一种5G网络云-端协同的虚拟PLC控制方法及系统与流程

一种5g网络云-端协同的虚拟plc控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及plc控制技术领域，特别涉及一种5g网络云-端协同的虚拟plc控制方法及系统。


背景技术：

2.目前工业物联网控制需要实时处理海量现场数据并输出控制指令，数据驱动控制模型需混合使用离线和在线数据，各种网络连接使控制系统架构日趋复杂，这些对控制系统提出要具备高容量网络带宽、高性能计算资源、自适应软件架构以及智能计算框架的要求。具有适应性和敏捷性的云计算可以被认为是应用于未来工业自动化系统有效的解决方案，而5g通讯网络具有低时延、大带宽、广连接等特点，5g与云计算融合将广泛深入地推动信息技术的应用发展。
3.传统的plc硬件厂家都有自己的通信协议，具有不开放、不可扩展以及不可兼容的特点，这对于硬件集成和控制能力扩展是非常制约的。本发明创新开发了5g网络云-端协同的虚拟plc控制方法，研究5g网络下云化集中控制技术，采用一种云服务融合控制模式的工业自动化架构，在私有云服务器中部署虚拟plc软件，将控制指令作为服务通过5g网络传递到现场设备，使得plc与工业互联网平台直接相通具有互操作性，实现智能化和自我感知，并且修改和升级plc不再依赖特定厂商，是未来实现erp、mes和工业app直接驱动控制系统，实现大数据驱动敏捷控制的一项重要举措。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种5g网络云-端协同的虚拟plc控制方法及系统，创新开发了5g网络云-端协同的虚拟plc控制方法，研究5g网络下云化控制技术，采用一种云网融合的工业控制架构，在私有云服务器中部署软件定义的plc，将控制指令作为服务通过5g网络传递到现场设备，使得plc与工业互联网平台直接相通具有互操作性，实现智能化和自我感知，并且修改和升级plc不再依赖特定厂商，是未来实现erp、mes和工业app直接驱动控制系统，实现大数据驱动敏捷控制的一项重要举措。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
6.一种5g网络云-端协同的虚拟plc控制方法，包括如下步骤：
7.步骤一、云平台基础服务部署
8.利用虚拟化技术，将云服务器中一部分物理资源抽象构建逻辑资源层，安装强实时性操作系统支持应用部署，部署软件定义plc的开发环境和运行环境，包含设备组态、算法组态、编译调试器等核心组件，支持循环、周期、触发式调度，整合以太网、现场总线多种协议功能，对单个软件定义plc资源再分割，虚拟化配置出多个虚拟plc，从功能上替换plc控制器硬件的cpu部份，硬件驱动、系统接口抽象化设计，软件定义的plc与i/o模块建立通讯连接；
9.步骤二、i/o模块与云端信息交互
10.依靠5g mec高质量网络，i/o模块连接5g网关与云端虚拟plc建立云-端4.9ghz专网通讯，分别在5g网关和虚拟plc设置通讯协议转换，实现云端虚拟plc与i/o模块信息交互，i/o模块采集到的信号直接5g通讯上传到达云端，云端虚拟plc在线运行控制程序，控制指令5g通讯传输至i/o模块达到控制效果。
11.进一步地，所述的步骤一中，上层在云服务器划分三个虚拟空间，分别部署vpn服务器、虚拟plc、云scada，外部与云端通过vpn服务器这个唯一接口进行数据交换，同时vpn服务器也具有云防火墙作用，便于安全管控；下层只保留采集模块硬件，由云服务器上的虚拟plc实现逻辑控制功能。
12.进一步地，云服务器到plc控制器的云-端通过5g专网无线通讯，其中5g网络架构采用upf功能下沉到网络边缘部署mec方式，mec集群部署在工业园区内靠近应用场景的位置，应用场景终端接入后业务数据经过upf本地分流，无需再传输到公网。
13.进一步地，所述的步骤二的i/o模块与云端信息交互包括如下步骤：
14.步骤201、配置i/o模块内部地址信息，包括i/o设备ip地址、网关ip地址；
15.步骤202、配置i/o模块通讯参数，包括波特率设置、协议选择、通道号定义、允许延迟时间和超时设置；
16.步骤203、配置5g网关内部网络信息，包括添加网络接口、添加端口转发；添加lan口，接收发送数据包；添加端口转发，建立i/o模块与网关之间信号传输通道；
17.步骤204、在云服务器控制软件添加硬件组态组成控制框架，为虚拟plc设置管理ip地址，并添加两个虚拟通讯网口，第一虚拟端口用来5g通讯协议转换，第二虚拟通讯端口用来传输控制信号；
18.步骤205、硬件组态采用开放灵活的总线协议，设置最大允许网络延迟时间；设置i/o模块ip地址、通道数量、读写类型、i/o卡设置寄存器类型，i/o变量地址。
19.所述的开放灵活的总线协议为modbus总线协议。
20.进一步地，所述的虚拟化技术为：将一个物理硬件虚拟化为多个硬件平台，资源可按需分配和动态调整，物理资源包括cpu核心、内存、网卡。
21.进一步地，5g网络与云服务器结合形成扁平化云系统架构设计，传感器和执行器直连云端，集成数据采集、工业控制、人工智能多种功能，具有弹性伸缩与灵活扩展的优势。
22.进一步地，云服务器提供实时与非实时多应用融合的运行环境，plc控制、数据采集作为实时应用，云scada、数据库作为非实时应用。
23.本发明还提供一种5g网络云-端协同的虚拟plc控制系统，包括云服务器、5g网关、i/o模块。
24.云服务器划分三个虚拟空间，分别部署vpn服务器、虚拟plc、云scada；
25.依靠5g mec高质量网络，i/o模块连接5g网关与云端虚拟plc建立无线通讯，虚拟plc通过i/o模块进行信号采集和控制。
26.本发明还提供一种计算机的处理器，所述的计算机用于云服务器，所述的处理器运行前述的控制方法。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28.1)本发明创新开发了5g网络云-端协同的虚拟plc控制方法，研究5g网络下云化集中控制技术，采用一种云网融合的工业控制架构，在私有云服务器中部署虚拟plc软件，将
控制指令作为服务通过5g网络传递到现场设备，使得plc与工业互联网平台直接相通具有互操作性，实现智能化和自我感知，并且修改和升级plc不再依赖特定厂商，是未来实现erp、mes和工业app直接驱动控制系统，实现大数据驱动敏捷控制的一项重要举措；
29.2)系统应用后，5g网络降低时延，减少中间线缆与设备，扩大设备终端移动范围；
30.3)网络升级容易，云服务器部署的虚拟控制系统，灵活度高、可扩展，满足多样化使用需求；
31.4)虚拟通讯接口与多种协议灵活连接，支持多厂家设备互联，实现云端协同控制，提升生产效率。
附图说明
32.图1是系统网络架构图；
33.图2是5g网络云-端协同的虚拟plc控制原理图；
34.图3是网络接口与端口转发配置图。
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
36.一种5g网络云-端协同的虚拟plc控制方法，应用场景5g信号全覆盖后，plc控制器i/o模块采集设备信号，通过5g网关无线传输到云服务器，云服务器部署的虚拟化实时控制系统(虚拟plc)虚拟接口协议转化接收信号，运行逻辑控制程序输出控制信号反向无线传输给plc的i/o模块，从而实现对plc关联设备的云化控制。
37.如图1-2所示，本发明的控制方法包括如下步骤：
38.步骤一、云平台基础服务部署
39.利用虚拟化技术，将云服务器中一部分物理资源抽象构建逻辑资源层，安装强实时性操作系统支持应用部署，部署软件定义plc的开发环境和运行环境，包含设备组态、算法组态、编译调试器等核心组件，支持循环、周期、触发式调度，整合以太网、现场总线多种协议功能，对单个软件定义plc资源再分割，虚拟化配置出多个虚拟plc，从功能上替换plc控制器硬件的cpu部份，硬件驱动、系统接口抽象化设计，软件定义的plc与i/o模块建立连接；
40.步骤二、i/o模块与云端信息交互
41.依靠5g mec高质量网络，i/o模块连接5g网关与云端虚拟plc建立云-端4.9ghz专网通讯，分别在5g网关和虚拟plc设置通讯协议转换，实现云端虚拟plc与i/o模块信息交互，i/o模块采集到的信号直接5g通讯上传到达云端，工程师电脑连接cpe即可实现将控制程序编译离线下载到云端虚拟plc中，plc在线运行控制程序，控制指令5g通讯传输至i/o模块达到控制效果，例如i/o模块传给变频器启停信号，远程控制电机启停运转。
42.一、网络架构
43.如图1所示，本发明的网络架构为：上层在云服务器划分三个虚拟空间，分别部署vpn服务器、虚拟plc、云scada，外部与云端通过vpn服务器这个唯一接口进行数据交换，同时vpn服务器也具有云防火墙作用，便于安全管控；下层只保留采集模块硬件，由云服务器上的虚拟plc实现逻辑控制功能。云服务器到plc控制器的云-端通过5g专网无线通讯，其中
5g网络架构采用upf功能下沉到网络边缘部署mec方式，mec集群部署在工业园区内靠近应用场景的位置，应用场景终端接入后业务数据经过upf本地分流，无需再传输到公网。
44.二、i/o模块与云端信息交互
45.i/o模块与云端信息交互包括如下步骤：
46.步骤201、配置i/o模块内部地址信息，包括i/o设备ip地址、网关ip地址；
47.步骤202、配置i/o模块通讯参数，包括波特率设置、协议选择、通道号定义、允许延迟时间和超时设置；
48.步骤203、配置5g网关内部网络信息，包括添加网络接口、添加端口转发；添加lan口，接收发送数据包；添加端口转发，建立i/o模块与网关之间信号传输通道；
49.步骤204、在云服务器控制软件添加硬件组态组成控制框架，为虚拟plc设置管理ip地址，并添加两个虚拟通讯网口，第一虚拟端口用来5g通讯协议转换，第二虚拟通讯端口用来传输控制信号；
50.步骤205、硬件组态采用开放灵活的总线协议，设置最大允许网络延迟时间；设置i/o模块ip地址、通道数量、读写类型、i/o卡设置寄存器类型，i/o变量地址。
51.所述的开放灵活的总线协议为modbus总线协议。
52.三、控制平台的软件架构为：
53.5g网络与云服务器结合形成扁平化云系统架构设计，传感器和执行器直连云端，集成数据采集、工业控制、人工智能多种功能，具有弹性伸缩与灵活扩展的优势。云服务器提供实时与非实时多应用融合的运行环境，plc控制、数据采集作为实时应用，云scada、数据库作为非实时应用，合理分配物理资源，实现多业务安全隔离运行。将控制逻辑与专用的硬件功能解耦，通过软件定义的方式构建控制系统，在实时运行环境安装控制内核，在非实时运行环境安装开发软件和云scada。软件支持iec61131-3标准5种编程语言，支持modbustcp、opcua、mqtt、ethernet/ip等开放式总线协议，可进行设备、变量、算法组态，冗余配置，在线诊断调试等操作。云scada包含监控运行、组态管理、系统结构三个软件。监控运行软件反映现场硬件设备的实时运行情况，组态管理软件具有多人组态、监控组态、组态发布、位号查找功能，系统结构软件具有创建工程、配置工程师权限等功能。
54.四、具体实施例：云虚拟plc与siemensi/o模块建立通讯，控制电机启停变速运转。
55.1、5g网关多模式设置
56.1)配置5g网关基础网络信息，包含添加网络接口、添加端口转发如图3所示。添加lan口，接收发送数据包，建立i/o模块与网关之间信号传输通道。
57.2)添加503端口转发，数据采集通讯中将开发的modbus协议和profibus总线协议转换包导入其中，完成协议转换。
58.2、云虚拟plc组态构建及变量配置
59.1)在云服务器开发软件添加硬件组态组成控制框架，为虚拟plc控制器设置管理ip地址，并添加两个虚拟通讯网口，1-1虚拟端口用来5g通讯协议转换，1-2虚拟通讯端口用来传输控制信号。硬件组态采用开放灵活的modbus总线协议，设置最大允许网络延迟时间。
60.2)协议转换还需要在云端配置i/o点变量传递，将从站中plc变量值传递给云端虚拟plc变量，配置modbus变量-s7变量链接表，包含变量名称、类型、通讯参数。
61.3)在线-编译-离线下装-运行，出现显示networkconnected表示虚拟plc运行上线
成功。
62.4)云开发软件添加i/o模块组态，设置ai/o模块ip地址、通道数量、读写类型、i/o卡设置寄存器类型，ai/o模块分别设置3通道，每个模块地址必须连续，设置i/o变量卡地址，地址0-2为读，地址3-5为写，3变量设置为word字，用来写入寄存器控制字，4设置unit，用来写入寄存器电机转速。
63.5)配置完成后云虚拟plc与siemensi/o模块成功建立通讯，用软件编写控制电机运转程序，通过vpn下载到云端虚拟plc中，控制电机启停变速运转。
64.五、一种5g网络云-端协同的虚拟plc控制系统
65.本发明还提供一种5g网络云-端协同的虚拟plc控制系统，如图1-2所示，包括云服务器、5g网关、i/o模块；
66.云服务器划分三个虚拟空间，分别部署vpn服务器、虚拟plc、云scada；
67.依靠5g mec高质量网络，i/o模块连接5g网关与云端虚拟plc建立无线通讯，云端虚拟plc与i/o模块信息交互，虚拟plc通过i/o模块进行信号采集和控制。
68.六、一种计算机的处理器
69.本发明还提供一种计算机的处理器，所述的计算机用于云服务器，所述的处理器运行前述的控制方法。
70.以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。