本发明涉及通信
技术领域：
，尤其涉及工业互联网现场层宽带总线架构系统。
背景技术：
：在自动化和制造技术中，越来越频繁的使用串行总线系统，所有的使用者都通过串行总线连接成网络，总线的数据交换通过主从原理来执行。现有技术中实现了一种具有集成总线监控功能的总线站系统。如图1所示，该系统通过在控制单元、网关、执行器和传感器中分别添加总线监控器，进而实现对总线数据的实时监控。该系统采用网关实现网络之间的互联，而多个总线监控器使得总线系统的结构过于复杂、硬件成本较高、后期管理维护工作困难。以太网和CAN总线技术依然属于目前应用最广泛的技术，但是也存在弊端，具体如下：1)、由于以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷较重(大于40％)时，网络的确定性不能满足工业控制的实时要求。例如两线以太网传输装置采用CSMA/CD碰撞检测方式进行数据通信，而该传输方式导致系统传输可靠性差。2)、CAN总线的工作特点及工作方式，其事件触发机制使网络中事件之间容易发生冲突碰撞，导致信道传输出错堵塞，使系统的可靠性差，但即便采用仲裁方式能够解决冲突碰撞问题，但低优先级的数据传输仍然缺乏实时性；采用主从站的工作模式，在分布式控制系统中不同站之间需要进行必要的通信连接，任意时刻一个节点主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，导致在各节点之间实现自由通信的同时占用较宽的信道，进而影响了信道上数据的传输速率，降低了传输性能。目前，网络传输已经遍及世界，传输数据的安全性直接影响着我们的工作、生活乃至国家的安全，亟需一种高性能、高可靠、高实时的工业互联网通信系统。技术实现要素：本发明实施例提供了一种工业互联网现场层宽带总线架构系统。用以解决目前存在的现有技术中工业控制系统性能低、数据传输的实时性和可靠性差的问题。本发明提供的工业互联网现场层宽带总线架构系统，包括总线控制器、至少一个总线终端，所述总线控制器和各总线终端通过两线制数据传输网络连接，其中：所述总线控制器与各总线终端进行时钟同步；并，为自身和各总线终端分配时间片；以及，根据自身的时间片发送第一待发送数据；所述总线终端，根据自身的时间片发送第二待发送数据。进一步地，所述总线控制器还用于，采集数据后确定该数据是实时数据还是非实时数据；若是实时数据则将该实时数据存储至第一实时数据容器；若是非实时数据，则将该非实时数据存储至第一非实时数据容器；所述总线终端还用于，采集数据后确定该数据是实时数据还是非实时数据；若是实时数据则将该实时数据存储至第二实时数据容器；若是非实时数据，则将该非实时数据存储至第二非实时数据容器。进一步地，所述总线控制器具体用于，监测是否处于自身的时间片，若处于自身的时间片，则在该时间片内从第一实时数据容器中获取实时数据作为所述第一待发送数据并发送；若实时数据容器为空，则从第一非实时数据容器中获取数据作为所述第一待发送数据并发送；所述总线终端具体用于，监测是否处于自身的时间片，若处于自身的时间片，则在该时间片内从第二实时数据容器中获取实时数据作为所述第二待发送数据并发送；若实时数据容器为空，则从第二非实时数据容器中获取数据作为所述第二发送数据并发送。进一步地，所述总线控制器还用于，若不处于自身的时间片，从第一非实时数据容器中获取数据，并采用载波监听多路访问及冲突检测技术发送获取的非实时数据；所述总线终端还用于，若不处于自身的时间片，从第二非实时数据容器中获取数据，并采用载波监听多路访问及冲突检测技术发送获取的非实时数据。进一步地，对于采集数据后确定该数据是实时数据的，所述总线控制器和所述总线终端具体用于基于时间触发以太网技术或TDMA(timedivisionmultipleaccess，时分多址)技术实现根据时间片发送数据。进一步地，所述总线控制器还用于，获取到需要向外网发送的数据后，将该数据转换为与所述外网对应格式的报文，并发送给所述外网。进一步地，所述总线控制器还用于，学习所述两线制数据传输网络上的设备的MAC地址，并针对学习到的每个MAC地址，分配对应的IP地址和总线设备地址；并根据学习的MAC地址及对应的IP地址和总线设备地址，更新预先建立的三维对应关系；以及针对从所述两线制数据传输网络上接收到的每个数据，检测该数据中携带的MAC地址、IP地址和总线设备地址之间的对应关系是否包含在所述三维对应关系中，若是，则确定该数据为合法数据，否则，确定该数据为非法数据。进一步地，所述总线控制器还用于，将三维对应关系发送给各总线终端；所述总线终端还用于，针对从所述两线制数据传输网络上接收到的每个数据，检测该数据中携带的MAC地址、IP地址和总线设备地址之间的对应关系是否包含在所述三维对应关系中，若是，则确定该数据为合法数据，否则，确定该数据为非法数据。进一步地，所述总线控制器具体用于，根据自身的时间片，采用正交频分复用技术或基带传输方式发送第一待发送数据；所述总线终端具体用于，根据自身的时间片，采用正交频分复用技术或基带传输方式发送第二待发送数据。进一步地，所述正交频分复用技术应用在物理层。进一步地，所述系统还包括：总线配置与监控元件，与所述总线控制器连接，用于将针对所述两线制数据传输网络上的至少一个设备的配置信息或监控指令发送给总线控制器，以使所述总线控制器将配置信息发送给对应的设备；以及，接收总线控制器发送的所述两线制数据传输网络上的至少一个设备生成的运行状态信息。进一步地，所述总线配置与监控元件与所述总线控制器通过RS485总线通信；或者，所述总线控制器还用于，为所述总线配置与监控元件分配时间片；所述总线配置与监控元件用于根据自身的时间片，以及正交频分复用技术或基带传输技术与所述总线控制器通信。进一步地，所述系统还包括：应用监控装置，与总线控制器连接，用于对所述总线控制器、各总线终端进行数据采集和实时控制。本发明有益效果如下：本发明提供的工业互联网现场层宽带总线架构系统中，通过时钟同步，并由总线控制器为自身和各总线终端分配时间片，总线控制器与各总线终端在自身的时间片内发送数据，能够保证数据发送的及时性和时间确定性。故此，本发明实施例实现了一种高性能、高可靠、高实时的工业互联网现场层宽带总线架构系统。此外，两线制数据传输网络的传输介质可以为双绞线或屏蔽双绞线，使得该系统能够适用使用总线的传统工业控制设施，在不改变原有布线和拓扑的同时提供了高性能的以太网通信，为实现工控系统现场层网络从传统的现场总线向工业以太网总线的转换提供高性能、高可靠、高实时和高安全的解决方案。故而，本发明实施例提供的方法具有很好的普遍适用性。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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所示为现有技术中所述串行总线系统的结构示意图；图2所示为本发明实施例中所述工业互联网通信系统的结构示意图之一；图3所示为本发明实施例中所述工业互联网通信系统的结构示意图之二；图4所示为本发明实施例中所述总线控制器的结构示意图；图5所示为本发明实施例中所述总线终端的结构示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。用于工业控制系统现场数据采集和控制，如图2所示，其为本发明实施例提供的所述工业互联网现场层宽带总线架构系统的结构示意图之一，该系统包括总线控制器201、至少一个总线终端202，所述总线控制器201和各总线终端202通过两线制数据传输网络连接，其中：所述总线控制器201与各总线终端202通过进行时钟同步；并，为自身和各总线终端202分配时间片；以及，根据自身的时间片发送第一待发送数据；所述总线终端202，根据自身的时间片发送第二待发送数据。其中，在一个实施例中，总线控制器201和个总线终端202可以基于时间触发以太网技术或TDMA技术实现根据时间片发送数据。其中，在一个实施例中，精密时钟同步协议可以为IEEE1588协议，当然，具体实施时，也可以采用现有技术中的其他能够实现精密时钟同步的协议，本发明对此不做限定。本发明实施例提供的工业互联网现场层宽带总线架构系统中，通过精密时钟同步协议进行时钟同步，并由总线控制器201为自身和各总线终端202分配时间片，总线控制器201与各总线终端202在自身的时间片内发送数据，能够保证数据发送的及时性和时间确定性。故此，本发明实施例实现了一种高性能、高可靠、高实时的工业互联网现场层宽带总线架构系统。此外，两线制数据传输网络的传输介质可以为双绞线或屏蔽双绞线，使得该系统能够适用使用总线的传统工业控制设施，使得本发明实施例提供的方法具有很好的普遍适用性。为便于进一步理解本发明实施例提供的工业互联网现场层宽带总线架构系统，下面做进一步说明：其中，在一个实施例中，实际应用中，宽带总线的数据可以分为实时数据和非实时数据，其中，实时数据对数据传输的时间确定性和及时性要求较高，而非实时数据则相对要求较低，故此，本发明实施例中，可以预先将数据分为实时数据和非实时数据，以便于根据不同数据实行不同的发送策略。具体的：所述总线控制器201还用于，采集数据后确定该数据是实时数据还是非实时数据；若是实时数据则将该实时数据存储至第一实时数据容器；若是非实时数据，则将该非实时数据存储至第一非实时数据容器；所述总线终端202还用于，采集数据后确定该数据是实时数据还是非实时数据；若是实时数据则将该实时数据存储至第二实时数据容器；若是非实时数据，则将该非实时数据存储至第二非实时数据容器。这样，在发送第一待发送数据时，可以优先发送实时数据。具体的，所述总线控制器201具体用于，监测是否处于自身的时间片，若处于自身的时间片，则在该时间片内从第一实时数据容器中获取实时数据作为所述第一待发送数据并发送；若实时数据容器为空，则从第一非实时数据容器中获取数据作为所述第一待发送数据并发送；同理，发送第二待发送数据时，可以优先发送实时数据。所述总线终端202具体用于，监测是否处于自身的时间片，若处于自身的时间片，则在该时间片内从第二实时数据容器中获取实时数据作为所述第二待发送数据并发送；若实时数据容器为空，则从第二非实时数据容器中获取数据作为所述第二发送数据并发送。需要说明的是，总线控制器201和各总线终端202，每次发送非实时数据之前，都需要确认对应实时数据容器(第一实时数据容器或第二实时数据容器)为空。以总线控制器201为例，对此进行说明：总线控制器201从第一实时数据容器中获取数据，若第一实时数据容器为空，则从第一非实时数据容器中获取数据作为所述第一待发送数据并发送；然后，继续确认从第一实时数据容器中获取数据，若第一实时数据容器为空，则再从第一非实时数据容器中获取数据作为所述第一待发送数据并发送。这样做的原因是，实时数据有可能不定期会产生新的，并添加到实时数据容器中，例如，发送非实时数据时，便有新的实时数据产生，为了保证实时数据能够及时发出，所以，有必要每次发送非实时数据之前都要确认实时数据容器为空。其中，在一个实施例中，为了合理利用数据传输资源，所述总线控制器201还用于，若不处于自身的时间片，从第一非实时数据容器中获取数据，并采用载波监听多路访问及冲突检测技术发送获取的非实时数据；所述总线终端202还用于，若不处于自身的时间片，从第二非实时数据容器中获取数据，并采用载波监听多路访问及冲突检测技术发送获取的非实时数据。这样，对于非实时数据实现选择合理的时机发送出去，提高数据发送的效率和数据传输资源的利用率。其中，在一个实施例中，对于采集数据后确定该数据是实时数据的，所述总线控制器201和所述总线终端202具体用于基于时间触发以太网技术或TDMA技术实现根据时间片发送数据。其中，在一个实施例中，为了实现工业以太网宽带总线与其他网络之间的良好通信，实现工业以太网宽带总线与其他现场总线网络组网。本发明实施例中，所述总线控制器201还用于，获取到需要向外网发送的数据后，将该数据转换为与所述外网对应格式的报文，并发送给所述外网。其中，该外网例如是基于以下通信技术的网络：(ProcessFieldBus，过程现场总线)、Modbus(Modbusprotocol，Modbus通讯协议)、can(ControllerAreaNetwork，控制器局域网络)、CANopen或RS485/CAN等。其中，在一个实施例中，为了提高本发明实施例提供的系统的安全性，所述总线控制器201还用于，学习所述两线制数据传输网络上的设备的MAC地址，并针对学习到的每个MAC地址，分配对应的IP地址和总线设备地址；并根据学习的MAC地址及对应的IP地址和总线设备地址，更新预先建立的三维对应关系；以及针对从所述两线制数据传输网络上接收到的每个数据，检测该数据中携带的MAC地址、IP地址和总线设备地址之间的对应关系是否包含在所述三维对应关系中，若是，则确定该数据为合法数据，否则，确定该数据为非法数据。这样，三维对应关系相当于白名单，白名单内的设备发送的数据为合法数据，白名单外设备发送的数据为非法数据，可以有效避免非法数据通过总线控制器201传输散播出去。其中，在一个实施例中，为了进一步提高本发明实施例提供的系统的安全性，所述总线控制器201还用于，将三维对应关系发送给各总线终端202；所述总线终端202还用于，针对从所述两线制数据传输网络上接收到的每个数据，检测该数据中携带的MAC地址、IP地址和总线设备地址之间的对应关系是否包含在所述三维对应关系中，若是，则确定该数据为合法数据，否则，确定该数据为非法数据。这样，三维对应关系下发给了总线终端202，使得总线终端202也有了白名单，白名单内的设备发送的数据为合法数据，白名单外设备发送的数据为非法数据，可以有效避免非法数据通过总线终端202传输散播出去。其中，在一个实施例中，为了提高数据传输的效率，所述总线控制器201具体用于，根据自身的时间片，采用正交频分复用技术或基带传输方式发送第一待发送数据；所述总线终端202具体用于，根据自身的时间片，采用正交频分复用技术或基带传输方式发送第二待发送数据。其中，在一个实施例中，所述正交频分复用技术应用在物理层。例如，总线控制器201和总线终端202在物理层采用正交频分复用技术对以太网数据进行调制实现在一对数据线上以太网报文的高速传输。此外，总线控制器201和总线终端202也可以采用系带传输方式实现以太网报文的传输。其中，在一个实施例中，为了实现对各总线终端202、总线终端202下挂的设备等的监控，如图3所示，所述系统还包括：总线配置与监控元件203，与所述总线控制器201连接，用于将针对所述两线制数据传输网络上的至少一个设备的配置信息或监控指令发送给总线控制器201，以使所述总线控制器201将配置信息发送给对应的设备；以及，接收总线控制器201发送的所述两线制数据传输网络上的至少一个设备生成的运行状态信息。其中，在一个实施例中，所述总线配置与监控元件203与所述总线控制器201通过RS485总线通信；这样，通信方式比较简单，适用于数据量较小的情况。而当数据量比较大时，所述总线控制器201还用于，为所述总线配置与监控元件203分配时间片；所述总线配置与监控元件203用于根据自身的时间片，以及正交频分复用技术或基带传输技术与所述总线控制器201通信。这样，本发明实施例提供的系统内的配置信息和监控指令具有了系统性的统一性和全局性，对应需要大量配置和监控的工业现场具有良好的便利性。其中，在一个实施例中，总线配置与监控元件主要用于对本发明提供的系统本身的参数配置。此外，为了实现对工业现场设备的参数配置，如图3所示，所述系统还包括：应用监控装置204，与总线控制器201连接，用于对所述总线控制器201、各总线终端202进行数据采集和实时控制。其中，应用监控装置204通过工业以太网宽带总线对总线控制器201、各总线终端202进行包括数据采集和实时控制的实时访问。这样，基于与总线控制器201的直接连接，总线控制器201负责对总线系统的数据传递的时间间隙进行统一分配，应用监控装置可以将需要传递的配置参数或采集命令和实时控制命令按照总线控制器201统一分配的数据传递时间间隙直接传输，使得应用层监控系统的数据采集和实时控制的实时访问更加快速和便利。其中，工业以太网宽带总线可以是两线制数据传输网络，也可以是以太网网线、485总线或串口总线等能够实现通信的网络。具体实施时，可以根据实际需要设定，本发明对此不做限定。本发明实施例中总线控制器可以根据以下方法为各总线终端分配时间片：总线控制器接收总线终端发送的时间片获取请求，所述时间片获取请求中包括第二待发送数据的数据量；根据所述第二待发送数据的数据量以及未分配的时间片，为所述第二待发送数据分配时间片，获得时间片分配信息；将所述时间片分配信息发送给所述总线终端202，以使所述总线终端202根据所述时间片分配信息，发送所述第二待发送数据；其中，在一个实施例中，一个时间片能够传输的数量有限，根据第二待发送数据的数据量可以确定分配多少时间片。故此，时间片分配信息中可以包括分配的各时间片的时间片标识，用于总线终端202确定自身占用哪些时间片。这样，总线控制器201根据总线终端202的时间片获取请求，为总线终端202分配时间片，以使总线终端202能够据为自身分配的时间片发送第二待发送数据。这样，总线终端202根据时间片传输数据，也能够保证数据传输的时间确定性。其中，在一个实施例中，为了实现重要的第二待发送数据优先传输，所述时间片获取请求中还包括所述第二待发送数据的数据标识，以使所述总线控制器201根据该数据标识确定所述第二待发送数据的传输等级。通过重要的第二待发送数据对应的传输等级也比较高，传输等级高的数据优先分配时间片，从而实现重要的数据优先发送。故此，如图4所示，所述总线控制器201可具体包括优先级确定部件401，用于根据预存的数据标识与传输优先级的对应关系，确定所述第二待发送数据标识对应的传输优先级；其中，在一个实施例中，数据标识可以是表示业务类型的标识，例如，数据标识用来区分压力传感器数据、温度传感器数据等。如表1所示为数据标识与对应的优先级的示例，当然，需要说明的是表1仅用来说明本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。表1数据标识优先级说明1高压力传感器2低设备日志时间片分配部件402，用于根据确定的传输优先级、所述第二待发送数据的数据量以及未分配的时间片，为所述第二待发送数据分配时间片，获得时间片分配信息。其中，在一个实施例中，工业过程控制中还可能由于突发事件产生的数据，有些突发事件的数据需要及时传输，为此，本发明实施例中，总线终端202还可以用于获得第二待发送数据之后，根据所述第二待发送数据的数据标识，确定所述第二待发送数据是否是预置突发事件的数据；若是预置突发事件的数据，则开始传输所述预置突发事件的数据。这样，本发明实施例中在遇到预置突发事件的数据时，无论当前时间对应的时间片是否有待传输的数据，都优先发送预置突发事件的数据，能够保证重要的突发事件的数据优先传输，保证工业过程总线控制器201顺利进行。其中，在一个实施例中，若不是预置突发事件的数据，总线终端则可以根据所述第二待发送数据的数据标识，确定所述第二待发送数据是否是有时间确定性需求的数据；若是，则生成所述时间片获取请求的操作。其中，在一个实施例中，现有技术中，为了保证传输的数据安全，通常是通过将传输的数据进行加密后传输，这能够保证数据在传输过程中不被篡改，但加密的原始数据是否安全没有保证。例如，现在的传感器(例如压力传感器、温度传感器)越来越智能化，采集的数据有可能被加密之前被传感器篡改(例如被传感器中的恶意程序篡改，传感器异常将数据篡改等)。故此，本发明实施例中为了进一步提高传输数据的安全性，如图4所示，所述总线控制器201还包括：接收部件403，用于接收数据传输设备发送的数据；检测部件404，用于检测所述数据中是否含有预置数据特征库中的至少一条特征；第一处理部件405，用于若检测部件的检测结果为是，则确认所述数据为合法数据；第二处理部件406，用于若检测部件的检测结果为否，则发出报警信息。其中，在一个实施例中，总线控制器201若确认所述数据为合法数据，则可以对所述主机进行后续处理，例如，若该数据需要传输给下一设备，则将该数据发送出去。若需要根据该数据对自身进行控制，则根据该数据进行相应操作。其中，在一个实施例中，报警信息中可包括该数据的来源，以便于工作人员根据该报警信息进行相应处理。其中，在一个实施例中，如图4所示，总线控制器201还可以包括：预置数据特征库建立部件407，用于根据以下方法建立所述预置数据特征库：从数据传输设备中采集用于建立预置数据特征库的至少一条样本数据，形成样本数据集合；根据样本数据集合，获取以下数据特征信息中的至少一种：数据传输设备发送数据时的数据持续时间分布特征、数据传输设备发送数据的数据量分布特征、数据传输设备发送数据的发送时间分布特征、指定数据的数值范围特征、数据传输设备标识、网络协议信息、所述数据对应的业务类型等；根据获取的数据特征信息，生成所述预置数据特征库。例如，若数据传输设备包括压力传感器、温度传感器、和流量传感器，则从这些数据传输设备中采集相应数据作为样本数据，形成样本数据集合。为便于理解，这里举例对上述各数据特征信息进行说明：(1)、数据传输设备发送数据时的数据持续时间分布特征：例如，有些数据传输设备根据业务类型不同，每次发送数据时，持续发送的时间不同，例如数据传输设备A每次发送数据持续时间1分钟，而数据传输设备B每次发送数据持续时间30秒。(2)、数据传输设备发送数据的数据量分布特征：例如，数据传输设备A发送数据T1、数据T2，数据T1的数据量为T1’，数据T2的数据量为T2’。则数据传输设备A数据量分布特征为T1’和T2’。较佳的，该分布特征还可以包括时间段，例如时间段1发送数据T1，则时间段1对应的数据量为T1’，同理，时间段1发送数据T2，则时间段2对应的数据量为T2’。(3)、数据传输设备发送数据的发送时间分布特征例如，数据传输设备A，通常在时间TIME1、TIME2、TIME3、TIME4时发送数据。那么接收到数据传输设备A在TIME5发送的数据就为异常数据。(4)、指定数据的数值范围特征：例如，压力传感器检测到的数值通常在一定数值范围内，则对于压力传感器的数据，其数据特征应该为该数值范围。当然，更精细划分，不同压力传感器的数值范围可以不同。(5)、数据传输设备标识：该数据传输设备标识是能够唯一标识该设备的标识，例如MAC(MediaAccessControl，物理地址)地址、IP(InternetProtocol，网络之间互连的协议)地址等。(6)、网络协议信息：例如，UDP(UserDatagramProtocol,用户数据报协议)，TCP(TransmissionControlProtocol，传输控制协议)等网络协议。(7)、所述数据对应的业务类型：该业务类型例如是流量检测、温度检测、速度检测、压力检测等。具体实施时，用户可以根据实际需要定义业务类型，均适用于本发明实施例，本发明实施例对此不做限定。其中，在一个实施例中，如图5所示，为便于总线终端202对接收到的数据进行特征检测，保障数据安全，所述总线终端202还包括：总线终端接收部件501，用于接收数据传输设备发送的数据；总线终端检测部件502，用于检测所述数据中是否含有预置数据特征库中的至少一条特征；总线终端第一处理部件503，用于若检测部件的检测结果为是，则确认所述数据为合法数据；总线终端第二处理部件504，用于若检测部件的检测结果为否，则发出报警信息。其中，在一个实施例中，总线终端202也可以建立预置数据特征库，其执行的方法和总线控制器201相同，在此不再赘述。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页1 2 3