一种智能制造控制单元的制作方法

本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种智能制造控制单元。

背景技术：

plc是工控系统领域极具代表性的工业控制单元，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。plc的开发最初是用于取代继电器控制装置的要求，个人计算机发展起来后，为反映其可编程控制的功能特点，命名为可编程逻辑控制器。早期plc仅可完成简单的逻辑控制及定时、计时功能。随着计算机、通信等先进技术的发展，plc不断改进演化，更加适应于现代工业的复杂需要，已在开关量逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等方面广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保等各行业领域，具有广阔的市场空间和发展前景。

目前国内在高端plc硬件以及编程软件等核心技术上与国际先进水平差异较大，核心技术国外巨头市场垄断，实现工控技术自主可控步伐亟需加快。因我国plc起步较晚，且基础工业(如芯片制造、模具加工、设计软件等)较弱，尚无具有自主知识产权且能够参与国际竞争的plc产品。当前，plc的95％的国内市场由国外厂商所占领，核心技术由国外厂商掌握。plc软硬件体系结构封闭，专用总线、专家通信、网络及协议、以及i/o模板均不通用，甚至连机柜和电源模板也不通用。各plc厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种plc产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。总的来说，plc已被国外巨头实现技术和市场的双重“垄断”，“弯道超车”难度极大，寻求思路创新成为当务之急。工业制造要实现网络化、数字化、智能化转型，数据驱动是核心。plc“黑匣子”，数据接口封闭，不仅需通过plc一层层往上传输，并且不同厂家之间、系统之间兼容性差，互通难，无法实现真正的万物互联。

技术实现要素：

本发明目的在于，提供一种智能制造控制单元，以解决传统plc结构封闭、兼容性差的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种智能制造控制单元，包括：应用处理器、存储单元、通用集成电路卡、基带芯片和射频芯片；

所述应用处理器，用于通过运行所述存储单元内的软件及调用所述存储单元内的数据库，以实现对所述智能制造控制单元的整体监控；

所述通用集成电路卡，用于自动生成标识，以使得所述智能制造控制单元成为主动标识载体；

所述基带芯片，用于将所述应用处理器输出的数字信号转换为模拟信号后输出至所述射频芯片，并将所述射频芯片输出的模拟信号转换为数字信号后输出至所述应用处理器；

所述射频芯片，用于将云平台或边缘计算平台输出的无线信号进行调制解调输出至所述基带芯片，并将所述基带芯片输出的模拟信号进行调制解调输出至所述云平台或所述边缘计算平台。

在某一个实施例中，所述应用处理器还用于处理有实时性要求的计算任务。

在某一个实施例中，还包括输入单元和输出单元，所述输入单元和所述输出单元皆连接所述应用处理器。

在某一个实施例中，所述输入单元和所述输出单元包括标准输入接口和标准输出接口。

在某一个实施例中，所述输入单元和所述输出单元还包括光电耦合器件，用于抵抗干扰信号。

在某一个实施例中，所述存储单元包括可编程存储器。

在某一个实施例中，所述应用处理器还用于将没有实时性要求的计算任务分发至所述云平台或所述边缘计算平台。

在某一个实施例中，所述基带芯片包括5g基带芯片。

在某一个实施例中，所述射频芯片包括5g射频芯片。

本发明实施例的智能制造控制单元中，包含即插即用的工业级“开放硬件”和兼具开发和运行能力的“云化软件”的工业控制产品，改善了传统plc结构封闭的缺陷，全面打开plc“黑匣子”，使其具有较强的可扩展性；并采用标准硬件、开放接口、兼具开发、运行和管理系统的软件和统一的平台支撑，改善传统plc兼容性差的缺陷，使其可与其他层级设备实现互联互通。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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是本发明某一实施例提供的智能制造控制单元的结构示意图；

图2是本发明某一实施例提供的imcu与plc的结构对比图；

图3是本发明某一实施例提供的基于五层架构的传统工业和imcu控制架构对比图；

图4是本发明某一实施例提供的imcu的结构示意图；

图5是本发明某一实施例提供的简单通信版imcu的结构示意图；

图6是本发明某一实施例提供的imcu软件系统运行图的结构示意图；

图7是本发明某一实施例提供的imcu标识解析的结构示意图；

图8是本发明某一实施例提供的imcu的标准接口的结构示意图；

图9是本发明某一实施例提供的基于工业互联网架构的imcu控制体系示的结构示意图；

图10是本发明某一实施例提供的imcu的标准接口的结构示意图。

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。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，本发明实施例提供一种智能制造控制单元100，包括：应用处理器10、存储单元20、通用集成电路卡30、基带芯片40和射频芯片50；

应用处理器10，用于通过运行存储单元20内的软件及调用所述存储单元内的数据库，以实现对智能制造控制单元100的整体监控；

通用集成电路卡30，用于自动生成标识，以使得智能制造控制单元100成为主动标识载体；

基带芯片40，用于将应用处理器10输出的数字信号转换为模拟信号后输出至射频芯片50，并将射频芯片50输出的模拟信号转换为数字信号后输出至应用处理器10；

射频芯片50，用于将云平台或边缘计算平台输出的无线信号进行调制解调输出至基带芯片40，并将基带芯片40输出的模拟信号进行调制解调输出至所述云平台或所述边缘计算平台。

在本实施例中，智能制造单元100(imcu)是一种数字运行操作的电子系统，专为工业环境应用和工业互联网应用而设计。通过5g传输，可寻址方式，采用可编程存储器，用于内外部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、数术运算操作、图像和语音人工智能算法等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或者生产过程。请参阅图2(a),传统plc的结构形式多种多样，包括模块式、整体式和混合式等形式。但从其结构组成来说，形式相差不大，包括中央处理器(cpu)、存储器、输入/输出接口电路和电源等。传统plc通过有线和控制设备进行连接，通过有线或无线与上位机连接，实现设备控制。

请参阅图2(b)，imcu是在把plc分解成最小功能模块，包括应用处理器10、存储单元20、通用集成电路卡30、基带芯片40和射频芯片50，应用处理器10是imcu控制中枢系统，也是逻辑部分的控制核心，通过存储单元20内的软件及调用存储器内的数据库，达到对imcu整体监控的目的。采用基带芯片40和射频芯片50，完成语音信号和数字语音信号调制解调、信道编码解码和无线modem控制。

请参阅图3(a)，目前，工业控制现场和工厂整体的调度和控制层数均按照国家标准《gbt20720.1-2006企业控制系统集成第1部分_模型和术语标准》的5层结构，规划的所有0层产生的i/o信号均传输到1层再往上层层传递。而采用imcu控制的工业控制现场和工厂整体的调度控制，请参阅图3(b)，可通过5g传输，有效的地址寻址功能，直接接受所有来自1-4层的控制信息，按照需要将0层信息同时发生1-4层或者单独发送1-4层任何一层。

请参阅图4，进一步将imcu进行解构，初步梳理包括工业芯片、工业软件、标识解析、标准接口等关键核心技术难点。除此之外，响应时间以及安全可靠性问题也是保障imcu切实应用于工业控制现场的关键问题。

针对imcu的关键核心技术，按照“分类推进、功能简单、价格合适”为原则，加快imcu中5g芯片的应用和普及。

请参阅图5，简单通信版imcu：去除芯片中flash存储器、ram随机存储器、rom只读存储器等额外的部件，仅保留芯片的5g通信功能和基本存储，实现imcu能5g联网，向mes、crp等系统进行信息传递。该种imcu价格相对便宜，适合于只需简单信号传递的工控需要，例如限位开关、感应开关等各类开关。

功能加强版imcu：在简单通信版imcu的基础上，根据工业现场实际需求，添加各种存储器，提高计算能力，进一步承担更多边缘计算的需求。该种imcu的价格会逐步增加，更加适合于在边缘侧大量计算和存储的需要。

请参阅图6，imcu作为一种工业控制产品，其软件需满足替代plc工业控制的功能需求，同时满足与其他工业软件互联互通需要。

运行系统：桌面操作系统和实时控制系统隔离运行，在桌面系统发生宕机时并不会影响实时系统的正常运行。

开发系统：支持相关生产控制类已有成熟工具，采用低代码开发、图形化编程等技术来降低开发门槛。同时可使用c或者c++等高级语言；

管理系统：对运营管理类及其他软件开放数据接口，实现跨层间的数据交互。可兼容各大工业互联网平台，与部署其上软件工具开放数据接口，降低企业应用imcu的复杂程度和投资成本。

请参阅图7，imcu采用主动标识解析技术，同时对接国家工业互联网标识解析体系。

标识载体方面，工业互联网标识编码及其相关信息保存在imcu内部，让imcu成为一种工业互联网的主动标识载体。

标识存储方面，imcu应明确标识的存储位置和存储方式，可通过标识生成软件直接自动生成，并兼容目前工业互联网标识数据采集设备和软件。

imcu作为一种新型的工业控制产品，其安全可靠性需经过长时间多维度的实践验证，因此，可按照一定顺序进行产品推广，并通过最新技术，从设备、网络、控制等维度提升安全保障水平。按照危害程度先低后高的顺序，从事故危害性小、非重点行业领域企业开始，对imcu进行推广和试用。通过新技术提升安全保障水平。在设备安全方面，采取设备身份鉴别与访问控制、固件安全增强、漏洞修复等安全策略。在控制安全方面，采取控制协议安全机制、控制软件安全加固、指令安全审计、故障保护等安全策略。在网络安全方面，采取通信和传输保护、边界隔离(工业防火墙)、接入认证授权等安全策略。

在某一个实施例中，应用处理器10还用于处理有实时性要求的计算任务。

在本实施例中，在软件方面，将imcu的工业软件功能模块分为三个层面。对于实时性要求高的，可以利用imcu本身强大计算功能的内部应用处理器10进行解决；

在某一个实施例中，还包括输入单元和输出单元，所述输入单元和所述输出单元皆连接应用处理器10。

在某一个实施例中，所述输入单元和所述输出单元包括标准输入接口和标准输出接口。

请参阅图8，在本实施例中，所述输入单元和所述输出单元均采用标准输入接口和标准输出接口，使其具有广泛的通用性。

标准输入单元的开关端，接口需要适配驱动脉冲、电磁阀、电压电流等各种信号，在imcu端需要采用统一的标准接口，实现与imcu的适配对接。

标准输出单元的imcu端，和输入端一致采用统一的标准接口，而在现场设备端，标准输出单元的接口标准应对继电器、指示灯等设备厂商开放，通过制定行业认可的标准，让所有设备厂商提供的设备能实现与imcu的对接，以便更好连接各种目前现有的和未来不可预计的输出设备。

未来，标准输入和输出单元可能会前向或后向与imcu实现合并，使得imcu能适配满足各种开关和设备。随着imcu的应用普及，各种前端开关和后端设备，也可能会与标准输入或输出单元合并，让前端开关和后端设备更好与imcu实现对接。

在某一个实施例中，所述输入单元和所述输出单元还包括光电耦合器件，用于抵抗干扰信号。

在本实施例中，所述输入单元和所述输出单元均为标准接口，具备光电隔离，使其具备更好的工业现场抗干扰能力。

在某一个实施例中，存储单元20包括可编程存储器。

在本实施例中，imcu通过5g传输，可寻址方式，采用内外部可编程序的存储器，用于内外部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、数术运算操作、图像和语音人工智能算法等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或者生产过程。

在某一个实施例中，应用处理器10还用于将没有实时性要求的计算任务分发至所述云平台或所述边缘计算平台。

在本实施例中，在软件方面，将imcu的工业软件功能模块分为三个层面。对于实时性要求高的，可以利用imcu本身强大计算功能的内部应用处理器10进行解决；对于时延要求较低的，可以考虑放到边缘侧的边缘计算平台进行处理；对于实时性要求更低的可以考虑依靠远端的云平台进行处理，以降低系统的计算负担。

在某一个实施例中，基带芯片40包括5g基带芯片。

在某一个实施例中，射频芯片50包括5g射频芯片。

请参阅图9，参考《工业互联网体系架构(版本2.0)》，imcu将位于设备层及边缘层间，在5g网络信号的全面覆盖下，通过有效的地址寻址功能，接收来自企业层、产业层的控制信息，同时按照需要将设备层的信息同时或单独发送给边缘层、企业层及产业层。

请参阅图10，imcu通过5g基带芯片和5g射频芯片进行5g传输，为了确保响应时间，综合采用互联网广播寻址模式和轮询模式。与传统plc对比，imcu的响应时间重点需要关注imcu的软件和传输两方面的时延问题。

在传输方面，为达到工业现场控制低时延的要求，通过网络切片、设备到设备通信(d2d)、移动边缘计算(mec)等技术，优化5g网络架构以降低时延的同时，满足工业控制不同应用场景的需求。

本发明实施例的智能制造控制单元(imcu)中，包含即插即用的工业级“开放硬件”和兼具开发和运行能力的“云化软件”的工业控制产品，改善了传统plc结构封闭的缺陷，全面打开plc“黑匣子”，使其具有较强的可扩展性；imcu采用标准硬件、开放接口、兼具开发、运行和管理系统的软件和统一的平台支撑，改善传统plc兼容性差的缺陷，使其可与其他层级设备实现互联互通；imcu运用5g、人工智能、区块链等新技术，并采用工业级5g芯片、主动标识解析技术等，满足工业控制领域对于实时性的要求，全面实现工业控制高速化、数字化和智能化，同时为海量跨层级信息交互提供安全防护和有效保障。imcu的创新打破了原有的5层结构，可直接接受所有来自1-4层的控制信息，按照需要将0层信息同时发送到1-4层或者单独发送到任意一层，真正实现跨层级的数据交互，是对传统模式的创新颠覆。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。