CN115086362B

CN115086362B - 异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法

Info

Publication number: CN115086362B
Application number: CN202210544253.XA
Authority: CN
Inventors: 库涛; 李进; 刘金鑫; 林乐新; 俞宁
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2022-05-18
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2042-05-18
Also published as: CN115086362A

Abstract

本发明属于智能制造系统边缘侧设备数据采集技术领域，具体说是一种异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法。主要包括三部分：(1)数据多协议采集部分，通过所述技术，工业现场支持OPCUA的设备和不支持OPCUA的设备均可通过该部分进行采集。(2)OPCUA服务器基础部分，包含地址空间、数据显示、配置界面、历史、日志、警报等。(3)OPCUA数据访问部分。OPCUA数据访问部分主要完成对采集数据的对外传输，与OPCUA客户端建立连接，完成不同设备和不同系统层级间的互联互通。

Description

异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法

技术领域

本发明属于智能制造系统边缘侧设备数据采集技术领域，具体说是一种异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法。

背景技术

工业现场存在各种不同的设备，其种类繁多，通信方式多样，语义信息不一，由此产生的多源异构数据很难得到利用，也很难达到设备间的互联互通。其数据异构主要表现在以下三个方面：

①系统异构：数据源产生的设备不同、数据库版本不同、操作系统不同。②结构异构：不同品牌的厂商提供的设备所提供的接口不同，导致数据产生结构不同。③来源异构：同一数据属性来源于不同的设备提供者。

OPC UA作为目前工业4.0和智能制造产线中常用的协议标准，具有平台独立性、扩展性、高可靠性性和连接互联网的能力。利用OPCUA可以有效解决物联网系统间设备交互困难的问题。

但目前工业现场中，大部分设备并不支持OPCUA协议，同时数据传输协议也并不统一，多种协议并存，甚至有设备厂商根据标准协议修改的私有协议。因此边缘设备异构数据的智能传输存在很大挑战，亟需面向工业现场的高可用性数据智能传输技术。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足之处，本发明主要解决的技术问题是工业现场多源异构数据的智能传输控制技术，提升设备与设备之间，设备与上层客户端间的通信能力，进而实现智能制造行业中信息在各系统层级之间的互联互通。

一种异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法，即将工业现场依靠不同协议进行数据传输的设备通过OPC UA完成数据传输，达到设备间和上层客户端的互联互通。本发明可应用于边缘侧设备间数据传输、边缘侧系统建构、数据采集系统建构、物联网系统建构、智能制造等领域。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制系统，包括：

多协议数据采集模块，用于采集工业现场异构边缘设备的设备数据并转换为统一的OPC UA协议格式，并发送给OPC UA数据访问模块；

OPC UA数据访问模块，用于与OPC UA客户端建立连接，完成OPC UA客户端与工业现场异构边缘设备之间的数据交互。

还包括OPC UA服务器基础模块，用于地址空间数据储存以及根据需求增加对应的扩展功能。

所述扩展功能包括数据展示、数据配置、报警、历史、日志服务中的至少一种。

所述多协议数据采集模块包括：

支持OPC UA协议数据采集模块，用于采集支持OPC UA协议的工业现场边缘设备的设备数据并发送给OPC UA信息建模数据采集接口；

不支持OPC UA协议数据采集模块，用于采集不支持OPC UA协议的工业现场边缘设备的设备数据，对其进行处理，得到OPC UA协议格式的设备数据并发送给OPC UA信息建模数据采集接口；

OPC UA信息建模数据采集接口，用于对设备数据进行整合并发送给OPC UA数据访问模块。

所述不支持OPC UA协议数据采集模块，包括：

设备信息源模型构建模块，用于基于的工业现场边缘设备的属性、设备组件的属性以及设备方法进行定义，构建设备信息源模型；

模型映射模块，用于利用XML文档将设备信息源模型映射到OPC UA信息模型，完成设备数据的协议转换。

异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法，包括以下步骤：

多协议数据采集模块采集工业现场异构边缘设备的设备数据并转换为统一的OPCUA协议格式，并发送给OPC UA数据访问模块；

OPC UA数据访问模块与OPC UA客户端建立连接，完成OPC UA客户端与工业现场异构边缘设备之间的数据交互。

所述多协议数据采集模块执行以下步骤：

支持OPC UA协议数据采集模块采集支持OPC UA协议的工业现场边缘设备的设备数据并发送给OPC UA信息建模数据采集接口；

不支持OPC UA协议数据采集模块采集不支持OPC UA协议的工业现场边缘设备的设备数据，对其进行处理，得到OPC UA协议格式的设备数据并发送给OPC UA信息建模数据采集接口；

OPC UA信息建模数据采集接口对设备数据进行整合并发送给OPC UA数据访问模块。

所述不支持OPC UA协议数据采集模块执行以下步骤：

设备信息源模型构建模块基于的工业现场边缘设备的属性、设备组件的属性以及设备方法进行定义，构建设备信息源模型；

模型映射模块利用XML文档将设备信息源模型映射到OPC UA信息模型，完成设备数据的协议转换。

异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制系统，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法。

一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提供了一种工业互联网边、端、云系统架构。所述系统架构依据所述利用OPCUA的异构设备智能传输技术可解决不同协议设备数据传输困难的问题，实现系统不同层级间的互联互通，完成云端存储，达到智能传输的效果。

2.本发明提出了一种OPCUA服务器中间件技术。可以进行工业现场多协议设备的数据采集，同时将数据转换为满足OPCUA协议的数据，便于数据的传输和存储。另外，通过所述服务器中间件可以将设备端数据传输到管理展示端或者存储到云端。

3.本发明提出了一种面向多源异构数据的OPCUA信息模型数据采集模块。可以完成工业现场多种协议设备的数据采集作业，将不支持OPCUA协议设备的源信息模型映射到符合OPCUA标准的OPCUA信息模型，信息模型以XML文档形式，简单高效，可复用性强。

附图说明

图1为OPCUA服务器中间件架构图；

图2为设备源信息模型通用格式图；

图3为工业互联网边端云实例架构图；

图4为机器人信息模型实例图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法，具体为一种OPCUA服务器的中间件技术，包括以下部分：

1)多协议设备数据采集。将工业现场支持OPC UA协议和不支持OPCUA协议设备的数据进行数据采集，集成到所述OPCUA信息建模数据采集接口模块。

2)OPCUA信息模型数据采集接口模块。将所述数据采集部分采集的数据进行OPCUA信息模型转换，对于不依靠OPCUA协议采集的数据要进行设备信息建模、设备源信息模型到OPCUA信息模型映射，映射过程采用XML形式，简单高效，可复用性强。最后将数据集成到所述OPCUA数据访问部分，进行完整数据传输。

3)OPCUA数据访问。将设备端采集的数据进行OPCUA模型转换后，传输至客户端或者数据库。

图1展示了异构边缘设备智能传输技术架构，即OPCUA服务器中间件架构。主要由以下部分组成：

(1)设备多协议数据采集部分。工业现场支持OPCUA的设备和不支持OPCUA的设备均可通过该部分进行采集。对于支持OPCUA的设备可以直接进行数据采集，数据传输也可以直接通过OPCUA客户端完成。

对于不支持OPCUA的设备需要按照以下流程进行。

建立设备信息源模型。设备信息源模型是对设备的关键参数、状态、功能等进行定义，便于后期映射到OPCUA信息模型。图2展示设备信息源模型通用格式，展示了不同信息的层级关系。

设备信息数据集包括本身的属性集、组件属性集和设备方法，自身属性集包括静态属性集、过程属性集和配置属性集，组件属性集包括驱动组件属性集、控制属性集和辅助组件属性集，每一个组件属性集同样包括静态属性、过程属性和配置属性集。在实际工业设备中，可根据实际情况增加组件属性集。设备方法主要描述设备的功能，根据实际数据传输需求进行定义，比如，对于一个机器人，其方法可能包括启动、停止、移动到点，抓取等。

②设备信息源模型映射到OPCUA信息模型。OPCUA核心基础是基于Socket的数据传输和信息建模，支持面向对象，内置数据采集、事件与报警、历史数据等应用接口。

依据所述设备信息源模型利用XML文档即可完成设备信息源模型到OPCUA信息模型的映射。具体实现有两种方法：一是采用OPCUASDK工具包开发信息模型映射中间件，二是根据所述信息模型手动完成映射过程。本技术采用第一种方法，利用Open62541开源包开发映射中间件。具体映射中间件不在本技术范围内。

(2)OPCUA服务器基础部分。地址空间、数据显示、配置界面、历史、日志、警报等均为OPCUA服务器基础部分，依据OPCUA标准和(1)所述进行设计即可。地址空间是OPCUA服务器较为重要的部分，其定义了传输的数据和如何管理这些数据。

(3)OPCUA数据访问部分。OPCUA数据访问部分主要完成对采集数据的对外传输，与OPCUA客户端建立连接，完成不同设备和不同系统层级间的互联互通。

依据所述异构边缘设备智能传输技术所设计的物联网边端云架构实例如图3所示。

设备层的设备来自不同的车间，同时设备种类、厂家也不尽相同，如图2所示，设备主要来自两个车间，车间1为一个机械臂视觉作业系统，主要设备包括机械臂、现场操作屏、温度传感器和工业相机；车间2主要设备为多个PLC。其数据传输接口不尽相同，例如机器人和传感器的串口，以及其它设备的网口。设备层的传输协议也包含PROFINET协议、Modbus协议、OPCDA、GenIGam相机协议、私有协议和OPCUA协议。私有协议具体可能为欧姆龙Hostlink、西门子的S7等。当然图2所示仅展示了部分设备和部分协议，工业现场实际的设备可能更加繁杂，同时使用场景和使用模式也更加复杂。

数据采集层采用所述异构边缘设备智能传输技术，即基于OPCUA服务器的中间件。OPCUA服务器中间件利用数据传输协议采集数据，同时完成OPCUA信息模型的建构，向上完成对数据管理和展示层的数据传输或者到云端数据库的数据存储。在本部分，对于不支持OPCUA协议的设备进行符合OPCUA协议的语义化建模是重点，图4展示了车间1中机器人的源模型。

其中设备属性集包括厂商信息、设备编号、工作状态、工作时间等，设备组件属性集包括电机和力扣传感器，方法包括启动、停止、报警、移动等。同理，各组件也包含自身的属性，例如电机包含厂商信息、工作状态、启动、停止等。图4仅以机器人为例做了基础展示，实际应用时应根据所需数据和功能需求进行建模。

在完成图4的信息建模后，应利用XML文档完成源模型到OPCUA模型的转换，由此，即可完成对不支持OPCUA协议设备的数据采集。

管理展示层主要包括ERP、MES和SCADA系统。在数据传输部分，三者具有同样的架构，利用OPCUA客户端采集数据采集层传输的数据，同时也可以直接采集云端数据库的数据，完成数据的智能传输。

Claims

1.异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制系统，其特征在于，包括：

OPC UA数据访问模块，用于与OPC UA客户端建立连接，完成OPC UA客户端与工业现场异构边缘设备之间的数据交互；

所述多协议数据采集模块包括：

OPC UA信息建模数据采集接口，用于对设备数据进行整合并发送给OPC UA数据访问模块；

所述不支持OPC UA协议数据采集模块，包括：

2.根据权利要求1所述的异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制系统，其特征在于，还包括OPC UA服务器基础模块，用于地址空间数据储存以及根据需求增加对应的扩展功能。

3.根据权利要求2所述的异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制系统，其特征在于，所述扩展功能包括数据展示、数据配置、报警、历史、日志服务中的至少一种。

4.异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

多协议数据采集模块采集工业现场异构边缘设备的设备数据并转换为统一的OPC UA协议格式，并发送给OPC UA数据访问模块；

OPC UA数据访问模块与OPC UA客户端建立连接，完成OPC UA客户端与工业现场异构边缘设备之间的数据交互；

所述多协议数据采集模块执行以下步骤：

OPC UA信息建模数据采集接口对设备数据进行整合并发送给OPC UA数据访问模块；

所述不支持OPC UA协议数据采集模块执行以下步骤：

5.异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制系统，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求4所述的异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求4所述的异构边缘设备多种复杂模式下的智能传输控制方法。