CN108919759A - 数字化工厂工控***及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字化工厂工控***及其数据处理方法。所述在数字化工厂工控***包括设备交互模块和云交互模块：所述设备交互模块，建立统一数据接口并对采集的数据本地处理、建立本地数据库；所述云交互模块，向外提供数据。所述数据处理方法包括在设备交互模块由数据采集层向自身应用层提供一统一的数据接口，并对不同设备提供可插拔接口；在设备交互模块对数据做预处理、清洗数据、完成数据本地处理，并将数据归为统一格式进行存储，建立本地数据库；在云交互模块，提供一套自定义的应用层通信协议，提供对外提供跨平台接口，向外提供数据。所述数字化工厂工控***及其数据处理方法，能够快速部署，适用于多种数据源，且层次清晰，性能优越。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业生产基础数据处理方法，尤其涉及一种数字化工厂工控***及其数据处理方法。
背景技术
在底层设备与上层软件***间进行软硬件集成时，OPC现已成为工业界***互联的缺省方案。OPC采用客户/服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以OPC服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，提高了***的开放性和可互操作性。
但在具体实施时，OPC并不能完全解决。首先因为自身特性原因，OPC DA在使用过程中必须配置DCOM，DCOM是微软定义的一套分布式协议，但使用前的配置非常繁琐，在跨设备部署应用后，经常出现DCOM无法访问的问题。而且DCOM会开放设备的135端口，会对设备的安全造成问题。OPC UA作为新一代的OPC 协议，不再需要DCOM支持，但是目前OPC UA的开发资料较少，成熟的SDK基本没有，技术不友好，开发难度高。从整个OPC协议来看，应用场景主要集中在工控方面，对其他应用的扩展性不好。
上述类似功能与需求，尤其是在***繁多且复杂的情况下，如果使用OPC作为***间通信协议会造成很多问题，消耗大量时间在***对接上，得不偿失。
现有技术利用软件程序接口解决OPC服务器与客户端传输问题；或实现OPC实时数据采集、历史数据库存储与云平台对接，或利用OPC UA的自身特性进行数据的透明化采集与集成；或从数据流角度进行集成，并通过断点续传保证数据的完整性。但现有技术存在的问题：从个别侧面强调某一实现方法，尤其是主张自研软件开发的专利没有经过现场的充分验证，应用层调用依然繁琐，区分不同平台、不同语言，且数据数据庞杂，无法提供统一的接口和相关开发工具；对外提供层对底层通用程度不高，往往只针对某一个或者某一类型的设备，无法满足整个工厂的需求。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中对应用层无法提供统一的接口和相关开发工具，应用层调用依然繁琐的问题,提供一种数字化工厂工控***及其数据处理方法。
一种数字化工厂工控***，包括设备交互模块和云交互模块：
所述设备交互模块，是在底层设备工控***数据采集层建立统一数据接口；并对采集的数据本地处理、建立本地数据库；
所述云交互模块，是在底层设备工控***数据调度层对外提供跨平台、不受语言限制的接口，向外提供数据。
在其中一个实施例中，所述设备交换模块定义的统一的数据调用接口，对不同设备提供可插拔的接口，所述调用接口为其他组件提供了统一数据调用方法，其他组件均通过此接口获得数据。
在其中一个实施例中，所述数据调用接口通过实现可插拔的功能模块支持不同数据源，包括标准协议设备的数据、第三方OPC设备的数据及数据库数据，数据源更改时，只需要更换对应的接口实现，避免修改上层应用内容。
在其中一个实施例中，所述云交互模块用于提供一种实现数据无障碍对外传输的通用对外接口，所述通用对外接口用于提供一套通用的数据。
在其中一个实施例中，所述本地处理，用于在数据传输之前进行数据预处理，去除无效数据、脏数据。
在其中一个实施例中，其特征在于，采用关系型数据库存储工具建立本地数据库。
在其中一个实施例中，其特征在于，所述数据预处理后具备统一格式。
一种数字化工厂工控***的数据处理方法，所述数据处理方法包括：
在设备交互模块由数据采集层向自身应用层提供一个统一的数据接口，并对不同设备提供可插拔的接口；
在设备交互模块对数据做预处理、清洗数据、完成数据本地处理，并将数据归为统一格式进行存储，建立本地数据库；
在云交互模块，提供了一套自定义的应用层通信协议，提供对外提供跨平台接口，向外提供数据。
在其中一个实施例中，所述对外接口提供了一套自定义的应用层通信协议，所述应用层通信协议加密前的报文格式为id+data+checkCode+timestamp，所述id、data、checkCode、timestamp间以“&！#”进行连接。
本发明结合铸造企业数字化工厂底层工控***间常见的数据集成案例，以
业界使用最普遍的HTTP和OPC DA通信为基础，通过数据采集、数据预处理数据共享等技术搭建一种数字化工控***和实现一种数字化工控***数据处理方法，实现以下有益效果：
I、快速部署：在有OPC Server或MySql的设备上通过简单配置采集源参数，可在几分钟内将数据接入本地数据库用于共享。
II、适用于多种数据源：以数据为核心，支持接入OPC，MySql，SqlServer，Redis等常见数据源，足以应付市面上常见的大多数应用；
III、层次清晰：将整个软件架构按照功能加入设备交互模块、云交互模块，将数据处理按采集数据层提供统一接口、数据本地处理、对外提供数据三个逻辑步奏划分，不同组件间交互基本通过统一接口完成，相应工作可由一个工程师独立完成，也可由多个工程师配合完成，功能开发相对独立，开发速度快，各组件间耦合低；
IV、性能优越：对大量的采集需求，仅需要一台普通配置的工控机即可完成，经测试在一秒内可以收集超过300个变量。
附图说明
图1为设备交互模块及云处理模块示意图。
图2为数据采集层提供统一接口示意图。
图3为本地处理层预处理数据后建立本地数据库的步奏示意图。
图4为对外提供层提供数据对外数据接口示意图。
图5为应用层通信协议中客户端建立连接方式。
图6应用层通信协议中断开连接方式。
具体实施方式
如图1所示，在数字化工厂工控数据***中建立设备交互模块，云交互模块，通过在底层设备工控***数据采集层建立统一数据接口、对采集的数据本地处理，在对外提供一套通数据，使得底层基础数据能够方便地提供到第三方平台上。对上述云交互模块对外接口提供了一套自定义的应用层通信协议，所述通信协议报文短，简洁，占用带宽低，容错率高，解决了现有底层设备工控***及工控***数据处理方法在***繁多且复杂的情况下，使用OPC作为***间通信协议会造成消耗大量时间在***对接上，且数据庞杂。
在设备交互模块，由数据采集层向自身应用层提供一个可统一的数据接口。
数字化工厂数据交换***在与底层交互时主要面对两类采集源，标准协议设备的数据、第三方OPC设备的数据及数据库数据等。
将数据源转化为OPC或数据库后，不同设备的差异已经降低了很多，但是任然无法达到对其他组件提供统一数据调用方法的要求，为解决这个问题，需要定义一个统一的数据调用接口，其他组件均通过此接口获得数据，对不同数据源提供不同的接口实现，数据源更改时，只需要更换对应的接口实现，上层应用不用做任何修改。即通过实现可插拔的功能模块支持不同数据源。
其中一实施例中，所述数据库提供的数据分为两种情况。第一种是需要定时采集，保存，常用于故障排查、统计分析与可视化展示，前者如浇注工位的真空负压值丢失，造成浇注报告不能自动生成问题，排查时可调取存至数据库中的负压值历史数据，判断到底是偶发性断网、操作工未按照规定操作或是程序BUG导致的原因；后者如铸造工厂的温湿度环境参数等；第二种情况供其他***调用的数据。如光谱分析仪检测试块的成份质量参数，3D砂型打印机所需的型砂、树脂、固化剂、清洗剂的理化参数等。
在设备交互模块，通过对数据做预处理、清洗数据、完成数据本地处理，并将数据归为统一格式进行存储，建立本地数据库。
在生产单元或生产线建设及改造的工程实践中，各个***数据存储格式不统一、数据质量参差不齐，从而导致进行数据采集时会出现大量无效数据、冗余数据等。为确保传输效率，减少本地存储需要占用的资源，在传输之前首先要进行数据预处理，处理之后的值通过将数据转换为二进制编码进行存储，在保证数据不失真的情况下尽量占用更少的资源。
其中一实施例中，所述数据预处理，常见的数据处理方法有设定有效值、大于或小于这个值的数据视为无效数据；设定死区，数据值在一个区间范围内时视为有效数据；脏数据处理，删除缺失值、异常值、不一致的值、重复数据及含有特殊符号（如#￥*)的值。
其中一实施例中，所述预处理后的数据至少要具备设备唯一识别号、采集时间、采集质量、数据名称、数据值这几个基本变量。
其中一实施例中，所述变量存储类型的选择上，尽量选择占用位数较少的基本类型，例如：无符号数据使用TINYINT，信号量使用BIT，时间采用uinx时间戳作为INT，提高空间利用率。
其中一实施例中，所述数据库的存储格式采用关系型数据库存储工具,如mysql 、SQL Server、Oracle、Sybase、DB2等，此类数据库存储工具技术成熟，使用效果好。
在云交互模块，对外提供跨平台、与语言无关的接口，向外提供数据。
对外提供方面，因接收数据的平台（或***）是多种多样的，因此需要提供一套可通用的数据，所述数据与对接的平台（或***）无关、无对接平台（或***）所使用的语言无法，要实现数据的自由对接，所述对外提供层提供了一种通用对接接口，从而实现数据的无障碍对外传输。目前主流的数据无障碍传输首选应用层协议为HTTP协议，但HTTP协议报文较为复杂，数据载荷不高，在建立协议时需要进行三次握手，在断开时需要四次握手，消耗大量带宽。因此本***重新实现了应用层通信协议。
目前主流的数据无障碍传输首选应用层协议为HTTP协议，但HTTP协议报文较为复杂，数据载荷不高，在建立协议时需要进行三次握手，在断开时需要四次握手，消耗大量带宽。所述通信协议报文短，简洁，占用带宽低，容错率高，有效解决目前主流数据的协议存在的问题。
其中一实施例中，所述自定义应用层通信协议，首先由客户端建立连接，向服务端发送一个随机数作为clientId，当前unix作为timestamp。在收到报文后由服务器端验证timestamp，若在有效时间内则生成一个128bit的uuid，取当前unix时间戳作为timestamp，将clientId+uuid +timestamp作为客户端的唯一标记返回给客户端。断开连接时，由客户端向服务端发送客户端唯一标示clientId+uuid +timestamp。服务端向客户端返回唯一标示+dis，clientId+uuid +timestamp作为连接断开信号。协议加密前的报文格式为id+data+checkCode+timestamp，不同部分间以“&！#”进行连接。id的取值范围为0<=id<=10000，由报文发送方维护，每次发出的报文id应为上次发送报文的id+1，当上次报文id为10000时，本次报文id为0。
Data部分为数据部分，数据格式为key：value多个键值对中间以&连接。
checkCode为数据有效验证部分，首先有
T mod P == 0 ……(1)
T = 2n-kD + F …… (2)
之后，约定好整数P，发送方在发送前通过(1)和(2)式确定并填充F，然后发送。接收方收到数据，进行 result = T mod P 运算，当且仅当result = 0时接收方认为没有差错。
Timestamp作为时间戳用来确定报文的实效性，值为当前的uinx时间戳。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性劳动就可以对其中的一些技术特征做出替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种数字化工厂工控***，其特征在于，包括设备交互模块和云交互模块：
所述设备交互模块，是在底层设备工控***数据采集层建立统一数据接口；并对采集的数据本地处理、建立本地数据库；
所述云交互模块，是在底层设备工控***数据调度层对外提供跨平台、不受语言限制的接口，向外提供数据。
2.根据权利要求1所述的一种数字化工厂工控***，其特征在于，所述设备交换模块定义的统一的数据调用接口，对不同设备提供可插拔的接口，所述调用接口为其他组件提供了统一数据调用方法，其他组件均通过此接口获得数据。
3.根据权利要求1所述的一种数字化工厂工控***，所述数据调用接口通过实现可插拔的功能模块支持不同数据源，包括标准协议设备的数据、第三方OPC设备的数据及数据库数据，数据源更改时，只需要更换对应的接口实现，避免修改上层应用内容。
4.根据权利要求1所述的一种数字化工厂工控***，其特征在于，所述云交互模块用于提供一种实现数据无障碍对外传输的通用对外接口，所述通用对外接口用于提供一套通用的数据。
5.根据权利要求1所述的一种数字化工厂工控***，其特征在于，所述本地处理，用于在数据传输之前进行数据预处理，去除无效数据、脏数据。
6.根据权利要求1所述的一种数字化工厂工控***，其特征在于，采用关系型数据库存储工具建立本地数据库。
7.根据权利要求1所述的的种数字化工厂工控***，其特征在于，所述数据预处理后具备统一格式。
8.一种采用如权利要求1至7中任一项所述的数字化工厂工控***的数据处理方法，其特征在于，所述数据处理方法包括：
在设备交互模块由数据采集层向自身应用层提供一个统一的数据接口，并对不同设备提供可插拔的接口；
在设备交互模块对数据做预处理、清洗数据、完成数据本地处理，并将数据归为统一格式进行存储，建立本地数据库；
在云交互模块，提供了一套自定义的应用层通信协议，提供对外提供跨平台接口，向外提供数据。
9.根据权利要求8所述的一种数字化工厂工控***的数据处理方法，其特征在于，所述对外接口提供了一套自定义的应用层通信协议，所述应用层通信协议加密前的报文格式为id+data+checkCode+timestamp，所述id、data、checkCode、timestamp间以“&！#”进行连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181130 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |