一种软件定义的网络型工业控制器的制作方法

本发明涉及工业控制技术领域，具体地,尤其涉及一种软件定义的网络型工业控制器。

背景技术：

中国工业数据采集和分析能力不足：一是设备数字化、网络化方面与美德日发达国家差距较大，2017年我国企业设备数字化率为44.8％、数字化设备联网率为39.0％，尤其是中小企业基础薄弱，设备改造和数据采集难度较大；二是发达国家工业设备产品在全球市场占据主导地位，ge、西门子等龙头企业依托自身产品可采集跨区域、跨行业、跨领域的海量数据；三是美国、德国具有大量资深和初创的数据分析企业，通过合作能帮助平台快速提升能力。但是中国市场巨大，一旦解决传感、控制、数据采集和人工智能等基础问题，必然带来后发优势。

随着通讯、网络技术的发展，新一代工业控制器的设计必须满足工业互联网应用需求，在市场上传统控制器仍停留在满足单机设备控制层面，面对工业互联网，在网络安全、数据采集、远程控制、智能调整方面不能形成整体性的工作方式，硬件设计和软件器没有形成有效、紧密的结合，没有把云计算、大数据技术应用到工业控制核心部件。

现有工业控制器：使用微处理器能满足数字量逻辑控制、模拟量高速高精度控制，满足基于现场总线的多机控制、调度、优化、决策等功能，但缺少与云计算、大数据等互联网技术的无缝融合。

因此，亟需提供一种软件定义的网络型工业控制器，以解决现有技术的不足。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供一种软件定义的网络型工业控制器，是为了简化工业设备联网、数据采集、数据应用以及简化控制系统设计而开发的一种全新控制器，其融合通讯、云计算、大数据、经典控制理论与一体，把先进的互联网、通讯技术带入传统工业制造领域。原理为用软件技术把硬体进行详细描述，把物理硬体、芯片电路、控制功能等数字化，形成一种脱离硬件用软件实现的虚拟控制器，在开发设计阶段充分利用信息技术以虚拟控制器为对象进行设计开发，为工业领域用户避开复杂的网络架构设计、数据通讯、存储、互联网应用等难点。

本发明采用的技术方案如下：一种软件定义的网络型工业控制器，包括系统层、控制层、云平台、硬件层和通讯模块。

所述虚拟控制器在所述云平台上。

所述系统层包含外设驱动扩展的嵌入式操作系统。

所述控制层包括用于响应所述云平台推送的程序解释器和功能封装的软件开发套件；所述控制层通过对逻辑控制功能进行封装，用软件方法描述，在云平台形成包含通讯接口、外设扩展、功能封装的所述虚拟控制器。

所述云平台用于生成用户程序的开发者环境、界面组态系统和软件定义的硬件模块化描述、软件定义描述、用户程序设定环境和用户程序。

所述硬件层为可扩展的物理控制器。

所述虚拟控制器还包括一组用软件方法描述、封装所述物理控制器的接口、功能模块、外设接入、主芯片和逻辑功能，把所述物理控制器数字化。

所述解释器通过对工业设备具体功能的实现进行开发设计，通过软件定义的所述虚拟控制器进行模拟仿真，完成功能验证，把设计结果推送给控制层的所述解释器进行解释执行；最终嵌入到所述物理控制器上运行。

所述硬件层通过所述通讯模块与所述虚拟控制器和所述云平台信号连接。

进一步，所述通讯模块包含一组由所述物理控制器到所述云平台的通讯协议，包含数据传输机制、消息响应机制以及保证控制器与云平台的安全、稳定连接。

进一步，所述系统层还包括控制器内核、硬件驱动、可扩展的板级支持开发包和安全通讯，用于使所述硬件层的所述物理控制器可模块化支持外设，进行数据清洗、格式化与网络通讯。

进一步，所述硬件层还包括数字量/模拟量扩展、硬件唯一身份标识和外设接口扩展及通讯接口扩展。

通过本发明的有益效果为：提供一种模块化设计的工业控制器，并利用软件技术在云平台对硬件模块进行描述，通过虚拟组装，形成一种软件定义的虚拟网络工业控制器，用户在使用过程中通过设备控制需求进行模块及外设的选配，开发设计过程在云平台完成后，进行模拟仿真，验证成功后由云平台推送至控制器，控制器接收后解释执行，执行过程中数据发送到云平台后台，并提供组态界面进行配置。

1、由于基于本控制器开发的工业设备其设计开发之初就在互联网上进行，其在数据采集、远程控制、智能化装备等方面就具有先天的优势，方便终端设备联网需求。

2、实现硬件方案的软件语言描述，在云平台形成虚拟网络控制器，器设计过程中针对虚拟网络控制器进行程序设计、模拟仿真，验证器可行性，加速开发效率，包括对物理控制器接口扩展、外设扩展、逻辑功能等封装。

3、实现数据采集、通讯、存储过程隐藏，让用户专注在设备自身工艺的优化。

4、实现硬件身份标识及功能键软件定义，适应远程推送及多种场景下的灵活配置。

5、实现工业现场实时控制与大数据分析优化的非实时反馈的有效结合。

6、实现工业控制器数据完整与安全通讯。

附图说明

图1为虚拟控制器的原理图；

图2为虚拟控制器的系统架构示意图；

图3为虚拟控制器与物理控制器的转换图；

图4为虚拟控制器的系统流程图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。应理解，此处所描述的具体实施例，仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

应用该软件定义的网络型工业控制器，使得工业设备设计开发阶段植入互联网基因，利用云、大数据等技术辅助研发过程，工业设备在开发完成后即具有后台云管理、数据监控、模拟仿真、智能调整器等，让用户专注设备控制工艺的优化，快速简便的接入网络。

本发明采用的技术方案如下：一种软件定义的网络型工业控制器，如图1和图2所示，包括系统层、控制层、云平台、硬件层和通讯模块。

所述硬件层采用arm工业级芯片设计的模块化的可扩展物理控制器。

所述虚拟控制器在所述云平台上。

所述系统层包括基于嵌入式linux开发定制的操作系统。

所述云平台用于生成用户程序的开发者环境、界面组态系统和软件定义的硬件模块化描述、软件定义描述、用户程序设定环境和用户程序。

所述控制层包括用于响应所述云平台推送的程序解释器和功能封装的软件开发套件。所述控制层通过对逻辑控制功能进行封装，用软件方法描述，在云平台形成包含通讯接口、外设扩展、功能封装的所述虚拟控制器。进一步，所述控制层是用软件技术在物理控制上对控制功能的封装，用于形成用户软件开发套件、程序解释器。

所述虚拟控制器还包括一组用软件方法描述、封装所述物理控制器的接口、功能模块、外设接入、主芯片和逻辑功能，是把一个物理控制器数字化的结果。通过对工业设备具体功能的实现进行开发设计，通过软件定义的所述虚拟控制器进行模拟仿真，完成功能验证，把设计结果推送给控制层的所述解释器进行解释执行；最终嵌入到所述物理控制器上运行。

所述硬件层通过所述通讯模块与所述虚拟控制器和所述云平台信号连接。

进一步，所述通讯模块包含一组由所述物理控制器到所述云平台的通讯协议，包含数据传输机制、消息响应机制以及保证控制器与云平台的安全、稳定连接。所述通信模块还包括互联网通信、3g/4g/5g移动网络通信、wifi通信和zigbee通信。

进一步，所述系统层还包括控制器内核、硬件驱动、可扩展的板级支持开发包和安全通讯，用于使所述硬件层的所述物理控制器可模块化支持外设，进行数据清洗、格式化与网络通讯。

进一步，所述硬件层还包括数字量/模拟量扩展、硬件唯一身份标识和外设接口扩展及通讯接口扩展。

具体实施例为：分布式农村污水处理器是一种使用传统plc(可编程逻辑控制器)进行设计开发的污水处理设备，由于分散安置点位多和水质处理量化监测需求，其需要一套互联网+工业设备的云管家器。

采用软件定义的网络型工业控制器后为客户多提供了实用又节省成本的功能，提高了设备智能化。

采用传统plc开发的设备配备了人机界面hmi触摸屏，新开发的设备取消了屏幕，为设备增添了二维码，由手机、平板扫描二维码经验证后查看设备工作状况，连接hmi人机界面，使用方便又节省了原来触摸屏的费用。

由于云平台和设备控制器的一体设计，利用互联网天气数据辅助调节设备控制参数，还能保持生物菌种活性。

如图3所示，为所述虚拟控制器控制原理，在虚拟控制器上完成程序设计后通过所述解释器解释后，将开发结果推送到所述物理控制器上应用。所述虚拟控制器包含一个用户级软件开发套件sdk，一个用于响应云平台推送的程序解释器和一个用于可本地化使用的应用程序app。对逻辑控制功能进行封装，通过调用系统层操作硬件。所述本地化应用程序app满足控制器功能，是一种兼容性设计。所述解释器是实现虚拟控制器的基础。所述虚拟控制器通过虚拟硬件的描述，包含软件定义的硬件(控制器mcu)模块化描述、软件定义的功能描述、用户程序设定环境、用户程序、定义通讯接口、定义扩展。通过控制功能进行封装，将抽象得到的数据和行为(或功能)相结合，形成一个有机的整体，也就是将数据与操作数据的源代码进行有机的结合，形成“类”，其中数据和函数都是类的成员。程序设计的环境包括有逻辑设计、功能验证、用户界面、应用发布等功能，通过数据接口传输到手机或者平板查看设备工作状况。通过在多个远程人机hmi中的功能设定、功能调试和状态监测，进而对虚拟设备进行操作、试验。通过对工业设备具体功能的实现进行开发设计，通过软件定义的虚拟控制器进行模拟仿真，完成功能验证，最终把设计结果推送给控制层的解释器进行解释执行。进一步，

再通过所述通信模块进行网络接入，并传送给所述物理控制器。网络通信方式包括有以太网、wifi和基于蜂窝的窄带物联网nb-iot。所述物理控制器包括控制扩展：现场可编程门阵列fpga、复杂可编程逻辑器件cpld和数字信号处理dsp功能，根据所需的功能效果进行程序编程和进行数字信号处理等。所述控制器还包括多个外设扩展，如232/485转换器，配有不同标准串行接口的计算机、外部设备或智能仪器之间进行远程数据通信，需要进行标准串行接口的相互转换。还包括usb口或者自定义接口进行外设扩展。含操作系统内核kernel、硬件驱动driver、可扩展的板级支持开发包bsp和解释器/sdk，所述解释器是实现虚拟控制器的基础。连接到人机界面，可传送到用户app上进行监控。

如图4所示，为所述虚拟控制器在系统中的应用。为了简化工业设备联网、数据采集、数据应用以及简化控制器设计而开发的一种全新控制器，其融合通讯、云计算、大数据、经典控制理论与一体，把先进的互联网、通讯技术带入传统工业制造领域。原理为用软件技术把硬层的物理控制器进行详细描述，把物理硬体、芯片电路、控制功能等数字化，形成一种脱离硬件用软件实现的虚拟控制器，在开发设计阶段充分利用信息技术以虚拟控制器为对象进行设计开发，为工业领域用户避开复杂的网络架构设计、数据通讯、存储、互联网应用等难点。

具体为在所述物理控制器上进行模块拆分、功能封装和网络接入。在开发设计阶段充分利用信息技术以虚拟控制器为对象进行设计开发。所述控制器通过对模块拆分，通过调用器的操作硬件，对逻辑控制功能进行封装。为实现各式各样的数据传送，采用将被传送的数据结构映射进另一种数据结构的处理方式。并在所述虚拟控制器上用软件技术把硬件进行详细描述，把物理硬件、芯片电路、控制功能等数字化，即数字模型。形成一种脱离硬件用软件实现的虚拟控制器。通过功能映射，将功能模型中的功能映射到技术组合里面的应用器以及组件中。即应用提供功能，并通过虚拟组装还原到设备中。接着在云平台上进行程序开发，包括有逻辑设计、人机设计和虚拟仿真，并将设计的结果远程推送给云平台。用户在使用时，通过在云平台的所述虚拟控制器上功能设定、远程调试、状态监控和数据采集等。最后在云平台上进行数据分析，通过各类数据接口把数据传输到云管理平台如云管家或者人工智能ai中进行数据反馈等工作。把最终完善好的设计程序植入到所述物理控制器上，供给用户在各工业中应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。