CN1545284A - 工业设备网络化监控协同终端及终端间协同访问实现方法 - Google Patents

Abstract

一种工业设备网络化监控协同终端及终端间协同访问实现方法，协同终端集数据获取、信息提取和以太网通讯功能于一体，采用分离式堆叠结构，由具有在线可重构特性的智能换能器接口卡和能实现以太网通讯的嵌入式网络协议处理器两大模块组成。在监控网络中，协同终端利用“设备描述表”向网络主机进行自我描述，用“设备能力表”静态描述单个协同终端的设计能力，用“网络能力表”动态描述监控网络中所有协同终端的设计能力的集合，多个协同终端通过相互映射设备能力表来动态扩展单个协同终端实际的工作能力。本发明通过一种能实现设备到设备之间直接进行数据交互的技术来拓展单个监控终端的功能，突破单一终端功能受限于有限硬件资源的约束。

Description

工业设备网络化监控协同终端及终端间协同访问实现方法

技术领域：

本发明涉及一种用于工业设备网络化监控的协同终端，以及这种集数据获取、信息提取和以太网通讯功能于一体的协同终端之间的协同访问实现方法，提供一种能实现设备与设备之间相互自动识别和直接会话的协同通讯机制，从而在工业现场设备级完成复杂的监测和控制功能，实现对工业设备运行可靠性进行连续在线监测和预测性控制，属于远程监控和维护技术领域。

背景技术：

随着企业自动化程度的提高，生产过程日趋大型、连续、综合化发展，形成了复杂生产过程，同时也对生产过程运行的安全性和健壮性提出了更高的要求，要求能对其运行可靠性进行在线监测和量化评估，提供性能衰退趋势和潜在安全隐患预测，降低突发性故障带来的停工、停产损失，防止重大事故的发生。对于复杂生产过程的监控，面临着一系列不能用传统方法解决的新问题。从信息的获取和传输上方式讲，迫切需要一个能可靠和灵活运行于生产现场的分布式“触点”网络来完成设备信息的收集和整理，而且随着监测点的增删和变动，“触点”网络能够灵活地被裁剪调整而不影响整个系统结构，而且支持动态扩展和升级；从信息的处理方法上讲，要求能够根据设备运行历史记录和当前的性能状况定量评估生产的安全性水平，预测安全性衰退发展趋势和潜在的安全隐患。

从检索到的文献资料看，当前的远程监控系统大都采用分布式传感器网络来完成现场设备数据的收集，在“触点”的研究方面，研究的重点停留在如何将微处理器技术与传感器技术相结合来提升传感器的性能，使传感器功能向纵深方向发展，传感器即为一个个独立的微型化仪器，这样带来的主要问题就是传感器自身成本和体积的增加，难以获得广泛的应用，而且还存在以下技术上的不足：

1)传感器功能固定，不具有可重构性；

2)受自身资源的限制，传感器功能存在局限性；

3)传感器功能封闭，传感器之间不能实现直接数据通讯和会话；

其中，传感器功能的不可重构性不仅限制了传感器功能的升级换代，而且还使得该传感器难以在新的监控任务中得到重复利用，增加了企业的成本；依靠微处理器技术固然可以提高传感器的性能和功能，但受产品生产成本和自身硬件资源的限制(微处理器、存储器等)，传感器的功能往往被限制在一定的范围之内，难以满足复杂多变的现代生产过程监控的需要。在当前的分布式监控系统中，由于传感器之间不能实现直接的数据通讯，使得整个网络利用率低，而且整个网络的复杂度将随着传感器节点数的增加而大大增加。如果能在传感器功能的基础上，研制出一种功能可重构的，而且相互之间能实现直接数据通讯和会话的“类传感器”装置，将会从根本上解决分布式监控系统复杂度的问题。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种用于工业设备网络化监控的协同终端以及多个终端间协同访问的实现方法，借助设备之间的直接会话功能，实现多个装置之间功能的相互映射和远程调用，突破单个装置功能受限于自身资源的约束，从而将单个装置的功能扩展到整个监控网络，提高监控终端的重复利用率。

为实现这样的目的，本发明融合嵌入式网络技术和传感器技术，提出了一种用于工业设备网络化监控的集数据获取、信息提取和以太网通讯功能于一体的协同终端及其实现方法。协同终端采用分离式堆叠结构，由具有在线可重构特性的智能换能器接口卡和能实现以太网通讯的嵌入式网络协议处理器两大模块组成。在监控网络中，协同终端采用“设备描述表”向网络主机进行自我识别和自我描述，采用“设备能力表”静态描述单个协同终端的设计能力，采用“网络能力表”动态描述监控网络中所有协同终端的设计能力的集合。多个协同终端通过相互映射设备能力表来动态扩展单个协同终端实际的工作能力，并基于事件驱动方式实现协同处理过程来实现多个协同终端之间的直接访问。

本发明提出的协同终端实体主要由两大部分组成：智能换能器接口卡和网络协议处理器。换能器接口卡和网络协议处理器之间采用主从模式的双向互锁数据缓冲技术进行数据交换。在结构设计上，网络协议处理器作为主控制器，智能换能器接口卡作为功能卡与网络协议处理器互连，1个智能换能器接口卡配备8个模拟传感器通道、8个数字传感器通道、8个激励器通道，1个网络协议处理器同时可连接8个智能换能器接口卡，从而实现传感器通道的扩展。

网络协议处理器负责网络通讯功能，主要包括网络收发控制模块、通信协议处理器模块、协议栈、WEB服务器模块、换能器接口卡寻址逻辑模块和换能器访问控制模块。其中，网络收发控制模块负责网络数据的物理传输，通信协议处理器负责网络报文的解析和打包，协议栈作为一个软件模块提供通信协议处理器所需要的TCP/IP协议实现的接口函数库，WEB服务器模块在结构上并列于协议栈模块，作为一个附加功能提供协同终端基于浏览器的访问模式。通信协议处理器将网络报文解析成控制指令交由智能换能器接口卡具体执行，换能器寻址逻辑模块表现为一个多路复用器完成网络协议处理器与多个智能换能器接口卡之间的寻址过程和动态的物理链路切换，换能器访问控制模块是换能器驱动程序，具体执行网络协议处理器和智能换能器接口卡之间的数据交换。

智能换能器接口卡负责协同终端功能的具体执行。智能换能器接口卡在结构上主要由网络协议处理器访问控制模块、设备描述表、功能库、换能器控制模块、换能器输入输出模块组成。网络协议处理器访问控制模块配合换能器访问控制模块实现网络协议处理器和智能换能器接口卡之间的数据交换。设备描述表定义了协同终端自识别和自描述所需的设备属性信息。功能库包含了智能换能器接口卡所内置的功能，具体表现为数据处理方法的接口函数。换能器控制模块负责换能器设备的控制和数据通讯，换能器输入输出模块实现传感器通道信号的输入调理和激励器通道信号的输出放大，实现与实际换能器设备的物理连接。

针对存在1个中心服务器(通常由1台PC机充当)和至少2个协同终端的监控网络，本发明按照如下步骤实现设备到设备之间的直接会话并协同完成既定的监控任务：

1.协同终端的配置

采用协同终端配置工具对单个协同终端进行网络参数配置，包括IP地址、网关地址、掩码、域名服务器地址。

协同终端在首次使用或者变更使用前，必须依据网络管理人员提供的网络参数进行配置，配置过程采用组播方式进行，每一个协同终端都必须接受指定的组播命令，为了保证配置的顺利进行，在配置期间应该保证只有一个协同终端处于运行状态。

2.协同终端的自动识别

由中心服务器(协同终端管理机)基于组播方式向所在子网的协同终端发送“请求描述”请求，协同终端基于请求采用“设备描述表”向中心服务器进行自我识别和自我描述。

协同终端上电后，等待中心服务器的“请求描述”指令，在接收到该指令后，将内置的“设备描述表”传递给中心服务器，中心服务器依据获取的“设备描述表”信息对协同终端进行识别。本过程在中心服务器和协同终端之间自动完成，无需人工干预。

在网络模式下使用时，协同终端接受中心服务器的管理，在使用之前，必须向中心服务器进行自我描述。通俗的说就是汇报自己在什么地方、是什么、能做什么，具体包括协同终端的IP地址、智能换能器接口卡地址、“设备能力表”、制造商、序列号、设备ID、通道类型、通道阀值以及通道校准系数等设备描述信息。设备描述信息是一组具有预定义数据格式的特征参数，中心服务器就是依靠该信息来实现对该终端的管理控制和数据识别。

3.“网络能力表”的生成和更新

协同终端与中心服务器完成自动识别后，中心服务器依据子网中所有活动协同终端的“设备能力表”动态生成“网络能力表”，并通过网络通讯完成协同终端“网络能力表”的在线更新。本过程在中心服务器和协同终端之间自动完成，无需人工干预。

每一个协同终端都应当实现“设备能力表”和“网络能力表”。所谓的“能力”是指协同终端所具备的功能的一种别称，比如终端内置的数据处理算法等。“设备能力表”用于表述终端自身的能力，“网络能力表”用于表述通讯子网中所有终端可利用的全部功能。“设备能力表”是协同终端的静态属性，在设计完成后依据协同终端的设计能力一次性配置，“网络能力表”是动态属性，是在使用过程中由中心服务器统计产生并下达给每一个活动的协同终端，“网络能力表”是协同终端发起协同处理请求的依据。

4.任务的制定和下达

中心服务器将操作者给出的监控任务分解成协同终端中的智能换能器接口卡可以识别的指令集，并通过网络通讯下达给指定的一个或者多个协同终端完成。

在任务描述中，操作者需要指定协同终端的IP地址、命令类型、命令参数和处理算法，任务下达给协同终端后，由该终端负责指令的解析并调度和协调网络中其它协同终端来协同完成该任务，最后把用户所需要的设备信息数据上传给中心服务器。中心服务器在下达并启动任务操作时，必须保证网络中所有的处于活动状况协同终端都正确的更新了各自的“网络能力表”。

5.协同终端发起协同处理请求

协同终端在遇到无法处理的任务时，可依照一定的规则通过查询“网络能力表”请求网络中其它的拥有该能力的协同终端协助处理，所依据的规则在此称为“协同规则”。本过程在多个协同终端之间自动完成，无需人工干预。

协同处理过程在“网络能力表”的指导下进行，依据“网络能力表”信息选择网络中拥有该“能力”并且“繁忙度”最低的协同终端协助完成指定的数据处理，“繁忙度”是指某个节点正在执行的单机任务和协作任务总量的大小。是否拥有该“能力”是通过顺序查找“网络能力表”来判断的。查找拥有该能力的终端后，如果数目大于一个，则要进行“繁忙度”的比较计算，最后选择“繁忙度”最低的协同终端处理协同任务。当所请求的协同终端无应答时，则确定该终端“繁忙度”最高，并选择“次繁忙”的协同终端继续操作。当几个协同终端“繁忙度”相等的时候，选择其中任意一个。

6.协同终端处理临近终端的协同请求

一个协同终端在接收到临近终端的协同请求任务后，可依据自己当前的任务情况做出接受或拒绝的答复。在接受请求的情况下，该协同终端会根据请求的要求完成指定的数据处理过程，并将处理的结果反馈给发送请求的协同终端，从而完成整个协同处理过程。本过程为自动处理过程，无需人工干预。

7.任务的完成

发送协同处理请求的协同终端接收处理结果，当前协同处理过程结束，并在完成中心服务器下达的全部任务后，将任务的执行结果上传给中心服务器，当前任务结束。

采用任务表达的方式可以让监控任务尽可能的在设备现场完成，将海量的原始设备数据转换为有用的设备信息数据，不仅降低了中心服务器的运算负荷，而且还减少了网络通讯带宽的需求，使得基于以太网进行分布式网络监控在技术实践上成为可能。

本发明通过一种能实现设备到设备之间直接进行数据交互的技术来拓展单个监控终端的功能，突破单一终端功能受限于有限硬件资源的约束。协同终端之间通过网络相互映射设备能力，使得每一终端设备都能充分利用网络化监控系统中其它终端的资源来动态拓展自身的设备能力，这种基于网络相互映射设备能力的性质使得所有的协同终端通过网络介质被连接成为一个有机的整体，从而具有一定的智能性，能够脱离操作者的干预而独立的完成一定的监控任务。整个产品设计采用可分离式的模块化组件结构，保证了网络环境下使用时的数据访问的可靠性。

值得注意的是，协同终端只有在网络环境下使用时才能够发挥其基于网络映射拓展设备能力的优势，单机使用时不具有这一特性。协同终端这种网络性质可从根本上解决监控网络的复杂性随终端数目的增加而增加的这一难题。

附图说明：

图1为本发明协同终端模块化结构原理图。

图1中，协同终端在实体上由智能换能器接口卡和网络协议处理器组成，两者之间基于双向互锁访问数据缓冲技术实现数据安全交互。

图2为网络环境下协同终端工作示意图。

图2中，协同终端1的设备能力表和协同终端2的设备能力表基于以太网络相互映射。

图3为基于主—从模式的双向互锁访问数据缓冲技术工作原理图。

图3中，网络协议处理器通过双向互锁访问数据缓冲区与智能换能器接口卡进行数据交换，1个网络协议处理器可同时支持8个智能换能器接口卡。

具体实施方式：

以下结合附图进一步描述本发明的技术方案。

图1所示为本发明的协同终端模块化结构原理图。协同终端在实体上采用可分离的堆叠式结构，主要由网络协议处理器和智能换能器接口卡组成。换能器接口卡和网络协议处理器之间采用双向互锁数据缓冲技术进行数据交换。如图1所示，网络协议处理器主要包括网络收发控制模块、通信协议处理器模块、协议栈、WEB服务器模块、换能器接口卡寻址逻辑模块和换能器访问控制模块。其中，网络收发控制模块负责网络数据的物理传输，通信协议处理器负责网络报文的解析和打包，协议栈作为一个软件模块提供通信协议处理器所需要的TCP/IP协议实现的接口函数库，WEB服务器模块在结构上并列于式协议栈模块，作为一个附加功能提供协同终端基于浏览器的访问模式。通信协议处理器将网络报文解析成控制指令交由智能换能器接口卡具体执行，换能器寻址逻辑模块表现为一个多路复用器完成网络协议处理器与多个智能换能器接口卡之间的寻址过程和动态的物理链路切换，换能器访问控制模块是换能器驱动程序，具体执行网络协议处理器和智能换能器接口卡之间的数据交换。智能换能器接口卡在结构上主要由访问控制模块、设备描述表、功能库、换能器控制模块、换能器输入输出模块组成。访问控制模块配合换能器访问控制模式实现网络协议处理器和智能换能器接口卡之间的数据交换。设备描述表定义了协同终端自识别和自描述所需的设备属性信息。功能库定义了智能换能器接口卡所内置的功数据处理方法的接口函数。换能器控制模块负责换能器设备的控制和数据通讯，换能器输入输出模块实现传感器通道信号的输入调理和激励器通道信号的输出放大，实现与实际换能器设备的物理连接。

图1中，现场设备通过换能器接入到智能换能器接口卡的输入输出模块上，完成设备数据的获取或者实现运动控制；换能器控制模块负责传感器或者激励器的在线重构和控制，并指导换能器设备完成指定的操作任务，并将获取的原始设备数据交由智能换能器接口卡微处理器进行后续的数据处理；微处理器依据接收的任务指令从功能库中调用所需的处理算法完成数据处理，并将最后的执行结果传递给网络协议处理器由通讯协议处理器进行网络数据打包和发送，必要的时候，智能换能器接口卡可依据“协同访问”机制向邻近的协同终端发起协同处理请求以寻求外援协助完成指定的任务；设备描述表定义了智能换能器接口卡的属性，包括静态属性和动态属性，静态属性在设计完成时一次性配置，包括诸如设备能力表、智能换能器接口卡地址、制造商、序列号、设备ID、通道类型、通道阀值以及通道校准系数等静态信息，用于实现智能换能器接口卡的自我描述和数据类型识别。动态属性是在使用时由操作者依据一定的规则配置的，主要包括协同终端的IP地址和网络能力表，网络能力表描述了监控网络中所有协同终端设备能力的总和，定义了协同终端的实际能力。

图2描述了协同终端的工作示意图。针对1个中心服务器和2个协同终端组成的监控网络，本发明按照如下步骤实现协同终端之间的直接会话并协同完成预定的监控任务：

1)协同终端的配置。借助协同终端配置工具将网络中的2个协同终端的IP地址分别配置为192.168.88.114(协同终端1)和192.168.88.119(协同终端2)，网关地址、掩码和域名服务器地址均分别为192.168.88.1、255.255.255.0和192.168.88.1。

2)协同终端的识别。运行监控系统软件的中心服务器在程序启动后，向所在的子网发送携带“请求处于活动状况的协同终端汇报设备描述信息指令”的组播报文；协同终端1和2在收到该组播报文后，分别向中心服务器以各自的“设备描述表”作出应答，应答的内容包括：设备能力表、智能换能器接口卡地址、制造商、序列号、设备ID、通道类型、通道阀值以及通道校准系数等静态属性信息；中心服务器在收到应答后，分别对协同终端1和2做出确认，从而实现中心服务器和与协同终端之间的相互识别。

3)网络能力表的生成和更新。中心服务器根据协同终端1和2应答的“设备能力表”生成“网络能力表”，并通过网络下载到协同终端1和2实现“网络能力表”的更新，“网络能力表”描述了监控子网中处于活动状态的协同终端设备能力的总和，定义了协同终端1和2的实际能力。

4)任务的制定和管理。操作者通过中心服务器将监控任务分解成智能换能器接口卡可以识别的指令集交由协同终端1完成。协同终端1接收任务后，由智能换能器接口卡负责指令的解析并由换能器控制器控制换能器设备完成设备数据的获取。中心服务器在将任务下达给协同终端1并启动任务操作时，必须保证协同终端1和2都正确的更新了各自的“网络能力表”。

5)协同终端1发起协同处理请求。协同终端1在遇到无法处理的任务时可依照“协同规则”请求拥有该能力的协同终端2协助处理。协同处理请求由协同终端1发起。首先，协同终端1查询网络能力表，搜索到协同终端2具有该能力；然后，协同终端1向协同终端2发起协同处理请求，请求的内容包括待处理的数据、期望的处理方法的编码、协同终端IP地址、智能换能器接口卡地址等信息。当存在多个拥有该能力的协同终端时，还需要进行“繁忙度”的计算和比较，最后选择“繁忙度”最低的协同终端作为协作处理的对象。

6)协同终端2处理协同处理请求。协同终端2收到并接受协同终端1的请求，依据请求的处理方法完成数据的处理，并将处理后的结果反馈给协同终端1。协同终端2在接收到协同处理请求后，当自己繁忙时，可以向发送方做出“拒绝”的答复，在这种情况下，协同终端1可根据情况延迟一段时间重试。

7)任务的完成。协同终端1接收协同终端2的协同处理结果，结束当前的协同处理过程。并继续完成其它的指令，在所有的指令都完成后，将任务执行结果通过网络上传给中心服务器，整个任务过程完成。

图3描述了网络协议处理器和智能换能器接口卡之间基于主—从模式的双向互锁访问数据缓冲技术。在硬件实现上，网络协议处理器作为主控制器，智能换能器接口卡作为功能卡与网络协议处理器互连，1个网络协议处理器同时可连接8个智能换能器接口卡，从而实现传感器通道的扩展。图3表达了1个网络协议处理器和8个智能换能器接口卡【1…8】连接的情况。网络协议处理器负责以太网数据的打包和解包，智能换能器接口卡负责具体功能的实现，为了保证操作的可靠性和安全性，网络协议处理器和8个智能换能器接口卡之间的数据交换是通过8个逻辑上统一编址但在物理上截然分开的双端口数据缓冲区基于严格的控制时序进行数据交换。以1个网络协议处理器和1个智能换能器接口卡为例，双端口数据缓冲区在物理上又分为独立的三个区域：输入数据缓冲区、输出数据缓冲区和功能寄存器区。功能寄存器区包含了一系列用于实现数据互锁访问的控制寄存器、状态寄存器和中断寄存器，输入数据缓冲区和输出数据缓冲区由网络协议处理器和智能换能器接口卡按照主—从模式基于功能寄存器区的控制或状态寄存器进行共享。所谓的主—从共享模式是指网络协议处理器和智能换能器接口卡对两个数据缓冲区的共享权限是不等价的。对于输入数据缓冲区，智能换能器接口卡作为“主机”享有主动的“只写”权限，而网络协议处理器作为“从机”享有被动的“只读”权限；反过来，对于输出数据缓冲区，网络协议处理器作为“主机”享有主动的“只写”权限，而智能换能器接口卡作为“从机”享有被动的“只读”权限。网络协议处理器和智能换能器接口卡之间的双向数据交换始于“主机”而终于“从机”，只有“主机”才可以启动数据交换进程。采用这种主—从互锁访问的模式，可严格保证协同终端的操作在自身的控制下运行，具有很高的安全性，在本质上避免误操作的发生，通过在通讯报文上添加必要的控制指示和采取与智能换能器接口卡属性相关的加密操作，又可进一步增加协同终端进行数据通讯的安全性，避免了遭受网络攻击而带来的不正确操作行为。

Claims (5)

1、一种工业设备网络化监控协同终端，其特征在于用分离式堆叠结构，由具有在线可重构特性的智能换能器接口卡和能实现以太网通讯的嵌入式网络协议处理器两大模块组成，网络协议处理器主要包括网络收发控制模块、通信协议处理器模块、协议栈、WEB服务器模块、换能器接口卡寻址逻辑模块和换能器访问控制模块；智能换能器接口卡在结构上主要由网络协议处理器访问控制模块、设备描述表、功能库、换能器控制模块、换能器输入输出转换模块组成，智能换能器接口卡和嵌入式网络协议处理器共享一个双端口数据缓冲区，互相之间采用主从模式的双向互锁数据缓冲技术进行数据交换。

2、如权利要求1的工业设备网络化监控协同终端，其特征在于所述的设备描述表包括协同终端静态属性和动态属性，静态属性包括协同终端设备能力表、智能换能器接口卡地址、制造商、序列号、设备ID、通道类型、通道阀值以及通道校准系数，动态属性包括协同终端网络能力表。

3、如权利要求1的工业设备网络化监控协同终端，其特征在于所述的双端口数据缓冲区在物理上分为独立的三个区域：输入数据缓冲区、输出数据缓冲区和功能寄存器区，功能寄存器区定义了用于实现数据互锁访问的控制寄存器、状态寄存器和中断寄存器，对于输入数据缓冲区，智能换能器作为“主机”享有主动的“只写”权限，而网络协议处理器作为“从机”享有被动的“只读”权限；对于输出数据缓冲区，网络协议处理器作为“主机”享有主动的“只写”权限，而智能换能器作为“从机”享有被动的“只读”权限，双向互锁访问数据交换进程始于“主机”而止于“从机”，只有“主机”才能启动数据交换进程。

4、一种权利要求1的工业设备网络化监控协同终端间的协同访问实现方法，其特征在于包括如下几个步骤：

1)协同终端的识别：由中心服务器(协同终端管理机)基于组播方式向所在子网的协同终端发送“请求描述”请求，协同终端基于请求向中心服务器进行自我描述；

2)“网络能力表”的生成与更新：中心服务器依据子网中所有活动协同终端的“设备能力表”动态生成“网络能力表”，并通过网络通讯完成协同终端“网络能力表”的在线更新；

3)任务的指定和下达：操作者通过中心服务器将监控任务分解成协同终端可以识别的指令集并通过网络通讯下达给指定的协同终端；

4)协同终端发起协同处理请求：协同终端在遇到无法处理的任务时可基于事件驱动方式通过查询“网络能力表”请求子网中拥有该能力的协同终端协助处理任务；

5)临近的协同终端接受协同处理请求，并在处理完成后将处理的结果反馈给协同处理请求的发起者；

6)协同处理请求的发起者接收处理结果，当前协同处理过程结束，并在全部任务完成后将任务的执行结果上传给中心服务器，当前任务结束。

5、如权利要求4的工业设备网络化监控协同终端间的协同访问实现方法，其特征在于采用网络映射方法扩展协同终端的设备功能，协同终端采用“设备能力表”静态描述单个协同终端的设计能力，采用“网络能力表”动态描述监控网络中所有协同终端设计能力的集合。

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