一种面向智能制造的边缘计算控制器及其工作方法技术

本发明专利技术涉及一种面向智能制造的边缘计算控制器及其工作方法，包括：固件层，用于提供底层设备驱动，并对采集到的数据信息进行汇总和分类，将得到的数据送至中间层；中间件，用于提供运行与开发的环境，根据数据构建设备模型，并为应用层提供设备状态数据、逻辑控制、控制算法以及设备模型；应用层，用于接收上位机的程序部署，并根据中间件提供的设备状态数据、逻辑控制、控制算法以及设备模型对设备进行控制，并通过现场总线或实时以太网实现与边缘服务器的交互。本发明专利技术不针对某一个别型号的机器人、PLC，其标准化、模块化的设计理念适用于多种类型的工业设备的控制应用。可以提高工业生产设备的接口能力和计算能力，提高工业设备的适用性。

An Edge Computing Controller for Intelligent Manufacturing and Its Working Method

The invention relates to an edge computing controller for intelligent manufacturing and its working method, which includes: firmware layer for providing underlying device drivers, collecting and classifying the collected data information, sending the acquired data to the middle layer, middleware for providing an environment for operation and development, building device model according to data, and providing device status number for application layer. Data, logic control, control algorithm and device model; application layer, which receives the program deployment of the host computer, controls the device according to the device status data, logic control, control algorithm and device model provided by the middleware, and realizes the interaction with the edge server through fieldbus or real-time ethernet. The invention does not aim at a certain type of robot or PLC, and its standardized and modular design concept is suitable for the control application of various types of industrial equipment. It can improve the interface ability and calculation ability of industrial production equipment, and improve the applicability of industrial equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种面向智能制造的边缘计算控制器及其工作方法
本专利技术涉及了一种面向智能制造的边缘计算控制器，属于工业控制领域。
技术介绍
全球工业制造领域已经掀起了数字化转型的浪潮，通过对操作人员、制造设备、生产环境、工艺流程进行数字化产生大量的生产数据，通过网络化构建互联互通的工业制造系统，通过智能化提升制造产业的经济价值和社会价值。智能制造就是以数据为生产要素、以数据的智能分析为基础，从而实现生产的智能决策和操作，并通过闭环实现工艺生产流程的持续智能优化。然而目前工业界有超过6种以上的工业实时以太网技术，超过40种工业总线，使信息难以有效流动与交互。同时以大数据分析、云计算为代表的使能技术，信息传递、处理周期长，很难满足工业设备实时控制优化的即时性要求。边缘计算是在靠近工业设备、传感器等物理设备的网络边缘侧，具备网络、计算、存储、应用等核心能力的分布式开发平台，在边缘直接提供智能服务，可以满足智能制造数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能等多方面的核心需求。边缘计算是一种新的生态模式，可以提高制造业的整体性能。边缘控制器正是位于信息技术和运营技术之间的一个物理接口，也是制造业中边缘设备通往云端的最后一层物理实体，将汇总数据发送到云端。边缘控制器对实现边缘计算具有重要意义。目前的工业控制器，如机器人控制器、数控机床控制器、PLC等，都是针对某个特定的工业设备定制开发，控制器的功能固定，智能化水平较低，软件升级只能本地化操作。同时对终端用户而言，开放的开发接口十分有限。另一方面，由于设备异构性，控制器与被控设备一对一匹配，设备之间互联互通困难，难以满足边缘计算对数据流动行的需求。因此，针对工业设备数字化、网络化、智能化的控制需求，研究面向智能制造的边缘计算技术，开发集成、数据感知、云边协同开发、业务自动部署等功能的控制系统，形成面向智能制造的边缘计算控制器具有重大的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于工业设备数字化、网络化、智能化的控制需求，提供一种面向智能制造的边缘计算控制器，为边缘计算体系提供数据感知、云边协同开发、业务自动部署等功能的分布式开发平台。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种面向智能制造的边缘计算控制器，包括：固件层，用于提供底层设备驱动，并对采集到的数据信息进行汇总和分类，将得到的数据送至中间层；中间件，用于提供运行与开发的环境，根据数据构建设备模型，并为应用层提供设备状态数据、逻辑控制、控制算法以及设备模型；应用层，用于接收上位机的程序部署，并根据中间件提供的设备状态数据、逻辑控制、控制算法以及设备模型对设备进行控制，并通过现场总线或实时以太网实现与边缘服务器的交互。所述固件层包括：协议解析模块，用于进行现场总线或实时以太网的协议解析，与设备通信以完成生产设备控制；数据分析模块，用于对收集的数据进行分类前的预处理；硬件抽象模块，用于将底层硬件抽象化，为边缘控制器提供虚拟硬件平台；对预处理后的数据按照所表征的物理信息进行分类，得到具备物理含义的数据信息；语义映射模块，用于将数据信息与边缘计算模型库、工业控制模型库中的属性关系建立语义关联，为数据信息增加语义标签后，发送至中间件。所述中间件包括：数据管理模块，用于存储设备状态数据；状态管理模块，用于动态维护设备状态数据；工业控制模型库，提供用于运动控制、逻辑控制、图像识别中的至少一种的控制算法；边缘计算模型库，用于存储设备抽象模型，将增加语义标签的数据信息对应至设备抽象模型，得到具备真实物理信息的设备抽象模型发送至应用层；运行时，用于为应用层提供的软件运行环境。所述应用层包括：网络服务，用于将中间件中的设备状态数据汇总并发送至边缘服务器，同时获取边缘服务器数据和服务，为上位机开发提供通讯接口并接收上位机的程序部署；控制服务，用于根据状态管理模块的设备状态数据和边缘计算模型库中的设备抽象模型，在来自上位机部署的程序中调用工业控制模型库中的控制算法，实现对设备的控制。一种面向智能制造的边缘计算控制器工作方法，包括以下步骤：步骤S1：边缘控制器固件层接受的报文；步骤S2：报文解析：对接收到的报文信息按照不同的通讯协议进行处理，获取数据；步骤S3：数据提取：提取边缘控制器需要的数据；步骤S4：数据分析：对提取的数据做预处理；步骤S5：硬件抽象：将硬件抽象化，对预处理后的数据按照所表征的物理信息进行分类，描述成具备物理含义的数据信息；步骤S6：语义映射：对数据信息标注语义标签，映射到边缘计算模型库中，得到具备真实物理信息的设备抽象模型，该语义标签对应边缘计算模型库中的模型描述信息；步骤S7：控制服务：边缘计算模型库中设备抽象模型输出的数据进入到控制服务中，进行控制计算；步骤S8：网络服务：采用发布、订阅对数据进行分发。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的边缘计算控制器不针对某一个别型号的机器人、PLC，其标准化、模块化的设计理念适用于多种类型的工业设备的控制应用。2、本专利技术的边缘计算控制器，可以提高工业生产设备的接口能力和计算能力，使工业设备能便捷的完成与其他制造系统进行数据交互，以及工作站或生产线的控制功能，提高工业设备的适用性。3、本专利技术可以很好地应对工业设备数字化、网络化、智能化的控制需求，是工业边缘计算体系中必不可少的重要设备，同时也是一种新的快速设计解决方案，利于推广使用。附图说明图1是本专利技术的边缘控制器系统架构图；图2是本专利技术的边缘控制器功能模型；图3是本专利技术的边缘控制器信息处理流程；图4是本专利技术的边缘控制器开发服务结构图；图5是本专利技术的边缘控制器开发服务流程图；图6是本专利技术的边缘控制器部署服务结构图；图7是本专利技术的边缘控制器部署服务流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及有点更加清楚、明确，一下参照附图并举实施例对本专利技术进一步详细说明。参见图1，包括面向智能制造的边缘计算控制器和上位机两个部分，其中边缘控制器主要涉及：固件层、中间件以及应用层。所述的固件层，为边缘控制器提供底层设备驱动包括IO接口，工业总线接口等，对采集到的数据信息进行汇总和分类。包括协议解析、数据分析、硬件抽象、语义映射四个部分。其中，协议解析指边缘控制器应具有现场总线或实时以太网等协议解析功能，通过本地接口生产设备边缘控制器可以与具有相应接口的驱动器、传感器通信，完成生产设备控制。数据预处理指边缘控制器在主要的处理以前对所收集数据进行分类或分组前所做的审核、筛选、排序等必要的处理。硬件抽象指边缘控制器将底层硬件抽象化，隐藏硬件接口细节,为边缘控制器提供虚拟硬件平台，允许控制器在逻辑层而不是硬件层与硬件设备交互。语义映射指边缘控制器将数据信息与数字化构件库、算法功能库中的属性关系建立语义关联，为边缘数据信息增加标签信息，便于数据的汇总和分类。所述的中间件，为边缘控制器提供运行与开发的环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。包括状态管理、数据管理、工业控制模型库、边缘计算模型库、运行时。其中，状态管理和数据管理，动态维护边缘计算节点运行状态和数据。工业控制模型库指边缘控制器提供运动控制、逻辑控制、图像识别等基础工业应用控制算法和功能。例如PID控制、神经网络控制等控制方法。边缘计算模型库指边缘控制器构建的底层设备抽象模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向智能制造的边缘计算控制器，其特征在于包括：固件层，用于提供底层设备驱动，并对采集到的数据信息进行汇总和分类，将得到的数据送至中间层；中间件，用于提供运行与开发的环境，根据数据构建设备模型，并为应用层提供设备状态数据、逻辑控制、控制算法以及设备模型；应用层，用于接收上位机的程序部署，并根据中间件提供的设备状态数据、逻辑控制、控制算法以及设备模型对设备进行控制，并通过现场总线或实时以太网实现与边缘服务器的交互。

【技术特征摘要】
1.一种面向智能制造的边缘计算控制器，其特征在于包括：固件层，用于提供底层设备驱动，并对采集到的数据信息进行汇总和分类，将得到的数据送至中间层；中间件，用于提供运行与开发的环境，根据数据构建设备模型，并为应用层提供设备状态数据、逻辑控制、控制算法以及设备模型；应用层，用于接收上位机的程序部署，并根据中间件提供的设备状态数据、逻辑控制、控制算法以及设备模型对设备进行控制，并通过现场总线或实时以太网实现与边缘服务器的交互。2.根据权利要求1所述的一种面向智能制造的边缘计算控制器，其特征在于，所述固件层包括：协议解析模块，用于进行现场总线或实时以太网的协议解析，与设备通信以完成生产设备控制；数据分析模块，用于对收集的数据进行分类前的预处理；硬件抽象模块，用于将底层硬件抽象化，为边缘控制器提供虚拟硬件平台；对预处理后的数据按照所表征的物理信息进行分类，得到具备物理含义的数据信息；语义映射模块，用于将数据信息与边缘计算模型库、工业控制模型库中的属性关系建立语义关联，为数据信息增加语义标签后，发送至中间件。3.根据权利要求1所述的一种面向智能制造的边缘计算控制器，其特征在于，所述中间件包括：数据管理模块，用于存储设备状态数据；状态管理模块，用于动态维护设备状态数据；工业控制模型库，提供用于运动控制、逻辑控制、图像识别中的至少一种的控制算法；边缘计算模型库，用于存储设备抽象模型，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆鑫，杨帆，张华良，曾鹏，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21