基于异构工业数据采集协议的通用模型抽象系统及方法

技术领域

本发明属于工业通信领域，涉及异构工业数据采集技术，具体是基于异构工业数据采集协议的通用模型抽象系统及方法。

背景技术

在工业自动化领域，设备和传感器产生的数据对于生产和管理至关重要，然而，由于不同厂商和设备之间使用了各种不同的通信和数据采集协议，导致数据集成和分析变得复杂。

现有技术为(公告号为CN114326634A的发明专利申请)公开了基于异构工业数据采集协议的通用模型抽象系统及方法，系统包括工业物联网平台、工业网关、PLC和工业设备；工业物联网平台包括设备物模型模块、工业通讯协议模型模块、物模型与通讯协议映射模块以及数采配置发布模块；设备物模型模块用于配置基于工业设备的设备物模型，获取工业设备的物模型实例；工业通讯协议模型模块用于配置工业通讯协议模型，获取工业设备的通讯协议参数；物模型与通讯协议映射模块用于建立从物模型实例到通讯协议参数的动态映射，即获得数采配置；数采配置发布模块用于发布数采配置至边缘端的工业网关；工业网关用于数采配置的自动接收，基于数采配置进行相关设备工业数据采集。

上述技术实现了异构工业设备的信息采集，然而，在实际应用通信中，信息的发送顺序往往是混乱的，信息的采集顺序也缺乏规律性；此外，部分采集信息需要传输给其他工业设备，这种信息采集的无序性可能导致信息传输的不规律，进而可能影响其他工业设备的正常工作状态，使得其中的一些设备无法做出及时有效的响应；因此，亟需一种基于异构工业数据采集协议的通用模型抽象系统及方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，基于异构工业数据采集协议的通用模型抽象系统，包括中枢控制模块，以及与其相连的数据处理模块、用户控制模块和转换模块；其特征在于：

数据处理模块：通过与之相连接的工业设备获取设备通信数据；对设备通信数据进行解析，得到通信特征数据，并将通信特征数据发送至中枢控制模块；其中，通信特征数据包括通信协议类型、传输数据、数据来源设备和数据目的设备；

中枢控制模块基于获取的数据来源设备和数据目的设备，建立工业网拓扑模型，并通过工业网拓扑模型设置设备等级；通过传输数据的数据来源设备和数据目的设备的等级来设置传输数据的关联性系数，并建立传输数据关联性系数评估表，并将传输数据关联性系数评估表发送至用户控制模块；通过不同通信协议类型的安全性和传输速率，对通信协议类型进行综合性评估，并建立综合评估表；将传输数据关联性系数评估表和综合评估表结果相关联，对传输数据分配通信协议类型，并将传输数据重新打包成数据包，发送至转换模块；

所述转换模块用于识别获取数据包中的数据目的设备和传输数据，同时识别获取数据目的设备的通信协议类型，并将传输数据打包成数据目的设备的通信协议类型，并以对应通信协议类型发送至数据目的设备。

优选的，所述中枢控制模块分别与数据处理模块、用户控制模块和转换模块通信和/或电气连接；所述转换模块与工业设备通信和/或电气连接；所述数据处理模块与工业设备通信和/或电气连接。

优选的，所述基于获取的数据来源设备和数据目的设备构建工业网拓扑模型，包括：建立各个工业设备的映射模型，并通过数据来源设备和数据目的设备建立各个工业设备之间的联系，并以设备之间的联系关系对设备进行定级，处于最源头端的工业设备定为一级设备，一级设备通信特征数据中的数据目的设备为二级设备，以此类推，当同一工业设备被多次定级时，选择多次定级中级数最低的为该工业设备的等级，对所有设备进行定级。

优选的，所述通过传输数据的数据来源设备和数据目的设备的等级来设置传输数据的关联性系数，并建立传输数据关联性系数评估表，包括：

从工业网络拓扑模型中识别提取传输数据的数据来源设备的等级标记为i；将数据来源设备的等级作为关联性系数一，将关联性系数一标记为ZY1；通过公式ZY1＝1/i获取关联性系数一ZY1

识别提取受到传输数据的数据目的设备影响的工业设备级数，将受传输数据的数据目的设备影响的工业设备数量作为关联性系数二，将关联性系数二标记为ZY2；通过公式ZY2＝n-j获取关联性系数二ZY2；其中，j为相应传输数据的数据目的设备的等级，n为最低等级设备的等级；

识别提取传输数据的数据目的设备的等级，将数据目的设备的等级作为关联性系数三，将关联性系数三标记为ZY3；通过公式ZY3＝1/(j-1)获取关联性系数三ZY3；

识别提取传输数据的数据目的设备与数据来源设备的等级，将数据目的设备与数据来源设备的等级差值作为关联性系数四，将关联性系数四标记为ZY4；通过公式ZY4＝1/(j-i)获取关联性系数四ZY4，其中，j≠i；

通过公式ZY＝α1×ZY1+α2×ZY2+α3×ZY3+α4×ZY4计算得到传输数据的关联性系数，其中α1、α2、α3和α4为权重系数，且α1≥α2≥α3≥α4，并将传输信息的关联性系数按照从大到小的顺序排列，得到传输信息关联性系数评估表。

优选的，所述通信协议类型的评估，包括：通过对各个通信协议类型的传输速率进行从大到小进行排序，并对通信协议类型进行传输速率等级标号，标记为CH，同时对各个通信协议类型的安全性从高到低进行排序，并对通信协议类型进行安全等级标号，标记为AH，通过公式ZH＝β1×CH+β2×AH计算通信协议类型的综合性系数，将通信协议类型的综合性系数由小到大排列，建立综合评估表，其中β1、β2为权重系数，且β1>β2。

优选的，所述传输数据关联性系数评估表和综合评估表相关联具体是通过对根据传输数据关联性系数评估表中传输数据关联性系数的排序，以及综合评估表中通信协议类型的排序，给传输数据分配通信协议类型，即关联性系数最高的传输数据在传输时使用传输速率快，且安全性高的通信协议类型，以此类推，对传输数据进行通信协议类型分配。

本发明的第二方面提供了基于异构工业数据采集协议的通用模型抽象方法，包括：

获取设备通信数据，将设备通信数据进行解析，得到成通信特征数据；

获取数据来源设备和数据目的设备，建立工业网拓扑模型；通过工业网拓扑模型配置传输数据的关联性系数，建立传输数据关联性系数评估表；获取通信协议类型，通过通信协议类型的安全性和传输速率对通信协议类型进行综合评估，建立综合评估表；将传输数据关联性系数评估表和综合评估表进行关联；

将传输数据关联性系数评估表发送至用户控制模块，得到用户确认后，配合通信协议类型评估结果，对传输数据分配通信协议类型，并将传输数据重新打包成数据包，发送至转换模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于工业设备的数据来源设备和数据目的设备，建立工业网拓扑模型，通过工业网拓扑模型设置各个传输数据的关联性系数，根据传输数据的关联性系数建立关联性系数评估表，对传输数据进行排序，按照相应顺序采集传输数据和发送传输数据，配合通信协议类型评估表，对传输数据分配通信协议类型，给相应的传输数据分配安全且传输效率高的通信协议类型，使得工业设备之间进行有序、有效且安全的通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的方法步骤示意图；

图3为本发明实施例2的设备信息传输图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。

请参阅图1-图3，基于异构工业数据采集协议的通用模型抽象系统，包括中枢控制模块，以及与其相连的数据处理模块和转换模块；数据处理模块：通过与之相连接的工业设备获取设备通信数据；对设备通信数据进行解析，得到通信特征数据，并将通信特征数据打包发送至中枢控制模块；其中，通信特征数据包括通信协议类型、传输数据、数据来源设备和数据目的设备；中枢控制模块基于获取的数据来源设备和数据目的设备，建立工业网拓扑模型，并通过工业网拓扑模型设置设备等级；通过传输数据的数据来源设备和数据目的设备的等级来设置传输数据的关联性系数；通过通信协议类型的安全性和传输速率，对通信协议类型进行综合评估，建立综合评估表；将传输数据的关联性系数和综合评估表相关联，对传输数据分配通信协议类型，并将传输数据重新打包成数据包发送至转换模块；转换模块识别获取数据包中的数据目的设备和传输数据，同时识别获取数据目的设备的通信协议类型，并将传输数据打包成数据目的设备的通信协议类型，并以该通信协议类型发送至数据目的设备。

通信特征数据包括通信协议类型、传输数据、数据来源设备和数据目的设备，通信协议类型为，该工业设备采用的通信协议类型，可以为TCP/IP通讯协议、CAN通讯协议、MPI通信等其他通信协议类型，数据来源设备为该数据的生成设备，数据目的设备为该数据需要送达的设备。

本发明中中枢控制模块分别与数据处理模块、用户控制模块和转换模块通信和/或电气连接；转换模块与工业设备通信和/或电气连接；所述数据处理模块与工业设备通信和/或电气连接。

本发明中基于获取的数据来源设备和数据目的设备构建工业网拓扑模型，包括：建立各个工业设备的映射模型，并通过数据来源设备和数据目的设备建立各个工业设备之间的联系，并以设备之间的联系关系对设备进行定级，处于最源头端的工业设备定为一级设备，一级设备通信特征数据中的数据目的设备为二级设备，以此类推，当同一工业设备被多次定级时，选择多次定级中级数最低的为该工业设备的等级，如同一个设备既是一级设备的传输数据的数据目的设备，即判定该设备为二级设备；也是二级设备的传输数据目的设备，即判定该设备为三级设备；则将相应设备定义为三级设备，由此对所有设备进行定级，一级设备为最高级设备；工业网拓扑模型中包括设备与设备之间的联系，以及设备的通信协议类型。

中枢控制模块主要负责数据处理，与数据处理模块和转换模块进行数据交互；数据处理模块主要负责数据采集，与工业设备之间进行数据交互；用户控制模块主要负责给使用者提供传输数据关联性系数评估表，同时，使用者可以根据实际情况通过用户控制模块调整传输数据关联性系数评估表内的传输数据的关联性系数；转换模块主要用于将传输信息的格式转换为数据目的设备能够接收到，且能够正确识别的通信格式。

本发明中通过传输数据的数据来源设备和数据目的设备的等级来设置传输数据的关联性系数，并建立传输数据关联性系数评估表，包括：

从工业网络拓扑模型中识别提取传输数据的数据来源设备的等级标记为i；将数据来源设备的等级作为关联性系数一，将关联性系数一标记为ZY1；通过公式ZY1＝1/i获取关联性系数一ZY1

识别提取受到传输数据的数据目的设备影响的工业设备级数，将受传输数据的数据目的设备影响的工业设备数量作为关联性系数二，将关联性系数二标记为ZY2；通过公式ZY2＝n-j获取关联性系数二ZY2；其中，j为相应传输数据的数据目的设备的等级，n为最低等级设备的等级；

识别提取传输数据的数据目的设备的等级，将数据目的设备的等级作为关联性系数三，将关联性系数三标记为ZY3；通过公式ZY3＝1/(j-1)获取关联性系数三ZY3；

识别提取传输数据的数据目的设备与数据来源设备的等级，将数据目的设备与数据来源设备的等级差值作为关联性系数四，将关联性系数四标记为ZY4；通过公式ZY4＝1/(j-i)获取关联性系数四ZY4，其中，j≠i；

通过公式ZY＝α1×ZY1+α2×ZY2+α3×ZY3+α4×ZY4计算得到传输数据的关联性系数，其中α1、α2、α3和α4为权重系数，且α1≥α2≥α3≥α4，并将传输信息的关联性系数按照从大到小的顺序排列，得到传输信息关联性系数评估表。

本发明中对通信协议类型的评估，包括：通过对各个通信协议类型的传输速率进行从大到小进行排序，并对通信协议类型进行传输速率等级标号，标记为CH，同时对各个通信协议类型的安全性从高到低进行排序，并对通信协议类型进行安全等级标号，标记为AH，通过公式ZH＝β1×CH+β2×AH计算通信协议类型的综合性系数，将通信协议类型的综合性系数由小到大排列，建立综合评估表，其中β1、β2为权重系数，且β1>β2。

将传输数据关联性系数评估表和综合评估表相关联具体是通过对根据传输数据关联性系数评估表中传输数据关联性系数的排序，以及综合评估表中通信协议类型的排序，给传输数据分配通信协议类型，即关联性系数最高的传输数据在传输时使用传输速率快，且安全性高的通信协议类型，以此类推，对传输数据进行通信协议类型分配。

本发明的工作原理：

数据处理模块通过与其相连的工业设备获取设备通信数据，并将其解析为通信特征数据，并将通信特征数据发送至中枢处理模块，中枢处理模块根据传输数据的数据来源设备和数据目的设备，建立工业网拓扑模型，并根据工业网拓扑模型设置传输数据关联性系数，建立传输数据关联性系数评估表，同时根据通信特征数据中的通信协议类型，对通信协议类型进行综合评估，建立综合评估表，中枢处理模块将传输数据关联性系数评估表发送至用户控制模块，使用者可以根据实际情况调整传输数据关联性系数评估表内的排序，用户确认后，用户控制模块将经过调整的传输数据评估表发送至中枢处理模块，中枢处理模块将传输数据评估表中的传输数据，按照传输数据关联性系数先后的顺序，分配通信协议类型，即关联性系数最高的传输数据在传输时使用传输速率快，且安全性高的通信协议类型，以此类推，按照综合评估表的顺序对传输数据进行通信协议类型分配；中枢处理模块根据传输数据关联性系数表的排序，按照相应的顺序通过数据获取单元进行传输数据采集，同时，中枢处理模块将分配好通信协议类型的传输数据，按照传输数据关联性系数先后的顺序，将数据目的设备、数据目的设备能够识别的设备通信协议类型和传输数据打包形成数据包，并使用已经分配好的通信协议类型将数据包发送至转换模块，转换模块获取传输数据，将传输数据打包成数据目的设备能够识别的设备通信协议类型，并发送至数据目的设备。

实施案例2：

本实施例以钢材生产加工厂房中的工业设备包括总控装置、供料机、切割机、热处理机、打磨机、质检机和包装机为例，工业设备之间的协同工作为：供料机将钢材提供给切割机，切割机对钢材进行切割，并将切割完成的钢材提供给热处理机，热处理机对钢材进行热处理，并将热处理完成的钢材提供给打磨机，打磨机对钢材进行打磨，并将打磨完成的钢材提供给质检机，质检机将合格的钢材提供给包装机，包装机完成最终包装；

供料机、切割机和打磨机采用CAN通信，总控装置和质检机采用TCP/IP协议通信，热处理机和包装机采用OPC UA通信，安全性排序(从高到低)：

OPC UA：OPC UA提供了高度的安全性，包括身份验证、加密和权限控制，可满足工业自动化和物联网中的安全需求。

TCP/IP：TCP/IP协议可通过使用安全性扩展(例如TLS/SSL)来提供一定程度的安全性，但它的安全性高度依赖于配置和实施。

CAN：CAN协议通常不提供内置的安全性特性，因此安全性主要依赖于网络的物理隔离和附加的安全层。

传输速率排序(从高到低)：

TCP/IP：TCP/IP协议通常提供较高的传输速率，特别是在高速以太网中，速度可以很快。

CAN：CAN协议通常用于实时控制应用，其传输速率取决于网络配置，通常较低，但足够满足许多实时控制需求。

OPC UA：OPC UA的传输速率通常较低，适用于传输配置和监控数据，而不适用于高速实时控制，由此可以建立通信协议类型评估表：

本实施例中β1＝0.7、β2＝0.3，通过公式ZH＝β1×CH+β2×AH计算得到各个通信协议类型的综合评估系数，得到综合评估表：

各个工业设备需要接收和发送的部分信息为：总控装置需要发送供料机开始工作信息S12、切割机开始工作信息S13、热处理机开始工作信息S14、打磨机开始工作信息S15、质检机开始工作信息S16和包装机开始工作信息S17；供料机需要接收供料机开始工作信息S12，发送完成供料信息S23和钢材成分信息S24；切割机接收切割机开始工作信息S13和完成供料信息S23，发送切割完成信息S34；热处理机接收热处理机开始工作信息S14、钢材成分信息S24和切割完成信息S34，发送热处理完成信息S45；打磨机接收打磨机开始工作信息S15和热处理完成信息S45，发送打磨完成信息S56；质检机接收质检机开始工作信息S16和打磨完成信息S56，发送检测合格信息S67；包装机接收包装机开始工作信息S17和检测合格信息D67，通过以上数据信息建立工业网络拓扑模型，并给各个工业设备分级，总控装置为一级设备，供料机为二级设备，切割机经过两次定级，一次定级为：切割机为S13的数据目的设备定级为二级设定，即切割机为一级设备传输数据的数据目的设备；另一次定级为：切割机为S23的数据目的设备定级为三级设备，即切割机为二级设备传输数据的数据目的设备；取最低等级即切割机为三级设备，以此类推，可以判定热处理机为四级设备，打磨机为五级设备，质检机为六级设备，打包机为七级设备。

本实施例中：α1＝0.4，α2＝0.3，α3＝0.2，α4＝0.1即由上述数据通过公式可以计算得到：

供料机开始工作信息S12的关联性系数为：ZY＝0.4×1/1+0.3×(7-2)+0.2×1/(2-1)+0.1×1/(2-1)＝2.2；以及切割机开始工作信息S13的关联性系数为：ZY＝1.75、热处理机开始工作信息S14的关联性系数为：ZY＝1.4、打磨机开始工作信息S15的关联性系数为：ZY≈1.08、质检机开始工作信息S16的关联性系数为：ZY＝0.76、包装机开始工作信息S17的关联性系数为：ZY＝0.45、完成供料信息S23的关联性系数为：ZY＝1.6、钢材成分信息S24的关联性系数为：ZY≈1.22、切割完成信息S34的关联性系数为：ZY＝1.2、热处理完成信息S45的关联性系数为：ZY＝0.85、打磨完成信息S56的关联性系数为：ZY＝0.52、检测合格信息S67的关联性系数为：ZY＝0.2；

由上述计算得出的传输数据关联性系数，可建立关联性系数评估表为：

通过传输数据关联性评估表，配合通信协议类型评估表，对传输数据进行通信协议类型分配，按照传输数据的关联性系数从高到低，先使用TCP/IP进行传输，再按照综合评估表依次使用其他的通信协议类型进行传输。

上述公式中的部分数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。