一种基于DCS操作站的远程控制系统的制作方法

一种基于dcs操作站的远程控制系统
技术领域
1.本发明属于工业控制技术领域，具体涉及一种基于dcs操作站的远程控制系统。


背景技术：

2.工业控制(factory control)主要是指使用计算机技术、微电子技术和电气手段，使工厂的生产和制造过程更加自动化、效率化和精确化，并具有可控性及可视性。在现有工业控制系统中，工厂分散控制系统(distributed control system，dcs)一般需要与工业控制子系统(如基于可编程逻辑控制器plc的作业系统)建立链接，例如中水泵等子系统需与工厂dcs系统进行实时的数据通讯，但是，目前建立实时数据通讯的方式都是采用有线传输方式，如公开号为cn209469566u的且名称为《一种基于dcs的多种水泵控制系统》的现有专利，其中，水泵与主控柜之间均采用有线连接方式，只能适应于近距离的系统链接场景，无法满足新的远程控制需求。
3.针对上述的远程控制需求，目前也有基于地面移动通信系统来实现工业控制子系统与dcs系统的无线传输目的，但是所述地面移动通信系统仍然存有一定局限性，即在一些地区，由于所处环境恶劣，导致宏基站无法在短时间内建设，并且存在建设成本巨大等问题，进而导致这些区域为无信号覆盖区域或无本地电信运营商来提供地面移动通信网络的区域。例如在海洋、山区或沙漠等地理区域，由于宏基站架设困难，地面移动通信网络几乎不存在；又例如在偏远村庄、偏远居民点、生态区或小岛等区域，由于网络建设成本巨大，导致无本地电信运营商来提供地面移动通信网络；又例如在突发地震等自然灾害的区域，由于宏基站可能出现损害等事故，导致临时无移动信号。因此仅靠地面移动通信系统，存在因无移动信号而无法进行数据通讯/临时中断数据通讯的风险，使得无法完全确保工业控制子系统与dcs系统的数据通讯实时性。
4.由此考虑卫星通信具有覆盖面积广的特点，如何提供一种基于卫星通信技术和4g/5g通信技术的且实现工业控制子系统与dcs系统无线传输的远程控制方案，使得可以确保工业控制子系统与dcs系统的数据通讯实时性，是本领域技术人员亟需研究的课题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于dcs操作站的远程控制系统，用以解决现有基于地面移动通信系统的远程控制方案存在因无移动信号而无法进行数据通讯/临时中断数据通讯的风险，使得无法完全确保工业控制子系统与dcs系统的数据通讯实时性的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.第一方面，提供了一种基于dcs操作站的远程控制系统，包括有远端作业设备、无线通信设备、互联网络、防火墙设备和分散控制系统dcs操作站，其中，所述无线通信设备包括有接口板、网络切换开关、4g/5g路由器、调制解调模块、卫星天线和控制模块，所述接口板上布置有第一控制接口、第二控制接口、第一网络接口和第二网络接口，所述网络切换开关具有受控接口、第三网络接口、卫星通信网络接口和4g/5g网络接口；
8.所述远端作业设备通信连接所述第一网络接口，所述第一网络接口通信连接所述第二网络接口，所述第二网络接口通信连接所述第三网络接口，所述卫星通信网络接口通信连接所述调制解调模块，所述4g/5g网络接口通信连接所述4g/5g路由器，所述调制解调模块通过信号收发链路通信连接所述卫星天线，所述控制模块通过所述第一控制接口通信连接所述4g/5g路由器，所述控制模块通过所述第二控制接口通信连接所述受控接口，所述控制模块还分别通信连接所述调制解调模块和所述卫星天线；
9.所述网络切换开关，用于根据从所述受控接口输入的控制信号，二选一地切换导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口或者所述第三网络接口与所述4g/5g网络接口；
10.所述控制模块，用于实时地根据对所述4g/5g路由器和所述卫星天线的工作信号检测结果，基于预先设置的网络优先规则，实时控制所述网络切换开关执行二选一地切换导通动作，以便使所述远端作业设备能够通过所述卫星天线或所述4g/5g路由器接入所述互联网络；
11.所述dcs操作站通过所述防火墙设备接入所述互联网络，以便利用所述互联网络通信连接所述远端作业设备。
12.基于上述发明内容，提供了一种融合卫星通信技术和4g/5g通信技术的且实现工业控制子系统与dcs系统无线传输的远程控制方案，即包括有远端作业设备、无线通信设备、互联网络、防火墙设备和分散控制系统dcs操作站，其中，所述无线通信设备包括有接口板、网络切换开关、4g/5g路由器、调制解调模块、卫星天线和控制模块，所述控制模块可实时地根据对所述4g/5g路由器和所述卫星天线的工作信号检测结果，基于预先设置的网络优先规则，实时控制所述网络切换开关执行二选一地切换导通动作，以便使所述远端作业设备能够通过所述卫星天线或所述4g/5g路由器接入所述互联网络，而所述dcs操作站通过所述防火墙设备也接入所述互联网络，使得可利用所述互联网络通信连接所述远端作业设备，进而即使出现无移动信号的情况，也可以自动通过卫星通信来实现工业控制子系统与dcs系统的无线传输，使得可以确保数据通讯实时性，便于实际应用和推广。
13.在一个可能的设计中，所述控制模块，还用于在所述远端作业设备通过所述卫星天线或所述4g/5g路由器接入所述互联网络时，从所述互联网络上获取所在地区在下一个单位时期的天气预报数据，然后将所述天气预报数据输入基于神经网络的且已完成训练的预测模型，输出得到用于指示所述下一个单位时期是否为移动信号非稳定期的预测结果，最后当所述预测结果指示所述下一个单位时期为移动信号非稳定期时，在所述下一个单位时期始终控制所述网络切换开关导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口，以便使所述远端作业设备能够稳定地依次通过所述调制解调模块、所述卫星天线和卫星通信运营商网络接入所述互联网络。
14.在一个可能的设计中，当所述远端作业设备为基于modbus rtu协议进行对外通信的作业设备时，所述远程控制系统还包括有用于进行modbus rtu协议与modbus tcp/ip协议互转的协议转换设备；
15.所述协议转换设备通过rs485串行接口通信连接所述远端作业设备，所述协议转换设备还通过rj45网线接口通信连接所述第一网络接口。
16.在一个可能的设计中，实时地根据对所述4g/5g路由器和所述卫星天线的工作信
号检测结果，基于预先设置的网络优先规则，实时控制所述网络切换开关执行二选一地切换导通动作，包括：
17.实时地根据来自所述4g/5g路由器的且通过所述第一控制接口采集的在线状态灯工作信息，判断是否有4g/5g网络信号；
18.若有4g/5g网络信号，则控制所述网络切换开关执行用于导通所述第三网络接口与所述4g/5g网络接口的切换动作，以便使所述远端作业设备能够通过所述4g/5g路由器接入所述互联网络，否则控制所述网络切换开关执行用于导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口的切换动作，以便使所述远端作业设备能够依次通过所述调制解调模块、所述卫星天线和卫星通信运营商网络接入所述互联网络。
19.在一个可能的设计中，实时地根据来自所述4g/5g路由器的且通过所述第一控制接口采集的在线状态灯工作信息，判断是否有4g/5g网络信号，包括：
20.实时地接收来自所述4g/5g路由器的且通过所述第一控制接口采集的在线状态灯工作信息；
21.当所述在线状态灯工作信息指示所述4g/5g路由器的在线状态灯为亮灯时，判定有4g/5g网络信号，而当所述在线状态灯工作信息指示所述在线状态灯为熄灭时，则判定无4g/5g网络信号。
22.在一个可能的设计中，控制所述网络切换开关执行用于导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口的切换动作，包括：
23.启动计时器，并向所述调制解调模块发送启动指令，使所述调制解调模块通过发射l波段信号到所述卫星天线进行寻星；
24.若在所述计时器的计时到达预设的时长阈值前，通过信标/载波检测方式寻找到适用于卫星通信的卫星信号，则通过所述第二控制接口，向所述网络切换开关发送切换指令，使所述网络切换开关执行用于导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口的切换动作，否则向所述远端作业设备反馈通信失败消息。
25.在一个可能的设计中，所述调制解调模块采用型号为iq200系列的调制解调器。
26.在一个可能的设计中，所述卫星天线中的射频组件采用向上锁定转换器或低噪声模块转换器。
27.在一个可能的设计中，所述控制模块采用型号为stm32f407的集成电路芯片及其外围电路。
28.在一个可能的设计中，所述防火墙设备采用型号为edr-810系列的且集防火墙/nat/vpn和两层网管交换功能的工业级多端口安全路由器。
29.在一个可能的设计中，所述dcs操作站采用nt6000 v4系统，并通过其上位机组态软件kview/rt v4.0配置modbus驱动。
30.上述方案的有益效果：
31.(1)本发明创造性提供了一种融合卫星通信技术和4g/5g通信技术的且实现工业控制子系统与dcs系统无线传输的远程控制方案，即包括有远端作业设备、无线通信设备、互联网络、防火墙设备和分散控制系统dcs操作站，其中，所述无线通信设备包括有接口板、网络切换开关、4g/5g路由器、调制解调模块、卫星天线和控制模块，所述控制模块可实时地根据对所述4g/5g路由器和所述卫星天线的工作信号检测结果，基于预先设置的网络优先
规则，实时控制所述网络切换开关执行二选一地切换导通动作，以便使所述远端作业设备能够通过所述卫星天线或所述4g/5g路由器接入所述互联网络，而所述dcs操作站通过所述防火墙设备也接入所述互联网络，使得可利用所述互联网络通信连接所述远端作业设备，进而即使出现无移动信号的情况，也可以自动通过卫星通信来实现工业控制子系统与dcs系统的无线传输，使得可以确保数据通讯实时性，便于实际应用和推广。
附图说明
32.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。
33.图1为本技术实施例提供的基于dcs操作站的远程控制系统的结构示意图。
具体实施方式
34.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，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述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。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
35.应当理解，尽管本文可能使用术语第一和第二等等来描述各种对象，但是这些对象不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个对象和另一个对象。例如可以将第一对象称作第二对象,并且类似地可以将第二对象称作第一对象，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
36.应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a、单独存在b或者同时存在a和b等三种情况；又例如，a、b和/或c，可以表示存在a、b和c中的任意一种或他们的任意组合；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a或者同时存在a和b等两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
37.实施例：
38.如图1所示，本实施例第一方面提供的且基于dcs操作站的远程控制系统，包括但不限于有远端作业设备、无线通信设备、互联网络、防火墙设备和分散控制系统dcs操作站，其中，所述无线通信设备包括但不限于有接口板、网络切换开关、4g/5g路由器、调制解调模块、卫星天线和控制模块，所述接口板上布置有第一控制接口、第二控制接口、第一网络接口和第二网络接口，所述网络切换开关具有受控接口、第三网络接口、卫星通信网络接口和4g/5g网络接口；所述远端作业设备通信连接所述第一网络接口，所述第一网络接口通信连接所述第二网络接口，所述第二网络接口通信连接所述第三网络接口，所述卫星通信网络接口通信连接所述调制解调模块，所述4g/5g网络接口通信连接所述4g/5g路由器，所述调制解调模块通过信号收发链路通信连接所述卫星天线，所述控制模块通过所述第一控制接
口通信连接所述4g/5g路由器，所述控制模块通过所述第二控制接口通信连接所述受控接口，所述控制模块还分别通信连接所述调制解调模块和所述卫星天线；所述网络切换开关，用于根据从所述受控接口输入的控制信号，二选一地切换导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口或者所述第三网络接口与所述4g/5g网络接口；所述控制模块，用于实时地根据对所述4g/5g路由器和所述卫星天线的工作信号检测结果，基于预先设置的网络优先规则，实时控制所述网络切换开关执行二选一地切换导通动作，以便使所述远端作业设备能够通过所述卫星天线或所述4g/5g路由器接入所述互联网络；所述dcs操作站通过所述防火墙设备接入所述互联网络，以便利用所述互联网络通信连接所述远端作业设备。
39.如图1所示，在所述远程控制系统的具体结构中，所述远端作业设备为工厂布置于远端的且受控于所述dcs操作站的作业设备，例如具有plc(programmable logic controller，可编程逻辑控制器)的中水泵等子系统，其可通过plc控制本地设备并实现本地设备的启停控制、自动控制、数据采集、报警、监视以及通讯等目的。所述接口板为提供多样化接口的电路板，其中的所有控制接口以及所有网络接口均为现有接口，例如，控制接口可以但不限于采用rs-232标准接口，而网络接口可以但不限于采用rj45网线接口。所述网络切换开关的内部具体结构可基于现有开关结构常规得到，同时其中的所述第三网络接口、所述卫星通信网络接口和所述4g/5g网络接口也可以但不限于同时采用rj45网线接口。所述4g/5g路由器用于作为在4g/5g网络中的一种网关设备，以便无线接入互联网，其也可以采用现有产品实现，例如采用型号为“雁飞5g工业网关1号”的无线路由产品。所述调制解调模块一方面用于在收到来自所述控制模块的启动指令后，通过所述信号收发链路向所述卫星天线发射l波段信号，以便进行寻星，另一方面用于在通过所述信号收发链路收到由所述卫星天线接收的卫星信号后，对该卫星信号进行解调，并将解调结果传送至所述卫星通信网络接口，以便最终反馈给所述远端作业设备；具体的，所述调制解调模块可以但不限于采用型号为iq200系列的调制解调器，同时还需要插入中国电信三大运营商(即中国移动、中国电信和中国联通)的卡或物联卡并开通后才可投入使用。所述卫星天线用于进行卫星信号的收发，以便接入卫星通信运营商网络；具体的，所述卫星天线中的射频组件可以但不限于采用向上锁定转换器(block up converter，缩写buc)或低噪声模块转换器(low noise block converter，缩写lnb)等。
40.所述控制模块为整个无线通信设备的核心，其可以但不限于采用型号为stm32f407的集成电路芯片及其外围电路。具体的，实时地根据对所述4g/5g路由器和所述卫星天线的工作信号检测结果，基于预先设置的网络优先规则，实时控制所述网络切换开关执行二选一地切换导通动作，包括但不限于有如下步骤s11-s12。
41.s11.实时地根据来自所述4g/5g路由器的且通过所述第一控制接口采集的在线状态灯工作信息，判断是否有4g/5g网络信号。
42.在所述步骤s11中，具体的，实时地根据来自所述4g/5g路由器的且通过所述第一控制接口采集的在线状态灯工作信息，判断是否有4g/5g网络信号，包括但不限于有：先实时地接收来自所述4g/5g路由器的且通过所述第一控制接口采集的在线状态灯工作信息；然后当所述在线状态灯工作信息指示所述4g/5g路由器的在线状态灯(即标记为“online”的指示灯)为亮灯时，判定有4g/5g网络信号，而当所述在线状态灯工作信息指示所述在线状态灯为熄灭时，则判定无4g/5g网络信号。
43.s12.若有4g/5g网络信号，则控制所述网络切换开关执行用于导通所述第三网络接口与所述4g/5g网络接口的切换动作，以便使所述远端作业设备能够通过所述4g/5g路由器接入所述互联网络，否则控制所述网络切换开关执行用于导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口的切换动作，以便使所述远端作业设备能够依次通过所述调制解调模块、所述卫星天线和卫星通信运营商网络接入所述互联网络。
44.在所述步骤s12中，若有4g/5g网络信号，则考虑卫星通信所需费用会远高于4g/5g通信所需费用(因为通过卫星通信运营商网络转接入地面的互联网络，会分别被卫星通信运营商和地面电信运营商收费，使得此时卫星通信所需费用为双重收取费用)，此时不论是否有卫星信号，都优选所述4g/5g网络接口及所述4g/5g路由器来接入所述互联网络，实现联网通信。而若无4g/5g网络信号，则需要选择所述卫星通信网络接口、所述调制解调模块及所述卫星天线来通过卫星通信运营商网络和互联网转接入所述互联网络，确保也能够实现联网通信。具体的，控制所述网络切换开关执行用于导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口的切换动作，包括但不限于有：先启动计时器，并向所述调制解调模块发送启动指令，使所述调制解调模块通过发射l波段信号到所述卫星天线进行寻星；然后若在所述计时器的计时到达预设的时长阈值前，通过信标/载波检测方式寻找到适用于卫星通信的卫星信号，则通过所述第二控制接口，向所述网络切换开关发送切换指令，使所述网络切换开关执行用于导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口的切换动作，否则向所述远端作业设备反馈通信失败消息。所述寻星的具体方式及所述信标/载波检测方式，均为现有技术手段；所述时长阈值可以举例为1分钟，若超时未寻找到适用于卫星通信的卫星信号，则表明此时也无卫星信号，无法实现联网通信。
45.所述防火墙设备用于隔离所述互联网络与所述dcs操作站，以便实现信息安全，确保工业网络安全稳定，其可优选采用型号为edr-810系列的且集防火墙/nat(network address translation，是指网络地址转换)/vpn(virtual private network，虚拟专用网络)和两层网管交换功能的工业级多端口安全路由器，以便保证隔离效果。所述dcs操作站用于根据来自所述远端作业设备的数据进行自动/人工的反馈控制，其可以但不限于采用nt6000 v4系统(即为由南京科远开发的一套分散控制系统dcs，其集过程控制和企业管理信息技术为一体，融合了当今最先进的计算机与通讯技术，由监控软件、控制网络、分散处理单元、i/o网络和io模件等部分组成，具有可靠性、开放性、可扩展性、兼容性和即插即用等特性)等，并通过其上位机组态软件kview/rt v4.0配置modbus驱动，以便能够建立通讯列表和人机界面组态等。
46.由此基于前述远程控制系统的详细描述，提供了一种融合卫星通信技术和4g/5g通信技术的且实现工业控制子系统与dcs系统无线传输的远程控制方案，即包括有远端作业设备、无线通信设备、互联网络、防火墙设备和分散控制系统dcs操作站，其中，所述无线通信设备包括有接口板、网络切换开关、4g/5g路由器、调制解调模块、卫星天线和控制模块，所述控制模块可实时地根据对所述4g/5g路由器和所述卫星天线的工作信号检测结果，基于预先设置的网络优先规则，实时控制所述网络切换开关执行二选一地切换导通动作，以便使所述远端作业设备能够通过所述卫星天线或所述4g/5g路由器接入所述互联网络，而所述dcs操作站通过所述防火墙设备也接入所述互联网络，使得可利用所述互联网络通信连接所述远端作业设备，进而即使出现无移动信号的情况，也可以自动通过卫星通信来
实现工业控制子系统与dcs系统的无线传输，使得可以确保数据通讯实时性，便于实际应用和推广。
47.优选的，所述控制模块，还用于在所述远端作业设备通过所述卫星天线或所述4g/5g路由器接入所述互联网络时，从所述互联网络上获取所在地区在下一个单位时期的天气预报数据，然后将所述天气预报数据输入基于神经网络的且已完成训练的预测模型，输出得到用于指示所述下一个单位时期是否为移动信号非稳定期的预测结果，最后当所述预测结果指示所述下一个单位时期为移动信号非稳定期时，在所述下一个单位时期始终控制所述网络切换开关导通所述第三网络接口与所述卫星通信网络接口，以便使所述远端作业设备能够稳定地依次通过所述调制解调模块、所述卫星天线和卫星通信运营商网络接入所述互联网络。前述的单位时期可以但不限于为10分钟、30分钟或1小时等，因此所述下一个单位时期可以但不限于为未来10分钟、未来30分钟或未来1小时等。所述神经网络可以但不限于采用反馈神经网络或卷积神经网络等。所述预测模型的所需训练样本可以通过历史收集的天气预报数据和对所述4g/5g路由器的工作信号检测结果整理得到：若根据对所述4g/5g路由器的工作信号检测结果发现在某个历史单位时期存在移动信号非稳定情况(例如发现所述4g/5g路由器的在线状态灯在所述某个历史单位时期内的熄灭次数超过预设阈值)，则可将与所述某个历史单位时期对应的天气预报数据作为正样本，反之则作为负样本。基于前述这些正负样本，即可通过常规的模型训练方式提前训练得到所述预测模块，并可实时地进行在线训练。由此通过前述预测及控制，可以避免在移动信号非稳定期频繁切换所述网络切换开关，进而既可保障所述网络切换开关的使用寿命，又可进一步确保不会因频繁切换而影响数据通讯的实时性。
48.优选的，当所述远端作业设备为基于modbus rtu协议进行对外通信的作业设备时，所述远程控制系统还包括有用于进行modbus rtu协议与modbus tcp/ip协议互转的协议转换设备；所述协议转换设备通过rs485串行接口通信连接所述远端作业设备，所述协议转换设备还通过rj45网线接口通信连接所述第一网络接口。所述modbus rtu协议是一种开放的串行协议，广泛应用于当今的工业监控设备中；该协议使用rs-232或rs-485串行接口进行通信，并得到市场上几乎所有商业scada(supervisory control and data acquisition，即数据采集与监视控制系统)、hmi(human machine interface的缩写，“人机接口”)和opc(ole for process control的缩写)服务器和数据采集软件程序的支持。由于所述modbus rtu协议使用主/从技术在设备之间进行通信(即意味着，任何使用modbus rtu协议的应用程序都将有一个modbus主站和至少一个modbus从站)，因此可以将所述协议转换设备作为modbus主站，而将所述远端作业设备作为modbus从站。
49.综上，采用本实施例所提供的且基于dcs操作站的远程控制系统，具有如下技术效果：
50.(1)本实施例提供了一种融合卫星通信技术和4g/5g通信技术的且实现工业控制子系统与dcs系统无线传输的远程控制方案，即包括有远端作业设备、无线通信设备、互联网络、防火墙设备和分散控制系统dcs操作站，其中，所述无线通信设备包括有接口板、网络切换开关、4g/5g路由器、调制解调模块、卫星天线和控制模块，所述控制模块可实时地根据对所述4g/5g路由器和所述卫星天线的工作信号检测结果，基于预先设置的网络优先规则，实时控制所述网络切换开关执行二选一地切换导通动作，以便使所述远端作业设备能够通
过所述卫星天线或所述4g/5g路由器接入所述互联网络，而所述dcs操作站通过所述防火墙设备也接入所述互联网络，使得可利用所述互联网络通信连接所述远端作业设备，进而即使出现无移动信号的情况，也可以自动通过卫星通信来实现工业控制子系统与dcs系统的无线传输，使得可以确保数据通讯实时性，便于实际应用和推广。
51.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。