一种基于协同控制的分布式控制装置的制作方法

1.本发明涉及工业物联网技术领域，尤其涉及一种基于协同控制的分布式控制装置。


背景技术：

2.随着物联网技术和云计算技术飞速的发展，容器、微服务、消息系统、边缘计算等各项技术层出不穷。不过在“5g+工业互联网”高速发展的今天，工业控制领域场景依然停留在传统的plc时代。
3.现有的技术方案主要是采用softplc技术，通过普通单片机配合plc指令集解析器实现功能逻辑控制时的设计方法，由于各大工厂内的设备环境复杂多样，控制设备协议不统一，开发工具不统一，不同控制系统独立运行难以协同控制、控制逻辑程序严重依赖硬件，需求变更时无法在线更新，尤其在大型控制系统中，各控制系统独立运行，数据点间格式不一，无法共享数据；这种传统的控制方式不能满足现在现代数字化工厂建设中，多个复杂系统协同控制实时性的需求。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于协同控制的分布式控制装置，通过把不同控制系统的控制逻辑功能块运行时采用容器化的方式部署在分布式网关上，再根据控制需求下发到每个执行器中，从而实现不同控制系统的设备分工协同。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于协同控制的分布式控制装置，包括：至少一个执行单元、至少一个软控制器、功能块管理程序及功能块编程工具；其中分布式控制装置中，每个所述软控制器与所述功能块管理程序、一个所述执行单元通信连接，各个所述软控制器之间互相通信连接，所述功能块管理程序与所述功能块编程工具通信连接；其中，每个所述软控制器中包含一个容器，所述容器中部署有由功能块运行时构成的微服务功能逻辑程序；
6.所述功能块编程工具，用于按现场控制逻辑需求编排功能块文件，并下载至所述功能块管理程序中；
7.所述功能块管理程序，用于将所述功能块文件部署到指定容器中的功能块运行时中；
8.所述软控制器，用于控制指定容器中的功能块运行时的所述功能块文件运行。
9.进一步的，所述软控制器，用于控制指定容器中的功能块运行时的基于事件触发的所述微服务功能逻辑程序运行。
10.进一步的，所述基于协同控制的分布式控制装置还包括本地数据中心；其中，在分布式控制装置中，所述本地数据中心与每个所述软控制器通信连接；
11.所述本地数据中心，用于存储各软控制器、南向接入控制设备及传感设备的经过数据格式化后的数据信息。
12.进一步的，所述基于协同控制的分布式控制装置还包括物联代理程序及云平台；其中，在分布式控制装置中，所述物联代理程序的北向访问接口与各个所述软控制器、本地数据中心通信连接，物联代理程序的南向访问接口与云平台通信连接；
13.所述物联代理程序，用于将各软控制器、南向接入控制设备及传感设备的经过数据格式化后的数据信息按统一协议标准上传到云平台；
14.所述云平台，用于存储所述物联代理程序上传的数据信息。
15.进一步的，各个所述软控制器之间通过消息总线通信连接，各个所述软控制器与功能块管理程序通过消息总线通信连接，所述本地数据中心与每个所述软控制器通过消息总线通信连接，所述物联代理程序的北向访问接口通过消息总线与各个所述软控制器、本地数据中心通信连接；所述消息总线采用mqtt broker技术订阅和发布形式进行消息交互。
16.其中，所述微服务功能逻辑程序，是采用基于时钟的周期性事件来触发功能逻辑程序的执行；其中功能逻辑程序中包含负责不同的工业控制流程或者是不同控制系统的逻辑控制程序；
17.所述微服务包括消息路由、数据分析、云服务、实时逻辑控制、web服务器、ai算法。
18.进一步的，所述基于时钟的周期性事件来触发功能逻辑程序的执行，具体包括：
19.使用时钟功能块产生周期事件，将输入功能块和输出功能块串在事件链中，并且建立了一个常开功能块；每个周期事件产生时，程序从时钟功能块开始执行一遍。
20.其中，所述执行单元，用于在软控制器通过设备符的形式访问执行单元的硬件资源之后，响应于软控制器的命令执行相应控制功能。
21.进一步的，所述功能块编程工具部署在云平台上，通过远程编程的方式在线更新分布式控制装置中功能块运行时的功能块文件。
22.进一步的，所述功能块编程工具部署在本地计算机上，通过本地编程的方式在线更新分布式控制装置中功能块运行时的功能块文件。
23.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
24.本发明通过采用容器化部署基于事件触发的功能块运行时，有利于控制逻辑程序的快速部署、迭代和运维；采用sqlite数据库实现数据中心本地化，为多控制系统的边缘计算提供数据支撑；采用多核arm处理器分别实现软plc多控制器分布式实时控制任务和云端访问物联网，人工智能等功能，解决现行plc控制器只能单独执行，多个控制系统间无法协同实时控制的问题；实现工业控制软件硬解耦，统一工业控制领域标准；同时，有利于大型的、复杂的、多系统的工业控制解决方案部署以及有利于推进工业控制领域实现数字化、智能化控制。
附图说明
25.图1是本发明实施例一提供的基于协同控制的分布式控制装置的结构图。
26.图2是本发明实施例二提供的基于协同控制的分布式控制装置的结构图。
27.图3是本发明实施例三提供的基于协同控制的分布式控制装置的结构图。
具体实施方式
28.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。
29.参见图1，是本发明实施例一提供的基于协同控制的分布式控制装置的结构图。
30.所述基于协同控制的分布式控制装置，包括：至少一个执行单元1、至少一个软控制器3、功能块管理程序4及功能块编程工具5；其中分布式控制装置中，每个所述软控制器3与所述功能块管理程序4、一个所述执行单元1通信连接，各个所述软控制器3之间互相通信连接，所述功能块管理程序4与所述功能块编程工具5通信连接；其中，每个所述软控制器中包含一个容器2，所述容器中部署有由功能块运行时构成的微服务功能逻辑程序；
31.所述功能块编程工具5，用于按现场控制逻辑需求编排功能块文件，并下载至所述功能块管理程序4中；
32.所述功能块管理程序4，用于将所述功能块文件部署到指定容器中的功能块运行时中；
33.所述软控制器3，用于控制指定容器中的功能块运行时的所述功能块文件运行。
34.进一步的，所述软控制器3，还可以用于控制指定容器中的功能块运行时的基于事件触发的所述微服务功能逻辑程序运行。
35.需要说明的是，软控制可以通过realtime控制和anytime控制两种模式控制功能逻辑程序的运行；第一种是通过现场控制的逻辑需求，在线编写或者更新需要的逻辑程序，第二种是将需要的微服务功能逻辑程序提前在分布式控制装置中进行功能块运行时容器化部署；通过两种模式实现多个控制系统的执行单元系统控制，实现了不同控制系统的融合以及异构网络的融合如有线接入、无线接入等。
36.其中，利用docker容器进行容器化，即把功能块运行时微服务逻辑程序打包成一个docker镜像，实现功能块容器化部署，完成功能块图与硬件之间的解耦。
37.其中，所述微服务功能逻辑程序，是采用基于时钟的周期性事件来触发功能逻辑程序的执行；其中功能逻辑程序中包含负责不同的工业控制流程或者是不同控制系统的逻辑控制程序；
38.所述微服务包括消息路由、数据分析、云服务、实时逻辑控制、web服务器、ai算法等。
39.参见图2，是本发明实施例二提供的基于协同控制的分布式控制装置的结构图。
40.所述基于协同控制的分布式控制装置还包括本地数据中心6；其中，在分布式控制装置中，所述本地数据中心6与每个所述软控制器3通信连接；
41.所述本地数据中心6，用于存储各软控制器、南向接入控制设备及传感设备的经过数据格式化后的数据信息。
42.在具体实施例中，采用了sqlite数据库，收集和存储各软控制器及南向接入控制设备、传感设备等数据信息，为边缘计算提供数据支撑。
43.参见图3，是本发明实施例三提供的基于协同控制的分布式控制装置的结构图。
44.所述基于协同控制的分布式控制装置还包括物联代理程序7及云平台8；其中，在分布式控制装置中，所述物联代理程序7的北向访问接口与各个所述软控制器3、本地数据中心6通信连接，物联代理程序7的南向访问接口与云平台8通信连接；
45.所述物联代理程序7，用于将各软控制器、南向接入控制设备及传感设备的经过数据格式化后的数据信息按统一协议标准上传到云平台8；
46.所述云平台8，用于存储所述物联代理程序7上传的数据信息。
47.进一步的，各个所述软控制器3之间通过消息总线9通信连接，各个所述软控制器3与功能块管理程序4通过消息总线9通信连接，所述本地数据中心6与每个所述软控制器3通过消息总线9通信连接，所述物联代理程序7的北向访问接口通过消息总线9与各个所述软控制器3、本地数据中心6通信连接；所述消息总线9采用mqtt broker技术订阅和发布形式进行消息交互。
48.需要说明的是，在具体实施例中采用mqtt broker技术订阅和发布形式进行各控制器之间消息交互，完成各软控制器3的协同控制的功能；可以与数据中心6交互，完成数据采集及边缘计算的功能；可以与云平台8交互，完成外部控制设备云接入与管理的功能；还可以与功能块编程工具5交互，完成各软控制器内部功能块运行时控制逻辑程序的安装、升级、卸载等云化管理功能。
49.具体的，所述物联代理程序7负责与云平台8进行数据交互，可以将南向接入控制设备、传感设备数据上按统一协议标准上传到物联网云平台8上；统一标准可以为《gb/t 19769.4-2015功能块》、《iec 61499-1》和《工业互联网信息模型(3im)》等。
50.进一步的，所述基于时钟的周期性事件来触发功能逻辑程序的执行，具体包括：
51.使用时钟功能块产生周期事件，将输入功能块ix和输出功能块qx串在事件链中，并且建立了一个常开功能块；每个周期事件产生时，程序从时钟功能块开始执行一遍。
52.其中，所述执行单元1，用于在软控制器3通过设备符的形式访问执行单元1的硬件资源之后，响应于软控制器3的命令执行相应控制功能。
53.进一步的，所述功能块编程工具5部署在云平台8上，通过远程编程的方式在线更新分布式控制装置中功能块运行时的逻辑控制程序；
54.具体的，功能块管理程序4可以管理分布式控制装置内所有软控制器功能块运行时的逻辑控制程序；可以功能块编程工具5通信，运维本分布式控制装置内部所有的功能块运行时逻辑控制程序；功能块编程工具5，可以负责现场控制编程，可以部署在云平台上，通过远程编程的方式在线更新分布式控制装置中功能块运行时的功能块文件；所述功能块编程工具可以部署在本地计算机上，通过本地编程的方式在线更新分布式控制装置中功能块运行时的功能块文件。
55.在具体实施例中，分布式控制装置在部署时，功能块编程工具5按现场控制逻辑需求编排好功能块文件，并下载至功能块管理程序4中，并按要求存储到系统指定文件夹，例如：usr/local/default/apps/xxx，其中xxx为该功能块的文件夹名，功能块管理程序响应于container install容器安装命令通过mqtt broker消息总线9将所需的功能块运行时功能块文件的tar包安装部署到指定容器2中，对应的软控制器3执行该功能逻辑控制程序运行，运行时打包该功能逻辑控制程序时所涉及的输入与输出接口，例：-dev/dev/ttysz3:/dev/ttysz3，-dev/dev/gpio_sg:/dev/gpio_sg等设备符号，以便部署在容器中的功能逻辑控制程序运行时可以正常访问对应的执行单元1硬件访问接口，以完成控制逻辑的信号采集与控制功能。
56.进一步的，软控制器中的各功能块运行时可以采集软控制器、接入设备及传感设
备等的数据信息通过物模型方式将数据格式化，通过mqtt broker消息总线9存入数据中心6，也可以通过物联代理程序7的北向接口上报给云平台，云平台8也可以通物联代理程序访问各个软控制器3中的功能块运行时的微服务功能逻辑程序或本地数据中心6。
57.进一步的，在具体实施例中，采用了多核arm处理器分别实现软控制器中的分布式实时控制任务和云端访问物联网，人工智能等功能。
58.综上，本发明提出了一种基于协同控制的分布式控制装置，该分布式控制装置利用docker容器将不同控制系统的控制逻辑功能块运行时进行容器化并部署需要的功能逻辑需求，有效地实现异构化控制软件部署、运行、迭代和运维；基于容器化的功能块运行时构成的软控制器、功能块管理程序、本地数据中心、功能块管理程序与物联代理程序之间采用mqtt broker进行通信，实现不同功能化程序之间协同联合控制功能；采用sqlite数据库实现数据中心本地化，为多控制系统的边缘计算提供数据支撑；另外还采用多核arm处理器分别实现软控制器分布式实时控制任务和云端访问物联网、人工智能等功能。
59.所述基于协同控制的分布式控制装置还解决了现行plc控制器只能单独执行，多个控制系统间无法协同实时控制的问题；统一了plc控制逻辑的语言与接口标准，实现不同plc控制器厂家的硬解耦；有利于大型的、复杂的、多系统的工业控制解决方案部署；有利于推进工业控制领域实现数字化、智能化控制。
60.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本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
61.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。