业务不进行改造、架构不进行变更的情况下，旁路引出所有MES到PLC的业务数据并解析，同时结合PLC业务数据的特征，将MES与PLC交互的情况，以数据可视化的形式，全盘展现出来。
Description
技术领域
本发明涉及PLC生产线的监控技术领域，具体涉及一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统。
背景技术
智能生产是指以智能制造系统为核心，以智能工厂为载体，通过在工厂和企业内部、企业之间以及产品全生命周期形成以数据互联互通为特征的制造网络，实现生产过程的实时管理和优化。智能生产涵盖产品、工艺设计、工厂规划的数字设计与仿真，底层智能装备、制造单元、自动化生产线，制造执行系统，物流自动化与管理等企业管理系统等。
其中自动化生产线，制造执行系统，离不开自动化控制单元PLC。 PLC是一种选用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，履行逻辑运算、次序操控、守时、计数与算术操作等面向用户的指令，并经过数字或模拟式输入/输出操控各种类型的机械或生产过程。PLC可谓是工业自动化操控的常青树。当前，它早已完结了由经典PLC向现代PLC的蜕变，承继了高性价比、高可靠性、高易用性的特点。可以说工业自动化操控的大小场合，都离不开PLC。
当今制造业大量使用PLC设备及其相关自动化控制能力，并且将PLC与生产控制系统MES进行能力关联，使用MES系统驱动整个自动化生产线的运作，驱动PLC运转，但是这种驱动方式仅仅以数据接口和数据规范的形式暴露给MES系统的供应商，MES供应商按照规范进行数据传输即可驱动PLC运行。这种方式的最大问题存在于，PLC自身运行状态、PLC与MES交互的全流程数据追踪，都处于黑盒之中。制造业厂家仅仅只能以业务是否成功来判定MES与PLC交互是否正常，PLC自身数据处理是否正常。无法通过可视化的形式，对整个数据交互过程进行全流程追踪。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，克服了现有技术的不足，通过网络流量分析技术，结合PLC业务特点，将MES与PLC交互的情况，以数据可视化的形式，全盘展现出来。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控方法，包括PLC设备、MES系统、OPC服务器和数据采集服务器；所述MES系统与OPC服务器之间通过网络流量传输形成第一段交互数据，所述OPC服务器与PLC设备之间通过网络流量传输形成第二段交互数据；所述数据采集服务器用于采集并汇聚第一段交互数据和第二段交互数据，并将两段交互数据传输到业务流量分析服务器进行数据分析，并结合业务特征数据，以完成MES系统到PLC设备的全线监控。
优选地，所述MES系统用于将需要PLC设备执行的任务信息通过第一段交互数据发送至OPC服务器；
所述OPC服务器用于根据具体下联PLC型号进行信号转换后通过第二段交互数据发送至PLC设备，以驱动PLC设备运行；
所述PLC设备在完成任务后将数据结果依次通过第二段交互数据和第一段交互数据再次发送至MES系统进行确认。
优选地，所述数据采集服务器通过适配协议数据格式解析脚本，从第一段交互数据和第二段交互数据中获取到业务标准数据和PLC协议数据；
所述业务标准数据为MES系统发送给到OPC服务器的任务数据，所述业务标准数据包括服务器信息、业务名称、生产线名称、PLC地址块和指令名称；
所述PLC协议数据为OPC服务器发送到PLC设备的数据，所述PLC协议数据包括服务器信息、DB地址块和指令数据。
优选地，所述数据采集服务器通过网络流量镜像方式采集获取包括PLC设备、MES系统和OPC服务器的全部流量数据。
优选地，所述业务流量分析服务器包括基础数据维护模块、数据解析与关联模块和特定数据追踪模块；
所述基础数据维护模块用于对MES系统与PLC设备交互的业务数据以及其所对应的DB地址块数据进行维护；
所述数据解析与关联模块包括数据解析模块和关联展现模块，所述数据解析模块依赖基础数据以网络流量报文解析技术，完成第一段交互数据和第二段交互数据中的通用数据、特定业务数据以及协议数据的解析，完成对于MES与PLC交互的流量分析，形成数据并保存；所述关联展现模块为通过系统页面并结合逻辑，将MES与PLC交互的具体数据由黑盒状态转变成数字可视化形式进行管理展现；
所述特定数据追踪模块以PLC过程条码或者HTTP请求码为条件，筛选与条件相关的明细数据，使得使用者根据上述的PLC过程条码或者HTTP请求码，将该条码所涉及的所有业务过程进行串联归集，对MES到PLC的业务过程进行全流程的数据追踪，形成一种业务过程的可视化界面。
优选地，所述基础数据维护模块通过Excel导入MES供应商提供的业务相关数据，为数据解析以及翻译做准备。
优选地，所述数据解析与关联模块的流程包括三个层级，第一层级为PLC设备划分层用于对PLC设备划分，第二层级用于对PLC设备的DB地址进行划分，第三层级用于对DB地址的业务进行划分。
优选地，所述第一层级通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，并通过系统页面展现PLC设备的IP以及设备的名称的页面。
所述第二层级通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，并通过系统页面展现PLC设备信息的DB地址块信息的页面。
所述第三层级通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，并通过系统页面展现包括PLC设备信息、DB和DBX信息和业务名称信息的页面。
本发明提供了一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统。具备以下有益效果：在不改变企业任何业务以及部署架构的情况下，通过网络流量分析技术，结合PLC业务特点，将MES与PLC交互的情况，以数据可视化的形式，全盘展现出来，打破以往的黑盒运行模式，并创新的使用特定数据追踪技术，将单次PLC业务的定位发现追踪进行实现。改发明的运行使得制造业厂家对于PLC业务运行情况的掌握，由黑盒模式提升至数据可视化层面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1 本发明中的 MES与PLC的完整交互过程原理图；
图2 本发明中整体数据全流程关联原理图；
图3 本发明中对MES到PLC的业务过程进行全流程的数据追踪界面图；
图4 本发明中数据解析与关联模块的第一层级展现界面图；
图5 本发明中数据解析与关联模块的第二层级展现界面图；
图6 本发明中数据解析与关联模块的第三层级展现界面图；
图7 本发明中具体一种PLC业务的明细数据展现界面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控方法，包括PLC设备、MES系统、OPC服务器和数据采集服务器；所述MES系统与OPC服务器之间通过网络流量传输形成第一段交互数据，所述OPC服务器与PLC设备之间通过网络流量传输形成第二段交互数据；
所述数据采集服务器用于采集并汇聚第一段交互数据和第二段交互数据，并将两段交互数据传输到业务流量分析服务器进行数据分析，并结合业务特征数据，以完成MES系统到PLC设备的全线监控。
在本实施例中，所述MES系统将需要PLC设备执行的任务信息通过第一段交互数据发送至OPC服务器；由OPC服务器根据具体下联PLC型号进行信号转换后通过第二段交互数据发送至PLC设备，以驱动PLC设备运行；整个交互流程为双向数据发送与确认；
所述PLC设备在完成任务后将数据结果依次通过第二段交互数据和第一段交互数据再次发送至MES系统进行确认，此过程为异步进行。
如图2所示，在本申请通过适配特定的协议数据格式解析脚本，从第一段交互数据和第二段交互数据中获取到业务标准数据和PLC协议数据；这里的特定的协议数据格式解析脚本是根据客户使用的具体协议进行适配，比如客户使用http、MQTT、OPC、S7comm、.netremoting等。
其中业务标准数据为MES系统驱动PLC设备的业务标准数据，此部分数据为MES系统发送给OPC服务器的任务数据，其包括服务器信息、业务名称、生产线名称、PLC地址块和指令名称。
PLC协议数据为OPC服务器发送到PLC设备的，具体PLC设备支持的数据，通常包含服务器信息、DB地址块和指令数据。
在本实施例中，数据采集服务器通过网络流量镜像方式采集获取包括PLC设备、MES系统和OPC服务器的全部流量数据。在本申请中，通过采用网络镜像可以在无损用户数据、业务不进行改造、架构不进行变更的情况下，旁路引出所有MES到PLC的业务数据并解析，通过采用网络镜像方式获取数据，使得黑盒数据透明化，区别于通过业务系统自身代码改造，使用侵入式探针，日志改造等获取监控数据的方法，此种办法对业务系统的影响和干扰为零。
其中，业务流量分析服务器的整体功能实现包括基础数据维护模块、数据解析模块与关联和特定数据追踪模块；
基础数据维护模块用于对MES系统与PLC设备交互的业务数据以及其所对应的DB地址块数据进行维护；通过Excel导入MES供应商提供的业务相关数据，为数据解析以及翻译做准备。其中交互块地址即为DB地址，偏移量与交互长度结合为DBX地址。设备IP为PLC服务器地址。MAP描述即为业务名称。
数据解析与关联模块包括数据解析模块和关联展现模块，数据解析模块依赖基础数据以网络流量报文解析技术，完成第一段交互数据和第二段交互数据中的通用数据、特定业务数据以及协议数据的解析，完成对于MES与PLC交互的流量分析，形成数据并保存；其中特定业务数据指业务系统使用者，根据其自身业务的特性，定制化开发的业务功能或者数据，比如过程条码下发、过程条码写入、扭矩拧紧、面板套袋、工件进岗、工件离岗等；关联展现模块为通过系统页面并结合逻辑，将MES与PLC交互的具体数据由黑盒状态转变成数字可视化形式进行管理展现；全流程的展现单条业务的请求流程明细。可视化PLC与MES的交互流程。供制造业厂家分析PLC交互数据，解决PLC相关问题。
其数据解析流程分为三个层级，第一层级为PLC设备划分层用于对PLC设备划分，第二层级用于对PLC设备的DB地址进行划分，第三层级用于对DB地址的业务进行划分，通过三个层级的引导，让使用人员可以直接到达需要查看的具体MES与PLC交互的业务。
其中，如图4所示为第一层级的PLC设备划分层，通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，形成图4所示的页面，图4中信息包括PLC设备的IP以及设备的名称。
如图5所示为第二层级的DB地址划分层，通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，形成图5所示的页面，图5中信息包括PLC设备的DB地址块信息。
如图6所示为第三层级的DB地址划分层，通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，形成图6所示的页面，PLC设备信息以及DB和DBX信息，也包含业务名称信息。点击此处的业务名称可以实时查看MES与PLC交互的明细数据。如图7所示为具体一种PLC业务的明细数据，通过左侧及右侧数据，可以实时查看某一种具体业务的运行状态，此图左侧数据为MES到OPC/kepware的交互数据，右侧为OPC/kepware的交互数据。可以看出“过程条码写入”这个业务状态执行正常，数据交互完整。
如图3所示，特定数据追踪模块是以PLC过程条码或者HTTP请求码为条件，筛选与条件相关的明细数据，使得使用者根据PLC过程条码或者HTTP请求码，将该条码所涉及的所有业务过程进行串联归集，对MES到PLC的业务过程进行全流程的数据追踪，形成一种业务过程的可视化界面。知晓PLC数据的执行过程，以及数据丢失的点位，查看业务的交互过程是否按照语句的点位设计进行，全面的监控PLC业务的运行流转情况。直观的发现PLC业务的问题。例如根据过程条码查询此过程条码所涉及的PLC业务点位是否全部正常执行，执行顺序如何。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，其特征在于：包括PLC设备、MES系统、OPC服务器和数据采集服务器；所述MES系统与OPC服务器之间通过网络流量传输形成第一段交互数据，所述OPC服务器与PLC设备之间通过网络流量传输形成第二段交互数据；
所述数据采集服务器用于采集并汇聚第一段交互数据和第二段交互数据，并将两段交互数据传输到业务流量分析服务器进行数据分析，并结合业务特征数据，以完成MES系统到PLC设备的全线监控；
所述业务流量分析服务器包括基础数据维护模块、数据解析与关联模块和特定数据追踪模块；
所述基础数据维护模块用于对MES系统与PLC设备交互的业务数据以及其所对应的DB地址块数据进行维护；
所述数据解析与关联模块包括数据解析模块和关联展现模块，所述数据解析模块依赖基础数据以网络流量报文解析技术，完成第一段交互数据和第二段交互数据中的通用数据、特定业务数据以及协议数据的解析，完成对于MES与PLC交互的流量分析，形成数据并保存；所述关联展现模块为通过系统页面并结合逻辑，将MES与PLC交互的具体数据由黑盒状态转变成数字可视化形式进行管理展现；
所述特定数据追踪模块以PLC过程条码或者HTTP请求码为条件，筛选与条件相关的明细数据，使得使用者根据上述的PLC过程条码或者HTTP请求码，将该条码所涉及的所有业务过程进行串联归集，对MES到PLC的业务过程进行全流程的数据追踪，形成一种业务过程的可视化界面。
2.根据权利要求1所述的一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，其特征在于：所述MES系统用于将需要PLC设备执行的任务信息通过第一段交互数据发送至OPC服务器；
所述OPC服务器用于根据具体下联PLC型号进行信号转换后通过第二段交互数据发送至PLC设备，以驱动PLC设备运行；
所述PLC设备在完成任务后将数据结果依次通过第二段交互数据和第一段交互数据再次发送至MES系统进行确认。
3.根据权利要求1所述的一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，其特征在于：所述数据采集服务器通过适配协议数据格式解析脚本，从第一段交互数据和第二段交互数据中获取到业务标准数据和PLC协议数据；
所述业务标准数据为MES系统发送给到OPC服务器的任务数据，所述业务标准数据包括服务器信息、业务名称、生产线名称、PLC地址块和指令名称；
所述PLC协议数据为OPC服务器发送到PLC设备的数据，所述PLC协议数据包括服务器信息、DB地址块和指令数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，其特征在于：所述数据采集服务器通过网络流量镜像方式采集获取包括PLC设备、MES系统和OPC服务器的全部流量数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，其特征在于：所述基础数据维护模块通过Excel导入MES供应商提供的业务相关数据，为数据解析以及翻译做准备。
6.根据权利要求1所述的一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，其特征在于：所述数据解析与关联模块的流程包括三个层级，第一层级为PLC设备划分层用于对PLC设备划分，第二层级用于对PLC设备的DB地址进行划分，第三层级用于对DB地址的业务进行划分。
7.根据权利要求6所述的一种基于网络流量分析的PLC生产线全息监控系统，其特征在于：所述第一层级通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，并通过系统页面展现PLC设备的IP以及设备的名称的页面,
所述第二层级通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，并通过系统页面展现PLC设备信息的DB地址块信息的页面,
所述第三层级通过导入的基础数据，以及实时分析的PLC与MES交互数据，并通过系统页面展现包括PLC设备信息、DB和DBX信息和业务名称信息的页面。
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