一种基于分层元模型解耦的上位机非标设备工艺控制方法与流程

本发明涉及工业自动化控制，尤其涉及一种基于分层元模型解耦的上位机非标设备工艺控制方法。

背景技术：

1、在工业非标自动化生产领域，非标装配设备、非标检测设备、非标加工设备因生产工艺、结构功能、硬件配置定制化程度高，存在设备型号繁杂、通讯协议不统一、io点位定义差异化大的行业特点。

2、目前行业内上位机对非标设备的控制方案普遍采用硬编码定制开发模式，存在核心技术缺陷，具体如下：

3、1、软硬件高度耦合，复用性极差。传统上位机控制程序将工艺流程逻辑与设备plc寄存器地址、硬件io点位直接硬绑定，每一台非标设备均需要单独开发专属控制代码，同类工艺设备无法复用程序逻辑。

4、2、通讯适配性差，扩展难度高。现有上位机控制软件的通讯驱动与业务控制逻辑深度耦合，仅支持固定通讯协议，针对搭载不同通讯接口的异构非标设备，需要修改核心代码，无法快速适配。

5、3、工艺迭代繁琐，现场适配性弱。当生产工艺、设备硬件点位微调时，需要软件开发人员修改源码、重新编译部署，现场工艺人员无法独立完成工艺调整。

6、4、集中控制实时性与可靠性不足。传统方案中，工艺逻辑执行与硬件指令翻译均集中于上位机，在复杂工艺下，集中式解析和多设备轮询导致控制周期长、实时性差；同时，一旦上位机与现场设备通讯中断，设备将失去控制，缺乏底层的离线安全自治机制，存在生产安全隐患。

7、5、无标准化解耦架构，管控碎片化。现有部分方案采用简单流程编辑功能，但仅实现了工序顺序编排，未实现硬件资源与工艺逻辑的分层解耦，流程脚本仍绑定硬件底层参数，无法实现跨设备通用适配。综上，亟需一种全新的、基于分层元模型解耦的配置式上位机非标设备控制方案，并在架构上实现分布式协同与边缘自主控制，以系统性解决上述技术缺陷。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，提供一种基于分层元模型解耦的上位机非标设备工艺控制方法，通过四层分层元模型架构实现工艺逻辑与硬件资源的完全解耦，并引入边缘协议适配终端将指令翻译工作分布式下沉至设备侧，实现上位机与边缘侧的解耦协同。在保留工艺脚本跨异构设备通用复用、无需源码修改与重新编译等优势的同时，显著提升控制实时性，并在通讯中断时具备离线安全自治能力，大幅提升系统的可靠性与灵活性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于分层元模型解耦的上位机非标设备工艺控制方法，应用于包含上位机及至少一个边缘协议适配终端的控制系统，包括以下步骤：

3、s1：在上位机构建分层式设备元模型，将非标设备抽象划分为基础属性层、端口资源层、动作单元层以及工艺参数层；

4、所述端口资源层登记非标设备真实硬件io点位与通讯寄存器地址；

5、所述动作单元层基于端口资源封装若干可独立执行的原子动作，为每个原子动作配置唯一逻辑标识，并建立各原子动作的逻辑标识与其所封装的端口资源硬件地址之间的映射关系；

6、所述原子动作仅对外暴露逻辑功能定义，不直接绑定硬件通讯地址；根据目标非标设备的硬件参数、通讯配置与工艺要求，生成包含所述映射关系及四层模型参数的元模型配置文件。

7、s2：所述上位机通过内置的多协议动态适配层，用于加载元模型配置文件中的通讯参数，自动匹配并启动对应的工业通讯协议驱动，与边缘协议适配终端建立双向通讯链路，并将元模型配置文件下发并存储至所述边缘协议适配终端；

8、s3：所述上位机提供可视化工艺编辑界面，以动作单元层封装的原子动作为最小执行单元，搭配多种逻辑控件编排完整生产工艺流程，自动生成标准化工艺流程脚本；

9、所述工艺流程脚本仅引用原子动作的唯一逻辑标识，不包含任何硬件io点位、寄存器地址等硬件底层信息；

10、s4：所述上位机运行控制引擎加载工艺流程脚本，在工艺流程执行过程中，将工艺流程脚本中的逻辑动作标识序列按序发送至边缘协议适配终端；

11、所述边缘协议适配终端依据本地存储的元模型配置文件中的逻辑标识-硬件地址映射关系，将接收到的逻辑动作标识动态翻译为适配当前非标设备的硬件读写控制指令并下发执行；

12、同时实时采集非标设备的运行状态、传感器数据与动作反馈信号，结合工艺参数层预设阈值执行正常工艺流转或将异常状态上报至上位机触发异常处理逻辑；

13、s5：所述上位机结构化采集并持久化存储来自边缘协议适配终端的设备运行参数、工艺执行日志、设备故障信息与生产结果数据，支持数据追溯、参数查询与工艺报表生成。

14、作为上述技术方案的改进，所述四层设备元模型的具体配置逻辑为：

15、用于存储非标设备的静态标识参数的基础属性层；

16、用于统一登记设备所有硬件资源的端口资源层；

17、用于对端口资源进行业务逻辑封装的动作单元层；

18、用于配置设备生产工艺的动态参数的工艺参数层。

19、作为上述技术方案的改进，所述多协议动态适配层内置modbus-rtu、modbus-tcp、rs232、rs485、canopen、自定义tcp工业协议驱动。

20、作为上述技术方案的改进，所述可视化工艺编辑界面包含顺序执行、条件分支、循环跳转、延时等待、并行执行、异常跳转逻辑控件。

21、作为上述技术方案的改进，所述边缘协议适配终端中的异常处理逻辑包括工艺暂停、声光报警、自动复位重试、紧急停机、故障数据锁定，所有异常触发条件与处理优先级均可在工艺参数层可视化自定义配置；

22、所述上位机与边缘协议适配终端通讯中断时，边缘协议适配终端基于本地存储的元模型配置及预置的底层安全规则，自主将非标设备切换至预设的安全状态。

23、作为上述技术方案的改进，所述工艺流程脚本采用json结构化格式存储，支持导入、导出与跨设备复用。

24、作为上述技术方案的改进，所述上位机还包括定期提取设备历史运行数据与生产合格率数据，反向迭代优化工艺参数层的阈值参数的工艺自适应优化步骤。

25、作为上述技术方案的改进，一种基于分层元模型解耦的上位机非标设备工艺控制方法的控制系统，用于执行权利要求1-7任一项所述的控制方法，包括上位机及至少一个边缘协议适配终端；

26、所述上位机包括：用于可视化配置、编辑、存储四层设备元模型，生成标准化设备元模型配置文件，完成原子动作逻辑标识与硬件资源的映射绑定，并下发至边缘协议适配终端的元模型配置模块；

27、用于加载各类工业协议驱动，建立上位机与所述边缘协议适配终端的双向通讯链路的多协议通讯适配模块；

28、用于提供可视化工艺编辑界面，生成无硬件关联的标准化工艺流程脚本的工艺可视化编排模块；

29、用于解析工艺流程脚本，将逻辑动作标识序列发送至所述边缘协议适配终端，并接收所述边缘协议适配终端上报的设备状态与反馈的运行控制引擎模块；

30、用于设备运行数据、工艺日志、故障数据的存储、查询、追溯与报表导出的数据管理模块；

31、所述边缘协议适配终端包括：用于接收并本地存储由上位机下发的元模型配置文件的终端存储模块；

32、用于与上位机建立第一通讯链路，并通过多种工业协议接口与非标设备建立第二通讯链路的终端通讯模块；

33、用于根据所述终端存储模块中的元模型映射关系，将上位机下发的逻辑动作标识实时翻译为针对所述非标设备的硬件读写控制指令，并通过所述第二通讯链路执行读写操作的映射翻译引擎；

34、用于实时采集非标设备的运行状态与传感器数据，并在检测到异常或与上位机通讯中断时，基于本地元模型配置执行预设的本地安全逻辑的本地监控模块。

35、作为上述技术方案的改进，包括：用于接收并本地存储由上层配置系统生成的、包含原子动作逻辑标识与硬件通讯地址映射关系的元模型配置文件的终端存储模块；

36、包含至少一个上行通讯接口和至少一个下行工业现场总线接口，用于建立与上位机及非标设备的双向通讯的终端通讯模块；

37、耦合至终端存储模块和终端通讯模块，被配置为：解析来自上位机的包含逻辑动作标识的工艺指令序列，通过查询所述元模型配置文件中的映射关系，将每条逻辑动作标识转换为针对目标非标设备硬件点位的物理读写操作序列，并通过所述下行工业现场总线接口执行的映射翻译引擎；

38、耦合至所述终端通讯模块和映射翻译引擎，被配置为：实时监测与上位机的通讯链路状态及非标设备运行状态，当识别到与上位机通讯中断时，根据本地存储的元模型配置中预设的安全策略，自主生成控制指令将非标设备驱动至预设安全状态的本地监控与安全模块。

39、作为上述技术方案的改进，所述下行工业现场总线接口支持modbus-rtu、modbus-tcp、rs232、rs485、canopen协议中的至少一种；

40、所述上行通讯接口为以太网接口或无线通信接口。

41、本发明的有益效果：

42、1、实现软硬件完全解耦，打破行业核心瓶颈：通过四层元模型架构与边缘协议适配终端的分布式映射翻译，首次实现了工艺脚本、上位机控制逻辑与底层硬件io、寄存器地址的彻底分离，工艺脚本仅保留逻辑动作标识，由边缘终端根据本地映射关系实时翻译执行，真正破解了传统上位机控制软硬件强耦合的固有缺陷。

43、2、工艺脚本通用复用，大幅降低开发成本：同一套工艺流程脚本可适配多型号、多协议的异构非标设备，设备更换时仅需更新元模型配置文件并下发至边缘终端，无需修改工艺脚本与上位机代码，非标设备上位机开发周期缩短60%以上。

44、3、分布式边缘执行，显著提升控制实时性与可靠性：将指令翻译与硬件交互功能下沉至贴近设备侧的边缘协议适配终端，上位机仅需下发逻辑指令序列，大幅减少集中式解析延迟和网络负载，满足高节拍、高实时性工艺控制需求。

45、4、通讯中断离线安全自治，保障生产安全：边缘协议适配终端在本地存储完整元模型与安全策略，当与上位机通讯中断时，能自主按预设策略将设备驱动至安全状态，弥补了传统集中控制方案在断线时完全失控的安全短板。

46、5、多协议动态适配，兼容性与扩展性极强：上位机与边缘终端协同，通讯驱动与业务逻辑完全解耦，支持主流工业协议扩展，无需改动核心代码即可适配各类非标设备。

47、6、工艺迭代灵活高效，实现数据闭环优化：现场工艺人员可通过上位机可视化界面独立完成工艺编辑与参数调整，无需开发人员介入。