一种可编程智能工控网关的制作方法

1.本实用新型涉及工业控制领域，特别是涉及一种可编程智能工控网关。


背景技术：

2.在工业生产体系中，工控机即工业控制计算机是根据现代工业生产自动化控制的需求，应运而生的产物，在生产过程中扮演着极其重要的作用。其主要应用在仪器设备通讯交互，生产流程过程控制、数据监控等工业活动中，而组态软件作为工控机人机交互的媒介，提供了用户操作界面和数据可视化，以及发送指令控制等功能。因此为适应不同生产场景需求，市场衍生出多种组态软件版本与形态。
3.然而在现有生产环境中，组态软件与工控机的配合工作模式也是相对固化的，且监测控制回路中需要额外的数据解析设备配合可编程逻辑电路（plc）形成完整的数据监测控制链路。组态软件安装运行在指定的工控机上，且难以通过网络对远端多台plc同时进行独立控制，这种工作模式具有单一性、特定性、封闭性、不够灵活，数据链路难以扩展。同时，面对迅速开展的数字化、网络化、智能化工业改造，需要借助特定功能的网关完成数据转换，实现不同网络中的数据交流，实现起来比较复杂，且效率较低。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供了一种可编程智能工控网关，该网关包括cpu、mcu、非实时系统接口、实时系统接口，其中，所述cpu、mcu、非实时系统接口、实时系统接口之间建立电连接，将工控机，组态软件，数采仪与协议转换器融为一体，简化了传统数据交互系统的结构，融合人工智能数据分析、可编程网关、web scada组态等先进技术为一体；实现工业智能装备之间的数据交互和远程控制，仅单一设备就解决设备与设备，设备与平台，平台与平台间的协议转换，数据对接，边缘计算等问题。
5.本实用新型实施例提供了一种可编程智能工控网关，网关包括cpu、mcu、非实时系统接口、实时系统接口，其中，cpu、mcu、非实时系统接口、实时系统接口之间建立电连接；
6.cpu，用于基于多线程非实时控制系统通过linux内核运行对应程序，实现http协议服务器，以用于用户通过web浏览器登录智能工控网关的管理操作界面，进行编程和参数配置；
7.mcu，用于运行实时控制系统，解析来自非实时控制系统命令，并根据非实时控制系统命令执行对应的实时数据监听及控制指令，以用于将非实时控制指令转化为实时控制指令，并通过实时系统接口发送给对应的设备；
8.cpu中还包括web scada组态模块，用于基于web网络浏览器中的组态工具进行监测组态动画设计、设备控制、组态编辑以及组态运行。
9.在一些实现方式中，web scada组态模块，还用于接收终端设备原始数据，并基于已配置好的数据解析规则，将所需数据从原始数据中提取出储存至系统数据共享区域。
10.在一些实现方式中，web scada组态模块，还用于基于数据共享区域，获取目标数
据并执行预设逻辑操作，并将执行完预设逻辑操作的数据通过系统接口以参数或指令的形式发送给对应的终端设备。
11.在一些实现方式中，web scada组态模块，还用于基于系统内部的数据进行数据监听，并基于系统内部的数据按照预设的规则进行生成报表。
12.在一些实现方式中，非实时系统接口，还用于与云服务器建立连接，以用于接收用户在云平台完成的组态设置和系统参数配置，并基于组态设置和系统参数配置实现远程程序更新。
13.在一些实现方式中，非实时系统接口包括usb、串口、网口、wi-fi、bluetooth、hdmi以及音频接口中的至少一个。
14.在一些实现方式中，实时系统接口包括串口、网口以及usb接口中的至少一个。
15.在一些实现方式中，网关还包括存储设备，网关设备与cpu、mcu、非实时系统接口以及实时系统接口，用于存储网关接收和产生的数据。
16.在一些实现方式中，网关还包括电源，电源与cpu、mcu、非实时系统接口以及实时系统接口建立电连接，用于给cpu、mcu、非实时系统接口以及实时系统接口供电。
17.本实用新型实施例提供的可编程智能工控网关，融合人工智能数据分析、可编程网关、web scada组态等先进技术为一体；实现工业智能装备之间的数据交互和远程控制，仅单一设备就解决设备与设备，设备与平台，平台与平台间的协议转换，数据对接，边缘计算等问题。使用智能工控网关可打通数据孤岛，完成数据采集、控制、告警系统的组建。将设备控制、数据采集、智能分析、智能报表等技术融入到生产过程的各个环节，实现对生产数据的全面感知、动态传输、实时分析、智能告警；实现便捷人机交互的同时，还对人-设备-环境的隐患、故障和危险的作出提前预知和防范；协助整个生产制造过程在设备智能化，生产管理网络化的基础上达到新阶段，解决复杂生产过程带来的不确定性问题，加速产业数字化、网络化、智能化转型。
附图说明
18.从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中可以更好地理解本实用新型其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
19.图1为本实用新型实施例提供的一种可编程智能工控网关的结构示意图；
20.图2为本实用新型实施例提供的另一种可编程智能工控网关的结构示意图；
21.图3为本实用新型实施例提供的一种可编程智能工控网关的scada组态系统的监测与控制流程图。
具体实施方式
22.下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述
中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊。
23.在工业生产体系中，工控机即工业控制计算机是根据现代工业生产自动化控制的需求，应运而生的产物，在生产过程中扮演着极其重要的作用。其主要应用在仪器设备通讯交互，生产流程过程控制、数据监控等工业活动中，而组态软件作为工控机人机交互的媒介，提供了用户操作界面和数据可视化，以及发送指令控制等功能。因此为适应不同生产场景需求，市场衍生出多种组态软件版本与形态。
24.然而在现有生产环境中，组态软件与工控机的配合工作模式也是相对固化的，且监测控制回路中需要额外的数据解析设备配合可编程逻辑电路（plc）形成完整的数据监测控制链路。组态软件安装运行在指定的工控机上，且难以通过网络对远端多台plc同时进行独立控制，这种工作模式具有单一性、特定性、封闭性、不够灵活，数据链路难以扩展。同时，面对迅速开展的数字化、网络化、智能化工业改造，需要借助特定功能的网关完成数据转换，实现不同网络中的数据交流，实现起来比较复杂，且效率较低。
25.基于传统工控机和网关组成的生产控制体系，网关的功能直接影响数据交互的能力，现场设备的改变降导致更换网关或者程序再次开发，暴露出了其可扩展性差、兼容性差、柔性程度低等弊端。传统组态软件难以逾越工控机的支持边界，跨网域工控机与工控机之间的数据交流依靠传统网关难以实现。同时传统模式下数据采集，数据分析，数据网络化共享，数据联动，需借助数采仪等多种设备配合完成，应用学习曲线长，操作难度大。因此使得打通数据孤岛，数据共享，远程控制等数字改造进程缓慢，该问题在相对老旧的生产系统中尤为凸显，甚至出现滞后或受限等现象，造成革新难度大，突破可能性小。数据采集、分析、处理、展示、告警等数字化和智能化的新兴工业需求难以与现有固化生产设备融合为一体，而网络化、扩展性、移植性以及跨平台互联协作更是将要面临的巨大挑战，带给企业升级带来巨大挑战。
26.为了解决该问题，本实用新型提供了一种可编程智能工控网关，下面结合附图对本实用新型实施例提供的多主机多终端采集执行器组成的智能控制系统进行描述。
27.图1为本实用新型实施例中一种可编程智能工控网关的结构示意图，如图1所示，网关包括cpu101、mcu102、非实时系统接口103、实时系统接口104，其中，cpu101、mcu102、非实时系统接口103、实时系统接口104之间建立电连接；
28.cpu101，用于基于多线程非实时控制系统通过linux内核运行对应程序，实现http协议服务器，以用于用户通过web浏览器登录智能工控网关的管理操作界面，进行编程和参数配置；
29.mcu102，用于运行实时控制系统，解析来自非实时控制系统命令，并根据非实时控制系统命令执行对应的实时数据监听及控制指令，以用于将非实时控制指令转化为实时控制指令，并通过实时系统接口104发送给对应的设备；
30.cpu101中还包括web scada组态模块，用于基于web网络浏览器中的组态工具进行监测组态动画设计、设备控制、组态编辑以及组态运行。
31.也就是说，该网关内部在传统的计算机结构上，增加mcu102单片机处理模块，具备运行独立双系统的能力，传统计算机cpu101运行 linux内核，为多线程非实时控制系统。mcu102单片机运行实时控制系统。
32.mcu102实时控制系统具有解析来自非实时控制系统命令的能力，并根据命令执行
对应的实时数据监听及控制指令，从而将非实时控制指令转化为实时控制指令。实时控制指令通常对程序执行时间具有严格的要求，实时控制指令可通过程序内部逻辑独立运行。
33.此外，该智能工控网关系统、装置具有服务器的属性，通过linux内核运行相关程序，实现http协议服务器，用户通过web浏览器登录智能工控网关的管理操作界面，完成编程和配置等功能。根据生产场景需要实现的功能，在智能工控网关配置页面对其进行详细具体的接口实例化、流程模拟、参数配置以及事件响应等功能编程和配置，完成智能工控网关系统功能配置，以及作为本地服务器的部署。 无需在操作计算机或者本设备中额外安装软件，例如组态软件。
34.图2为本实用新型实施例中一种可编程智能工控网关的另一种结构示意图，结合图2继续进行描述。
35.在一些实施例中，web scada组态模块，还用于接收终端设备原始数据，并基于已配置好的数据解析规则，将所需数据从原始数据中提取出储存至系统数据共享区域。
36.在一些实施例中，web scada组态模块，还用于基于数据共享区域，获取目标数据并执行预设逻辑操作，并将执行完预设逻辑操作的数据通过系统接口以参数或指令的形式发送给对应的终端设备。
37.在一些实施例中，web scada组态模块，还用于基于系统内部的数据进行数据监听，并基于系统内部的数据按照预设的规则进行生成报表。
38.也就是说，系统整合了web scada组态软件功能，即通过web网络浏览器使用组态工具、完成监测组态动画设计，实现设备控制、组态编辑以及组态运行的功能。通过web浏览器操控页面，可便捷地完成人机交互，通过简单拖拽配置即可完成设备运行可视化模拟，实现生产活动的实时数据监控与服务端的多用户访问，以及对测控点分散的各种工业设备或生产过程的实时数据采集，并通过本地计算机、远程计算机或其他移动设备访问进行自动控制、参数的调节与全面实时监控。
39.也就是说，系统整合了web scada组态软件功能，即通过web网络浏览器使用组态工具、完成监测组态动画设计，实现设备控制、组态编辑以及组态运行的功能。通过web浏览器操控页面，可便捷地完成人机交互，通过简单拖拽配置即可完成设备运行可视化模拟，实现生产活动的实时数据监控与服务端的多用户访问，以及对测控点分散的各种工业设备或生产过程的实时数据采集，并通过本地计算机、远程计算机或其他移动设备访问进行自动控制、参数的调节与全面实时监控。
40.在一些实施例中，非实时系统接口103或实时系统接口104，还用于与云服务器建立连接，以用于接收用户在云平台完成的组态设置和系统参数配置，并基于组态设置和系统参数配置实现远程程序更新。
41.在一些实施例中，非实时系统接口103包括usb、串口、网口、wi-fi、bluetooth、hdmi以及音频接口中的至少一个。
42.在一些实施例中，实时系统接口104包括串口、网口以及usb接口中的至少一个。
43.也就是说，该网关接口具有两大类接口：非实时系统接口103，实时系统接口104。接口的区别不以物理特性作为依据，而是根据控制程序对数据处理的方式以及响应速度为依据。非实时系统接口103包括：usb、串口、网口、wi-fi、bluetooth、hdmi、音频等接口。 实时系统接口104包括：串口、网口、usb等。两类接口独立存在，可根据现场应用完成配置。
44.该智能工控网关可通过非实时系统接口103，例如网口，wi-fi等技术具备接入云数据管理平台，通过云端配置，实现设备远程统一化、集中化管理；智能工控网关作为生产环境动态控制与实时监测的边缘服务器存在，为生产数字化、网络化、智能化管理提供了稳定可靠的客户端支持，是实现分布式生产数据管理的重要环节。
45.该设备通过linux内核，实现可编程网关功能。将网关和组态功能融为一体，简化了用户对数据协议转化和数据提取的配置操作，实现不同协议数据，在组态软件中的交叉使用。简化了组态软件中对来自不同设备的数据引用的操作。支持复杂网络的互联设备，单台设备实现不同工业智能装备之间的数据交互和远程控制，解决设备与设备，设备与平台，平台与平台间的通信协议和数据格式转换，数据接口，边缘计算等问题。
46.该智能工控网关通过web scada组态程序实现了数据监听告警机制、报表生成的功能，在采集工业设备原始数据的同时按照逻辑判断需求加以分析、处理，最终按照展示需求以屏幕看板的形式对数据源进行图形化直观展示，并且实时监测数据动态，捕捉超出阈值数据项目并发送预警。
47.在一些实施例中，网关还包括存储设备105，网关设备与cpu101、mcu102、非实时系统接口103以及实时系统接口104，用于存储网关接收和产生的数据。
48.在一些实施例中，网关还包括电源106，电源106与cpu101、mcu102、非实时系统接口103以及实时系统接口104建立电连接，用于给cpu101、mcu102、非实时系统接口103以及实时系统接口104供电。
49.在一些实施例中，可编程智能工控网关的scada组态系统的监测与控制周期如图3所示，终端设备原始数据通过网关接口接受，并由智能工控网关内部按照已配置好的数据解析规则，将所需数据从原始数据中提取出储存至系统数据共享区域；web组态程序可由上述数据共享区域查询、获取所需数据并执行判断、运算、整合、等处理与操作，最终将数据打包通过智能工控网关接口以参数或指令形式发送至终端设备，从而完成scada组态系统的监测与控制周期，使之成为闭环系统。
50.在一些具体的实施方式中，用户可通过个人移动设备如手机、电脑、平板等，在智能工控网关云端平台系统中完成注册并登录，在系统中根据智能工控网关装置的序列号将云端平台的虚拟智能工控网关设备与智能工控网关装置绑定以激活智能工控网关装置，此操作可获取对智能工控网关系统的所有操作和配置权限。
51.智能工控网关装置配备两种不同应用的接口类型，非实时系统接口103与实时系统接口104。其中非实时系统接口103包括：usb、串口、网口、wi-fi、bluetooth、hdmi、音频等接口，实时系统接口104包括：串口、网口、usb等。根据需求将智能工控网关装置部署在生产环节的合理位置，使生产设备与智能工控网关装置通过非实时系统接口103或实时系统接口104连接。
52.以非实时系统接口103接入生产系统为例，当对该生产环节产生的生产数据没有极为严格的时效性要求，如获取设备定时回传数据等，利用非实时系统接口103，智能工控网关系统将以资源利用效率为优先原则，合理分配算力，避免资源损耗，使工业生产活动处于多维度、事务高并发处理模式。生产设备的数据外设接口为串口时，使用智能工控网关装置的非实时系统串口与生产设备串口连接，多个生产设备可同时并联入串口数据传输总线；生产设备的数据外设接口为网口，使用智能工控网关装置的非实时系统网口与生产设
备网口连接，多个生产设备可通过交换机并联入网口数据传输网络。智能工控网关装置的非实时系统接口103即保证了每个生产事件数据通信等流畅性，同时达到了监测控制多项生产活动同时进行的目的。
53.以实时系统接口104接入生产系统为例，当对该生产环节产生的生产数据或控制生产环节中命令执行需要极为严格的时效性要求，如获取传感器实时反馈数据，根据反馈数据对控制器加以调节等，利用实时系统接口104，智能工控网关系统将以事务等级为优先原则，通过mcu实时控制处理器，将算力与资源集中处理当前优先等级最高的事务，使工业生产活动处于单事务处理模式。生产设备的数据外设接口为串口时，使用智能工控网关装置的实时系统串口与生产设备串口连接，多个生产设备可同时并联入串口数据传输总线；生产设备的数据外设接口为网口时，使用智能工控网关装置的实时系统网口与生产设备网口连接，多个生产设备可通过交换机并联入网口数据传输网络。智能工控网关装置的实时系统接口104保证了单一生产事件数据通信的时效性，使生产活动时刻处于最优先状态。
54.用户通过个人移动设备如计算机、手机、平板电脑进入智能工控网关云端平台系统，根据业务需求在云端已绑定的虚拟智能工控网关设备中对对应的智能工控网关装置进行可编程配置如通信协议配置、通信流程配置、过程控制配置、定时任务配置等。之后登录智能工控网关装置的系统页面，将在云端完成的配置获取至本地智能工控网关装置，至此智能工控网关装置作为业务服务器可以自主完成定制的生产业务。
55.用户可以通过智能工控网关装置进行数据采集，处理后的数据进行看板展示并整合告警与报表生成功能。用户登录智能工控网关云端平台系统可将智能工控网关装置采集到的原始生产数据格式化为图结构数据；完成图结构数据初始化后，在该数据项目下新建数据看板，选择看板菜单栏中感兴趣布局方式，将图结构数据源引入至看板图结构中进行展示，同时设置数据阈值可激活告警功能，或选择感兴趣的数据生成生产数据报表。
56.用户可在个人移动设备上使用智能工控网关云端平台系统嵌入式web组态软件系统对整个生产流程和管理过程进行组态模拟，进一步完善智慧工厂数据采集与监视控制（scada）功能。进入组态软件操作面板，根据实际生产需要通过拖拽组态软件系统中不同的组态元组图形至工作台区域，模拟动态生产流程。智能工控网关装置可将捕获到的生产数据实时反馈到组态动画中，实现组态项目实时管理和监测；通过组态编辑，设置生产数据阈值激活智能告警机制。同时也可通过控制组态动作，更改设备运行状态。
57.本实用新型公开的可编程智能工控网关，包括cpu101、mcu102、非实时系统接口103、实时系统接口104，其中，cpu101、mcu102、非实时系统接口103、实时系统接口104之间建立电连接；该工控网关，融合人工智能数据分析、可编程网关、web scada组态等先进技术为一体；实现工业智能装备之间的数据交互和远程控制，仅单一设备就解决设备与设备，设备与平台，平台与平台间的协议转换，数据对接，边缘计算等问题。使用智能工控网关可打通数据孤岛，完成数据采集、控制、告警系统的组建。将设备控制、数据采集、智能分析、智能报表等技术融入到生产过程的各个环节，实现对生产数据的全面感知、动态传输、实时分析、智能告警；实现便捷人机交互的同时，还对人-设备-环境的隐患、故障和危险的作出提前预知和防范；协助整个生产制造过程在设备智能化，生产管理网络化的基础上达到新阶段，解决复杂生产过程带来的不确定性问题，加速产业数字化、网络化、智能化转型。
58.需要说明的是，上述实施例中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式
结合在一个或更多实施例中。本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型的范围之中。
59.在权利要求书和说明书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤。权利要求和说明书中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求和说明书中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中及实施例中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。

技术特征：
1.一种可编程智能工控网关，其特征在于，所述网关包括cpu、mcu、非实时系统接口、实时系统接口，其中，所述cpu、mcu、非实时系统接口、实时系统接口之间建立电连接；所述cpu，用于基于多线程非实时控制系统通过linux内核运行对应程序，实现http协议服务器，以用于用户通过web浏览器登录智能工控网关的管理操作界面，进行编程和参数配置；所述mcu，用于运行实时控制系统，解析来自非实时控制系统命令，并根据所述非实时控制系统命令执行对应的实时数据监听及控制指令，以用于将非实时控制指令转化为实时控制指令，并通过所述实时系统接口发送给对应的设备；所述cpu中还包括web scada组态模块，用于基于web网络浏览器中的组态工具进行监测组态动画设计、设备控制、组态编辑以及组态运行。2.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述web scada组态模块，还用于接收终端设备原始数据，并基于已配置好的数据解析规则，将所需数据从原始数据中提取出储存至系统数据共享区域。3.根据权利要求2所述的网关，其特征在于，所述web scada组态模块，还用于基于所述数据共享区域，获取目标数据并执行预设逻辑操作，并将执行完预设逻辑操作的数据通过系统接口以参数或指令的形式发送给对应的终端设备。4.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述web scada组态模块，还用于基于系统内部的数据进行数据监听，并基于系统内部的数据按照预设的规则进行生成报表。5.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述非实时系统接口，还用于与云服务器建立连接，以用于接收用户在云平台完成的组态设置和系统参数配置，并基于所述组态设置和系统参数配置实现远程程序更新。6.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述非实时系统接口包括usb、串口、网口、wi-fi、bluetooth、hdmi以及音频接口中的至少一个。7.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述实时系统接口包括串口、网口以及usb接口中的至少一个。8.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述网关还包括存储设备，所述网关设备与cpu、mcu、非实时系统接口以及实时系统接口，用于存储网关接收和产生的数据。9.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述网关还包括电源，所述电源与cpu、mcu、非实时系统接口以及实时系统接口建立电连接，用于给cpu、mcu、非实时系统接口以及实时系统接口供电。

技术总结
本实用新型涉及工业控制领域，特别是涉及一种可编程智能工控网关。其中，网关包括CPU、MCU、非实时系统接口、实时系统接口，其中，所述CPU、MCU、非实时系统接口、实时系统接口之间建立电连接，融合人工智能数据分析、可编程网关、Web SCADA组态等先进技术为一体；实现工业智能装备之间的数据交互和远程控制，仅单一设备就解决设备与设备，设备与平台，平台与平台间的协议转换，数据对接，边缘计算等问题。边缘计算等问题。边缘计算等问题。


技术研发人员：王腾
受保护的技术使用者：王腾
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/7/17