基于PowerLink工业协议的工业互联网控制系统及方法
技术领域
本发明涉及工业互联网技术领域，尤其是涉及了基于PowerLink工业协议的工业互联网控制系统及方法。
背景技术
传统的powerlink用于工业现场用于采集工业数据，并在网关上做一些简单的边缘计算，并不能对历史数据进行分析，这已经无法满足工业发展的需求，工业互联网强调把设备、生产线、客户紧密的连接和融合起来，通过智能机器间的连接最终将人机连接，结合软件进行大数据分析。Powerlink想要实现云网融合，人机结合，人工智能，还需解决对数据的转换，数据上传云平台进行大数据分析的问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，实现Powerlink对数据的转换及数据上传云平台进行大数据分析的目的，本发明采用如下的技术方案：
基于PowerLink工业协议的工业互联网控制系统，包括：PowerLink主站网关、PowerLink从站网关和采集装置，所述的PowerLink主站网关注册到EDGEX平台，云平台通过EDGEX平台的接口向PowerLink主站网关发送指令进行数据采集，PowerLink主站网关通过PowerLink协议向PowerLink从站网关采集数据，PowerLink从站网关通过采集装置采集数据，并将采集到的数据通过PowerLink协议发送给PowerLink主站网关，PowerLink主站网关接收并解析采集数据，EDGEX平台的转换模块对解析后的采集数据进行转换，PowerLink主站网关通过EDGEX平台的接口将转换后的数据推送给云平台。PowerLink工业协议是二层协议，传统的PowerLink工业协议只能用在局域网中，PowerLink注册到EDGEX平台后，可以通过EDGEX框架将PowerLink数据上传到云平台上，实现云计算和大数据分析。同时，运用EDGEX框架提供的各种微服务，可以灵活升级、替换，在保证可扩展性的同时，使系统具备工业级安全性、稳定性和可靠性，EDGEX框架还支持使用更高版本的微服务器或部件插件进行整体替换，而不需要更改架构。数据采集装置根据PowerLink的运行周期5000us采集一次，并且可以根据云平台发出的指令实时的进行采集，从而保证了数据的实时性。云平台可以对多个系统的数据进行大数据存储、汇聚、分析、整合、优化和挖掘。
所述的EDGEX平台包括控制模块，云平台通过控制模块对PowerLink主站网关下发控制命令。通过云平台的大数据分析可以对系统进行控制，从而达到提高系统性能，实现工业控制的数据分析，改善当前数据不共享，计算信息不完善的弊端；云平台还可通过控制模块向PowerLink主站发送查询设备信息的消息，PowerLink主站网关此时就会在异步阶段向PowerLink从站网关发消息进行查询，并将查询结果推送至云平台和边缘计算模块。
所述的EDGEX平台包括数据库，用于保存转换模块转换后的数据，云平台向数据库订阅，一旦数据库有数据更新，会主动发送数据给云平台。保证数据的实时性，且通过订阅的方式节省资源。
所述的EDGEX平台包括边缘计算模块，边缘计算模块会提前向数据库注册，一旦数据库有数据更新之后，会主动上报数据给边缘计算模块，边缘计算模块分析数据并通过控制模块对PowerLink主站下发控制命令，进行预警和调控工业操作，从而达到工业控制的作用，保证了控制的实时性。
所述的数据库注册，是采用ZeroMQ消息中间件的发布订阅模式，边缘计算模块调用数据库提供的接口提前订阅数据库的数据的Key值，当Key值的数据有触发读写，数据库会把该数据主动发布到消息队列中供边缘计算模块应用。
所述的云平台包括大数据分析模块和云数据库，云平台通过MQTT协议向EDGEX框架的数据库订阅，一旦数据库有数据更新，会主动发送数据给云数据库和大数据分析模块，大数据分析模块通过EDGEX平台对PowerLink主站网关下发控制命令。云数据库保证数据的安全、稳定、可靠，通过订阅的方式保证数据实时性的同时，更为节省资源，大数据分析模块可对单一系统的数据进行挖掘、分析，也可连接多个不同系统进行挖掘、分析，且在不影响各系统对各自数据的独占性的同时，实现大数据的挖掘、分析。
基于PowerLink工业协议的工业互联网控制方法，包括如下步骤：
S1，PowerLink主站网关注册到EDGEX平台，云平台通过EDGEX平台的接口向PowerLink主站网关发送指令进行数据采集；
S2，PowerLink主站网关通过PowerLink协议向PowerLink从站网关采集数据；
S3，PowerLink从站网关通过采集装置采集数据，并将采集到的数据通过PowerLink协议发送给PowerLink主站网关；
S4，PowerLink主站网关接收并解析采集数据，EDGEX平台的转换模块对解析后的采集数据进行转换；
S5，PowerLink主站网关通过EDGEX平台的接口将转换后的数据推送给云平台。
PowerLink工业协议是二层协议，传统的PowerLink工业协议只能用在局域网中，PowerLink注册到EDGEX平台后，可以通过EDGEX框架将PowerLink数据上传到云平台上，实现云计算和大数据分析。同时，运用EDGEX框架提供的各种微服务，可以灵活升级、替换，在保证可扩展性的同时，使系统具备工业级安全性、稳定性和可靠性，EDGEX框架还支持使用更高版本的微服务器或部件插件进行整体替换，而不需要更改架构。数据采集装置根据PowerLink的运行周期5000us采集一次，并且可以根据云平台发出的指令实时的进行采集，从而保证了数据的实时性。云平台可以对多个系统的数据进行大数据存储、汇聚、分析、整合、优化和挖掘。
所述注册过程包括如下步骤：
S11，以PowerLink的协议名和变量名作为索引值注册到EDGEX中；
S12，EDGEX接收到云平台命令后根据命令中查询的协议名、变量名和读写方法名找到PowerLink协议栈对应的具体方法；
S13，调用具体方法完成读写操作。
设置数据字典定义object对象及与object对象对应的数据帧位置，设置自定义变量，将自定义变量与object对象链接起来，将PowerLink从站网关采集到的数据存放到自定义变量中，通过数据字典将自定义变量存放到数据帧中以报文格式发送，PowerLink主站网关通过数据字典，从数据帧中相应位置得到自定义变量，并获取采集数据。object对象将用户自定义的变量空间作为自己的数据区，使得PowerLink协议栈与用户的应用程序之间的数据交互简单且高效。
本发明的优势和有益效果在于：
通过EDGEX框架将PowerLink数据上传到云平台上，实现云计算和大数据分析。运用EDGEX框架提供的各种微服务，可以灵活升级、替换，在保证可扩展性的同时，使系统具备工业级安全性、稳定性和可靠性，EDGEX框架还支持使用更高版本的微服务器或部件插件进行整体替换，而不需要更改架构。边缘计算模块分析数据并下发控制命令，进行预警和调控工业操作，从而达到工业控制的作用，保证了控制的实时性。云平台可以发出的指令实时的进行采集，从而保证了数据的实时性，还可以对多个系统的数据进行大数据存储、汇聚、分析、整合、优化和挖掘。
附图说明
图1是本发明的基于PowerLink工业协议的工业互联网控制的架构图。
图2是传统PowerLink总线协议用以工业控制的架构图。
图3是本发明的数据流向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1、3所示，一套自来水控制系统，将PowerLink与EDGEX框架结合，包括云平台、注册到EDGEX框架的PowerLink主站网关、PowerLink从站网关模拟的PLC及控制对象（各个传感器的数据采集装置）。
注册过程是以PowerLink的协议名和变量名作为索引值注册到EDGEX中，EDGEX接收到云平台命令后根据命令中查询的协议名、变量名和读写方法名可以找到PowerLink协议栈对应的具体方法，然后调用该方法即可完成查询和写入操作。
首先，云平台与EDGEX框架的北向接口连接，通过EDGEX框架提供的command南向接口向PowerLink主站网关发送指令进行数据采集。PowerLink主站网关通过PowerLink协议向PowerLink从站网关采集数据。PowerLink从站网关通过各个IO、传感器等数据采集装置进行自来水厂的水位、水压、水质的浊度、温度、PH等数据采集。数据采集装置根据PowerLink的运行周期5000us采集一次，并且可以根据云平台发出的指令实时的进行采集，从而保证了数据的实时性。
数据采集后，PowerLink从站网关把采集到的数据进行AD转换之后封装到PowerLink协议报文对应的object对象中，通过PowerLink总线协议发送给PowerLink主站网关。PowerLink主站网关收到报文后，根据数据字典的定义，将从相应的object对象中解析出的数据与参数对应起来，完成参数的解析，再由EDGEX转换成EDGEX形式的数据并保存到EDGEX框架的数据库中。
在PowerLink的通信过程中，每个节点收发的数据都已存在节点的object对象中，作为object对象的值，进行PowerLink设计，设置数据字典，数据字典是各个object对象的集合，提前定义好object对象的索引值、数据类型和偏移量，即定义了object对象在数据帧中的对应位置，设置自定义变量，将自定义变量与本地数据字典的object对象链接起来，PowerLink协议栈会将采集到的数据，如水压参数，直接存放到自定义变量中，自定义变量会被直接放到与其链接的object对象在数据帧中对应的位置，并将数据帧以报文格式发送出去，object对象将用户自定义的变量空间作为自己的数据区，使得PowerLink协议栈与用户的应用程序之间的数据交互简单且高效。PowerLink主站网关通过数据字典的定义，从数据帧中相应位置得到object对象链接的自定义变量，并获取自定义变量中保存的采集数据。
PowerLink从站网关会周期性的上报工业设备的实时数据，PowerLink的一个周期包括等时同步阶段、异步阶段、空闲阶段，一些非实时性的数据可以在PowerLink的异步阶段进行数据更新，主要包括发送配置命令、配置网络参数，以及偶尔对其它节点的设备信息的访问等。
EDGEX框架的数据库中保存了所有参数的历史数据，EDGEX框架的边缘计算模块会提前向数据库注册，一旦数据库有数据更新之后，会主动上报数据给边缘计算模块，边缘计算模块通过机器学习算法进行数据分析，分析数据采集装置的当前状态及未来状态，并对未来行为进行预警，及时的通过EDGEX框架的控制模块对PowerLink主站下发命令进行调整，调控工程操作，从而达到工业控制的作用，保证了控制的实时性。边缘计算模块向数据库的注册，是采用ZeroMQ消息中间件的发布订阅模式，边缘计算模块调用数据库提供的接口提前订阅EDGEX的数据库的相关数据的Key值，如果该Key值的数据有触发读写，数据库会把数据主动发布到消息队列中供边缘计算模块应用。
PowerLink主站网关也可通过EDGEX框架提供的RESTful接口把经过EDGEX数据转换的数据推送给云平台，云平台的MQTT云服务器将数据保存到云数据库中，由云平台对数据进行存储、汇聚、分析、整合、优化和挖掘，从而达到控制的效果，例如云平台保存的物联网大数据可以为用户提供数据资源的共享，并且可以完成高性能、更完善的计算，来实现工业控制的数据分析，大大的改善了当前数据不共享，计算信息不完善的弊端。
云平台也可以通过MQTT协议向EDGEX框架的数据库订阅，一旦数据库有数据更新之后，会主动发送数据给云计算平台的数据库和大数据分析模块，大数据分析模块通过数据挖掘之后，通过EDGEX框架的控制模块对PowerLink主站网关下发相关控制命令。
云平台也可主动查询，例如云平台会通过EDGEX框架的控制模块向PowerLink主站发送查询设备信息的消息，PowerLink主站网关此时就会在异步阶段向PowerLink从站网关发消息进行查询，并将查询结果返回到EDGEX框架的数据库，再推送至云平台和边缘计算模块。
如图2所示，PowerLink工业协议是二层协议，传统的PowerLink工业协议只能用在局域网中，PowerLink注册到EDGEX平台后，可以通过EDGEX框架将PowerLink数据上传到云平台上，实现云计算和大数据分析。同时，运用EDGEX框架提供的各种微服务，可以灵活升级、替换，在保证可扩展性的同时，使系统具备工业级安全性、稳定性和可靠性，EDGEX框架还支持使用更高版本的微服务器或部件插件进行整体替换，而不需要更改架构。例如边缘计算模块、控制模块，可以在边缘端对PowerLink获取的数据做边缘计算以及对PowerLink连接的设备做控制。例如，在边缘网关设备上可以对PowerLink连接的水槽水压做监控，同时在边缘端分析水压历史变化趋势，如过水压达到预警值，同时压力升速率超出预警速率，则边缘网关会通过PowerLink下发控制命令控制设备快速降压，避免水槽由于压力过高导致发生爆炸等事故，通过EDGEX再将PowerLink连接的设备数据传送云平台上，云平台可以对多个自来水厂的数据进行大数据分析和数据挖掘，例如：对水温上涨速度跟水池大小的关系，这样可以对设计新的水厂有一个参考作用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
