CN115356980A - 一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法 - Google Patents

一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115356980A
CN115356980A CN202211027279.3A CN202211027279A CN115356980A CN 115356980 A CN115356980 A CN 115356980A CN 202211027279 A CN202211027279 A CN 202211027279A CN 115356980 A CN115356980 A CN 115356980A
Authority
CN
China
Prior art keywords
edge computing
computing gateway
plc
control
gateway
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211027279.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115356980B (zh
Inventor
胥鸣
张奇
牛守祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei Jiskeda Control Technology Co ltd
Original Assignee
Hefei Jiskeda Control Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei Jiskeda Control Technology Co ltd filed Critical Hefei Jiskeda Control Technology Co ltd
Priority to CN202211027279.3A priority Critical patent/CN115356980B/zh
Publication of CN115356980A publication Critical patent/CN115356980A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115356980B publication Critical patent/CN115356980B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/05—Programmable logic controllers, e.g. simulating logic interconnections of signals according to ladder diagrams or function charts
    • G05B19/058—Safety, monitoring
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/10—Plc systems
    • G05B2219/14—Plc safety
    • G05B2219/14006—Safety, monitoring in general
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)
  • Programmable Controllers (AREA)

Abstract

本发明涉及自控系统改造，具体涉及一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，配置边缘计算网关与PLC通讯，读取PLC所有输入寄存器中的数据，同时能够向PLC的输出寄存器写入数据；在边缘计算网关与PLC之间设定冗余机制，并且增加系统中边缘计算网关是否作为主控设备运行，使得系统进入以边缘计算网关为主的控制模式的判断条件；本申请能够解决现有技术中普遍存在的在自控系统中部署边缘计算网关时，对现场通信及控制线路改造工程量过大、调试复杂的问题；通过边缘计算网关与PLC的冗余配置，有效提升系统的可靠性；通过自动或手动进行控制模式切换，能够更准确地反映PLC控制模式与边缘计算网关控制模式之间运行工况的差异。

Description

一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法
技术领域
本发明涉及自控系统改造，具体涉及一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法。
背景技术
工业自动化控制系统通常采用PLC实现具有一定算法能力的对设备进行采集和控制逻辑的操作，如图6所示。但是，PLC的计算资源较少、开发接口调用方式固定(一般是专业自控设计人员采用IEC61131-3进行逻辑编程)，难以完成多协议开发，更无法实现强大且复杂的行业优化算法。
互联网的发展，使大量无人值守的现场设备，与远方控制中心相连成为可能，由于PLC无法胜任，目前通常采用网关(又称规约转换器、通信管理机)，在现场集中采集所有设备(包含但不限于PLC设备)，统一与远方控制中心进行交互。完成上述功能的网关，一般称为常规网关，其所实现的主要功能如图7所示。
当自控系统部署常规网关时，只需要布放通信线缆，使常规网关能够通过以太网口、各类现场总线、串口等与PLC及其它现场设备相连，调通协议即可。通常这些部署工作可以在现场的通讯柜中完成，如图9所示。
常规网关本身并不做出对PLC的控制决策，上级监控系统下达的控制命令，通过常规网关下发至PLC。
嵌入式计算机硬软件资源的飞速发展，使得基于嵌入式计算机开发的网关，已经从单纯的数据协议解析组包传输的专用设备，演进成为具有协议解析打包、数据采集、实时/历史处理、逻辑控制、就地显示、视频处理、多通信方式/多通道模式、多计算接口的新型设备——边缘计算网关，边缘计算网关所实现的主要功能如图8所示。
当自控系统部署边缘计算网关时，因为必须参与对现场设备的控制，所以除必须部署与常规网关同样的通信线缆(同样在现场通讯柜中)与PLC及其它现场设备相连外，还必须部署控制电缆、中间继电器等设备，通常这些控制电缆和中间继电器的接线工作是在现场的通讯柜中完成的，如图10所示。
边缘计算网关，除了能够接收上级监控系统下达的控制命令外，自身算法生成的计算结果也能产生控制命令，这两种控制命令都通过边缘计算网关下发至PLC。
由此可见，网关能够同时执行更多的功能需求，是实现行业应用算法的理想载体，有能力成为现场智能控制的真正大脑。相比之下，PLC属于可靠性指标更高，具有局部、有限度的智能控制单元。
一个功能完备的边缘计算网关，能够通过与PLC的通信，获取PLC采集的所有现场设备数据，也能够通过PLC，对PLC控制的所有设备对象进行控制。除此之外，由于边缘计算网关内存在运行优化算法的需要，网关会对PLC尚未能采集的现场设备数据进行采集，同时也会对既有自控系统未能控制的设备对象进行控制，这必然导致对现场既有的通讯柜和IO信号回路进行改造。
这种改造，会改变PLC原有的控制模式(即需要修改PLC原有的控制程序)，而网关的算法控制从程序上是否可靠，很难在短时间内完成验证；改造IO信号回路的工程量大，周期长，容易出错，对工程施工和现场调试人员的专业能力要求非常高。同时，改造完成前，必须经过完整的对点调试，才能保证整个自控系统的准确性与可靠性。
对于已建成系统，或者在运行系统，较长时间的改造工程会给用户带来很大的不便和经济损失，系统安全性和可靠性也无法得到保证。如果需要在短时间内对较多数量的自控系统加装边缘计算网关，采用上述常规方法无法实现。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，能够有效克服现有技术所存在的无法在短时间内对较多数量的自控系统加装边缘计算网关的缺陷。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，配置边缘计算网关与PLC通讯，读取PLC所有输入寄存器中的数据，同时能够向PLC的输出寄存器写入数据；
在边缘计算网关与PLC之间设定冗余机制，并且增加系统中边缘计算网关是否作为主控设备运行，使得系统进入以边缘计算网关为主的控制模式的判断条件。
优选地，所述边缘计算网关与PLC之间的冗余机制，包括：
在边缘计算网关正常运行的情况下，系统优先进入以边缘计算网关为主的控制模式，以边缘计算网关承载的复杂优化算法，保证系统处于最优运行模式和最佳经济效益状态；
在边缘计算网关无法正常运行或人工指定情况下，PLC立刻接管控制，进入既有的PLC自控模式，在保证系统不停顿的前提下，更换故障边缘计算网关，尽快使系统恢复至以边缘计算网关为主的控制模式下的最优运行模式；
通过在两种控制模式之间进行切换，对比不同工控下的采集数据，得到优化效果对比结果，并不断提升边缘计算网关中高级优化算法的性能。
优选地，所述系统进入以边缘计算网关为主的控制模式时，所述边缘计算网关与PLC之间交换输入寄存器中的数据，并通过计算得出调整值后写入PLC的输出寄存器。
优选地，所述系统进入以边缘计算网关为主的控制模式时，所述PLC原有的程序控制逻辑停止，同时所述PLC在PLC内核的控制下正常接收输入数据。
优选地，所述边缘计算网关通过有数字通信接口的采集装置/自带的IO信号模块接入新的数据输入点和控制输出点，且相关接线工作在边缘计算网关所在的通信柜中完成。
优选地，所述边缘计算网关通过以太网、TCP/IP或串口与PLC通讯。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，具有以下有益效果：
1)针对目前常规改造方案的缺点，通过对PLC实现技术、网关与PLC通信机理、计算机程序设计原理等方面的综合研究，在不改变现场原有IO信号回路、不改变原控制系统PLC控制程序逻辑的前提下，部署边缘计算网关、实现边缘计算功能，实现在较短时间内，以较低技术要求的人工，对较多数量的既有自控系统进行高效低成本改造的目的；
2)不改动既有自控系统的IO信号回路，大大降低了现场工作量，缩短建设周期，降低建设成本至少1个数量级；
3)不改动既有自控系统PLC控制程序逻辑，保证既有自控系统控制模式的完整性和可靠性；
4)在边缘计算网关与PLC之间设定冗余机制，使得系统得到优化的同时，将系统的可靠性提升至99.99％以上；
5)定期在边缘计算网关与PLC之间切换控制模式，对比验证网关优化算法的有效性，为多种利益分成模式提供准确客观的分析数据；
6)通过边缘计算网关的优化算法，为行业自动化、智能化提供强有力的支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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，下面描述中的附图仅仅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为本发明中边缘计算网关与PLC之间通讯机制的示意图；
图2为本发明中增加系统是否进入以边缘计算网关为主的控制模式的判断条件的示意图；
图3为本发明中系统进入以边缘计算网关为主的控制模式的示意图；
图4为PLC运行原理的示意图；
图5为本发明中边缘计算网关接入新的数据输入点和控制输出点的示意图；
图6为现有工业自动化控制系统采用PLC对设备进行采集和控制的示意图；
图7为常规网关实现主要功能的示意图；
图8为边缘计算网关实现主要功能的示意图；
图9为自控系统部署常规网关时的布线示意图；
图10为自控系统部署边缘计算网关时的布线示意图。
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。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。
一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，①如图1所示，配置边缘计算网关与PLC通讯，读取PLC所有输入寄存器中的数据，同时能够向PLC的输出寄存器写入数据。
如图4所示，PLC通常包括“数据区—寄存器”两层组织结构，PLC内核按照这个结构自动处理IO数据，即：PLC内核根据不同的板卡配置和配置定义，自动对输入量进行处理，写入相应的输入数据区—寄存器，供PLC程序调用；根据不同应用编写的PLC程序(最常见的是采用IEC61131-3规范中的梯形图)在PLC中运行，调用输入数据，产生的结果写入指定的输出数据区—寄存器，并由PLC内核自动输出至相应接口上。
通过分析PLC运行原理，可以明确：PLC的输入数据区—寄存器只受输入信号变化与PLC内核控制，与PLC程序无关；PLC程序运行只会影响输出数据区—寄存器。
根据不同PLC及其硬件资源的分配，边缘计算网关可通过以太网、TCP/IP或串口与PLC通讯，能够读取PLC所有输入寄存器中的数据，同时能够向PLC的输出寄存器写入数据。
②在边缘计算网关与PLC之间设定冗余机制。
现场部署边缘计算网关，并与PLC形成通信连接后，两者都具备独立控制的能力，只是边缘计算网关的控制算法更加偏重整体优化，而PLC的控制更偏向底层控制功能的可靠性。在本申请技术方案中，两者实际上形成了不同控制原理的冗余机制，进一步增强了系统的高效性、经济性及可靠性。
边缘计算网关与PLC之间的冗余机制，包括：
在边缘计算网关正常运行的情况下，系统优先进入以边缘计算网关为主的控制模式，以边缘计算网关承载的复杂优化算法，保证系统处于最优运行模式和最佳经济效益状态；
在边缘计算网关无法正常运行或人工指定情况下，PLC立刻接管控制，进入既有的PLC自控模式，在保证系统不停顿的前提下，更换故障边缘计算网关，尽快使系统恢复至以边缘计算网关为主的控制模式下的最优运行模式；
通过自动或手动方式在两种控制模式之间进行切换，对比不同工控下的采集数据，得到优化效果对比结果，并不断提升边缘计算网关中高级优化算法的性能。
在边缘计算网关面向节能降耗优化的应用场景中，如何测算优化效果，一直是个难题。在自动系统具备不同控制原理的冗余机制后，可以采用周期性轮替(比如以1天为周期更换优化策略)的方式，对比边缘计算网关承载的优化算法与PLC程序之间不同的优化效果，就轻而易举了。
③如图2所示，增加系统中边缘计算网关是否作为主控设备运行，使得系统进入以边缘计算网关为主的控制模式的判断条件。
1)系统进入以边缘计算网关为主的控制模式时，边缘计算网关与PLC之间交换输入寄存器中的数据，并通过计算得出调整值后写入PLC的输出寄存器。
2)如图3所示，系统进入以边缘计算网关为主的控制模式时，PLC原有的程序控制逻辑停止，否则会发生双重控制，造成严重后果，同时PLC在PLC内核的控制下正常接收输入数据。
本申请技术方案中，通过增加系统中边缘计算网关是否作为主控设备运行，使得系统进入以边缘计算网关为主的控制模式的判断条件，能够保持PLC控制程序逻辑不变，整个PLC程序也不需要进行任何修改。
④如图5所示，边缘计算网关通过有数字通信接口的采集装置/自带的IO信号模块接入新的数据输入点和控制输出点，且相关接线工作在边缘计算网关所在的通信柜中完成。
如果边缘计算网关需要接入新的数据输入点和控制输出点，为保证既有自控系统的IO信号回路接线保持不变，相关接线工作在边缘计算网关所在的通信柜中完成，可以采用有数字通信接口的采集装置，也可以通过边缘计算网关自带的IO信号模块实现。
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，并不会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 (6)

1.一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，其特征在于：配置边缘计算网关与PLC通讯，读取PLC所有输入寄存器中的数据，同时能够向PLC的输出寄存器写入数据；
在边缘计算网关与PLC之间设定冗余机制，并且增加系统中边缘计算网关是否作为主控设备运行，使得系统进入以边缘计算网关为主的控制模式的判断条件。
2.根据权利要求1所述的利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，其特征在于：所述边缘计算网关与PLC之间的冗余机制，包括：
在边缘计算网关正常运行的情况下，系统优先进入以边缘计算网关为主的控制模式，以边缘计算网关承载的复杂优化算法，保证系统处于最优运行模式和最佳经济效益状态；
在边缘计算网关无法正常运行或人工指定情况下，PLC立刻接管控制，进入既有的PLC自控模式，在保证系统不停顿的前提下，更换故障边缘计算网关，尽快使系统恢复至以边缘计算网关为主的控制模式下的最优运行模式；
通过在两种控制模式之间进行切换，对比不同工控下的采集数据，得到优化效果对比结果，并不断提升边缘计算网关中高级优化算法的性能。
3.根据权利要求2所述的利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，其特征在于：所述系统进入以边缘计算网关为主的控制模式时，所述边缘计算网关与PLC之间交换输入寄存器中的数据，并通过计算得出调整值后写入PLC的输出寄存器。
4.根据权利要求3所述的利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，其特征在于：所述系统进入以边缘计算网关为主的控制模式时，所述PLC原有的程序控制逻辑停止，同时所述PLC在PLC内核的控制下正常接收输入数据。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，其特征在于：所述边缘计算网关通过有数字通信接口的采集装置/自带的IO信号模块接入新的数据输入点和控制输出点，且相关接线工作在边缘计算网关所在的通信柜中完成。
6.根据权利要求5所述的利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法，其特征在于：所述边缘计算网关通过以太网、TCP/IP或串口与PLC通讯。
CN202211027279.3A 2022-08-25 2022-08-25 一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法 Active CN115356980B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211027279.3A CN115356980B (zh) 2022-08-25 2022-08-25 一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211027279.3A CN115356980B (zh) 2022-08-25 2022-08-25 一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115356980A true CN115356980A (zh) 2022-11-18
CN115356980B CN115356980B (zh) 2023-06-27

Family

ID=84005405

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211027279.3A Active CN115356980B (zh) 2022-08-25 2022-08-25 一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115356980B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200310920A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-01 Honeywell International Inc. Redundant controllers or input-output gateways without dedicated hardware
CN113849276A (zh) * 2021-09-30 2021-12-28 广州明珞装备股份有限公司 一种远程虚拟仿真的方法、系统、装置及存储介质
CN113867128A (zh) * 2021-10-26 2021-12-31 南京理工大学 一种数控装备智能冗余控制系统及方法
CN114563946A (zh) * 2022-04-28 2022-05-31 深圳斯凯达控制技术有限公司 一种网关与plc配合的工业监控冗余系统的控制方法及系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200310920A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-01 Honeywell International Inc. Redundant controllers or input-output gateways without dedicated hardware
CN113849276A (zh) * 2021-09-30 2021-12-28 广州明珞装备股份有限公司 一种远程虚拟仿真的方法、系统、装置及存储介质
CN113867128A (zh) * 2021-10-26 2021-12-31 南京理工大学 一种数控装备智能冗余控制系统及方法
CN114563946A (zh) * 2022-04-28 2022-05-31 深圳斯凯达控制技术有限公司 一种网关与plc配合的工业监控冗余系统的控制方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN115356980B (zh) 2023-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103592880B (zh) 用于大型工程类设备的智能控制器系统
US8132042B2 (en) Method and device for exchanging data on the basis of the OPC communications protocol between redundant process automation components
CN103324156A (zh) 过程控制系统
CN102122162B (zh) 微网中央控制器
CN102736594B (zh) 一种智能配电终端统一平台模块化设计方法
CN202421854U (zh) 用于dcs系统的三重冗余开关量输出模块
CN1929223A (zh) 一种综合自动化变电站调试装置
CN112271816A (zh) 一种智能变电站集群测控系统及其测控方法
CN203014488U (zh) 一种分布式智能配电终端
CN114006804B (zh) 一种基于集中式保护控制系统架构的配电边缘服务器系统
CN117573609B (zh) 一种具有冗余功能的片上系统及其控制方法
CN109633345B (zh) 一种二次设备在线监测与分析装置
CN201811388U (zh) 地铁车站通风空调环控集中控制系统
CN205581629U (zh) 火电厂辅控网一体化控制系统
Shimei et al. Design of industrial internet of things gateway with multi-source data processing
CN115356980A (zh) 一种利用边缘计算网关对既有自控系统的改造方法
CN116820054A (zh) 一种自主可控水电远程集控系统及其创建方法
CN204883335U (zh) Pas100控制系统的总线冗余构架
CN105278482A (zh) 一种船舶机舱监测报警与控制系统
CN207020478U (zh) 一种基于硬件冗余的设备监控系统
CN100430925C (zh) 一种基于嵌入式操作的管理系统及装置
CN204883337U (zh) Pas100控制系统的通信模块冗余构架
CN2446587Y (zh) 智能协议处理器
CN109933428B (zh) 基于多核cpu的集中式整站保护配置装置及方法
CN103838191A (zh) 分布式控制系统接入方法和装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant