基于EdgeX与PROFINETIO协议的工业云平台控制系统和方法与流程

本发明属于工业控制系统及计算机通信，具体涉及一种基于edgex与profinet io协议的工业云平台控制系统和方法。

背景技术：

1、profinet io作为一种工业以太网协议，是一种属于数据链路层的通讯协议，可以满足现代工业自动化环境中对高速、实时数据交换的严格需求，其不仅提供了稳定的网络连接，还具备完整的资料交换、参数设定及诊断机能，使得工业自动化系统能够高效、准确地运行。具体而言，profinet io在io主站控制器与io工控设备之间建立了应用关系(application relation，ar)，这种应用关系不仅仅是简单的数据通道，而是涵盖了参数传递、周期资料交换及警告处理等复杂特征的通信关系(communication relations，cr)，从而确保了数据的实时性、准确性和完整性，为工业自动化系统提供了强大的支撑。

2、传统的io主站控制器只能由特有的桌面软件(tia portal)进行数据传递，无法将数据与云平台打通，无法满足现代工业互联网的需求。然而，随着工业互联网的快速发展，对工业自动化系统的要求也在不断提高，工业互联网需要打通profinet io协议壁垒，这就要求工业自动化协议不仅要满足io主站控制器与io工控设备之间的数据传递需求，还要能够与其他系统、云平台进行对接。

3、公开号为cn114979229a的中国专利申请提供了一种基于工业互联网架构的云控制系统，由云端控制层、网关设备层和本地端构成，云端控制层通过云平台提供计算资源，网关设备层作为数据采集、数据转发的设备，确保实现本地设备与云端控制层的数据传输，本地端为工业生产现场的本地设备用于完成数据接收与上传。但其并未解决具体协议应用的问题。

4、公开号为cn111935322a的中国专利申请提供了一种基于powerlink工业协议的工业互联网控制系统及方法，包括powerlink主站网关、powerlink从站网关和采集装置，通过edgex框架将powerlink数据上传到云平台上，实现云计算和大数据分析。但不同通信协议在设计和实现上存在差异，具体体现在powerlink属于一种应用层通讯协议，数据链路层通讯协议与应用层通讯协议在实现集成方面存在差异，powerlink与云端通信的方式并不直接适用于profinet协议。

5、因此，针对profinet io协议需要提供一种方法，在不进行工业协议转换情形下，并在保留profinet io协议高速、实时的特性下，实现profinet io协议工业互联网设备云端通信。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于edgex与profinet io协议的工业云平台控制系统和方法，能够实现edgex云平台在不进行工业协议转换的情形下与profinet io协议的工控设备进行通信，实现数据上云，云端操控，同时保留了profinet io协议高速、实时的特性。

2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供的一种基于edgex与profinet io协议的工业云平台控制系统，包括：edgex云平台、profinet设备服务、profinet主站服务和profinet io工控设备；

4、所述edgex云平台用于集成profinet设备服务以远程过程调用的方式调用profinet主站服务进行与profinet io工控设备的持续通信；

5、所述profinet主站服务用于被调用后通过监听并操作网卡与网络中的profinetio工控设备进行数据交互；

6、所述profinet设备服务与profinet主站服务之间通过远程过程调用双向流的方式进行持续通信和内存数据同步；

7、所述profinet io工控设备用于控制工业现场自动化的输入和输出，并通过profinet主站服务和profinet设备服务接入edgex云平台进行数据上传和控制指令执行。

8、优选地，所述edgex云平台和profinet设备服务使用docker方式部署作为应用层应用；所述profinet主站服务使用编译后的二进制形式文件部署，以操作宿主机的内核层网卡硬件，同时具备与应用层的通信能力。

9、优选地，所述edgex云平台包括导出服务和核心服务，导出服务用于上传数据到云端或第三方信息系统，并接收来自云端的控制指令下发至核心服务，核心服务用于将控制指令下发至profinet设备服务，并接收profinet设备服务上传的数据进行数据存储、数据分析和数据转发，将数据上传至导出服务。

10、优选地，所述核心服务通过restful api接口分别与导出服务和profinet设备服务通信。

11、优选地，所述profinet主站服务用于被调用后通过监听并操作网卡与网络中的profinet io工控设备进行数据交互，包括：

12、首先，profinet主站服务监听指定的宿主机网卡用于接收profinet io工控设备上送的数据链路层报文，随后读取初始化中得到的设备名称，将设备名称写入pn-dcp报文中，构建并发送pn-dcp报文，通过数据链路层dcp协议将pn-dcp报文广播至profinet io工控设备，profinet io工控设备接收到pn-dcp报文，将设备的mac地址与ip地址通过pn-dcp回包发送至profinet主站服务，profinet主站服务接收pn-dcp回包并解析，开启udp报文监听；

13、然后，使用udp协议进行连接请求与控制请求的约定，包括：profinet主站服务构建发送pn-cm连接报文，profinet io工控设备接收pn-cm连接报文的连接请求后，进行pn-cm连接回包，profient主站服务随后接收pn-cm连接回包并进行解析，通过确认连接信息后，构建pn-cm控制报文并发送，profinet io工控设备接收pn-cm控制报文后，经内部的确认验证机制后，构建pn-cm控制报文并回复，profinet主站服务在接收并解析pn-cm控制回包后进行参数校验，校验正确后，通信准备完成；

14、最后，profinet主站服务和profinet io工控设备之间进行循环的数据通讯，发送并接收profinet io报文。

15、优选地，所述profinet设备服务与profinet主站服务之间通过远程过程调用双向流的方式进行持续通信和内存数据同步，包括：

16、profinet设备服务与profinet主站服务中各自的服务器都维护着一个数据集，通过远程过程调用在两个服务器之间进行通信并同步数据，当数据在profinet设备服务的数据集中发生变化时，profinet设备服务的服务器将使用远程过程调用向profinet主站服务的服务器发送数据更新profinet主站服务的数据集，反之亦然，实现profinet设备服务和profinet主站之间的双向流持续通信和内存数据同步。

17、优选地，在profinet io工控设备与edgex云平台建立通信前，首先准备设备接入使用文件，文件包括描述设备元信息的yaml文件、描述设备接入信息的json文件和描述设备自身信息的xml文件，其中yaml文件和json文件用于输入edgex云平台和profinet设备服务，然后通过profinet设备服务发送初始化与启动指令至profinet主站服务，profinet主站服务接收到指令后读取xml文件以完成初始化与启动操作。

18、优选地，所述设备元信息包括：设备元信息名称、资源名称、资源描述、资源值类型、资源读写性、资源默认值、资源最小值、资源最大值、资源基准值和资源偏移量；所述设备接入信息包括：本机通讯ip地址和本机通讯网卡信息；所述设备自身信息包括：设备名称、槽位号、子槽位号、偏移量、识别号、类型和数据长度。

19、优选地，profient设备服务通过yaml文件和json文件将数据或指令进行数据转换或协议解析，将数据与edgex云平台进行通信。

20、为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种基于edgex与profinet io协议的工业云平台控制方法，包括以下步骤：

21、edgex云平台控制profinet设备服务通过远程过程调用的方式传递初始化信息并启动profinet主站服务；

22、profinet主站服务启动后通过监听并操作网卡与网络中的profinet io工控设备进行数据交互；

23、profinet设备服务与profinet主站服务之间通过远程过程调用双向流的方式进行持续通信和内存数据同步；

24、profinet io工控设备通过profinet主站服务和profinet设备服务接入edgex云平台，进行数据上传和控制指令执行。

25、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

26、(1)本发明通过构建了一种基于edgex云平台与profinet io工控设备进行通信的工业云平台控制系统，能够对工控设备实时数据进行采集、识别和大数据分析，同时从云端也能够对profinet io工控设备进行指令下发和设备操控，符合未来工业互联网的发展趋势。

27、(2)本发明保留了profinet io协议的高速、实时的特性，未进行工控协议转换，能够实现毫秒级通信，有助于推动工业自动化技术的创新和发展，提高工业生产效率和质量。