CN116980450A - 一种工业互联网数据采集控制系统及计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业互联网技术领域，尤其是一种工业互联网数据采集控制系统，包括远程监控平台、多个数据集中设备和多个数据交换控制设备，数据集中设备与工业现场设备连接，用于收集工业现场设备的数据，数据交换控制设备之间通过传递STP协议的BPDU报文来确定网络的拓扑结构，数据交换控制设备与数据集中设备连接，用于通过预设的多种传输选择机制实现对数据流量的全局规划和调度，并基于时间敏感网络和数据集中设备之间进行数据交换的控制，远程监控平台和数据交换控制设备通过网络同步后进行数据传输，远程监控平台用于接收数据并远程下发控制指令到工业现场设备。本申请实施例能够帮助企业以便捷、低成本的方式实现工业设备接入业互联网。
Description
技术领域
本发明涉及工业互联网技术领域，尤其是一种工业互联网数据采集控制系统及计算机设备。
背景技术
工业互联网是近年来快速发展的领域，其主要应用于工业生产、物流和服务领域。随着工业互联网技术的发展，对工业设备安全和运行状态监控的要求也越来越高，需要采集和处理大量的数据，同时也需要对工业设备进行控制。工业设备实现安全、快速的接入物联网，对于工业4.0的实现至关重要。
一方面由于生产现场的工业设备种类形形色色、分布零散，另一方面工业设备采集的数据量巨大且类型复杂繁多，不仅需要满足网络的带宽、吞吐量，还要保证数据传输的实时稳定和安全可靠，企业布局、建设和维护IT和OT等基础设施的成本较高、难度较大，因此，急需构建一个可靠性、即时性、带宽和质量都得到保证的数据传输体系，更好地帮助企业以便捷、低成本的方式实现工业设备安全、快速地接入业互联网。
发明内容
为解决上述现有技术问题，本发明提供了一种工业互联网数据采集控制系统，该系统基于时间敏感网络构建的数据采集传输体系，可以将数据集中设备汇聚的多种现场设备的数据实时、快速、安全地传输到数据交换控制设备和远程监控平台，帮助企业以便捷、低成本的方式实现工业设备接入业互联网。
本发明提供了一种工业互联网数据采集控制系统，包括远程监控平台、多个数据集中设备和多个数据交换控制设备；
多个所述数据集中设备与多个工业现场设备连接，用于收集所述工业现场设备的数据；
多个所述数据交换控制设备之间通过传递STP协议的BPDU报文来确定网络的拓扑结构，所述数据交换控制设备与所述数据集中设备连接，用于通过预设的多种传输选择机制实现对数据流量的全局规划和调度，并基于时间敏感网络和所述数据集中设备之间进行数据交换的控制；
所述远程监控平台和所述数据交换控制设备通过网络同步后进行数据传输，所述远程监控平台用于对接收到的数据进行实时展示并远程下发控制指令到工业现场设备。
进一步的，所述数据交换控制设备包括同步模块、混合配置模块以及调度模块。
进一步的，所述数据交换控制设备的同步模块包括：
时间同步单元，用于基于对时钟同步协议的配置和管理，实现所述时间敏感网络全局的时钟同步设置；
网络同步单元，用于和所述远程监控平台进行以太网同步。
进一步的，所述调度模块模块通过预设的多种传输选择机制实现对数据流量的全局规划和调度。
进一步的，所述多种传输选择机制包括基于信用的整形器机制、时间感知整形器机制以及抢占式MAC机制。
进一步的，所述混合配置模块包括基于SRP 的分布式网络配置单元和用于全局管理和控制的集中式网络配置单元。
进一步的，所述数据交换控制设备和所述数据集中设备之间通过LLDP链路层发现协议进行初始组网连接。
进一步的，所述数据集中设备包括PLC设备。
为解决上述现有技术问题，本发明还提供一种计算机设备，包括至少一个处理器、至少一个存储器和数据总线；其中：所述处理器与所述存储器通过所述数据总线完成相互间的通信；所述存储器存储有被所述处理器执行以实现所述的工业互联网数据采集控制系统功能的程序。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、基于时间敏感网络构建的数据采集传输体系，可以将数据集中设备汇聚的多种现场设备的数据实时、快速、安全地传输到数据交换控制设备和远程监控平台，在传统的自动化工业设备的基础上集成现代网络和信息技术，帮助企业以便捷、低成本的方式实现工业设备接入业互联网；
2、数据交换控制设备之间组成的网络拓扑结构可以防止报文在环路网络中不断增生和无限循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成的报文处理能力下降、导致网络拥堵的问题发生，提高网络的传输效率和质量；
3、多种传输选择机制的使用可以实现对网络数据流量的全局规划和调度，使网络数据流量的传输更加快速、稳定和可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明实施例所提供的一种工业互联网数据采集控制系统功能模块示意图；
图2是本发明实施例所提供的一种工业互联网数据采集控制系统的数据交换控制设备的结构示意图；
图3是本发明实施例中调度模块的基于信用的整形器机制CBS的原理示意图；
图4是本发明实施例中调度模块的时间感知整形器机制TAS和抢占式MAC传输机制的混合模式的原理示意图；
图5为本发明所提供的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例提供的工业互联网数据采集控制系统具体包括：多个数据集中设备1、至少一个数据交换控制设备2以及远程监控平台3，所述数据集中设备1用于收集工业现场设备的数据，所述数据交换控制设备2用于基于时间敏感网络和所述数据集中设备1之间进行数据交换的控制，所述数据交换控制设备2和所述远程监控平台3通过网络同步后进行数据传输，所述远程监控平台3用于对接收到的数据进行实时展示并远程下发控制指令到工业现场设备。
其中，上述数据集中设备可以是PLC设备，利用多个PLC设备统一汇聚承重传感器、伺服电机、温湿度传感器、电能传感器、微型风扇等工业现场设备生产运行过程中采集的模拟量、数字量等信号，实现工业互联网数据的采集；然后PLC设备通过时间敏感网络将汇聚的数据实时、安全、快速地传输到上述数据交换控制设备2和远程监控平台3，从而在传统的自动化工业设备的基础上集成现代网络和信息技术，使系统具有较强的可扩展性和可接入性，为将零散式的工厂自动化体系转变为数字化、智能化的工业生产模式奠定基础，帮助企业以便捷、低成本的方式实现工业设备接入业互联网。
上述时间敏感网络基于802.1as 定义的通用精确时间协议gPTP（generalizedprecision time protocol）实现，gPTP 用于时间敏感的桥接分组交换局域网，gPTP 中时间敏感系统只采用IEEE802MAC协议数据单元和地址进行通信，且gPTP 定义了一个媒体独立自层，使得即使采用不同网络技术，甚至不同的媒体接入技术的混合网络，也可采用相同的时间域进行同步，时间敏感子网间或节点间信息的交换可以采用不同的包格式和管理机制；
对于全双工以太网链路，gPTP 采用两步的消息交换过程（Follow_Up 和Pdelay_Resp_Follow_Up 消息来交换时间戳），且当时钟同步达到稳定状态时，gPTP 网络只有一个处于激活状态的主时钟便于全局时间的同步。
进一步的，数据交换控制设备2和数据集中设备1之间通过LLDP链路层发现协议进行初始组网连接。LLDP链路层发现协议可以为多个不同的数据交换控制设备和数据集中设备提供一种标准的链路层发现方式，各设备可以将本端设备的主要能力、管理地址、设备标识、接口标识等信息组织成不同的 TLV（Type/Length/Value，类型/长度/值），并封装在LLDPDU链路层发现协议数据单元中发布给与自己直连的邻居，邻居收到这些信息后将其以标准 MIB（Management Information Base，管理信息库）的形式保存起来，以供其他网络设备查询及判断链路的通信状况，管理地址可以明确地标识一台设备，不同厂商不同类型的设备之间可以通过管理地址或设备标识相互发现和建立初始连接，从而有利于扩展网络，连接更多的设备。数据集中设备1和数据交换控制设备2之间建立初始连接后，通过上述时间敏感网络的网络配置进行确定性组网，然后利用数据交换控制设备2的数据调度机制可以保障网络传输的实时性和稳定性。
进一步的，多个上述数据交换控制设备2之间通过传递STP协议的BPDU报文来确定网络的拓扑结构，然后通过报文的配置信息加入网络。对于企业的生产现场较复杂、现场设备较多，需要布置多个上述数据交换控制设备2并通过STP协议的BPDU报文桥接进行灵活的网络拓扑结构扩展，将生产现场各个节点高效连接起来，从而可以快速地构建性价比高的全局智能网络体系。其中，STP协议用于在局域网中消除数据链路层物理环路的协议，运行该协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某些端口进行阻塞，最终将多个数据交换控制设备组成的环路网络结构在逻辑上修剪成无环路的树型网络结构，从而防止报文在环路网络中不断增生和无限循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成的报文处理能力下降、导致网络拥堵的问题发生，提高网络的传输效率和质量。
进一步的，如图2所示，上述数据交换控制设备2包括同步模块4、混合配置模块5以及调度模块6。同步模块4具体包括时间同步单元41和网络同步单元42，其中时间同步单元41用于基于对时钟同步协议的配置和管理，实现时间敏感网络全局的时钟同步设置，即由上述数据交换控制设备2和数据集中设备1分别组成时间敏感网络的桥节点和端节点之间，基于上述gPTP协议的配置进行节点间的时钟同步和管理；网络同步单元42用于和所述远程监控平台3进行以太网同步，具体的，数据交换控制设备2和远程监控平台3通过交互ESMC报文传递时钟的QL（Quality Level，质量等级）来表示时钟质量等级；ESMC报文的发送有两种方式：一是心跳发送，每秒发送一次 ESMC 信息报文；二是事件发送，当本设备的系统时钟发生变化时，立即发送ESMC事件报文，其中携带本设备最新的系统时钟 QL。数据交换控制设备2和远程监控平台3通过在以太网的物理层进行高质量时钟频率的同步，为通讯提供一个高精度的时钟，不受高层协议的影响，也不会受到数据网络拥塞、丢包、时延等的影响，从而提高数据交换控制设备2和远程监控平台3数据传输的速率和可靠性。
此外，可以将数据交换控制设备2和远程监控平台3之间的多条以太网物理链路捆绑在一起成为一条逻辑链路，实现增加链路带宽、提高网络吞吐量的目的。同时，这些捆绑在一起的链路通过相互间的动态备份，可以有效地提高链路的可靠性。 远程监控平台3可以部署于本地也可以部署在云端，并通过以太网链路与数据交换控制设备2通讯，接收和可视化数据，并通过数据交换控制设备2、数据集中设备1远程下发控制指令到工业现场设备。
所述混合配置模块5包括基于SRP 的分布式网络配置单元和用于全局管理和控制的集中式网络配置单元。所述混合配置模块5遵从 802.1Qcc 协议，支持 TSN 时间敏感网络的完全集中式及SRP分布式网络集中式管理，具有全局的网络资源规划和部署能力，柔性的可伸缩性的网络架构模式，实现业务面到转发面模型转换，同时支持可视化的配置管理界面，支持 802.1AS 时钟同步协议的配置和管理，提供基于设备的时钟同步配置接口，实现基于全局的时钟同步设置；支持基于队列优先级实现时间感知调度，支持基于全局拓扑和离线计算门控方式，并完成配置下发管理；支持流量过滤与整形调度配置管理，支持规划调度算法配置，实现 QCI 配置管理；支持循环排队和转发配置管理；支持帧复制和冗余机制配置管理，确保关键流量在发生链路故障等错误时能实现报文的可靠传输。所述混合配置模块5的配置管理机制与调度模块6的多种传输选择机制相结合，可以实现端到端传输的零堵塞损失。 对于整个时间敏感网络而言，混合配置模块5高效、易用的网络配置，可以获得端节点、桥节点的资源、每个节点的带宽、数据负载、目标地址、时钟等信息，并汇集到中央节点进行统一进调度，从而获得最优的传输效率。
进一步的，所述调度模块6通过预设的多种传输选择机制实现对数据流量的全局规划和调度，数据交换控制设备2在通过接收端口接收到网络数据后，对网络数据进行帧滤波、流量计量、帧排队等一系列处理后，通过所述调度模块6的多种传输选择机制进行数据流量的全局统一的规划调度；所述多种传输选择机制包括基于信用的整形器机制、时间感知整形器机制以及抢占式MAC机制。
其中，如图3所示，基于信用的整形器机制CBS将数据帧队列分为 Class A（Tightdelay bound）和 Class B(Loose delay bound)，如果没有数据传输，队列的信用设置为0，A 队列的信用非负时可以传输，如果有数据传输，其信用将按照 SendSlope 下降，而另一个队列则 IdelSlope 速度上升， idleSlope 是实际带宽（bit/s），而 SendSlope 是端口传输率，由 MAC 服务支持。 基于信用的整形器机制CBS可以应对数据突发和聚集，可限制爆发的信息。
时间感知整形器机制TAS是为了更低的时间粒度、更为严苛的工业控制类应用而设计的调度机制，目前被工业自动化领域的企业所采用。TAS由 IEEE 802.1Qbv 定义，是基于预先设定的周期性门控制列表，动态地为出口队列提供 开/关控制的机制。Qbv 定义了一个时间窗口，是一个时间触发型网络（Time-trigged），这个窗口在这个机制中是被预先确定的。这个门控制列表被周期性的扫描，并按预先定义的次序为不同的队列开放传输端口。
本发明中的数据交换控制设备2支持 IEEE 802.1Qbv 时间感知调度，将数据流量划分为不同的优先级类型，为优先级较高的时间敏感型关键数据分配特定的时间槽，并且在规定的时间节点确保重要数据帧的通过。出端口每个端口有 8 个 TC 队列，每个 TC 队列都有一个门控，都有唯一的传输选择算法（基于门控、基于信用的流量整形、基于严格优先级SP或WRR），传输由门控制列表（gate control list,GCL）控制。
抢占式MAC的传输机制将给定的出口分为2个MAC服务接口，分别称为可被抢占MAC（pMAC，Preemptable MAC）和快速MAC(eMAC-express MAC)。pMAC可以被eMAC抢占，进入数据堆栈后等待eMAC 数据传输完成，再传输。
抢占式MAC的传输机制设置高优先级帧抢占功能，同一个物理端口上，发送方向高优先级报文可以在低优先级报文没有发送完时进行抢占发送，接收方向可以按照协议将分片的低优先级报文重组。抢占式MAC传输机制可以通过上述数据交换控制设备和数据集中设备支持的LLDP链路层发现协议实现的桥节点和终端节点实现。
需要说明的是，本发明实施例中所述调度模块6的各个传输选择机制可以单独使用，也可以结合起来使用弥补各个机制的缺陷，从而使网络数据流量的传输更加快速、稳定和可靠，如图4所示，图4是上述时间感知整形器机制TAS和抢占式MAC传输机制的混合模式的原理示意图，Table 8-5代表第八章节第五个，是tsn控制器模拟的传输数据，下面是门限，对这些表可以做时隙传输。配置门控表（GCL，Gate control list），然后各队列的门的“开”、“关”状态，根据门控表决定。门控表可以有多行，每一行包含各队列开关状态和TimeInterval两个信息（后者决定了这一行生效的时间）；门控表根据基准时间BaseTime，循环执行，每CycleTime执行一次。不同的流量等级（traffic class）会分别进入这8个队列，是门控方案执行的必要组件。暗含的关键信息是，必须要让多个流量进入不同的队列，才能通过GCL实现差异化的调度服务，即在同一时间，有的队列开门，有的队列关门。具体的入队方式有很多，例如VLAN报文头的优先级字段有8种不同的流量等级，IP报文头的DSCP字段也可以映射到8种不同的流量等级上，另外还可以基于对报文头具体信息（如源目的MAC地址、源目的IP地址等）手动指定报文的流量等级。另外，8队列是比较经典、常用的设计，并不是限制只能有8队列，可以更多或更少。图中写的传输选择算法（TransmissionSelection Algorithm），在Table 8-5中有绝对优先级（SP，Strict Priority）、基于信用的整形（CBS，Credit-Based Shaper）、增强传输选择（ETS，Enhanced TransmissionSelection，不限于各类加权轮询机制如WRR、DWRR等）和异步流量整形（ATS，AsynchronousTraffic Shaping）。以门控配合SP调度举例，当队列7、6同时“开门”，且两个队列都有待调度报文时，由于队列7优先级更高，则需先调度队列7的报文，直到队列7排空或门控状态切换。
此外，本发明实施例还提供一种计算机设备，请参见图5，所述计算机设备包括通过数据总线相互通信连接的存储器7、处理器8以及网络接口9。需要指出的是，图中仅示出了具有组件7-9的计算机设备，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。其中，本技术领域技术人员可以理解，这里的计算机设备是一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、数字处理器 (Digital SignalProcessor，DSP)、嵌入式设备等。
所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可以与用户通过键盘、鼠标、遥控器、触摸板或声控设备等方式进行人机交互。
所述存储器7至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、随机访问存储器（RAM）、静态随机访问存储器（SRAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、可编程只读存储器（PROM）、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，所述存储器7可以是所述计算机设备的内部存储单元，例如该计算机设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，所述存储器7也可以是所述计算机设备的外部存储设备，例如该计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。当然，所述存储器7还可以既包括所述计算机设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，所述存储器7通常用于存储安装于所述计算机设备的操作系统，各类应用软件，和存储工业互联网数据采集控制系统的程序，所述存储器7还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
所述处理器8在一些实施例中可以是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器8通常用于控制所述计算机设备的总体操作。本实施例中，所述处理器8用于运行所述存储器7中存储的工业互联网数据采集控制系统的程序。所述网络接口9可包括无线网络接口或有线网络接口，该网络接口9通常用于在所述计算机设备与其他电子设备之间建立通信连接。
所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述可读存储介质存储有工业互联网数据采集控制系统的程序，所述工业互联网数据采集控制系统程序可被至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如工业互联网数据采集控制系统的程序，实现相关模块的功能。
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上述实施例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，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的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，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等）执行本申请实施例所述的系统。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式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效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种工业互联网数据采集控制系统，其特征在于，包括远程监控平台、多个数据集中设备和多个数据交换控制设备；
多个所述数据集中设备与多个工业现场设备连接，用于收集所述工业现场设备的数据；
多个所述数据交换控制设备之间通过传递STP协议的BPDU报文来确定网络的拓扑结构，所述数据交换控制设备与所述数据集中设备连接，用于通过预设的多种传输选择机制实现对数据流量的全局规划和调度，并基于时间敏感网络和所述数据集中设备之间进行数据交换的控制；
所述远程监控平台和所述数据交换控制设备通过网络同步后进行数据传输，所述远程监控平台用于对接收到的数据进行实时展示并远程下发控制指令到工业现场设备。
2.如权利要求1所述的一种工业互联网数据采集控制系统，其特征在于，所述数据交换控制设备包括同步模块、混合配置模块以及调度模块。
3.如权利要求2所述的一种工业互联网数据采集控制系统，其特征在于，所述数据交换控制设备的同步模块包括：
时间同步单元，用于基于对时钟同步协议的配置和管理，实现所述时间敏感网络全局的时钟同步设置；
网络同步单元，用于和所述远程监控平台进行以太网同步。
4.如权利要求3所述的一种工业互联网数据采集控制系统，其特征在于，所述调度模块通过预设的多种传输选择机制实现对数据流量的全局规划和调度。
5.如权利要求4所述的一种工业互联网数据采集控制系统，其特征在于，所述多种传输选择机制包括基于信用的整形器机制、时间感知整形器机制以及抢占式MAC机制。
6.如权利要求5所述的一种工业互联网数据采集控制系统，其特征在于，所述混合配置模块包括基于SRP 的分布式网络配置单元和用于全局管理和控制的集中式网络配置单元。
7.如权利要求6所述的一种工业互联网数据采集控制系统，其特征在于，所述数据交换控制设备和所述数据集中设备之间通过LLDP链路层发现协议进行初始组网连接。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种工业互联网数据采集控制系统，其特征在于，所述数据集中设备包括PLC设备。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括至少一个处理器、至少一个存储器和数据总线；其中：所述处理器与所述存储器通过所述数据总线完成相互间的通信；所述存储器存储有被所述处理器执行以实现如权利要求1-9任一项所述的工业互联网数据采集控制系统功能的程序。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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