基于工业闭环控制过程的5G数据传输测试系统和方法

基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试系统和方法
技术领域
1.本技术涉及5g、工业互联网、工业闭环控制自动化过程技术领域，特别是涉及一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试系统和方法及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.随着互联网技术的不断进步，工业互联网正成为推动新一轮科技产业变革和工业制造企业数字化、智能化转型的重要驱动力量。作为工业互联网的重要支柱，5g网络以其大带宽、广接入、低时延的特性，越来越受到行业重视。当前工业无线通信网络，多数应用于开环数据传输。
3.相关技术中，工业控制需要闭环传输，其主要使用工业以太网进行传输，其具备确定性传输能力，目前，5g网络现有应用以视频、声音、图像等大数据的开环传输为主，与此同时，工业企业也希望5g网络应用于工业闭环控制，从而真正做到5g网络的一网到底，实现5g网络的工业场景全覆盖，因此，亟需一种能够测试5g网络数据传输性能的方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供了一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试系统和方法，主要目的在于解决目前测试5g网络数据传输性能，确定5g网络是否可以承载闭环数据的传输的问题。
5.依据本技术第一方面，提供了一种基于5g的数据传输测试系统，该系统包括：5g无线传输单元、运算决策单元、监控单元、工业现场设备；
6.所述5g无线传输单元，用于进行所述工业现场设备和所述运算决策单元之间的无线数据传输过程；
7.所述运算决策单元与所述工业现场设备进行连接，用于发送控制信号至所述工业现场设备；
8.所述监控单元，用于获取所述运算决策单元中的运行数据进行可视化展示，并采用控制系统评价指标算法对所述运行数据进行计算，确定基于5g传输的控制系统性能，并将所述控制系统性能进行可视化展示；
9.所述工业现场设备，用于根据所述运算决策单元发送的控制信号调整设备运行状态。
10.可选地，所述5g无线传输单元，包括：第一5g终端、第二5g终端和运营商网络；
11.所述第一5g终端包括第一嵌入式控制器和第一5g模组，所述第一嵌入式控制器的一端采用网线与所述运算决策单元相连，另一端采用usb3.0-typec与所述第一5g模组相连，所述第一5g模组采用拨号的方式接入所述运营商网络，以使所述第一5g终端与所述运行商网络进行数据传输；
12.所述第二5g终端包括第二嵌入式控制器和第二5g模组，所述第二嵌入式控制器的一端采用网线与所述工业现场设备相连，另一端采用usb3.0-typec与所述第二5g模组相
连，所述第二5g模组采用拨号的方式接入运营商网络，以使所述第二5g终端与所述运行商网络进行数据传输；
13.所述运营商网络，接收第一5g模组和第二5g模组传输的数据信息，基于所述数据信息指示的地址信息进行数据转发。
14.可选地，所述运算决策单元，包括：可编程逻辑控制器；
15.所述可编程逻辑控制器包括，电源模块、中央处理器模块；
16.所述可编程逻辑控制器基于预设运行周期，运行内置的控制算法对所述工业现场设备进行控制，采集所述工业现场设备产生的运行数据。
17.可选地，所述监控单元为塔式工作站，基于传输控制协议与运算决策单元中关系型数据库进行连接，读取所述数据库的中的所述运行数据进行可视化展示。
18.可选地，所述运算决策单元通过5g无线传输单元与所述工业现场设备进行无线数据传输，接收所述工业现场设备产生的第一运行子数据；
19.所述运算决策单元通过网线与所述工业现场设备进行有线数据传输，接收所述工业现场设备产生的第二运行子数据，将所述第一运行数据和所述第二运行数据作为所述运行数据存储至关系型数据库；
20.所述监控单元与所述运算决策单元相连，获取所述关系型数据库中存储的所述运行数据，将所述运行数据指示的所述第一运行数据与所述第二运行数据进行比对，研判得到所述基于5g的控制系统性能。
21.可选地，所述系统还包括：工业以太网通信模块；
22.所述工业以太网通信模块，用于进行协议转换，所述工业以太网通信模块的一端基于网线与所述工业现场设备连接，另一端基于网线与所述可编程逻辑控制器中的所述网络通信模块相连进行有线数据传输。
23.依据本技术第二方面，提供了一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试方法，该方法包括：
24.采用网线建立工业以太网过程的硬件连接进行有线数据传输，采用5g无线传输单元建立5g传输过程的硬件连接进行无线数据传输；
25.开启运算决策单元，控制工业现场设备根据所述运算决策单元中内置的预设周期的控制算法进行运行，并获取所述工业现场设备的运行数据，将所述运行数据存储在所述运算决策单元中的关系型数据库中；
26.开启监控单元，在所述监控单元中运行监控系统软件，以使所述监控单元获取运算决策单元中的运行数据，基于所述运行数据，确定工业闭环控制过程的基于5g的控制系统性能。
27.可选地，所述开启监控单元，在所述监控单元中运行监控系统软件，以使所述监控单元获取运算决策单元中的运行数据，基于所述运行数据，确定工业闭环控制过程的所述基于5g的控制系统性能之后，所述方法还包括：
28.在所述监控单元中运行上位机软件，调整运算决策单元中内置的控制算法的预设运行周期；
29.所述运算决策单元基于调整后的所述控制算法，对工业现场设备进行控制，并采集所述工业现场设备对应的指定运行数据；
30.所述监控单元获取所述运算决策单元中的所述指定运行数据进行可视化展示，并采用控制系统评价指标算法对所述指定运行数据进行计算，确定指定传输性能；
31.基于所述控制系统性能和所述指定传输性能，分别生成不同控制周期下工业以太网与5g网络对应的跟踪曲线、控制性能指标以及实验过程中5g网络时延曲线。
32.可选地，所述采用网线建立工业以太网过程的硬件连接进行有线数据传输，采用5g无线传输单元建立5g传输过程的硬件连接进行无线数据传输，包括：
33.将5g无线传输单元中的第一嵌入式控制器的一端采用网线与运算决策单元中的可编辑逻辑控制器相连，另一端采用usb3.0-typec与5g无线传输单元中的第一5g模组相连；
34.将5g无线传输单元中的第二嵌入式控制器的一端采用网线与工业现场设备相连，另一端采用usb3.0-typec与5g无线传输单元中的第二5g模组相连；
35.开启5g无线传输单元中的运营商云网络的frp server功能、第一嵌入式控制器的frp client功能、5g无线传输单元中的数据读写软件进行无线数据传输；
36.利用网线将运算决策单元中可编辑逻辑控制器中的网络通信模块与所述工业现场设备相连进行有线数据传输。
37.可选地，所述基于所述运行数据，确定工业闭环控制过程基于5g的控制系统性能，包括：
38.所述运算决策单元通过5g无线传输单元与所述工业现场设备进行无线数据传输，接收所述工业现场设备产生的第一运行子数据；
39.所述运算决策单元通过网线与所述工业现场设备进行有线数据传输，接收所述工业现场设备产生的第二运行子数据，将所述第一运行数据和所述第二运行数据作为所述运行数据存储至关系型数据库；
40.所述监控单元与所述运算决策单元相连，获取所述关系型数据库中存储的所述运行数据，将所述运行数据指示的所述第一运行数据与所述第二运行数据进行比对，研判得到所述基于5g的控制系统性能。
41.依据本技术第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第二方面中任一项所述的方法的步骤。
42.借由上述技术方案，本技术提供的一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试系统和方法及计算机可读存储介质，本技术采用网线建立工业以太网过程的硬件连接进行有线数据传输，采用5g无线传输单元建立5g传输过程的硬件连接进行无线数据传输。随后，开启运算决策单元，根据运算决策单元中内置的预设周期的控制算法控制工业现场设备运行，并获取工业现场设备的运行数据，将运行数据存储在运算决策单元中的关系型数据库中。最后，开启监控单元，在监控单元中运行监控系统软件，以使监控单元获取运算决策单元中的运行数据，基于运行数据，确定工业闭环控制过程的基于5g的控制系统性能。通过建立5g无线数据传输过程和工业以太网有线数据传输过程，从不同的传输渠道获取工业现场设备的运行数据，进而比对二者之间的控制效果，确定预设周期内5g网络与工业以太网的性能差距。进一步地，可以通过改变运算决策单元中控制算法的运行周期，获取不同周期内的基于5g的控制系统性能，进而实现研判不同运行周期下的5g网络产生的时延、抖动对控制系统的性能影响。
43.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
44.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
45.图1示出了本技术实施例提供的一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试系统连接示意图；
46.图2示出了本技术实施例提供的一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试系统连接示意图；
47.图3示出了本技术实施例提供的一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试方法的流程示意图；
48.图4示出了本技术实施例提供的一种计算机设备的装置结构示意图。
具体实施方式
49.下面将参照附图更详细地描述本技术的示例性实施例。虽然附图中显示了本技术的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本技术而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本技术，并且能够将本技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。
50.本技术实施例提供了一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试系统，本系统采用网线建立工业以太网过程的硬件连接进行有线数据传输，采用5g无线传输单元建立5g传输过程的硬件连接进行无线数据传输。随后，开启运算决策单元，根据运算决策单元中内置的预设周期的控制算法控制工业现场设备运行，并获取工业现场设备的运行数据，将运行数据存储在运算决策单元中的关系型数据库中。最后，开启监控单元，在监控单元中运行监控系统软件，以使监控单元获取运算决策单元中的运行数据，基于运行数据，确定工业闭环控制过程的5g网络数据传输性能。通过建立5g无线数据传输过程和工业以太网有线数据传输过程，从不同的传输渠道获取工业现场设备的运行数据，进而比对二者之间的控制效果，确定预设周期内5g网络与工业以太网的性能差距。进一步地，可以通过改变运算决策单元中控制算法的运行周期，获取不同周期内的基于5g的控制系统性能，进而实现研判不同运行周期下的5g网络产生的时延、抖动对控制系统的性能影响。
51.本技术实施例提供了一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输性能测系统，如图1所示，该系统包括：5g无线传输单元11、运算决策单元12、监控单元13、工业现场设备14。
52.在本技术实施例中，5g无线传输单元11用于进行工业现场设备14和运算决策单元12之间的无线数据传输过程。具体地，5g无线传输单元11包括，第一5g终端111、第二5g终端112和运营商网络113。第一5g终端111包括第一嵌入式控制器1111和第一5g模组1112，第一嵌入式控制器1111的一端采用网线与运算决策单元12相连，另一端采用usb3.0-typec与第一5g模组1112相连，第一5g模组1112采用拨号的方式接入运营商网络113，以使第一5g终端
111与运行商网络113进行数据传输，并且能够对运算决策单元12进行数据采集和数据写入。进一步地，第二5g终端112包括第二嵌入式控制器1121和第二5g模组1122，第二嵌入式控制器1121的一端采用网线与工业现场设备14相连，另一端采用usb3.0-typec与第二5g模组1122相连，第二5g模组1122采用拨号的方式接入运营商网络113，以使第二5g终端112与运行商网络113进行数据传输，并对工业现场设备14进行数据写入和数据采集。运营商网络113接收第一5g模组1112和第二5g模组1122传输的数据信息，由运营商基站转入运营商服务器，运营商服务器作为数据转发中介，基于数据信息指示的地址信息进行数据转发，最终实现运算决策单元12与工业现场设备14之间的数据传输过程。
53.需要说明的是，第一嵌入式控制器1111和第二嵌入式控制器1121采用nvidia jetson nano(软硬一体开发套件)、linux操作系统，基于c语言的frp(高性能反向代理应用)编程实现端口映射功能，将第一嵌入式控制器1111和第二嵌入式控制器1121的内部端口连接至公有云服务器。基于python的modbus模块实现与工业现场设备14、运算决策单元12的数据交互，实现数据采集、数据写入过程。第一5g模组1112和第二5g模组1122采用华为mh5000工业模组，并基于模组开发拓展板，同时进行工业封装，方便工业应用。运营商服务器，利用其公网ip搭建vpn通道实现数据转发，从而实现工业现场设备14与运算决策单元12的数据通信，进而实现闭环控制。
54.运算决策单元12是对工业现场设备14下发指令的设备，其中搭载针对工业现场设备14开发的专用算法，工业现场设备14可以是不同工业场景下的运行设备，本技术对工业现场设备14的类型和功能不进行具体限定，包括，可编辑逻辑控制器121。可编辑逻辑控制器121采用siemens s7-300系列plc控制系统设备，硬件系统包括，电源模块1211、中央处理器(cpu)模块1212、网络通信模块1213。可编辑逻辑控制器121基于预设运行周期，采用可编辑逻辑控制器121中内置的pid控制算法对工业现场设备14进行控制。具体地，首先，采集工业现场设备14的设备运行数据，随后采用控制算法对设备运行数据进行计算，得到控制指令。最后，将控制指令下发至工业现场设备14。进一步地，采集工业现场设备14产生的运行数据，以使监控单元13基于运行数据确定5g网络数据传输性能，其中，pid控制算法的预设运行周期可以由工程师根据现场运行情况进行设计并调整，本技术预设运行周期不进行具体限定。
55.监控单元13，即控制系统性能与网络性能监控单元，为dell precision t3640塔式工作站，其中，处理器为intel i9-11900k八核十六线程、图形处理器为rtx3090显卡。基于前后端分离架构开发监控系统，采用html、css、javascript开发前端界面，后端利用python基于flask框架搭建平台。基于tcp传输协议与运算决策单元12中数据库连接，读取实时数据库中数据，经过后端python中内置算法计算控制系统性能指标，利用ajax推送至前端界面，进行可视化展示，实现实时监控，同时提供全部数据，方便进行数据回溯，辅助人员进行数据分析。
56.进一步地，本系统还包括工业以太网通信模块15，用于协议转换，在实际应用过程中，可以将profinet协议转换为modbus-tcp协议，还可以是profinet协议转换为opc-da协议、profibus协议转换为modbus-tcp协议等，其转换的协议类型可以根据实际需求进行更改，本技术对其转换的协议类型不进行具体限定。进一步地，一端基于网线和第一协议与工业现场设备14连接，另一端基于网线和第二协议与可编程逻辑控制121中的网络通信模块
1213相连，其中，第一协议可以是modubs-tcp协议，第二协议可以是profinet协议，第一协议和第二协议的类型本技术不进行具体限定，进而实现有线数据传输过程。
57.在实际运行过程中，运算决策单元12通过5g无线传输单元11与工业现场设备14进行无线数据传输，接收工业现场设备14产生的第一运行子数据。进一步地，通过网线与工业现场设备14进行有线数据传输，接收工业现场设备14产生的第二运行子数据，将第一运行数据和第二运行数据作为运行数据存储至关系型数据库。监控单元13与运算决策单元12相连，获取关系型数据库中存储的运行数据进行可视化展示，将运行数据指示的第一运行数据与第二运行数据进行比对，得到5g网络与工业以太网的性能差距，同时将网络传输时延进行可视化显示，进而研判基于5g传输的控制系统性能。
58.另外，系统通过改变运算决策单元12中内置控制算法的运行周期，获取不同运行周期下工业以太网与5g网络的跟踪曲线、控制性能指标以及试验过程中5g网络时延曲线，进而实现综合分析5g网络传输性能对于闭环控制系统的影响。
59.综上，如图2所示，本技术提供的基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试系统包括，5g无线传输单元11、运算决策单元12、监控单元13、工业现场设备14。5g无线传输单元11的第一嵌入式控制器一端连接运算决策单元12的网口模块，另一端连接第一5g模组，第一5g模组通过拨号的方式与运营商网络进行数据传输。第二嵌入式控制器一端连接第二5g模组，另一端连接工业现场设备14的网口模块，实现运算决策单元与工业现场设备之间的无线数据传输。运算决策单元12通过网线，基于工业以太网通信模块15与工业现场设备14的网口模块连接，实现运算决策单元与工业现场设备之间的有线数据传输。监控单元13的控制终端与运算决策单元12的网口模块相连，获取运算决策单元12中数据库存储的运行数据进行运算，确定5g数据传输性能，并在监控终端进行可视化展示。
60.本技术实施例提供了一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输性能测方法，本技术实施例提供的方法，可以采用网线建立工业以太网过程的硬件连接进行有线数据传输，采用5g无线传输单元建立5g传输过程的硬件连接进行无线数据传输。随后，开启运算决策单元，根据运算决策单元中内置的预设周期的控制算法控制工业现场设备运行，并获取工业现场设备的运行数据，将运行数据存储在运算决策单元中的关系型数据库中。最后，开启监控单元，在监控单元中运行监控系统软件，以使监控单元获取运算决策单元中的运行数据，基于运行数据，确定工业闭环控制过程的基于5g的控制系统性能。通过建立5g无线数据传输过程和工业以太网有线数据传输过程，从不同的传输渠道获取工业现场设备的运行数据，进而比对二者之间的控制效果，确定预设周期内5g网络与工业以太网的性能差距。进一步地，可以通过改变运算决策单元中控制算法的运行周期，获取不同周期内的基于5g的控制系统性能，进而实现研判不同运行周期下的5g网络产生的时延、抖动对控制系统的性能影响。如图3所示，该方法包括：
61.s21、采用网线建立工业以太网过程的硬件连接进行有线数据传输，采用5g无线传输单元建立5g传输过程的硬件连接进行无线数据传输。
62.在本技术实施例中，首先按照预设的连接关系进行设备的物理连接，实现运算决策单元与工业现场设备之间的有线数据传输和无线数据传输。
63.具体地将5g无线传输单元中的第一嵌入式控制器的一端采用网线与运算决策单元中的可编辑逻辑控制器相连，另一端采用usb3.0-typec与5g无线传输单元中的第一5g模
组相连。进一步地，将5g无线传输单元中的第二嵌入式控制器的一端采用网线与工业现场设备相连，另一端采用usb3.0-typec与5g无线传输单元中的第二5g模组相连。
64.随后，开启5g无线传输单元中的运营商云网络中云服务器的frp server功能，等待5g传输单元进行设备连接注册。开启第一嵌入式控制器的frp client功能实现网络连接。开启5g无线传输单元中的数据读写软件分别对可编程逻辑控制器和工业现场设备进行数据读写，实现无线数据传输。
65.最后，利用网线将运算决策单元中可编辑逻辑控制器中的网络通信模块与工业现场设备相连进行有线数据传输。在实际应用过程中，将已经写好的程序通过可编程逻辑控制器中配套的mpi总线下载至可编程逻辑控制器中，当可编程逻辑控制器中红灯停止闪烁时表示设备连接已建立，此时可以通过观察工业现场设备的输出状态验证是否实现数据有线通信。
66.s22、开启运算决策单元，根据运算决策单元中内置的预设周期的控制算法控制工业现场设备运行，并获取工业现场设备的运行数据，将运行数据存储在运算决策单元中的关系型数据库中。
67.在本技术实施例中，首先，采集工业现场设备的设备运行数据，随后采用运算决策单元中内置的预设周期的控制算法对设备运行数据进行计算，得到控制指令。接下来，将控制指令下发至工业现场设备。最后，运算决策单元通过5g无线传输单元与工业现场设备进行无线数据传输，接收工业现场设备产生的第一运行子数据。进一步地，运算决策单元通过网线与工业现场设备进行有线数据传输，接收工业现场设备产生的第二运行子数据，将第一运行数据和第二运行数据作为运行数据存储至关系型数据库中。
68.s23、开启监控单元，在监控单元中运行监控系统软件，以使监控单元获取运算决策单元中的运行数据，基于运行数据，确定工业闭环控制过程的基于5g的控制系统性能。
69.在本技术实施例中，系统开启监控单元，在塔式工作站中运行flask server功能，开启监控系统软件，进行控制系统性能与网络性能监控。
70.具体地，监控单元与运算决策单元相连，获取关系型数据库中存储的运行数据，将运行数据指示的第一运行数据与第二运行数据进行比对，研判得到基于5g传输的控制系统性能。进一步地，在监控单元中运行上位机软件step7，调整运算决策单元中内置的控制算法的预设运行周期，运算决策单元基于调整后的控制算法，对工业现场设备进行控制，并采集工业现场设备对应的指定运行数据。随后，监控单元获取运算决策单元中的指定运行数据进行可视化展示，并采用控制系统评价指标算法对指定运行数据进行计算，确定指定传输性能，监控随控制周期改变控制系统性能的变化。最后，基于控制系统性能和指定传输性能，分别生成不同控制周期下工业以太网与5g网络对应的跟踪曲线、控制性能指标以及实验过程中5g网络时延曲线。
71.需要说明的是，本技术实施例提供的一种基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试装置所涉及各功能单元的其他相应描述，可以参考图1至图3中的对应描述，在此不再赘述。
72.在示例性实施例中，参见图4，还提供了一种设备，该设备包括通信总线、处理器、存储器和通信接口，还可以包括输入输出接口和显示设备，其中，各个功能单元之间可以通过总线完成相互间的通信。该存储器存储有计算机程序，处理器，用于执行存储器上所存放
的程序，执行上述实施例中的基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试方法。
73.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于工业闭环控制过程的5g数据传输测试方法的步骤。
74.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技术可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本技术的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，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)执行本技术各个实施场景所述的方法。
75.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本技术所必须的。
76.本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
77.上述本技术序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
78.以上公开的仅为本技术的几个具体实施场景，但是，本技术并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本技术的保护范围。