一种异构工业网络的互联融合方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种异构工业网络互联的融合方法，其包括如下步骤：设置通用工业现场网联融合系统，其周期性的对异构网络中链路层数据进行检测以及分析；生成与网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中；加载对应的网络管理策略文件，将编译好的特定配置比特流文件下载至可重构控制模块的FPGA子系统中，完成网络重构。本发明专利技术还公开了实施上述方法的系统，其包括相互连接并且通信的可重构控制模块、可重构无线模块和通用有线通信模块。本发明专利技术可实现异构设备之间互联互通和工业数据的联网采集，使设备相互之间具备互可操作性与互用性，并易于灵活组网和重构，以促进工业设备自动化、智能化升级改造的进程。

【技术实现步骤摘要】
一种异构工业网络的互联融合方法及系统
本专利技术涉及工业设备现场通讯
，具体涉及异构工业网络的互联融合方法及系统，其提供基于软件定义的通用工业网联系统及重构不同通讯方式的通用实现方法，用于工业现场各类工控设备不同接入方式的数据采集和互操作。
技术介绍
现场总线(Fieldbus)是电气工程及其自动化领域发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。现场总线(Fieldbus)是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。因此，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。如前说述，在工业设备的历史发展中，由于工业设备控制领域多种现场总线技术的竞争，产生了几大类、数百种工业设备现场通讯标准，各种标准相互不具备兼容性。同时由于各设备在厂家设计环节的独立性，导致现有的工业设备采用的通信方式、协议及接口繁杂，很多种通讯协议及接口之间往往无法兼容并存和进行连接、通信。目前，国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线(sensorbus)，属于位传输；设备总线(devicebus)，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输，同时，也还没有一种网联系统能够同时兼容多类工业现场总线协议，且在不更换任何硬件的情况下，在同一设备上实现多种通讯方式的互联互通，导致用户不能掌握系统集成主动权，且系统的准确性与可靠性、易重构性等均存在着明显的不足。中国专利技术专利申请201711351078.8公开了一种异构网络互联互通融合系统及方法，异构网络互联互通融合系统包括：网关融合层，用于实现基于Zigbee的WSN与无线接入网络间的互联；在网络层添加的网络适配层，用于统一管理无线接入网络的网络接口；具体包括核心处理模块；核心处理模块通过无线分别连接Zigbee模块、触摸显示屏块、WCDMA模块、WLAN模块。该专利技术采用嵌入式技术还可以降低HWG的功耗，从而满足工业现场设备的低功耗要求。通过HWG将传感信息通过无线接入网络上传到Internet，实现传感信息的共享。但是其仅解决了单一异构工业现场设备的网络融合和接入问题，而没有解决异构工业现场总线设备的网络融合和接入问题，也不方便进行网络系统的重构。针对上述问题，非常有必要研究一种通用的异构工业现场总线的网联融合方法及系统，支持各类设备以不同方式的接入，实现异构设备之间互联互通和工业数据的联网采集，使设备相互之间具备互可操作性与互用性，并易于灵活组网和重构，以促进工业设备自动化、智能化升级改造的进程。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种通用的异构工业网络的互联的融合方法及系统，使采用不同现场总线技术的各类工业设备通讯接口之间，可以快速实现设备与设备、设备与系统之间的互联、互通融合，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下的技术方案：一种异构工业网络的互联融合方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)设置一通用工业现场网联融合系统，其包括相互连接并且通信的可重构控制模块、可重构无线模块和通用有线通信模块，其中可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、可配置收发通信接口、DSP子系统、FPGA子系统；并将该通用工业现场网联融合系统联入多个工业现场总线设备的异构网络中；(2)使该通用工业现场网联融合系统通过其相应通信接口，周期性的对异构网络中链路层数据进行检测以及分析；根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，分析当前的网络通信协议类型，通过解析帧类型自动辨识协议种类，并向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；如通用工业现场网联融合系统无法识别当前异构网络，则进行告警，执行步骤(3)，如果无告警则执行步骤(4)；(3)通过手动配置当前异构网络的协议类型，生成与之对应的协议解析策略，并更新到协议解析策略中，完成配置后，执行步骤(2)；(4)根据网络转换需求配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中；(5)加载对应的网络管理策略文件，ARM子系统按照融合网络管理策略执行配置程序，将编译好的特定配置比特流文件下载至可重构控制模块的FPGA子系统中，完成网络系统重构；此时该通用工业现场网联融合系统按照对应的网络管理策略对异构网络之间的数据报文进行处理和转发，完成异构网络基于软件定义的融合与重构。在所述的步骤(2)中，对异构网络中链路层数据进行检测以及分析，具体包括以下步骤：S21、通用工业现场网联融合系统通过加载协议解析策略文件，在网络链路层构建一个协议辨识器，自动对网路链路层的数据进行周期性的解析；S22、根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，基于决策树算法确定当前网络的通信协议类型；S23、通用工业现场网联融合系统加载相应协议的重构配置文件，完成对FPGA的重构；S24、向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；S25、将异构网络的网络拓扑结构信息通过配置收发通信接口发送至上位机或云平台。步骤(3)中对通用工业现场网联融合系统根据网络转换需求手动配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件，具体包括以下步骤：S31、设置一上位机或云平台，由用户根据自身需求，在该上位机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异构工业网络的互联融合方法，其特征在于，其包括以下步骤：/n(1)设置一通用工业现场网联融合系统，其包括相互连接并且通信的可重构控制模块、可重构无线模块和通用有线通信模块，其中可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、可配置收发通信接口、DSP子系统、FPGA子系统；并将该通用工业现场网联融合系统联入多个工业现场总线设备的异构网络中；/n(2)使该通用工业现场网联融合系统通过其相应通信接口，周期性的对异构网络中链路层数据进行检测以及分析；根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，分析当前的网络通信协议类型，通过解析帧类型自动辨识协议种类，并向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；如通用工业现场网联融合系统无法识别当前异构网络，则进行告警，执行步骤(3)，如果无告警则执行步骤(4)；/n(3)通过手动配置当前异构网络的协议类型，生成与之对应的协议解析策略，并更新到协议解析策略中，完成配置后，执行步骤(2)；/n(4)根据网络转换需求配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中；/n(5)加载对应的网络管理策略文件，ARM子系统按照融合网络管理策略执行配置程序，将编译好的特定配置比特流文件下载至可重构控制模块的FPGA子系统中，完成网络系统重构；此时该通用工业现场网联融合系统按照对应的网络管理策略对异构网络之间的数据报文进行处理和转发，完成异构网络基于软件定义的融合与重构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种异构工业网络的互联融合方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)设置一通用工业现场网联融合系统，其包括相互连接并且通信的可重构控制模块、可重构无线模块和通用有线通信模块，其中可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、可配置收发通信接口、DSP子系统、FPGA子系统；并将该通用工业现场网联融合系统联入多个工业现场总线设备的异构网络中；
(2)使该通用工业现场网联融合系统通过其相应通信接口，周期性的对异构网络中链路层数据进行检测以及分析；根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，分析当前的网络通信协议类型，通过解析帧类型自动辨识协议种类，并向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；如通用工业现场网联融合系统无法识别当前异构网络，则进行告警，执行步骤(3)，如果无告警则执行步骤(4)；
(3)通过手动配置当前异构网络的协议类型，生成与之对应的协议解析策略，并更新到协议解析策略中，完成配置后，执行步骤(2)；
(4)根据网络转换需求配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中；
(5)加载对应的网络管理策略文件，ARM子系统按照融合网络管理策略执行配置程序，将编译好的特定配置比特流文件下载至可重构控制模块的FPGA子系统中，完成网络系统重构；此时该通用工业现场网联融合系统按照对应的网络管理策略对异构网络之间的数据报文进行处理和转发，完成异构网络基于软件定义的融合与重构。


2.根据权利要求1所述的异构工业网络互联的融合方法，其特征在于在步骤(2)中对异构网络中链路层数据进行检测以及分析，具体包括以下步骤：
S21、通用工业现场网联融合系统通过加载协议解析策略文件，在网络链路层构建一个协议辨识器，自动对网路链路层的数据进行周期性的解析；
S22、根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，基于决策树算法确定当前网络的通信协议类型；
S23、通用工业现场网联融合系统加载相应协议的重构配置文件，完成对FPGA的重构；
S24、向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；
S25、将异构网络的网络拓扑结构信息通过配置收发通信接口发送至上位机或云平台。


3.根据权利要求1所述的异构工业网络互联的融合方法，其特征在于，步骤(3)中对通用工业现场网联融合系统根据网络转换需求手动配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件，具体包括以下步骤：
S31、设置一上位机或云平台，由用户根据自身需求，在该上位机或云平台建立异构网络管理模型；
S32、异构网络管理模型包括与通用工业现场网联融合系统异构网络协议类型、网络拓扑结构、数据采集规则、数据转发规则、数据处理过程等方面；
S33、根据组网过程中的通信要求，套用异构网络模型建模格式，形成网络管理策略文件；
S34、上位机或云平台将网络管理策略...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵凯，刘斌辉，黄林轶，徐华伟，
申请(专利权)人：中国电子产品可靠性与环境试验研究所工业和信息化部电子第五研究所中国赛宝实验室，
类型：发明
国别省市：广东;44