一种多重灾备架构的工业数据边缘感知与管理系统的制作方法

本发明涉及工业互联网技术领域，特别涉及一种多重灾备架构的工业数据边缘感知与管理系统。

背景技术：

工业互联网作为新一代信息科学、控制科学和高端装备制造技术深度融合的产物，已经逐步成为全球智能工业竞争的战略制高点和主要抓手。工业互联网技术可以有效地将工业生产与制造中的原材料、执行设备、控制系统、人员及信息连接起来。通过对工业互联网生态中信息的统一处理与分析，改变了以往制造过程依靠人工管理、多种信息分散、信息传递不及时的现状，实现了对工业生产、控制与管理决策的有效支撑。在国家政策扶持及工业生产具有客观需求的背景下，工业互联网迎来了大的发展机遇，同时也在系统的顶层设计、核心技术、行业应用等方面面临着新的挑战。由于工业数据的基础性和决定性作用，所以对其进行准确可靠的采集显得尤为重要。

现有技术中，中国专利文件公开了一种数据采集系统，申请号：201711463528.2，该专利文件提供了一种数据采集系统，包括：车间设备、opc服务器、opc客户端和上位机；opc服务器用于接收该车间设备的参数信息；opc客户端用于从opc服务器接收该参数信息，并将该参数信息发送至上位机。该技术的不足是：1.采用opc服务直接采集设备数据，当设备数量非常多时会产生高并发、采集时间过长等问题；2.当设备数量非常多时，opc服务器需监听大量设备的数据变化情况，会导致服务器运行不稳定甚至宕机，也可能导致网络传输阻塞；3.opc服务异常会导致所有数据都不能采集，系统健壮性不高。

中国专利文件还公开了一种基于工业大数据的数据采集系统及方法，申请号：201810141488.8，该专利文件提供了一种基于工业大数据采集系统及方法包括：数据采集接口，并发用于通过多进程形式采集所述工业大数据，并对所述工业大数据进行协议转换及首次封包上传；以及数据接收接口，用于接收首次封包上传的所述工业大数据，对该工业大数据进行数据解析及数值压缩的处理，并将处理后的所述工业大数据写入数据库。该专利提供了一种在数据采集系统中，对数据预处理以及打包发送的方法，该专利实现的是数据采集系统中的一部分，并没有从整体架构去考虑数据采集问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种多重灾备架构的工业数据边缘感知与管理系统，构建出一套完整的工业数据采集和管理系统，该系统具有较低的网络占用率，很高的安全性，健壮性和灵活性。

本发明的目的是这样实现的：一种多重灾备架构的工业数据边缘感知与管理系统，包括分布式现场采集层、分布式数据处理层和数据管理平台；

所述分布式现场采集层用于在设备上部署智能传感器、智能仪表，对设备数据进行采集和a/d转换，使之成为数字信号，以提供给分布式数据处理层使用；

所述分布式数据处理层包括多个数据处理节点，数据处理节点用于接收分布式现场采集层中某一簇的数据，并对数据进行处理之后发送至数据管理平台；也可执行数据管理平台传来的控制指令，执行相应的操作；同时该节点还接入了现场采集层中另一簇的数据，作为此簇的候补节点；

所述数据管理平台用于接收分布式数据处理层发送来的数据，对数据进行分布式储存，也可以向分布式数据处理层的节点发送控制指令；同时开放数据访问接口，供其它系统访问。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，有益效果在于：本发明采用分布式技术，边缘计算技术，其智能采集设备统一了数据传输协议，另外对数据进行压缩，大幅度降低了服务器的负担和主干网络的负担；数据一经采集就被加密传输，加密储存在服务器中，只有在数据被授权的第三方平台请求时，才会被解密，大幅度提升了系统的安全性；节点采用热备份技术互相备份，服务器也互为备用，即使有节点或者服务器异常，其备品也能完成工作，大大提高了系统的健壮性；在网络或者服务器不稳定，节点不能正常连接到服务器时，节点自身也可缓存一段时间的数据，也大大提高了系统的健壮性。

作为本发明的进一步改进，所述分布式现场采集层是分布式的，可自行根据不同的分类规则分簇，每个簇都包含数据采集器群，协议转换模块和数据汇总接口；

所述数据采集器群包含各类传感器以及仪器仪表，把传感器中的模拟信号经过a/d转换成数字信号，其它设备可通过采集设备上的串行通讯口或者网口，运用相应的通讯协议访问采集设备中每个传感器的数据；

所述协议转换模块用于使用不同接口和协议访问上述数据采集器群的数据，将其实时储存到该模块的缓存区后，其他设备可以通过某个统一的接口和协议，访问该模块缓存区中的数据；

所述数据汇总接口用于连接分布式现场采集层中的当前簇和其对应的分布式数据处理层中的节点以及候补节点。

作为本发明的进一步改进，所述分布式数据处理层的每个数据处理节点包括数据获取模块，数据处理模块，数据发送模块，节点状态诊断模块，控制指令接收模块，主缓存区和候补缓存区；

所述数据获取模块用于从节点的主簇和候补簇的数据汇总接口汇总数据并对数据加上时间戳；

所述数据处理模块用于对数据进行封包，压缩和加密；

所述数据发送模块用于向数据管理平台发送数据；

所述节点状态诊断模块用于实时诊断模块状态，并与其他节点的相应模块共享信息；

所述控制指令接收模块用于接收并执行数据管理平台的控制指令；

所述主缓存区和候补缓存区分别用于缓存节点的主簇和候补簇的设备数据。

作为本发明的进一步改进，所述数据获取模块，数据处理模块，数据发送模块，节点状态诊断模块，控制指令接收模块均有独立的数据缓存区。

作为本发明的进一步改进，所述数据管理平台包括数据服务器组，数据接收接口，数据访问接口，数据处理模块和控制指令模块；

所述数据接收接口用于接收所有节点发送过来的数据，同时监听每个服务器的状态，并将数据写入服务器组中可用的服务器；

所述数据处理模块，用于对数据的解压缩以及加解密；

所述数据服务器组用于储存所有设备的数据；

所述数据访问接口用于接收第三方系统的数据访问请求，并根据请求提供相应的数据；

所述控制指令模块用于对节点发送相应的控制指令，所述控制指令来源于数据访问接口接收到的第三方系统的数据访问请求。

作为本发明的进一步改进，所述数据服务器组由n个（n≥2）互相独立的服务器组成，每个服务器拥有主储存区和备用储存区。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2本发明分布式现场采集层中的一个簇的结构示意图。

图3本发明分布式数据处理层中的一个节点结构示意图。

图4本发明数据管理平台的结构示意图。

图5本发明具体实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种多重灾备架构的工业数据边缘感知与管理系统，其特征在于，包括分布式现场采集层、分布式数据处理层和数据管理平台；

分布式现场采集层用于在设备上部署智能传感器、智能仪表，对设备数据进行采集和a/d转换，使之成为数字信号，以提供给分布式数据处理层使用；

分布式数据处理层包括多个数据处理节点，数据处理节点用于接收分布式现场采集层中某一簇的数据，并对数据进行处理之后发送至数据管理平台，也可执行数据管理平台传来的控制指令，执行相应的操作，同时该节点还接入了分布式现场采集层中另一簇的数据，作为另一簇数据的候补节点；

数据管理平台用于接收分布式数据处理层发送来的数据，对数据进行储存，也可以向分布式数据处理层的节点发送控制指令，同时开放数据访问接口，供其它系统访问。

如图2所示，分布式现场采集层是分布式的，可自行根据不同的分类规则分簇，每个簇都包含数据采集器群，协议转换模块和数据汇总接口；

数据采集器群包含各类传感器以及仪器仪表，把传感器中的模拟信号经过a/d转换成数字信号，其它设备可通过采集设备上的串行通讯口或者网口，运用相应的通讯协议访问采集设备中每个传感器的数据；

协议转换模块用于使用不同接口和协议访问上述数据采集器群的数据，将其实时储存到该模块的缓存区后，其他设备可以通过某个统一的接口和协议，访问该模块缓存区中的数据；

数据汇总接口用于连接分布式现场采集层中的当前簇和其对应的分布式数据处理层中的节点以及候补节点。

如图3所示，分布式数据处理层的每个数据处理节点包括数据获取模块，数据处理模块，数据发送模块，节点状态诊断模块，控制指令接收模块，主缓存区和候补缓存区；

数据获取模块用于从节点的主簇和候补簇的数据汇总接口汇总数据并对数据加上时间戳；

数据处理模块用于对数据进行封包，压缩和加密；

数据发送模块用于向数据管理平台发送数据；

节点状态诊断模块用于实时诊断模块状态，并与其他节点的相应模块共享信息；

控制指令接收模块用于接收并执行数据管理平台的控制指令，并且以上模块均有独立的数据缓存区。

主缓存区和候补缓存区分别用于缓存节点的主簇和候补簇的设备数据。

如图4所示，数据管理平台包括数据服务器组，数据接收接口，数据访问接口，数据处理模块和控制指令模块；

数据接收接口用于接收所有节点发送过来的数据，同时监听每个服务器的状态，并将数据写入服务器组中可用的服务器；

数据处理模块，用于对数据的解压缩以及加解密；

数据服务器组由n个（n≥2）互相独立的服务器组成，每个服务器拥有主储存区和备用储存区。

数据访问接口用于接收第三方系统的数据访问请求，并根据请求提供相应的数据；

控制指令模块用于对节点发送相应的控制指令，所述控制指令来源于数据访问接口接收到的第三方系统的数据访问请求。

如图5所示，为响应国家智能制造2050计划，提升制造智能化水平，某企业计划对自己旗下的工厂进行智能化改造。现需要采集工厂内的各种设备的数据并储存，以供第三方系统使用。

该工厂某厂区包含10个车间，每个车间包含多种设备，每种设备需要采集其（如果有的话）各温区温度，各容器液位，各设备各相电压电流功耗功率因数，各气/油缸气/油压等数据。

分布式现场采集层设计：以每个车间作为一个簇，根据实际情况，共部署有10个簇，这10个簇组成分布式现场采集层。其中，在每个簇中部署数据采集器群，协议转换模块，数据汇总接口。

针对需要采集的数据，在每个设备的相应区域部署温控仪表，液位计，电力采集器，压力传感器等。以上传感器/仪表组成数据采集器群，将现场设备数据进行数模转换并进行暂时的管理。

协议转换模块可由各类plc组成，plc通过不同的硬件接口和软件协议连接数据采集器群中的设备，并获取其中的数据用统一的协议进行转发，这里选择rj45，tcp/ip协议。

数据汇总接口可选取工业级路由器，对协转换模块的tcp/ip报文进行转发，转发至分布式数据处理层。

分布式现场采集层设计：此层一共有10个节点，每个节点可以是工业电脑。可在工业电脑中编程实现节点的所有模块的功能；包括据获取模块，数据处理模块，数据发送模块，节点状态诊断模块，控制指令接收模块，主缓存区和候补缓存区的功能。

数据管理平台设计：其中包含一个服务器，在其基础上编程实现数据管理平台中的数据访问接口，数据接收接口，控制指令接口，数据处理模块的功能。还包含两个以工业电脑和raid磁盘阵列为数据服务器组成的数据服务器组。第一个数据服务器用于储存1-5个车间的数据，另一个用于储存6-10个车间的数据，两个数据服务器互为备份。

对于上述分布式现场采集层中的协议转换模块除了plc，还可以是自主设计的以单片机或fpga等为基础的嵌入式设备，也可以是ipc等任何有可能实现协议转换功能的设备或者设备组合。

分布式现场采集层中的协议转换模块的目标接口和协议除了rj45，tcp/ip，接口还可以是rj12，sc，fc，sc/afc等，协议还可以是udp等。

分布式现场采集层中的数据接口除了工业级路由器，还可以是自主设计的以单片机或fpga等为基础的嵌入式设备，也可以是ipc等任何有可能实现报文转发的设备或者设备组合。

分布式数据处理层中的节点除了工业电脑，还可以是自主设计的以单片机或fpga等为基础的所有的可以实现所述节点功能的嵌入式设备。

数据管理层也可采用如下方式实现：

采用单个服务器作为数据服务器，两个数据服务器组成数据服务器组。在每个服务器中都编程实现数据管理平台中的数据访问接口，数据接收接口，控制指令接口，数据处理模块的功能。

数据服务器组中的服务器不限于两个，可按照需要分配数量。

综上所述，该系统不仅使用了边缘计算和计算卸载技术来降低主干网络与服务器负担，而且在架构的设计上采用了多层级的多重灾备设计，使得此采集系统具有非常高的安全性，健壮性以及灵活性。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。