一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法与流程

本发明涉及工业物联网领域，具体来说，涉及一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法。

背景技术：

1、随着工业物联网的发展，许多制造设备和各种传感器通过不同的工业通信协议连接在一起，而通过开发工业物联网，制造系统可以提供智能决策，可以显著提高工业现场工作的效率，并将传统制造系统转变为智能工厂，现有的传统的工业物联网系统金字塔架构，包含五层，从下到上包括车间、可编程逻辑控制器、监控和数据采集、制造执行系统和企业资源规划，这些操作技术网络的较低层要求低延迟、低抖动、可靠性和同步，依赖于工业通信网络协议，其中上层应用基于互联网协议通信的标准信息技术，但由于操作技术和信息技术的行业需求不同，这两层采用异构的通信协议和数据格式，不仅造成了物理上的分离，也造成了数据上的分离，因此如何将生产运营技术与信息技术结合起来，提高工厂内部的运营效率，降低劳动力成本，这是一个急需解决的问题。

2、由于ot网络包含多种工业通信协议，如以太网、现场总线和工业无线网络，融合异构通信协议以实现同一网络上的自由数据流是一个开放的问题，在另一方面，在制造生产线上部署了大量特定于厂商的设备，产生大量具有格式和维度的异构数据，使得如何建立来自厂商特定设备的异构数据的统一语义数字模型也是一个挑战性的问题，同时，ot层对数据传输的低延迟和可靠性的要求也带来了设计挑战。

3、现有的一些新兴技术旨在解决上述问题，时间敏感网络定义了一套标准来提供实时通信，并保证多个数据流在同一网络中的高质量传输，学界提出了一种基于禁忌搜索的元启发式算法来支持多种流量类型，并在时间敏感网络中带来了确定性实时能力，再作为一种有效的数据访问和通信的开放标准，opc统一体系结构可以实现工业控制环境中各种数据源之间的灵活通信。

4、然而，制造中使用的传统设备进程不支持opc ua，制造商不得不更换传统设备来提高产量，这导致了昂贵的成本。为了克服这些瓶颈，本专利使用新兴技术时间敏感网络和opc ua来实现整个工业系统中数据的实时传输和交互操作。此外，为了实现灵活的网络架构，采用软件定义的网络对集中的网络资源进行逻辑管理并快速配置工业设施。

5、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，该方法包括：

4、s1、结合操作技术ot和信息技术it，对制造系统中设施的实时数据和历史数据进行收集；

5、s2、通过收集的数据，进行服务器的构建，并根据构建的服务器中使用opc ua服务器部署边缘网关，屏蔽数据格式和协议的异构性进行交互操作，并使得设备进行相互通信；

6、s3、使用时间敏感软件定义网络交换机，并对数据传输进行确定性延迟和可靠性检测；

7、s4、构建智能工厂测试平台，通过智能工厂测试平台对opc ua信息模型和收集数据进行传输。

8、进一步的，为了，所述通过收集的数据，进行服务器的构建，并根据构建的服务器中使用opc ua服务器部署边缘网关，屏蔽数据格式和协议的异构性进行交互操作包括以下步骤：

9、s21、结合时间敏感网络tsn和软件定义网络sdn对时间敏感软件定义网络架构；

10、s22、采用opc ua为iec标准化的工业通信协议，并构建平台无关面向服务的架构，并对车间到生产计划的原始数据交换。

11、进一步的，为了，所述结合时间敏感网络tsn和软件定义网络sdn对时间敏感软件定义网络架构包括以下步骤：

12、定义网络构建采用tssdn交换机进行架构，且tssdn交换机包含tsn和sdn交换机的组件，由tssdn交换机定义的tssdn架构包含集中式用户配置组成控制器、集中式网络配置控制器和tsn交换机、sdn交换机和tssdn交换机。

13、进一步的，为了，所述采用opc ua为iec标准化的工业通信协议，并构建平台无关面向服务的架构，并对车间到生产计划的原始数据交换包括以下步骤：

14、s221、将服务的构建采用现场设备层、网络接入层和企业网络层组成三层工业物联网系统架构；

15、s222、通过现场设备层对设备进行异构工业通信协议发送实时数据；

16、s223、通过边缘网关接收数据并基于opc ua通信协议建立与最高两层的连接；

17、s224、通过网络接入层接收和发送来自现场设备层网关的实时数据，并接收时间敏感或时间不敏感数据；

18、s225、通过顶层企业网络层进行生产线数据监控和决策。

19、进一步的，为了，所述通过现场设备层对设备进行异构工业通信协议发送实时数据包括以下步骤：

20、异构工业通信协议包括串口协议、网络协议、传感器网络协议及无线通信协议，并通过异构工业通信协议对设备和网络之间的数据交换和共享。

21、进一步的，为了，所述通过边缘网关接收数据并基于opc ua通信协议建立与最高两层的连接包括以下步骤：

22、s2231、将边缘网关部署在现场设备层，并将边缘网关作为现场设备和网络接入层之间的桥梁；

23、s2232、边缘网关具有支持各种工业通信协议的物理接口模块，使用边缘网关自身的通信协议传输生产线上的实时数据，并与网关通过物理接口模块与异构现场设备连接；

24、s2233、将当实时数据上报给网关，调用协议解析模块对协议进行解析，并通过边缘网关通过屏蔽通信协议的异构性来提供对现场异构设备的访问。

25、进一步的，为了，所述通过网络接入层接收和发送来自现场设备层网关的实时数据，并接收时间敏感或时间不敏感数据包括以下步骤：

26、s2241、将接收的时间敏感数据进行收集、分析和应用，并做出决策；

27、s2242、将接收的时间不敏感数据进行长期储存，并进行分析，根据分析结果进行历史趋势和发展规律分析。

28、本发明的有益效果为：

29、1、本发明提出了一种面向制造系统的三层工业物联网体系结构，实现从传统自动化系统到网络物理系统的转换，且该体系结构将基于opc ua的边缘网关和tssdn交换机相结合，并基于opc ua的边缘网关屏蔽了通信协议和数据格式的异构性，而tssdn交换机提高了数据传输的时延和可靠性。

30、2、本发明通过opc ua实现了异构设备的交互操作，tssdn实现了网络资源的集中控制和实时工业网络的灵活配置，并通过智能工厂测试床，以评估所提出的系统架构的适用性，实现了基于opc ua的信息模型和数据传输，实现opc ua服务器与客户端之间基于tcp或ip的通信，包括设备变量实时值的读写和设备操作方法的调用。

技术特征：

1.一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，其特征在于，所述通过收集的数据，进行服务器的构建，并根据构建的服务器中使用opc ua服务器部署边缘网关，屏蔽数据格式和协议的异构性进行交互操作包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，其特征在于，所述结合时间敏感网络tsn和软件定义网络sdn对时间敏感软件定义网络架构包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，其特征在于，所述采用opc ua为iec标准化的工业通信协议，并构建平台无关面向服务的架构，并对车间到生产计划的原始数据交换包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，其特征在于，所述通过现场设备层对设备进行异构工业通信协议发送实时数据包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，其特征在于，所述通过边缘网关接收数据并基于opc ua通信协议建立与最高两层的连接包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，其特征在于，所述通过网络接入层接收和发送来自现场设备层网关的实时数据，并接收时间敏感或时间不敏感数据包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种面向制造系统的低延迟数据交互工业物联网架构方法，包括S1、结合操作技术OT和信息技术IT，对制造系统中设施的实时数据和历史数据进行收集；S2、通过收集的数据，进行服务器的构建，并根据构建的服务器中使用OPC UA服务器部署边缘网关，屏蔽数据格式和协议的异构性进行交互操作；S3、使用时间敏感软件定义网络交换机，并对数据传输进行确定性延迟和可靠性检测；S4、构建智能工厂测试平台，通过智能工厂测试平台对OPC UA信息模型和收集数据进行传输。本发明提出了一种面向制造系统的三层工业物联网体系结构，基于OPC UA的边缘网关屏蔽了通信协议和数据格式的异构性，提高了数据传输的时延和可靠性。

技术研发人员：万宏俊
受保护的技术使用者：万宏俊
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16