CN116405524A - 煤矿边缘控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种煤矿边缘控制系统，涉及井下控制系统技术领域，该方法包括：云端模块、边缘控制模块，云端模块与边缘控制模块连接，边缘控制模块和前端设备连接；边缘控制模块，用于接收前端设备的作业数据进行分析处理，以获取处理数据，同时基于处理数据生成前端控制指令，下发给前端设备执行；云端模块，用于接收处理数据，并基于处理数据对全局数据进行更新，同时基于全局数据，生成边缘控制指令，下发给边缘控制模块执行。通过云端模块、边缘控制模块对井下作业数据的分析以及对前端设备的控制，提升数据处理的速度和井下作业整体把控的高度，相较于传统的人工把控，针对井下复杂的作业环境应变能力更强，可以大大提升井下作业的效率。
Description
技术领域
本公开涉及井下控制系统技术领域，尤其涉及煤矿边缘控制系统。
背景技术
工控领域大部分煤矿的开采过程中，基本都采用了封闭式的控制和管理架构，煤矿开采实际生产制造过程中，不同的流程节点在具体指标要求上存在较大差异，但现场数据交互和控制过程，均有实时性和响应确定性的要求；在现场控制层之上是监控和管理层，目前最简单的仅是一些数据信息电子表格，形势松散且无标准化。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开的一个目的在于提出一种煤矿边缘控制系统。
为达上述目的，本公开第一方面实施方式提出了一种煤矿边缘控制系统，包括：云端模块、边缘控制模块，云端模块与边缘控制模块连接，边缘控制模块和前端设备连接；边缘控制模块，用于接收前端设备的作业数据进行分析处理，以获取处理数据，同时基于处理数据生成前端控制指令，下发给前端设备执行；云端模块，用于接收处理数据，并基于处理数据进行汇总，对全局数据进行更新，同时基于全局数据，生成边缘控制指令，下发给边缘控制模块执行。
根据本公开的一个实施方式，边缘控制模块，还包括：边缘云单元、边缘网关单元和边缘控制器单元，云平台与边缘云单元连接，边缘云单元与边缘网关单元连接，边缘网关单元与边缘控制器单元连接，边缘控制器单元与前端设备连接；边缘控制器单元，用于基于前端控制指令，控制前端设备的工作状态，同时采集前端设备的作业数据；边缘网关单元，用于实现边缘控制器单元和边缘云单元之间的多网络协议互联，并对边缘控制器单元和/或边缘云单元访问权限的授权或验证；边缘云单元，用于对作业数据进行处理生成处理数据，并从处理数据中筛选出敏感数据进行保存，将除敏感数据剩余的处理数据上传至云端模块。
根据本公开的一个实施方式，边缘控制器单元安装设有应用，边缘控制器单元包括：应用层、中间层和固件层；固件层，用于为前端设备提供低层驱动和/或网络设施和/或虚拟化平台；中间层，用于为应用提供运行环境，以方便进行快速部署；应用层，用于为应用提供开发环境，开发环境支持多种编程语言。
根据本公开的一个实施方式，虚拟化平台，包括：机器人平台RBP、输入输出功能平台IOP和多协议平台MPP，机器人平台RBP、输入输出功能平台IOP和多协议平台MPP通过网口转换器与前端设备通信互联；RBP，用于控制分布在前端设备上的视觉机器人，并基于视觉机器人实现井下视觉感知；IOP，用于对前端设备发送的模拟信号以及数字信号进行数据传输；MPP用于实现多通信协议之间的互联互通。
根据本公开的一个实施方式，IOP，还用于：对模拟信号和/或数字信号进行数模转换、无效数据过滤，以获取预处理后的模拟信号和/或数字信号。
根据本公开的一个实施方式，边缘控制器单元的通信协议包括Modbus/TCP、Modbus/RTU、EtherCAT、ProfiNet以及Ethernet/IP。
根据本公开的一个实施方式，边缘控制模块，还用于：基于缘控制指令，生成前端控制指令，并下发给前端设备。
根据本公开的一个实施方式，系统，还用于：响应于作业数据的大小超出边缘控制模块的处理量阈值，将超出部分的作业数据上传至云端模块进行分析处理生成处理数据。
根据本公开的一个实施方式，前端设备设有传感器，传感器用于采集前端设备的运行信息、井下的环境信息，并汇总生成作业数据。
根据本公开的一个实施方式，传感器设有无线信号发送装置，边缘控制模块设有与无线信号发送装置匹配的无线信号接收装置。
通过云端模块、边缘控制模块对井下作业数据的分析以及对前端设备的控制，提升数据处理的速度和井下作业整体把控的高度，相较于传统的人工把控，针对井下复杂的作业环境应变能力更强，可以大大提升井下作业的效率。
附图说明
图1是本公开一个实施方式的一种煤矿边缘控制系统的结构示意图；
图2是本公开一个实施方式的边缘控制模块的结构示意图；
图3是本公开一个实施方式的边缘控制单元的结构示意图；
图4是本公开一个实施方式的IOP还用于对模拟信号和/或数字信号进行处理的示意图；
图5是本公开一个实施方式的井下机器视觉应用的流程示意图；
图6是本公开一个实施方式的基于windows系统的读写流程示意图；
图7是本公开一个实施方式的运动控制的示意图；
图8是本公开一个实施方式的实现北向交互功能的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
图1为本公开提出的一种煤矿边缘控制系统的结构示意图，如图1所示，该煤矿边缘控制系统包括：边缘控制模块110和云端模块120。
其中，边缘控制模块110，用于接收前端设备的作业数据进行分析处理，以获取处理数据，同时基于处理数据生成前端控制指令，下发给前端设备执行。
云端模块120，用于接收处理数据，并基于处理数据进行汇总，对全局数据进行更新，同时基于全局数据，生成边缘控制指令，下发给边缘控制模块110执行。
需要说明的是，边缘控制器可为边缘可编程井下控制器，是信息技术(Information Technology，IT)与操作技术(Operation Technology，OT)之间的物理接口。IT与OT结合是实现井下自动化的重要手段，因此边缘控制器作用重要。边缘控制器内置可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，并具备高级编程、通信、可视化等功能，可以在保证控制能力的同时，提升井下设备的接口能力与计算能力。
在本公开实施例中，前端设备可为井下作业的现场设备、控制器和数据采集装置等，也可为中间环节的辅助设备、供给设备等，此处不作任何限定。该前端设备可分布在同一工作面，也可分布在不同的工作面中，此处不作任何限定。
进一步地，前端设备设有传感器，传感器用于采集前端设备的运行信息、井下的环境信息，并汇总生成作业数据。
需要说明的是，由于井下作业复杂，有线通信的布线成本极高，且容易被破坏，因此，本公开实施例中，传感器设有无线信号发送装置，边缘控制模块110设有与无线信号发送装置匹配的无线信号接收装置。以此，可以实现无线通信，提升数据传输的效率，降低数据传输的成本。
需要说明的是，边缘控制模块110和云端模块120为复杂的功能模块，并非仅能实现上述功能或者操作，此处不作一一描述。举例来说，边缘控制模块110可实现通信总线功能、边缘预处理功能、边缘智能功能、控制功能、北向交互功能共五大功能。
通过云端模块、边缘控制模块对井下作业数据的分析以及对前端设备的控制，提升数据处理的速度和井下作业整体把控的高度，相较于传统的人工把控，针对井下复杂的作业环境应变能力更强，可以大大提升井下作业的效率。
需要说明的是，边缘控制器单元的通信协议包括Modbus/TCP、Modbus/RTU、EtherCAT、ProfiNet以及Ethernet/IP，针对不同的设备，在内部软件平台进行多协议的网络配置准备工作。
在本公开实施例中，边缘控制模块110还包括如图2所示的结构：边缘云单元210、边缘网关单元220和边缘控制器单元230，云平台与边缘云单元210连接，边缘云单元210与边缘网关单元220连接，边缘网关单元220与边缘控制器单元230连接，边缘控制器单元230与前端设备连接。
其中，边缘控制器单元230，用于基于前端控制指令，控制前端设备的工作状态，同时采集前端设备的作业数据。
边缘网关单元220，用于实现边缘控制器单元230和边缘云单元210之间的多网络协议互联，并对边缘控制器单元230和/或边缘云单元210访问权限的授权或验证。
边缘云单元210，用于对作业数据进行处理生成处理数据，并从处理数据中筛选出敏感数据进行保存，将除敏感数据剩余的处理数据上传至云端模块120。
需要说明的是，将边缘控制与传统自动化进行对比汇总，对敏感数据的安全保护，尽管封闭控制安全性在理论上最高，但实践中因云端模块120计算有强安全保护机制，敏感数据安全性也会大大优于传统自动化的简单外连外发的情况。并且，云端模块120还具有更加通用、更强处理能力、更高效和灵活的优势，可用以权衡上云的风险和收益。但是云端模块120仍在存在对保密技术和保密数据保密的风险。在本公开实施例中，可通过采用边缘云单元210的方式来存储敏感数据，实现边缘控制和对敏感数据的保护，对煤矿的技术财产安全和信息安全提供保障。
需要说明的是，边缘云单元210、边缘网关单元220和边缘控制器单元230为复杂的功能单元，并非仅能实现上述功能或者操作，此处不作一一描述。举例来说，以x86为通用平台，研究矿用边缘控制技术，实现对边缘层的控制、数据和计算任务，完成“负载整合”式应用。当前，边缘控制器单元230中的边缘网关单元220和边缘控制器单元230，基础架构相同且均具有与现场设备通信的能力，边缘控制器单元230是对现场设备的实时控制，边缘网关单元220是从下层设备进行数据采集类工作，研究利用统一的井下以太网进行通信，使两类设备的数量和与现场设备的连接做到按需而定，并且在边缘云单元210管理支撑下，利用容器化技术，做到边缘设备间的在线热备、冗余切换和不停机升级等灵活和健壮部署的实现，借助平台虚拟化等资源复用和隔离技术，促使多任务整合能力、稳定性和可靠性不断增强，从而大大提高计算平台的利用率和功能实现的灵活性。
同时，通过云端模块120对全局数据进行汇总和分析，可以提升数据处理的速度和整体把控的高度，从而提升井下作业整体流畅性，相较于传统的人工把控，应变能力更强，可以大大提升井下作业的效率，提升边缘控制的效果。
上述实施例中，边缘控制器单元230安装设有应用，边缘控制器单元230还可包括如图3所示的结构：应用层310、中间层320和固件层330。
需要说明的是，边缘控制器单元230为开放式平台，开发者可基于边缘控制器单元230，根据需要实现的实际效果或者功能，对应用进行编辑和开发。
其中，固件层330，用于为前端设备提供低层驱动和/或网络设施和/或虚拟化平台。
中间层320，用于为应用提供运行环境，以方便进行快速部署。
应用层310，用于为应用提供开发环境，开发环境支持多种编程语言。
需要说明的是，固件层330，主要在硬件方面为井下边缘端的作业设备或者其他边缘节点提供低层驱动与网络设施，包括I/O接口、以太网接口及总线接口等等，该层支持多种通讯协议，便于多种数据的采集、通讯及处理，并且提供与硬件无关的虚拟化平台；中间层320，主要是为应用功能、自定义库模块化提供稳定的开发时运行环境，包括算法功能库，为开发者开发时提供便利，方便应用的快速部署；应用层310，为应用提供开放式开发环境，包括支持符合IEC61131标准的PLC虚拟化编程或高级程序语言编程环境，并支持跨平台模块化开发。同时，该层还能够与云端互通，完成典型井下控制应用部署与网络传输服务。
在本公开实施例中，虚拟化平台，包括：机器人平台(Robotic Platform，RBP)、输入输出功能平台(I/O Function Platform，IOP)和多协议平台(Multiple ProtocolPlatform，MPP)，机器人平台RBP、输入输出功能平台IOP和多协议平台MPP通过网口转换器与前端设备通信互联。
同时通过多平台分工合作，可以提升边缘控制的效率和效果，同时多协议平台则解决了井下总线协议之间的互联互通问题，为边缘控制模块110的应用设计与开发提供可靠性、代表性的硬件载体。
其中，RBP，用于控制分布在前端设备上的视觉机器人，并基于视觉机器人实现井下视觉感知。
IOP，用于对前端设备发送的模拟信号以及数字信号进行数据传输。
MPP用于实现多通信协议之间的互联互通。
需要说明的是，RBP、IOP和MPP为复杂的功能平台，并非仅能实现上述功能或者操作，此处不作一一描述。
在本公开的一个实施例中，IOP还用于对模拟信号和/或数字信号进行数模转换、无效数据过滤，以获取预处理后的模拟信号和/或数字信号。举例来说，如图4所示，IOP可设有PLC模块，该PLC模块可对模拟信号和/或数字信号进行预处理，其中，1、PLC模块中的DI表示：数字信号输入模块；2、PLC模块中的DO表示：数字信号输出模块；3、PLC模块中的AI表示：模拟信号输入模块；4、PLC模块中的AO表示：模拟信号输出模块。
通过IOP将模拟信号和/或数字信号转换为目标状态的信号，同时对异常数据进行筛选和功率，提升数据处理的效率和最终获取信号的准确率。
需要说明的是，边缘控制模块110还可基于缘控制指令，生成前端控制指令，并下发给前端设备。本公开实施例中，基于缘控制指令生成的前端控制指令的处理优先级可高于边缘控制模块110基于处理数据生成的前端控制指令。以此，可以优先保证基于全局进行变化的指令优先执行。
作为云计算中云-边-端的补充，边缘控制模块110的算力有限，远不如云端模块120的集群计算能力，但具有边缘数据预处理、数据本地化计算等功能，具有高效、低延时的特点。
但是在一些场景中，尤其为需要处理的数据量较大时，边缘控制模块110会出现数据处理缓慢，数据处理需要进行排队的情况，这样会大大影响井下边缘控制的效率。
在本公开实施例中，响应于作业数据的大小超出边缘控制模块110的处理量阈值，将超出部分的作业数据上传至云端模块120进行分析处理生成处理数据。
需要说明的是，该上传可包括一定的上传规则，此处不作任何限定，举例来说，可根据数据的保密程度进行上传，选取保密程度低的数据上传至云端模块进行处理；可选地，还可根据数据处理需要的算力进行上传，选取需求算力大的数据上传至云端模块进行处理。
在本公开实施例中的煤矿边缘控制系统还可面向煤炭自动化领域的软硬一体化参考设计为自身定位；基于“通用开放架构”和“软件定义”的两个基本设计理念进行开发，突出软硬协同优化的特征；包含“一硬一软”两个基础构件，用以实现各种边缘控制任务整合应用。
(1)以基于x86架构处理器的通用计算硬件平台，用作边缘控制软件的执行载体；
(2)具备实时性的通用操作系统和平台虚拟化方案，用作边缘控制应用层310的运行基础。
边缘控制所需的软件基础，可分成井下自动化、边缘计算和公用技术等两个方面：
(1)井下自动化的基础平台技术：包含现场控制所需的实时解决方案和现场设备连接两方面。因为井下自动化系统是物理+信息系统，涉及到真实世界的具体设备进行信息交互和控制物理过程，现在的趋势是煤矿边缘控制系统自身装备实时操作系统，电子信息系统ECI集成了以通用操作系统Linux为基础进行实时性改造，包括基于双系统内核架构的Xenomai开源方案和统一系统内核的Preempt RT实时补丁方案，均进行了相关硬件的适配和优化。井下自动化生产过程中会涉及到大量的现场设备，ECI中还集成了使用某些井下以太网和现场总线方案(如EtherCAT开源协议栈和开源CANopen协议栈)来与现场设备(执行机构和测量机构)进行可靠的实时通信；此外还集成了自研和第三方的软PLC、ROS和运动控制库等应用层310的模块和示例应用程序。
(2)边缘计算相关的技术：参照ECI，煤矿边缘控制系统需要具备OPC UA和MQTT等现场数据上传协议的支持，以具备上位(云端)通信能力和实时数据采集、处理及分析等基本模块，对控制器获取到的实时域现场数据进行转存、处理和上传以及接收从管理层相关工艺指令信息。
(3)公用平台技术：平台级虚拟化支持，包含操作系统级Hypervisor方案和Container的轻量级虚拟化方案，可在边缘控制器和云端上，实现负载整合、迁移和升级等任务。
在本公开的一种实时方式中，煤矿边缘控制系统中间层320的算法库中包含计算机视觉算法库，进行井下图像处理，如图5所示。现有的井下机器视觉应用领域中，机器视觉都是仅仅完成图像处理功能，再通过以太网进行设备控制。本发明提出的煤矿边缘控制系统，是基于感知与控制的整合，能够满足边缘控制技术与跨系统功能的应用实时性与技术整合需求，如图6所示。本发明适用于windows和linux系统，采用共享内存机制可以将不同进程通过自身的地址空间及页表之间的对应关系，映射到同一物理空间中，完成数据的读写操作，形成快捷的数据共享模式，进而实现两个平台之间的相互通讯与操作。
在本公开的一种实时方式中，为保证本发明的煤矿边缘控制系统能够完成基本的运动控制功能，基于PLC进行电机运动功能控制的设计，通过井下通讯总线设计中的EtherNet IP协议，利用CODESYS基础功能库进行电机电源(MC_Power)、电机移动速度(MC_MoveVelocity)、电机转速及转向(MOVE)、电机停止(MC_Stop)四大基础运动模块的逻辑控制，完成电机运动控制，具体如图7所示。
在本公开的一种实时方式中，作为针对煤矿边缘控制系统应用层310的功能设计，北向交互功能主要是面向信息管理系统的网络服务、设备管理部署两部分。本发明此部分主要是针对井下边缘控制器与信息管理系统之间应用层310网络接口设计，如图8所示。首先进行现场边缘网关(Edge Gateway，EG)应用，并利用其完成本发明的本地化网络通信功能及设备的注册管理，同时基于4G网络或5G网络进行本发明的外部网络方案设计，并进行相关任务部署下发。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本公开的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本公开的限制，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种煤矿边缘控制系统，其特征在于，包括：云端模块、边缘控制模块，所述云端模块与所述边缘控制模块连接，所述边缘控制模块和前端设备连接；
所述边缘控制模块，用于接收前端设备的作业数据进行分析处理，以获取处理数据，同时基于所述处理数据生成所述前端控制指令，下发给所述前端设备执行；
所述云端模块，用于接收所述处理数据，并基于所述处理数据对全局数据进行更新，同时基于所述全局数据，生成边缘控制指令，下发给所述边缘控制模块执行。
2.根据权利要求1所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述边缘控制模块，还包括：边缘云单元、边缘网关单元和边缘控制器单元，所述云平台与所述边缘云单元连接，所述边缘云单元与所述边缘网关单元连接，所述边缘网关单元与所述边缘控制器单元连接，所述边缘控制器单元与所述前端设备连接；
所述边缘控制器单元，用于基于所述前端控制指令，控制所述前端设备的工作状态，同时采集所述前端设备的作业数据；
所述边缘网关单元，用于实现所述边缘控制器单元和所述边缘云单元之间的多网络协议互联，并对所述边缘控制器单元和/或所述边缘云单元访问权限的授权或验证；
所述边缘云单元，用于对所述作业数据进行处理生成所述处理数据，并从所述处理数据中筛选出敏感数据进行保存，将除所述敏感数据剩余的处理数据上传至所述云端模块。
3.根据权利要求2所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述边缘控制器单元安装设有应用，所述边缘控制器单元包括：应用层、中间层和固件层；
所述固件层，用于为所述前端设备提供低层驱动和/或网络设施和/或虚拟化平台；
所述中间层，用于为所述应用提供运行环境，以方便进行快速部署；
所述应用层，用于为所述应用提供开发环境，所述开发环境支持多种编程语言。
4.根据权利要求3所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述虚拟化平台，包括：
所述机器人平台RBP、输入输出功能平台IOP和多协议平台MPP，所述机器人平台RBP、所述输入输出功能平台IOP和所述多协议平台MPP通过网口转换器与所述前端设备通信互联；
所述RBP，用于控制分布在所述前端设备上的视觉机器人，并基于所述视觉机器人实现井下视觉感知；
所述IOP，用于对所述前端设备发送的模拟信号以及数字信号进行数据传输；
所述MPP用于实现多通信协议之间的互联互通。
5.根据权利要求1所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述IOP，还用于：
对所述模拟信号和/或所述数字信号进行数模转换、无效数据过滤。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述边缘控制器单元的通信协议包括Modbus/TCP、Modbus/RTU、EtherCAT、ProfiNet以及Ethernet/IP。
7.根据权利要求1所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述边缘控制模块，还用于：
基于所述缘控制指令，生成前端控制指令，并下发给所述前端设备。
8.根据权利要求1所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述所述系统，还用于：
响应于所述作业数据的大小超出所述边缘控制模块的处理量阈值，将超出部分的所述作业数据上传至所述所述云端模块进行分析处理生成处理数据。
9.根据权利要求1所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述前端设备设有传感器，所述传感器用于采集所述前端设备的运行信息、井下的环境信息，并汇总生成所述作业数据。
10.根据权利要求9所述的煤矿边缘控制系统，其特征在于，所述传感器设有无线信号发送装置，所述边缘控制模块设有与所述无线信号发送装置匹配的无线信号接收装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310315654.2A CN116405524A (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 煤矿边缘控制系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310315654.2A CN116405524A (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 煤矿边缘控制系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116405524A true CN116405524A (zh) | 2023-07-07 |
Family
ID=87008444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310315654.2A Pending CN116405524A (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 煤矿边缘控制系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116405524A (zh) |
-
2023
- 2023-03-24 CN CN202310315654.2A patent/CN116405524A/zh active Pending
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