CN115037762B - 一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统 - Google Patents

一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，工业网络系统包括：集中网络配置器、多个CaaS交换机和多个工业设备；其中，集中网络配置器，可同时进行数据流量调度与控制任务调度，CaaS交换机将执行控制任务和传输流量集于一身。本发明利用集中网络配置器和CaaS交换机将工业网络系统虚拟化为一个可编程逻辑控制器，进而将工业网络系统中工业设备、控制器和控制任务解耦，提高工业控制灵活性。

Description

一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统
技术领域
本发明涉及计算机网络与工业控制的交叉领域，具体涉及一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统。
背景技术
控制系统是工业自动化的大脑，是现代工业成功的基础，在提高生产效率方面发挥着关键作用。可编程逻辑控制器(PLC)是工业系统中最常用的控制器。近年来，工业模式开始向工业4.0，工业互联网转变。工厂从生产来自少数几种规格的大规模订单转向了同时生产许多种规格的小规模订单。在这个新模式中，柔性制造是核心目标之一。
但是，目前基于PLC的工业控制系统在实现柔性制造中面临三个难题：第一，重新配置耗时。一条生产线必须准备生产比以前更多规格的产品，因此必须频繁地进行生产线切换。生产线切换的停机时间导致了严重的产能下降，其中停机时间大部分用于控制系统的重新配置(例如，改变设备和PLC之间的连接以及向PLC上传新的控制任务)和试运行。第二，扩大规模难。安装新的工业设备或者升级新的检测，对现有的控制系统来说是一个挑战。即由于升级新的检测必须向PLC中重新写入逻辑致使升级繁杂。以及受PLC上IO端口工业设备连接数量的限制，工业设备间难以灵活连接到PLC上。第三，升级成本高。由于技术的进步，控制任务的复杂性继续增加。由于任务和控制器之间的绑定，无法满足升级后控制任务要求的PLC必须被替换成更强大和更昂贵的PLC，即使一些其他的PLC有多余的计算资源。这就造成了额外的停机时间和采购成本。
总的来说，目前工业控制系统面临的诸多难题，基本是由设备、控制器和控制任务的紧密耦合引起的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，以解决或者至少部分解决由于工业控制系统中工业设备、控制器和控制任务的紧密耦合而导致的工业控制系统重新配置耗时、扩大规模难和升级成本高等问题，实现分布化、虚拟化和服务化的工业控制。
本发明提供一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述控制和传输融合交换机为CaaS交换机；所述工业网络系统包括：
CaaS交换机，所述CaaS交换机为多个，且所述CaaS交换机，用于与集中网络配置器通信连接，并根据所述集中网络配置器的网络传输与控制任务调度时间表，执行控制任务和网络传输任务；
工业设备，所述工业设备为多个，且所述工业设备在所述CaaS交换机的控制下运行；
集中网络配置器，用于制定网络传输与控制任务调度时间表，还用于向所述CaaS交换机下达网络传输任务和关于工业设备的控制任务。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述集中网络配置器向所述CaaS交换机下达关于工业设备的控制任务，是通过向所述CaaS交换机发送控制任务IO数据的方式实现的；
所述CaaS交换机，还用于处理CaaS元数据；
其中，所述CaaS元数据，包括：时间同步信息和网络配置信息。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述CaaS交换机包括：可编程逻辑结构和建立在双核CPU上的处理系统；
所述可编程逻辑结构与所述处理系统之间，设置有用来交互控制任务IO数据的LAD IO DMA，以及用来交互CaaS元数据的元数据DMA；
其中，所述可编程逻辑结构，用于通过LAD IO DMA/元数据DMA向本交换机处理系统传输控制任务IO数据/CaaS元数据，或者直接向其它设备转发控制任务IO数据/CaaS元数据；
所述处理系统，用于利用核隔离方式，在两个CPU上分别处理本交换机接收的控制任务IO数据和CaaS元数据。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述可编程逻辑结构建立在FPGA上；
所述可编程逻辑结构，包括：TSN交换结构；
其中，所述TSN交换结构，用于在接收到目的MAC地址不为本交换机的控制任务IO数据/CaaS元数据时，将相应控制任务IO数据/CaaS元数据转发到对应输出端口；在接收到目的MAC地址为本交换机的控制任务IO数据/CaaS元数据时，通过LAD IO DMA/元数据DMA将相应控制任务IO数据/CaaS元数据转发到本交换机处理系统。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述可编程逻辑结构，还包括：用于实现时间同步协议的组件；
其中，所述用于实现时间同步协议的组件，包括：实时时钟和计时单元；
所述计时单元，用于对进出所述TSN交换结构的控制任务IO数据/CaaS元数据进行计时。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述可编程逻辑结构与所述处理系统之间，还设置有Axi-lite接口。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述处理系统，包括：PLC运行进程、核隔离、操作系统进程和CaaS元数据处理进程；
所述PLC运行进程，用于根据所述网络传输与控制任务调度时间表以及利用所述Axi-lite接口从所述实时时钟获取的同步时间，处理所述处理系统接收到的控制任务IO数据；
所述核隔离，运行在第二CPU上，用于控制PLC运行进程在第一CPU上执行，除PLC运行进程之外的进程在第二CPU上执行；
所述操作系统进程，用于完成处理系统基础工作；
所述CaaS元数据处理进程，用于处理所述处理系统接收到的CaaS元数据；
其中，所述操作系统基础工作，包括：操作系统中断、网络通信和进程调度。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述PLC运行进程，包括：数据包化PLC输入输出结构和全局时间感知执行结构；
其中，所述数据包化PLC输入输出结构，用于解析所述处理系统接收到的控制任务IO数据中的数据值和可变地址标签，并将所述数据值与所述可变地址标签指示的LAD变量绑定；
所述全局时间感知执行结构，用于根据所述网络传输与控制任务调度时间表以及利用所述Axi-lite接口从所述实时时钟获取的同步时间，触发相应LAD程序运行；还用于在LAD程序运行结束时后，将LAD程序输出的参数值以及对应的地址标签封装成控制任务IO数据，并下发给对应的工业设备；
其中，所述CaaS交换机构成的CaaS网络采用统一的地址空间标记所有工业设备的参数名以及对应的地址标签。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述CaaS元数据处理进程，包括：配置客户端进程和时间同步进程；
其中，所述配置客户端进程，用于按照所述网络配置信息执行配置操作；
所述时间同步进程，用于根据时间同步信息以及利用所述Axi-lite接口从所述计时单元获取的计时信息，执行时间同步操作。
根据本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，所述配置客户端进程执行配置操作时，通过Axi-lite接口改变本交换机内可编程逻辑结构中的硬件配置。
本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，由集中网络配置器、CaaS交换机和工业设备构成。其中，集中网络配置器是对传统TSN网络的CNC进行扩展得到的，其不仅实现数据流量调度，还实现控制任务调度。同时，本发明提出的CaaS交换机，将控制任务从专用控制器转移到网络交换机中，以使网络交换机同时具备执行控制任务和传输流量的功能。本发明通过这样的设计，将工业网络系统虚拟化为一个可编程逻辑控制器，以使工业设备、控制器和控制任务解耦，进而提高工业控制的灵活性。
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获得其他的附图。
图1是现有技术提供的标准以太网交换机和TSN交换机的对比示意图；
图2是本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统结构图；
图3是本发明提供的CaaS交换机结构图；
图4是本发明提供的CaaS交换机中TSN交换结构的工作流程图；
图5是传统PLC输入输出结构和本发明提供的数据包化PLC输入输出结构的对比示意图；
图6是本发明提供的数据包化PLC输入输出结构的数据帧结构。
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，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。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。
下面结合图1至图6描述本发明基于控制和传输融合交换机的工业网络系统。
时间敏感网络(TSN，Time Sensitive Network)是IEEE 802.1标准框架下的一套协议标准，旨在为以太网提供确定性的低延迟数据传输，其定义了以太网中的时间同步、流量调度和整形等机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性。图1为标准以太网交换机和TSN交换机的对比示意图，其示出了以太网交换机和TSN交换机之间的主要区别。第一，同一网络中的所有TSN交换机之间共享一个共同全局时间。第二，TSN交换机能够为工业控制数据等关键流量保留专用的时隙。保留的时隙由TSN交换机内包含的称为门控列表(GCL,GateControl List)的时间表规定。基于上述区别，时间敏感网络在工业4.0中占有重要地位，其能够将工业网络最为关键的控制技术(OT，Operation Technology)和信息技术(IT，Information Technology)两个网络层次进行融合，实现不同数据的共网传输。TSN网络采用集中网络配置器(CNC,Centralized Network Configuration)进行管理，集中网络配置器会生成一个全局时间表，指定数据流量何时应通过那个网络链接，然后再将相关的时间表(即GCL)分配给每个TSN交换机进行执行。
在此基础上，本发明提出一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，如图2所示，所述控制和传输融合交换机为CaaS交换机；所述工业网络系统包括：
CaaS交换机，所述CaaS交换机为多个，且所述CaaS交换机，用于与集中网络配置器通信连接，并根据所述集中网络配置器的网络传输与控制任务调度时间表，执行控制任务和网络传输任务；
工业设备，所述工业设备为多个，且所述工业设备在所述CaaS交换机的控制下运行；
集中网络配置器，用于制定网络传输与控制任务调度时间表，还用于向所述CaaS交换机下达网络传输任务和关于工业设备的控制任务。
可以理解的是，所述CaaS交换机构成的CaaS网络，只有一个CaaS交换机物理连接到集中网络配置器CaaS CNC上，所有CaaS交换机都可以通过CaaS网络和集中网络配置器CaaS CNC通信。
本发明对TSN网络的CNC进行了扩展，使其不仅进行数据流量调度，还进行控制任务调度。与之同时，本发明还提出一种将控制和传输融为一体的交换机架构，名为“控制即服务”(CaaS，Control as a Service)。具体来说，CaaS交换机将控制任务从专用控制器转移到网络交换机中，以使网络交换机同时具备执行控制任务和传输流量的功能，进而通过CaaS交换机，将整个工业网络虚拟为了一个可编程逻辑控制器(PLC)。
本发明提供的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，利用集中网络配置器CaaS CNC和CaaS交换机，将工业网络系统虚拟化为一个可编程逻辑控制器，以使工业设备、控制器和控制任务解耦，进而提高工业控制的灵活性。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述集中网络配置器向所述CaaS交换机下达关于工业设备的控制任务，是通过向所述CaaS交换机发送控制任务IO数据的方式实现的；
所述CaaS交换机，还用于处理CaaS元数据；
其中，所述CaaS元数据，包括：时间同步信息和网络配置信息。控制任务IO数据指的是控制任务输入输出数据。
可以理解，对于工业控制网络，控制任务IO数据和CaaS元数据都是以数据包的形式传输。其中，控制任务IO数据为携带控制任务的数据包；CaaS元数据为携带时间同步信息的数据包或者携带网络配置信息的数据包，这里的携带网络配置信息的数据包通常由集中网络配置器CaaS CNC给出，携带时间同步信息的数据包通常由交换机的相邻设备(包括交换机和工业设备)给出。
本发明CaaS交换机保留了传统交换机具备的时间同步、网络配置等功能，同时添加了执行控制任务的功能。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述CaaS交换机包括：可编程逻辑结构和建立在双核CPU上的处理系统；
所述可编程逻辑结构与所述处理系统之间，设置有用来交互控制任务IO数据的LAD IO DMA，以及用来交互CaaS元数据的元数据DMA；
其中，所述可编程逻辑结构，用于通过LAD IO DMA/元数据DMA向本交换机处理系统传输控制任务IO数据/CaaS元数据，或者直接向其它设备转发控制任务IO数据/CaaS元数据；
所述处理系统，用于利用核隔离方式，在两个CPU上分别处理本交换机接收的控制任务IO数据和CaaS元数据。
图3示例了CaaS交换机结构图，从中可以看出，CaaS交换机采用了软硬件协同设计的方式来整合数据传输和任务执行。硬件部分建立在FPGA(可编程逻辑门阵列)上，即可编程逻辑结构(PL,Programmable Logic)。软件部分建立在一个双核CPU上，即处理系统(PS,Processing System)。同时，CaaS交换机还采用双DMA和核隔离。
以下是对双DMA和核隔离的设计解释：
双DMA：PS和PL之间交换两种数据，即CaaS元数据和控制任务IO数据。控制任务IO数据是时间敏感的，需要在PL和PS之间进行确定性的交换，而CaaS元数据则不是。因此设计双DMA，以使一个DMA负责传输控制任务IO数据，另一个负责传输CaaS元数据。由于这两个DMA在物理上是独立的，它们不会相互干扰，因此双DMA将CaaS元数据和控制任务IO数据的传输进行了解耦。
核隔离：控制任务IO数据到达PS后，PLC运行进程将在预定时间开始执行。除了PLC运行进程，PS中还有一些其他进程在同时运行，包括配置客户端进程、时间同步进程和其他交换机功能。为了避免这些进程对PLC运行进程的影响，为控制任务的执行保留了一个专门的CPU核心，即通过核隔离在两个CPU上分别处理这两种数据。
本发明通过设计双DMA、双核CPU和核隔离，保证了控制任务的执行不会受到CaaS交换机中其它进程的干扰，进而为控制任务的执行确定性提供了有力条件。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述可编程逻辑结构建立在FPGA上；
所述可编程逻辑结构，包括：TSN交换结构；
其中，所述TSN交换结构，用于在接收到目的MAC地址不为本交换机的控制任务IO数据/CaaS元数据时，将相应控制任务IO数据/CaaS元数据转发到对应输出端口；在接收到目的MAC地址为本交换机的控制任务IO数据/CaaS元数据时，通过LAD IO DMA/元数据DMA将相应控制任务IO数据/CaaS元数据转发到本交换机处理系统。
图4示例了CaaS交换机中TSN交换结构的工作流程图，该图中到达TSN交换结构的数据包来自于三个来源，(1)来自交换机外部，交换机外部指的是交换机连接的工业设备，或者其它交换机。就类型而言，其具体分为：源MAC地址和目标MAC地址均不为本交换机的控制任务IO数据/CaaS元数据；目标MAC地址为本交换机的控制任务IO数据以及目标MAC地址为本交换机的CaaS元数据；(2)来自PS中PLC运行进程的控制输出，即由PS中PLC运行进程发送的携带控制任务输出的数据包；(3)来自PS的CaaS元数据：即由PS发送的携带时间同步信息或网络配置信息的数据包。
本发明TSN交换结构，是根据数据包封装的目标MAC地址和EtherTypes字段来处理这些数据包。具体而言，TSN交换结构以三种方式处理数据包：(1)到交换机外部(即目标MAC地址不为本交换机)：根据交换机的规则，由PL直接转发到相应输出端口；(2)控制任务输入：将携带控制任务输入数据的数据包(即目标MAC地址为本交换机的控制任务IO数据)传递给PS中的PLC运行进程；(3)CaaS元数据：将携带时间同步信息或网络配置信息的数据包(即目标MAC地址为本交换机的CaaS元数据)传递给相应的PS进程。
其中，EtherTypes字段为以太帧的一个字段，用来指明应用于帧数据字段的协议，通过这些协议，可以识别数据包的类型。
本发明TSN交换结构，将不以自身交换机为目的地的数据包直接转发到对应的输出端口，实现了符合IEEE TSN标准的高数据率的数据传输。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述可编程逻辑结构，还包括：用于实现时间同步协议的组件；
其中，所述用于实现时间同步协议的组件，包括：实时时钟和计时单元；
所述计时单元，用于对进出所述TSN交换结构的控制任务IO数据/CaaS元数据进行计时。
也就是说，本发明可编程逻辑PL还实现精确时间的功能。具体的，可编程逻辑PL还包括一些实现TSN中802.1AS时间同步协议的组件，如实时时钟(RTC,Real Time Clock)和对进出数据包进行计时的模块。
本发明利用上述实现时间同步协议的组件，实现CaaS网络和工业设备的全局时间共享。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述可编程逻辑结构与所述处理系统之间，还设置有Axi-lite接口。
本发明处理系统PS处理控制任务IO数据和CaaS元数据时，可能需要从可编程逻辑结构PL中获取一些相关信息，或者改变可编程逻辑结构PL中某些寄存器的值。这是通过PS和PL之间的AXI-lite接口进行的。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述处理系统，包括：PLC运行进程、核隔离、操作系统进程和CaaS元数据处理进程；
所述PLC运行进程，用于根据所述网络传输与控制任务调度时间表以及利用所述Axi-lite接口从所述实时时钟获取的同步时间，处理所述处理系统接收到的控制任务IO数据；
所述核隔离，运行在第二CPU上，用于控制PLC运行进程在第一CPU上执行，除PLC运行进程之外的进程在第二CPU上执行；
所述操作系统进程，用于完成处理系统基础工作；
所述CaaS元数据处理进程，用于处理所述处理系统接收到的CaaS元数据；
其中，所述操作系统基础工作，包括：操作系统中断、网络通信和进程调度。
在本发明中，处理系统PS进行了复杂的处理操作。(1)：分配给交换机PLC运行进程的控制任务在处理系统PS的第一CPU上执行。(2)：处理系统PS实现了基于时间同步协议的逻辑处理和计算。(3)：处理系统PS，还接收集中网络配置器周期性发送的网络传输与控制任务调度时间表，还基于网络传输与控制任务调度时间表完成控制任务执行、网络配置、时间同步等处理。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述PLC运行进程，包括：数据包化PLC输入输出结构和全局时间感知执行结构；
其中，所述数据包化PLC输入输出结构，用于解析所述处理系统接收到的控制任务IO数据中的数据值和可变地址标签，并将所述数据值与所述可变地址标签指示的LAD变量绑定；
所述全局时间感知执行结构，用于根据所述网络传输与控制任务调度时间表以及利用所述Axi-lite接口从所述实时时钟获取的同步时间，触发相应LAD程序运行；还用于在LAD程序运行结束时后，将LAD程序输出的参数值以及对应的地址标签封装成控制任务IO数据，并下发给对应的工业设备；
其中，所述CaaS交换机构成的CaaS网络采用统一的地址空间标记所有工业设备的参数名以及对应的地址标签。
本发明开发了数据包化PLC输入输出(Packetized PLC IO)结构，将工业设备的物理IO和PLC控制任务的逻辑IO解耦。
具体的，因为虚拟PLC的高层抽象要求控制任务可以在CaaS网络中的任何CaaS交换机上执行。因此，本发明提出数据包化PLC输入输出(Packetized PLC IO)，将变量封装在以太网帧中，以解开IO设备和PLC之间的物理连接。
首先，介绍一些关于PLC和PLC上运行的LAD程序中如何表示IO的背景知识。图5示例了传统PLC输入输出结构和本发明提供的数据包化PLC输入输出结构的对比示意图，如该图上部所示，一个温度计作为输入设备连接到PLC上，一个炉子作为输出设备被连接。温度计提供温度作为输入，与LAD中标为％IW0的变量绑定。炉子接受输出来控制其开/关，与标为％QX0.0的变量绑定。在每个执行周期中，PLC首先读取输入并将数值分配给绑定的变量，然后执行LAD程序。程序结束后，结果通过相关变量写入输出设备。
作为一个虚拟PLC，整个CaaS网络采用统一的地址空间标记所有工业设备的参数名以及对应的地址标签。在CaaS CNC将控制任务分配给交换机后，输入设备将输入数据及其地址标签封装在以太网帧中，并周期性发送。目的MAC地址被设置为被安排执行相关控制任务的CaaS交换机的地址。如图4下部所示，温度计将温度值(67)和地址标签(％IW0)封装在一个以太网帧中，并将其发送给CaaS网络中的某个交换机，由该交换机执行控制任务。该交换机在接收到携带输入数据的以太帧后，数据包化PLC输入输出结构将数据值与地址所指示的LAD变量绑定，并触发LAD程序的运行。当LAD程序运行结束时，输出数据值和标记地址(例如，0和％QX0.0)被再次嵌入以太网帧中，并被发送到相关的输出设备(例如，炉子)。一个设备可能对应多个变量，所以必须包含特定的变量地址。
其中，图6示例了数据包化PLC输入输出结构的数据帧结构。该图包括：目的MAC地址、源MAC地址、虚拟局域网标签、EtherTypes、可变地址标签和数据值等字段。
本发明还开发了确保控制任务时间敏感执行的全局时间感知执行结构，即GTA执行结构。
具体的，在CaaS交换机中，数据传输和执行控制任务遵循由CaaS CNC配置的全局时间表(即网络传输与控制任务调度时间表)。传统PLC运行时基于OpenPLC实现，它根据CPU时间开始任务执行，而不是根据全局时间。为了解决这个问题，本发明提出了GTA执行。CaaS交换机的PLC运行进程通过AXI-lite接口从PL的RTC获取的同步时间进行执行，而不是通过CPU时间。然后，它在每个周期预定的时间启动控制任务。
可以理解的是，本发明在TSN确定性网络传输的基础上，进一步保障了工业网络系统的端到端确定性控制。
具体的，确定性的实时控制对工业系统至关重要。如何确保端到端的确定性是CaaS交换机设计中的第二个挑战。端到端的确定性由三部分组成：网络的传输确定性、PL-PS数据交换的确定性和PLC运行进程的计算确定性。
下面为本发明保证了端到端的确定性的原理解释：
一个携带输入数据的控制任务数据包被发送到相应执行的CaaS交换机，然后CaaS交换机给出输出数据结果并打包发送到输出设备上。在这个过程中，TSN保证数据包到达PL的TSN交换结构的时间是确定的。本申请通过双DMA(Direct Memory Access,直接内存访问)，保证了从PL到PS的数据交换确定性。通过核隔离，确保了PS中控制任务的计算时长是确定的。通过全局时间可知(GTA,Global Time Aware)执行结构，保证了控制任务开始执行时间的确定性。核隔离和GTA执行结构共同确保了控制任务的完成时间也是确定性的。最后，输出数据被嵌入到数据包中，并通过双DMA从PS传到PL，之后TSN网络将数据送到输出设备。综上，端到端的确定性得以实现。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述CaaS元数据处理进程，包括：配置客户端进程和时间同步进程；
其中，所述配置客户端进程，用于按照所述网络配置信息执行配置操作；
所述时间同步进程，用于根据时间同步信息以及利用所述Axi-lite接口从所述计时单元获取的计时信息，执行时间同步操作。
本发明配置客户端进程和时间同步进程，是与传统交换机相同，这里不再赘述。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述配置客户端进程执行配置操作时，通过Axi-lite接口改变本交换机内可编程逻辑中的硬件配置。
本发明设计AXI-lite接口，以方便处理系统PS根据配置信息改变可编程逻辑PL中硬件设备的配置值，以使可编程逻辑更为灵活适用。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：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 (9)

1.一种基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，所述控制和传输融合交换机为CaaS交换机；所述工业网络系统包括：
CaaS交换机，所述CaaS交换机为多个，且所述CaaS交换机，用于与集中网络配置器通信连接，并根据所述集中网络配置器的网络传输与控制任务调度时间表，执行控制任务和网络传输任务；
工业设备，所述工业设备为多个，且所述工业设备在所述CaaS交换机的控制下运行；
集中网络配置器，用于制定网络传输与控制任务调度时间表，还用于向所述CaaS交换机下达网络传输任务和关于工业设备的控制任务；
所述CaaS交换机中的“CaaS”表示“控制即服务”；
所述集中网络配置器向所述CaaS交换机下达关于工业设备的控制任务，是通过向所述CaaS交换机发送控制任务IO数据的方式实现的；
所述CaaS交换机，还用于处理CaaS元数据；
其中，所述CaaS元数据，包括：时间同步信息和网络配置信息；
所述CaaS交换机包括：可编程逻辑结构和建立在双核CPU上的处理系统；
所述可编程逻辑结构与所述处理系统之间，设置有用来交互控制任务IO数据的LAD IODMA，以及用来交互CaaS元数据的元数据DMA；
所述可编程逻辑结构，包括：TSN交换结构；
所述处理系统，包括：PLC运行进程、核隔离、操作系统进程和CaaS元数据处理进程；
所述处理系统，用于利用核隔离方式，在两个CPU上分别处理本交换机接收的控制任务IO数据和CaaS元数据；
所述核隔离，运行在第二CPU上，用于控制PLC运行进程在第一CPU上执行，除PLC运行进程之外的进程在第二CPU上执行。
2.根据权利要求1所述的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，所述可编程逻辑结构，用于通过LAD IO DMA/元数据DMA向本交换机处理系统传输控制任务IO数据/CaaS元数据，或者直接向其它设备转发控制任务IO数据/CaaS元数据。
3.根据权利要求2所述的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，所述可编程逻辑结构建立在FPGA上；
其中，所述TSN交换结构，用于在接收到目的MAC地址不为本交换机的控制任务IO数据/CaaS元数据时，将相应控制任务IO数据/CaaS元数据转发到对应输出端口；在接收到目的MAC地址为本交换机的控制任务IO数据/CaaS元数据时，通过LAD IO DMA/元数据DMA将相应控制任务IO数据/CaaS元数据转发到本交换机处理系统。
4.根据权利要求3所述的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，所述可编程逻辑结构，还包括：用于实现时间同步协议的组件；
其中，所述用于实现时间同步协议的组件，包括：实时时钟和计时单元；
所述计时单元，用于对进出所述TSN交换结构的控制任务IO数据/CaaS元数据进行计时。
5.根据权利要求4所述的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，所述可编程逻辑结构与所述处理系统之间，还设置有Axi-lite接口。
6.根据权利要求5所述的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，
所述PLC运行进程，用于根据所述网络传输与控制任务调度时间表以及利用所述Axi-lite接口从所述实时时钟获取的同步时间，处理所述处理系统接收到的控制任务IO数据；
所述操作系统进程，用于完成处理系统基础工作；
所述CaaS元数据处理进程，用于处理所述处理系统接收到的CaaS元数据；
其中，所述操作系统基础工作，包括：操作系统中断、网络通信和进程调度。
7.根据权利要求6所述的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，所述PLC运行进程，包括：数据包化PLC输入输出结构和全局时间感知执行结构；
其中，所述数据包化PLC输入输出结构，用于解析所述处理系统接收到的控制任务IO数据中的数据值和可变地址标签，并将所述数据值与所述可变地址标签指示的LAD变量绑定；
所述全局时间感知执行结构，用于根据所述网络传输与控制任务调度时间表以及利用所述Axi-lite接口从所述实时时钟获取的同步时间，触发相应LAD程序运行；还用于在LAD程序运行结束时后，将LAD程序输出的参数值以及对应的地址标签封装成控制任务IO数据，并下发给对应的工业设备；
其中，所述CaaS交换机构成的CaaS网络采用统一的地址空间标记所有工业设备的参数名以及对应的地址标签。
8.根据权利要求6所述的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，所述CaaS元数据处理进程，包括：配置客户端进程和时间同步进程；
其中，所述配置客户端进程，用于按照所述网络配置信息执行配置操作；
所述时间同步进程，用于根据时间同步信息以及利用所述Axi-lite接口从所述计时单元获取的计时信息，执行时间同步操作。
9.根据权利要求8所述的基于控制和传输融合交换机的工业网络系统，其特征在于，所述配置客户端进程执行配置操作时，通过Axi-lite接口改变本交换机内可编程逻辑结构中的硬件配置。
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