一种基于微服务架构的组态环境系统运行方法及系统

本发明涉及工业控制，具体指一种基于微服务架构的组态环境系统运行方法及系统。

背景技术：

1、数据采集监控系统广泛应用于高端装备、电力、石化等离散和流程行业。组态环境系统运行软件是数据采集监控系统中负责监视处理实时数据，执行具体控制操作与数据采集任务的软件。传统的数据采集监控系统尽管可以实现采集设备集中管理，但仍然高度依赖现场维护人员进行程序调试；同时，复杂系统建模仿真、智能运行监控等先进技术难以嵌入现有系统，需要依赖接入第三方工具软件，且难以将系统内的数据直接传入其中使用。在面临重大工程时，现有数据采集监控系统无法实现工程安全、高质量、规模化发展，急需变革软件系统架构和开发工具。

2、微服务架构采用组件化设计思想，将应用程序拆分为一系列小型的、细分的、可独立部署的、自治的服务，每个服务专注于执行特定的功能，且可以通过模板批量部署，适合大量业务配置与配置共享。由于通用微服务架构难以满足工业领域中实时性、安全性、可靠性的需求，无法直接迁移。因此目前通用的微服务架构主要用于商业互联网系统的开发，实际场景中缺乏工业专用的微服务架构系统。

3、为解决上述技术问题，中国专利公开了一种端边云的工业微服务系统、数据交互方法及介质，公开号为cn 113111374 b，其使用微服务架构实现设备数据采集与生产数据查询，无法实现复杂系统建模仿真、智能运行监控等功能需求服务的接入，根据采集到的数据进行自动化的进一步处理实现故障的预测、锁定以及对设备的调整控制。

4、中国专利还公开了一种端边云的工业微服务系统及方法，公开号为cn115022306a，其在专利cn 113111374 b的基础上添加了编解码器保障数据的安全，但是并没有解决上述提到的问题。

5、为此，亟需一种基于微服务架构的组态环境系统运行方法及系统，针对工业需求将传统微服务架构进行改造，利用微服务的思想构建一种适应工业场景的系统架构，创新性地提出混合流数据接入、复杂系统建模仿真、数据智能运行监控三类微服务功能模块一体化开发，实现组态程序编写、编排、部署、执行全流程一体化。这可以很好解决高端工程中数据采集监控系统系统复杂、耦合程度高以及与第三方工具软件间的数据互通困难导致的开发、拓展困难等问题，并可通过云端进行程序部署，减少现场调试需求。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于微服务架构的组态环境系统运行方法及系统，以解决上述技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

3、一种基于微服务架构的组态环境系统运行系统，包括：微服务功能模块集合、组态开发工具软件、组态环境系统运行软件、任务执行设备集合、通信信息模型共五部分内容。

4、所述微服务功能模块集合，用于为组态开发工具软件提供编写组态程序所需的微服务功能块；

5、所述组态开发工具软件，用于编写组态程序任务，生成对应的xml任务信息文件与cpp程序代码文件；

6、所述组态环境系统运行软件，用于根据组态程序任务的信息与程序代码，将所述组态程序任务分解为多个子任务微服务，将多个子任务微服务编排部署至系统的任务执行设备集合中；

7、所述任务执行设备集合，用于接收组态环境系统运行软件部署的子任务微服务，经编译操作后将子任务置于运行时中执行；

8、所述通信信息模型，用于任务执行设备集合中若干任务执行设备中的微服务之间的数据传输，以及任务执行设备中的微服务与工业云服务器之间数据调用。

9、作为优选，所述微服务功能块包括混合流数据接入微服务、建模仿真微服务、数据智能监控微服务。

10、其中，混合流数据接入通过如rs232、rs485、modbus、can(controller areanetwork，控制器局域网总线)、ethercat(ethernet control automation technology，以太网控制自动化技术)等工业现场常用通信协议的组件与数据采集设备相连并获取实时数据；其中，所述数据采集设备包括现场控制器、传感器或摄像头。

11、其中，智能运行监控使用多源域领域泛化方法，在多源域场景下对关键零部件实现故障诊断，可注入在每个数据采集功能块中。

12、其中，复杂系统建模仿真在流程行业中通过产线数字建模对流势数据进行仿真，与工业现场实际采集的流势数据对比，实现对复杂模型的功能分析、性能分析以及可靠性分析；在离散行业中对采集到的传感器数据与虚拟仿真数据进行比对，并进行浮动阈值去噪，从而获取虚实残差，实现异常感知。

13、作为优选，所述组态开发工具软件使用iec 61131-3所规定的语言编写组态程序任务，调用微服务功能模块集合提供的微服务功能块。

14、具体的，包含微服务功能模块集合中的混合流数据接入、复杂系统建模仿真、智能运行监控等三类微服务功能模块并进行一体化开发。

15、作为优选，所述组态环境系统运行软件包括设备管理模块、任务编排模块、任务部署模块和通信模块，

16、所述设备管理模块，用于接入任务执行设备并记录其信息供任务编排模块做出任务编排决策；

17、所述任务编排模块，用于根据任务编排决策进行编排，获取任务部署策略；

18、所述任务部署模块，用于根据任务部署策略进行任务部署；

19、所述通信模块，用于提供协议通信接口将任务执行设备中微服务暴露的协议通信接口存储至数据库。

20、作为优选，所述协议通信接口为restful api通信接口、opc ua协议通信接口、modbus协议通信接口中任意一种。

21、本发明还提供了一种基于微服务架构的组态环境系统运行方法，包括如下步骤：

22、步骤1、应用组态环境系统运行软件根据组态程序任务的信息与程序代码，将组态程序任务分解为多个子任务微服务，所述组态程序任务分解的依据包括任务pou个数、各pou内功能块实例执行顺序、功能块实例输入输出引脚绑定变量信息、功能块所需执行环境；

23、步骤2、对分解得到的多个子任务微服务进行任务编排；

24、步骤3、将子任务微服务根据任务部署策略部署至系统的任务执行设备集合中；

25、步骤4、任务执行设备集合接收组态环境系统运行软件部署的子任务微服务，经编译操作后将子任务置于轻量虚拟化的运行时中执行。

26、作为优选，所述步骤2的具体方法为：

27、步骤2.1、以子任务为节点、子任务间输入输出依赖关系为边，构建用于表征组态程序任务结构的有向无环图；

28、步骤2.2、根据所述有向无环图、各子任务抽象任务规模以及任务执行设备信息对每个子任务进行编排，获取最优子任务微服务部署策略。

29、作为优选，所述步骤2.2中，获取最优子任务微服务部署策略的方法为：

30、根据任务规模与执行设备的算力进行任务编排，按照dag的广度优先搜索次序依次考虑每个任务，对于每一个任务分别计算在集群中每一台满足执行条件的任务执行设备上所需的相对执行时间，将其与该设备目前已被分配的预计执行时间相加后进行排序，将任务分配给预计最先执行完的设备，遍历完dag后，生成预计最优的集群设备任务编排策略。

31、作为优选，所述步骤3中，将子任务置于运行时中执行，包括：

32、任务执行设备本地执行；

33、使用远程调用方式，在工业云服务器中部署特定的模型，在任务执行设备的微服务运行时中调用相应的restful api接口，上传相应的参数并获得任务执行结果。

34、作为优选，所述运行时包括：

35、主运行时，负责运行时之间的逻辑关系处理；

36、子运行时，负责接收主运行时发送的执行信号运行具体的微服务功能模块，即混合流数据接入微服务、建模仿真微服务、数据智能监控微服务。

37、本发明具有以下的特点和有益效果：

38、本发明通过改造传统微服务架构实现数据采集与监控任务的部署与执行，提供了混合流数据接入、复杂系统建模仿真、智能运行监控三种功能模块一体化开发方法，无需数据导出导入，在系统内实现与先进功能模块数据高效互联互通；具备良好的拓展能力，可以满足多种不同数据接入处理、数据监控等工业领域服务的需求。

39、本发明实现组态程序任务开发、执行、监控一体化解决方案。

40、本发明降低了系统整体的耦合程度，且设备连入系统后可在线从云端进行任务部署更新，有利于系统的开发与调试。

41、本发明使用restful api或opc ua等通信协议构建了信息模型映射，实现微服务调用与数据传输，对复杂任务使用云端部署远程调用策略，兼顾了数据传输的安全性、灵活性与实时性需求。