CN114430369B - 一种工业互联网异构网络融合管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业网络技术领域，公开了一种工业互联网异构网络融合管理系统，包括：边缘网关、客户端和服务器端，所述边缘网关用于采集和融合异构网络数据，所述客户端用于边缘网关的配置和采集数据的分析，所述服务器端用于存储采集的数据并生成数字化设备模型。能够解决不同的网络在通信协议、数据格式、传输速率等方面存在差异性的问题，实现异构网络间的互通协作，融合管理。
Description
技术领域
本发明涉及工业网络技术领域，具体涉及一种工业互联网异构网络融合管理系统。
背景技术
工业互联网时代，信息技术IT和操作技术OT逐渐融合，OT领域获取大量传感数据和生产数据，上传至IT领域云端进行数据分析，并延伸出各种创新、集成应用。OT领域的大量数据来自于复杂的现场设备和网络，这个复杂性在于：其一与现场已经运行的设备互联，网络总线繁杂多样(例如:以太网、485、CAN、Profibus、Profinet等)，通讯协议各不相同；其二现场设备供应商由于自身经济利益关系，导致工控行业内多种网络协议标准互不兼容；其三因为不确定的业务变化升级等行为，业务数据组织也会变化，有的时候甚至要重新调整采集网络或方式。
针对以上问题，亟需一种工业互联网异构网络融合管理系统，解决不同的网络在通信协议、数据格式、传输速率等方面存在差异性，实现这些网络间的互通协作，融合管理，消除IT和OT之间的代沟，降低集成成本，加快企业转型。
发明内容
本发明意在提供一种工业互联网异构网络融合管理系统，能够解决不同的网络在通信协议、数据格式、传输速率等方面存在差异性的问题，实现异构网络间的互通协作，融合管理。
本发明提供的技术方案为：一种工业互联网异构网络融合管理系统，包括：边缘网关、客户端和服务器端，所述边缘网关用于采集和融合异构网络数据，所述客户端用于边缘网关的配置和采集数据的分析，所述服务器端用于存储采集的数据并生成数字化设备模型。
本发明的工作原理及优点在于：本发明系统通过边缘网关对各类异构网络进行通讯，采集数据并融合，解决不同的网络在通信协议、数据格式、传输速率等方面存在差异性，实现这些网络间的互通协作，融合管理。采集融合后的数据通过客户端进行分析，能够即时了解到各设备之间的状态。服务器端则根据采集融合后的数据生成相应的数字化设备模型，实现信息技术和操作技术的融合，消除信息技术和操作技术之间的代沟。通过以上边缘网关、客户端和服务器端三大版块，实现异构网络间的互通协作，融合管理，能够降低集成成本，加快企业转型。
进一步，所述边缘网关包括数据采集单元、数据处理单元、数据输出单元和外部通信单元，所述数据采集单元用于采集异构网络接口输入的数据，所述数据处理单元用于输入数据的协议转换、安全处理和边缘计算，所述数据输出单元用于输出处理后的数据，所述外部通信单元用于与客户端、服务器和其他边缘网关收发数据。
边缘网关包括一套综合的数据采集、处理、输出及通信单元，实现对各类异构数据进行统一转换，并考虑到安全问题进行相应的安全处理，对处理后数据进行相应硬件的输出或通过外部通信单元与客户端和服务器端进行收发数据，避免了以往设备分离，功能不全的问题。同时，边缘网关之间还可以相互直接通信，不通过服务器周转数据。边缘网关直接可以用协议转换后的统一协议通信，也可以用网关上支持的其他协议通信。根据任务需要，边缘网关之间的数据处理单元之间联合完成逻辑计算、数学运算等功能，实现设备组或区域设备的实时联动控制。
进一步，所述数据采集单元包括数字量采集单元、模拟量采集单元、固定式通信数据采集单元、可插拔式通信数据采集单元和网络通信处理单元，所述数据量采集单元用于采集数字量数据，所述模拟量采集单元用于采集模拟量数据，所述固定式通信数据采集单元用于采集固定式通信接口的数据，所述可插拔式通信数据采集单元用于采集可插拔式通信接口的数据，所述网络通信单元用于采集数据的出入处理。
数据采集单元支持数字量输入DI、模拟量输入AI、固定式通信接口输入、可插拔式通信接口输入等多种数据接口输入并采集的方式，并通过网络通信单元进行统一的出入处理。
进一步，所述数据处理单元包括协议转换单元、边缘计算单元和安全处理单元，所述协议转换单元用于异构网络数据和中间协议数据的相互转换，所述边缘计算单元用于数据运算，所述安全处理单元用于对数据进行安全处理。
协议转换单元能实现将输入的异构网络数据，通过底层协议识别，提取应用层数据，统一转换为中间协议数据，如TCP/IP协议、OPC UA协议和MQTT协议等，或将输入的中间协议数据按转换为所需的异构网络数据。边缘计算单元能实现数学运算、逻辑运算等功能，可作为PLC使用。安全处理单元则实现了安全隔离的效果，避免了数据的安全问题。
进一步，所述数据输出单元包括数字量输出单元、模拟量输出单元、显示输出单元和报警输出单元，所述数字量输出单元用于输出数字量数据，所述模拟量输出单元用于输出模拟量数据，所述显示输出单元用于输出显示屏信息，所述报警输出单元用于输出报警信息。
数据输出单元则将处理后的数据按照相应的硬件进行输出，包括数字量输出DO、模拟量输出AO，输出显示屏信息实现触控显示屏的查看和操作，输出报警信息进行声光报警，方便现场操作和维护。
进一步，所述边缘网关还包括传感器单元，所述传感器单元用于采集边缘网关设备的工作环境传感器的数据。
传感器单元采集各类传感器的数据，感知边缘网关设备的工作环境，传感器数据通过边缘计算，判断边缘网关是否处于正常工作状态，进行预警或报警。
进一步，所述客户端包括网关配置单元、数据分析单元和数据查看单元，所述网关配置单元用于配置边缘网关的数据采集时间，所述数据分析单元用于对采集数据进行处理和转换，分析设备状态，所述数据查看单元用于根据采集数据生成可视化图表。
网关配置单元实现对边缘网关数据采集时间的配置，实现1ms、5ms、10ms、50ms、100ms等的数据采集。数据分析单元通过多级数据处理过程，实现对设备的状态分析。数据查看单元支持数据曲线颜色自定义、多数据点同时对比、X轴和Y轴自动定位等功能，提供对统计数据的直观展示。
进一步，所述数据分析单元包括模拟量处理单元、数字量处理单元、数据转换单元、数据重构单元和实时规则计算单元，所述模拟量处理单元用于模拟量数据的工程量程转换、线性/非线性变换、零漂修正、数值死区处理；所述数字量处理单元用于数字量数据的数值取反；所述数据转换单元用于将数据报文解析转换，得到设备状态数据；所述数据重构单元用于将采集数据加入附加数据信息，所述实时规则计算单元用于根据用户自定义的规则对关键数据进行过滤。
模拟量处理单元可进行工程量程转换、线性/非线性变换、零漂修正、数值死区处理等功能。数字量处理单元主要实现数字量数据的数值取反。数据转换单元配置设备元数据、设备驱动，数据报文解析后获取设备基础时序数据，进行数据转换得到设备状态数据。数据重构单元实现对采集到的数据加入附加数据信息，如采集时间、数据泵标识、精度和数据项等。实时规则计算单元在数据转换处理过程中能够根据用户自定义的规则对关键数据进行过滤；支持实时规则计算，在不中断或不重启服务的情况下，支持规则的实时定义和变更，此外，还支持规则触发的消息订阅和发布机制。
进一步，所述服务器端包括网关模型单元、设备模型单元和全流程数据单元，所述网关模型单元用于根据采集数据生成和管理数字化网关模型，所述设备模型单元用于根据采集数据生成和管理数字化设备模型，所述全流程数据单元用于将多个设备模型数据的全流程汇总同步分析。
生成数字化网关模型，通过边缘网关设备中内置的各种传感器，可以定位边缘网关的位置，了解其工作环境和工作状态。生成数字化设备模型，实现对设备状态的监控以及消息的处理。支持同时对多个设备模型数据的全流程汇总，并进行同步分析。
进一步，所述数字化设备模型包括设备单元、点位单元、规则单元、消息单元、事件单元和驱动单元，所述设备单元用于指定设备接入协议，连接设备的连接通道；所述点位单元用于定义采集的设备点位信息，对点位进行变量计算规则绑定；所述规则单元用于定义加工数据的运算法则；所述消息单元用于定义数据处理逻辑消息流；所述事件单元用于定义满足条件的触发说明；所述驱动单元用于预先定义设备参数模板。
数字化设备模型在设备本身的基础上包括设备、点位、规则、消息、事件和驱动。其中设备指定接入的设备，包括连接通道、通信协议、设备类型等，设备类型包括可编程逻辑控制器PLC、分布式控制系统DCS、传感器、机器人、数控机床和其他智能控制设备。在设备基础上，定义和绑定数据点位信息、算法、消息和时间。点位是指设备数据点，包括模拟量和数字量，可配置数据的类型、字段大小、范围和备注等。规则是定义的一组算法，对采集的数据进行加工，可用于触发消息和事件。消息是传递给系统信息，包括默认系统消息、事件触发消息和消息触发消息，可以在消息上附加进一步的数据处理(如质量判定、产品跟踪等)。事件定义满足条件的触发说明，事件类型包括消息发布、服务调用、日志记录等。驱动是根据典型设备预定义的参数化模板，对设备配置有常用数据点、规则、消息和事件。在添加设备时，自动载入选择的模板，用户只需少量修改数据和参数，大幅降低工作量。
进一步，边缘网关、客户端和服务器端具有时间同步功能，在服务器端或客户端触发，边缘网关、客户端和服务器端按同一时间基准校准，确保采集的数据时间准确。
附图说明
图1为本发明一种工业互联网异构网络融合管理系统实施例的模块框图。
具体实施方式
实施例：
如图1所示，本实施例公开了一种工业互联网异构网络融合管理系统，包括边缘网关、客户端和服务器端。
边缘网关包括数据采集单元、数据处理单元、数据输出单元、外部通信单元和传感器单元。
数据采集单元包括数字量采集单元、模拟量采集单元、固定式通信数据采集单元、可插拔式通信数据采集单元和网络通信处理单元。
数据量采集单元采集数字量输入DI；模拟量采集单元采集模拟量输入AI；固定式通信数据采集单元采集固定式通信接口的数据，包括常见的RS232/RS422/RS4854、CAN、Profibus、Profinet等通信接口；可插拔式通信数据采集单元采集可插拔式通信接口的数据，可插拔式通信接口采用PCI/PCIE插槽，可插入多块通信接口板，分别可接入FF、DeviceNet、CC-Link、LonWorks、HART、Interbus等；网络通信单元用于采集数据的出入处理。
数据处理单元包括协议转换单元、边缘计算单元和安全处理单元，协议转换单元将输入的异构网络数据统一转换为中间协议数据，如TCP/IP协议(包括IPV4和IPV6协议)、OPC UA协议和MQTT协议等，或将输入的中间协议数据按转换为所需的异构网络数据，可以配置数据打包时间，如2s打一个包，把打包的数据上传。边缘计算单元用于数据运算，包括数学运算、逻辑运算等功能，可作为PLC使用。安全处理单元用于对数据进行安全加密或隔离处理。
数据输出单元包括数字量输出单元、模拟量输出单元、显示输出单元和报警输出单元。数字量输出单元输出数字量DO；模拟量输出单元输出模拟量AO；显示输出单元用于输出显示屏信息实现触控显示屏的查看和操作；报警输出单元用于输出报警信息进行声光报警，方便现场操作和维护。
传感器单元用于采集边缘网关设备的工作环境传感器的数据，包括温湿度传感器、振动传感器、陀螺仪、GPRS/北斗等，感知边缘网关设备的工作环境，传感器数据通过处理单元进行边缘计算。
外部通信单元用于将数据处理单元处理后的数据通过外网发送至客户端、服务器和其他边缘网关收发数据。
所述客户端包括网关配置单元、数据分析单元和数据查看单元。
网关配置单元用于对边缘网关数据采集时间的配置，实现1ms、5ms、10ms、50ms、100ms等的数据采集，并用哈夫曼算法、LZW算法等对采集数据进行压缩。
数据分析单元包括模拟量处理单元、数字量处理单元、数据转换单元、数据重构单元和实时规则计算单元。
模拟量处理单元用于模拟量数据的工程量程转换、线性/非线性变换、零漂修正、数值死区处理等功能。数字量处理单元用于数字量数据的数值取反。数据转换单元配置设备元数据、设备驱动，数据报文解析后获取设备基础时序数据，进行数据转换得到设备状态数据。数据重构单元用于对采集到的数据加入附加数据信息，如采集时间、数据泵标识、精度和数据项等。实时规则计算单元在数据转换处理过程中能够根据用户自定义的规则对关键数据进行过滤；支持实时规则计算，在不中断或不重启服务的情况下，支持规则的实时定义和变更，此外，还支持规则触发的消息订阅和发布机制。
数据查看单元支持数据曲线颜色自定义、多数据点同时对比、X轴和Y轴自动定位等功能，提供对统计数据的直观展示。
服务器端包括网关模型单元、设备模型单元和全流程数据单元。
网关模型单元根据采集数据生成数字化网关模型，通过边缘网关设备中内置的各种传感器，可以定位边缘网关的位置，了解其工作环境和工作状态。
设备模型单元生成数字化设备模型，实现对设备状态的监控以及消息的处理。
全流程数据单元支持同时对多个设备模型数据的全流程汇总，并进行同步分析。
其中数字化设备模型包括设备单元、点位单元、规则单元、消息单元、事件单元和驱动单元。
设备单元用于指定接入的设备，连接设备的连接通道，设备类型包括可编程逻辑控制器PLC、分布式控制系统DCS、传感器、机器人、数控机床和其他智能控制设备。设备协议支持Modbus TCP、OPC和MQTT。通信接口类型有RS485、RS232、RS422和RJ45接口。
点位单元用于定义采集的设备点位信息，对点位进行变量计算规则绑定，点位是指设备数据点，包括模拟量和数字量，可配置数据的类型、字段大小、范围和备注等。
规则单元用于定义加工数据的运算法则，对采集的数据进行加工，可用于触发消息和事件，这套规则可以重复使用在指定的点位上，在创建控制器时被引用，感知值对应的一个消息提醒条目定义，定义感知规则时被引用。
消息单元用于定义数据处理逻辑消息流，包括默认系统消息、事件触发消息和消息触发消息，可以在消息上附加进一步的数据处理(如质量判定、产品跟踪等)。
事件单元用于定义满足条件的触发说明，事件类型有消息发布、服务调用、日志记录等。
驱动单元用于预先定义设备参数模板，可直接使用，根据典型设备预定义的参数化模板，对设备配置有常用数据点、规则、消息和事件。在添加设备时，自动载入选择的模板，用户只需少量修改数据和参数，大幅降低工作量。
本实施例实施过程如下：
边缘网关通过数据采集单元对各类异构网络数据进行采集，同时传感器单元采集上述各类传感器数据，数据处理单元将采集和输入的异构网络数据统一转换为中间协议数据，边缘计算单元在边缘侧发起，减少了数据在网络上转移的过程，产生更快的网络服务响应。安全处理单元对数据按照标准进行加密。在数字输出单元上输出相应数字量DO，模拟量AO，在显示屏、声光报警器等硬件上输出相应数据，实现相应功能。设备相关数据和传感器数据则通过外部通信单元发送至客户端和服务器，避免了以往设备分离，功能不全的问题。同时，边缘网关之间还可以相互直接通信，不通过服务器周转数据。边缘网关直接可以用协议转换后的统一协议通信，也可以用网关上支持的其他协议通信。
工作人员在客户端上能够按照需要调整边缘网关数据采集时间，同时对发送至客户端的采集数据进行分析，在数据分析的过程中，支持傅里叶变换、频谱分析、二维数据和三维数据转换，FIR、IIR、FFT等滤波，神经元分析的等功能，或采用用户自定义开发分析算法，导入第三方分析算法的方式，输出设备状态信息。并按照工作人员设定自动生成统计图标，便于工作人员实时了解设备情况。
在异构网络融合管理系统的服务器端上，网关模型单元根据采集数据生成数字化网关模型，通过边缘网关设备中内置的各种传感器，可以定位边缘网关的位置，了解其工作环境和工作状态。对于生成的数字化设备模型，由设备单元、点位单元、规则单元、消息单元、事件单元和驱动单元组成，并且支持同时对多个设备模型数据的全流程汇总，并进行同步分析。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请得出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (5)
1.一种工业互联网异构网络融合管理系统，其特征在于，包括：边缘网关、客户端和服务器端，所述边缘网关用于采集和融合异构网络数据，所述客户端用于边缘网关的配置和采集数据的分析，所述服务器端用于存储采集的数据并生成数字化设备模型；
所述边缘网关包括数据采集单元、数据处理单元、数据输出单元和外部通信单元，所述数据采集单元用于采集异构网络接口输入的数据，所述数据处理单元用于输入数据的协议转换、安全处理和边缘计算，所述数据输出单元用于输出处理后的数据，所述外部通信单元用于与客户端、服务器和其他边缘网关收发数据；
所述数据采集单元包括数字量采集单元、模拟量采集单元、固定式通信数据采集单元、可插拔式通信数据采集单元和网络通信处理单元，所述数据量采集单元用于采集数字量数据，所述模拟量采集单元用于采集模拟量数据，所述固定式通信数据采集单元用于采集固定式通信接口的数据，所述可插拔式通信数据采集单元用于采集可插拔式通信接口的数据，所述网络通信单元用于采集数据的出入处理；
所述客户端包括网关配置单元、数据分析单元和数据查看单元，所述网关配置单元用于配置边缘网关的数据采集时间，所述数据分析单元用于对采集数据进行处理和转换，分析设备状态，所述数据查看单元用于根据采集数据生成可视化图表；
所述服务器端包括网关模型单元、设备模型单元和全流程数据单元，所述网关模型单元用于根据采集数据生成和管理数字化网关模型，所述设备模型单元用于根据采集数据生成和管理数字化设备模型，通过边缘网关设备中内置的各种传感器，定位边缘网关的位置，了解其工作环境和工作状态，所述全流程数据单元用于将多个设备模型数据的全流程汇总同步分析；
所述数字化设备模型包括设备单元、点位单元、规则单元、消息单元、事件单元和驱动单元，所述设备单元用于指定设备接入协议，连接设备的连接通道；所述点位单元用于定义采集的设备点位信息，对点位进行变量计算规则绑定，点位是指设备数据点，包括模拟量和数字量，可配置数据的类型、字段大小、范围和备注；所述规则单元用于定义加工数据的运算法则；所述消息单元用于定义数据处理逻辑消息流；所述事件单元用于定义满足条件的触发说明；所述驱动单元用于预先定义设备参数模板，在添加设备时，自动载入选择的模板。
2.根据权利要求1所述的一种工业互联网异构网络融合管理系统，其特征在于：所述数据处理单元包括协议转换单元、边缘计算单元和安全处理单元，所述协议转换单元用于异构网络数据和中间协议数据的相互转换，所述边缘计算单元用于数据运算，所述安全处理单元用于对数据进行安全处理。
3.根据权利要求1所述的一种工业互联网异构网络融合管理系统，其特征在于：所述数据输出单元包括数字量输出单元、模拟量输出单元、显示输出单元和报警输出单元，所述数字量输出单元用于输出数字量数据，所述模拟量输出单元用于输出模拟量数据，所述显示输出单元用于输出显示屏信息，所述报警输出单元用于输出报警信息。
4.根据权利要求2所述的一种工业互联网异构网络融合管理系统，其特征在于：所述边缘网关还包括传感器单元，所述传感器单元用于采集边缘网关设备的工作环境传感器的数据。
5.根据权利要求1所述的一种工业互联网异构网络融合管理系统，其特征在于：所述数据分析单元包括模拟量处理单元、数字量处理单元、数据转换单元、数据重构单元和实时规则计算单元，所述模拟量处理单元用于模拟量数据的工程量程转换、线性/非线性变换、零漂修正、数值死区处理；所述数字量处理单元用于数字量数据的数值取反；所述数据转换单元用于将数据报文解析转换，得到设备状态数据；所述数据重构单元用于将采集数据加入附加数据信息，所述实时规则计算单元用于根据用户自定义的规则对关键数据进行过滤。
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