CN110221567A - 基于5g物联网技术的智能管控*** - Google Patents

Abstract

本发明采用的技术方案是：一种基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于包括5G智能仪表、5G智能控制设备、5G无线接入及传输网络、移动边缘计算中心和集团大数据分析及人工智能应用中心。本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于5G物联网技术的智能管控***，通过管理及控制平台对海量数据进行大数据分析及人工智能应用实现设备的精细化运行、精细化设备管理、预测性维护、控制策略优化、数据互联互通形成整个智能控制生态***。

Description

基于5G物联网技术的智能管控***

技术领域

本发明涉及智能制造、智能工厂、智能电厂等工业控制技术领域，具体涉及一种基于5G物联网技术的智能管控***。

背景技术

DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机***，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术。DCS的过程控制站是一个完整的计算机***，主要由电源、DPU(过程控制站)、网络接口和输入输出(I/O)卡件组成，底层就地控制设备的状态信号通过硬接线或通信接入I/O卡件，经过DPU完成运算及逻辑分析形成的控制策略通过I/O卡件，硬接线或通信传送至现场设备，形成对就地设备的控制。同时经DPU完成运算及逻辑分析的结果通过人接接口在操作员站显示，为操作人员提供监控参数。

PLC、FCS对现场设备监控的方式与DCS一样，底层就地控制设备的状态信号通过硬接线或通信接入DCS的I/O卡件，经过控制器完成运算及逻辑分析形成的控制策略通过DCSI/O卡件，硬接线或通信传送至现场设备，形成对就地设备的控制。同时经控制器完成运算及逻辑分析的结果通过人接接口在操作员站显示，为操作人员提供监控参数。常规DCS、PLC、FCS等常规控制***建设需要搭建以控制***为核心的专用控制网络，需要大量的控制电缆及控制电缆施工费用，同时整个控制***为封闭的专用网络，部署及扩展困难，特别是智能物联网时代的到来，控制设备以***式速度增长，设备监控信息数据呈海量增长模式，采用人工智能技术对设备运行数据进行分析形成控制策略优化提升设备效率已经开始应用，传统的封闭式控制***已经越来越不满足当今智能制造、智能工厂、智能电厂等工业控制领域的需求。

传统控制***中存在四个数据瓶颈问题：(1)控制***底层仪表及控制设备接口及协议太多、设备不兼容、控制及管理平台难以统一的瓶颈。(2)数据传输带宽及传输速率限制造成数据传输过程中数据清洗，大量设备运行及维护信息无法突破“数据重力”的瓶颈。(3)控制及管理平台基于封闭***数据挖掘能力不足，数据难以找到盈利模式的瓶颈。(4)数据传输带宽及传输速率限制突破后，大量数据海洋无法进行大数据分析且大数据分析与人工智能结合不紧密，难以形成智能决策、预测性维护的瓶颈。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于5G物联网技术的智能管控***，通过管理及控制平台对海量数据进行大数据分析及人工智能应用实现设备的精细化运行、精细化设备管理、预测性维护、控制策略优化、数据互联互通形成整个控制生态***。

本发明采用的技术方案是：一种基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于包括5G智能仪表、5G智能控制设备、5G无线接入及传输网络、移动边缘计算中心和集团大数据分析及人工智能应用中心；

5G智能仪表，用于采集本体和测量信息并将其实时发送至5G无线接入及传输网络；

5G智能控制设备，用于采集本体信息并将其实时发送至5G无线接入及传输网络，同时接收控制信息，根据控制信息改变设备控制状态；

5G无线接入及传输网络，用于实现5G智能仪表及5G控制设备与5G网络的连接、接入安全管理、数据采集及控制指令透明传输；以及实现5G网络资源的管理、网络切片差异化服务、无线资源动态分配、无线承载控制确保数据采集及控制指令在规定时延内传输到位；

移动边缘计算中心由控制模块及管理模块组成；

集团大数据分析及人工智能应用中心，用于整个集团多个项目的移动边缘中心的数据采集，并对数据进行大数据分析及人工智能应用，指导整个集团项目的生产及运行优化。

上述技术方案中，5G智能仪表及控制设备为保证智能管控***的时延要求，将5G芯片及通信控制模块(该装置实现将5G智能仪表及控制设备本体存储器中的控制及管理数据按照5G通信协议的要求进行编码及发送)与5G智能仪表及控制设备一体化设计，全IP接入，避免A/D,D/A转换时间，开机自动监测5G信号，自动注册，自动选择最优的传输链路，并具备断网、断信号、断电等设备运行状态信息，为保证智能管控***安全可靠，5G智能仪表及控制设备具备两种5G频段数据传输能力，当工作频段收到干扰时无缝切换至备用频段工作；每一个5G智能仪表及5G智能控制设备具有全球唯一的设备标识码，采用统一数据寄存器数据存储格式及传输协议。

上述技术方案中，5G智能仪表用于对工艺参数的采集，并将采集的信息保存在本体寄存器的采集数据区；以及采集5G智能仪表的生产厂家信息、维护信息、本体运行状态，并将采集的信息保存在本体寄存器的管理数据区；同时将采集数据、管理数据实时发送至5G无线接入及传输网络；将采集数据、管理数据实时发送至5G无线接入及传输网络。

上述技术方案中，5G智能控制设备用于对智能控制设备的运行状态参数进行采集，并将采集的信息保存在本体寄存器的采集数据区；将智能管控***发来的控制信息进行处理，并将控制信息保存在本体寄存器的控制数据区，改变控制设备控制状态，实现对工艺参数的改变；将智能控制设备的生产厂家信息、维护信息、本体运行状态等信息进行采集，并将采集的信息保存在仪表寄存器的管理数据区；将采集数据、管理数据实时发送至5G无线接入及传输网络，实时接收5G无线接入及传输网络传送的控制数据。

上述技术方案中，5G无线传输及接入网络由5G天线阵列接入单元及5G传输单元组成；5G天线阵列接入单元模块实现厂区内5G智能仪表及控制设备与5G网络的连接、接入安全管理、数据采集及控制指令透明传输；5G传输单元模块实现5G网络资源的管理、网络切片差异化服务、无线资源动态分配、无线承载控制确保数据采集及控制指令在规定时延内传输到位；5G天线阵列接入单元及5G传输单元具备两种5G频段工作能力，当工作频段收到干扰时无缝切换至备用频段工作，同时无线传输及接入网络根据现场5G智能仪表及控制设备数量及分布进行配置，无线传输及接入网络可以在5G信号覆盖范围内相互备用，确保至少有一条无线链路进行数据传输；5G无线传输及接入网络将5G数据汇聚到5G数据总线上，供边缘计算中心对数据监控及管理；5G无线传输及接入网络可以使用5G运营商公网或者企业自建5G专网。

上述技术方案中，移动边缘计算中心的控制模块包括无线资源及链路管理模块、生产过程监控模块、数据处理及存储模块、生产信息安全防护模块、控制人机接口模块及对应的人机界面，实现通过人机界面实时监控生产过程、管理及分配无线资源、报警信息显示及管理，同时实现控制数据的处理及存储、生产信息安全防护等功能；同时控制模块内部设置安全防护模块。

上述技术方案中，移动边缘计算中心管理模块包括管理信息安全防护模块、管理数据处理及存储模块、生产管理模块、能源管理模块、资产管理模块、数据分析及优化模块、管理人机接口模块及对应的人机界面、信息发布模块，实现生产及管理数据贯通，通过人机界面实时掌握生产运行状态、能源管理、资产管理，同时将管理数据存在数据库中，通过数据分析及建模、提出运行优化建议，控制逻辑组态优先方案及全厂控制及管理优化方案供管理层决策。

上述技术方案中，5G智能仪表及控制设备与移动边缘计算中心控制模块建立数据上传及下传链路的过程包括以下步骤：

(1)当5G智能仪表及智能控制设备通电开机，自动搜索区域范围内5G网络信号，当搜索到本范围最强信号的5G无线接入及传输网络后，向5G无线接入及传输网络发送随机接入申请；

(2)5G无线接入及传输网络自动监听到5G智能仪表及智能控制设备的接入申请后，同意5G智能仪表及智能控制设备接入，并要求5G智能仪表及智能控制设备在规定时延内完成做好注册第二步链接，链接时需要提供设备类型等信息，并等待5G智能仪表及5G智能控制设备的第二步链接请求；

(3)5G智能仪表及5G智能控制设备收到第二次链接要求后，准备相关数据，发起注册第二步链接请求；

(4)5G无线接入及传输网络自动监听到5G智能仪表及5G智能控制设备的第二步链接请求及附带的相关设备数据后，将相关设备数据发送至无线资源及链路管理模块，无线资源及链路管理模块根据设备信息及前两步接入及传输时延等参数，自动判断5G智能仪表及5G智能控制设备的网络传输配置参数范围，并将参数发送至数据处理及存储模块进行确认；并要求5G智能仪表及5G智能控制设备在规定时延内完成做好注册第三步链接，链接时需要提供设备寄存器数据大小等参数信息，并等待5G智能仪表及5G智能控制设备的第三步链接请求；

(5)5G智能仪表及5G智能控制设备收到第三次链接要求后，准备相关数据，发起注册第三步链接请求；

(6)5G无线接入及传输网络自动监听到5G智能仪表及5G智能控制设备的第三步链接请求及附带的相关设备数据后，将相关设备数据发送至数据处理及存储模块，数据处理及存储模块将收到的收据经过计算后与无线资源及链路管理模块送来的数据进行比较，以两者最优的参数作为最终5G智能仪表及5G智能控制设备的配置参数，并生成一个全厂唯一的“核心认证码”及相关配置参数，作为5G智能仪表及5G智能控制设备的身份认证及参数配置文件，送至5G智能仪表及5G智能控制设备；

(7)5G智能仪表及5G智能控制设备收到“核心认证码”及相关配置参数后，立即更新本设备配置，并按照配置与5G无线接入及传输网络链接，为下一步传输做好准备。

(8)5G智能仪表及5G智能控制设备发送配置修改完成。

(9)边缘计算中心控制模块收到5G智能仪表及5G智能控制设备发送的确认信号，至此边缘计算中心控制模块与5G智能仪表及5G智能控制设备可靠的数据上传及下传链路建立完成。

上述技术方案中，5G智能仪表及智能控制设备的实时数据的处理过程包括以下步骤：

1)5G智能仪表及智能控制设备与移动边缘计算中心模块间上传及下传链路建立完成后，智能管控***会建立以设备唯一的“核心认证码”在智能管控***中进行识别；移动边缘中心控制模块会实时根据设备唯一的“核心认证码”从5G智能仪表及智能控制设备寄存器中读取存储在采集数据区、控制数据区、管理数据区等内存中的设备运行及管理数据；

2)数据处理及存储模块根据5G智能仪表及智能控制设备的参与生产的作用，将5G智能仪表及智能控制设备划分到不同的控制逻辑子组，控制逻辑子组中5G智能仪表及智能控制设备视生产***规模需要而定；同时为每一个逻辑子组建立一个以设备唯一的“核心认证码”为索引，为每一个5G智能仪表及智能控制设备的采集数据、控制数据分配唯一的寄存器；

3)数据处理及存储模块为对应的控制逻辑子组内每一个5G智能仪表及智能控制设备配置一一对应的逻辑数据库，同时为控制逻辑子组寄存器的数据配置一一对应的储存单元，并将上述寄存器内的数据存储在逻辑数据库对应的储存单元中；控制逻辑子组及逻辑数据库均为移动边缘中心数据处理及存储模块中根据生产工艺及运行需要进行动态分配的虚拟部分，将逻辑运算及数据存储虚拟化后，将大型的计算中心、大型数据库根据需要配置；

4)管理数据区的数据数据处理及存储模块建立一个以设备唯一的“核心认证码”为索引的非逻辑数据库，直接将管理数据区的数据存入非逻辑数据库；非逻辑数据库均为移动边缘中心数据处理及存储模块中根据生产工艺及运行需要进行动态分配的虚拟部分，将非逻辑数据库数据存储虚拟化后，将大型的计算中心、大型数据库根据数据功能分别配置；

5)数据处理及存储模块根据过程控制需要设置控制逻辑子组及相应逻辑数据库后，调用无线资源及链路管理模块切片功能将控制逻辑子组中运行及生产需要的设备设置在同一个逻辑切片中；

6)数据处理及存储模块初始配置完成后，移动边缘计算中心各模块工作协同工作对生产过程进行监控流程如下：

a)数据处理及存储模块实时读取5G智能仪表设备采集数据区寄存器的数据，同时保存在逻辑子组寄存器及逻辑数据库数据储存单元中，并对控制逻辑子组寄存器中的数据进行逻辑判断，并将逻辑判定值写入逻辑子组5G智能控制设备的控制数据寄存器中及对应的逻辑数据库数据储存单元中；

b)数据处理及存储模块调用5G无线接入及传输网络，将逻辑子组寄存器中5G智能控制设备的控制数据传送至5G智能控制设备的寄存器中，5G智能控制设备根据寄存器中控制数据内容调整设备控制状态；

c)生产过程监控模块实时读取逻辑子组寄存器中的数据，并通过控制人机接口模块实时反映在人机界面上，供操作人员监视；操作人员也可以通过人机界面及人机接口模块对生产过程监控模块中的逻辑子组寄存器数据进行手动修改。

上述技术方案中，移动边缘计算中心管理模块的工作流程包括以下步骤：

(1)所有5G智能仪表及控制设备采用统一数据结构，将5G智能仪表及控制设备的数据分别存储在采集数据区、控制数据区、管理数据区，三种数据通过5G无线接入及传输网络实时传送至移动边缘计算中心控制模块，并且为每一个5G智能仪表及控制设备的管理数据区分配唯一的非逻辑数据库存储单元，所有智能设备的管理数据区按照逻辑切片存储在非逻辑数据库中；

(2)数据处理及存储模块中的逻辑数据库、非逻辑数据库存储的5G智能仪表及控制设备信息经过生产信息安全防护模块隔离后传送至智能管控***管理区；

(3)5G智能仪表及控制智能设备信息进入管理区后经过管理信息安全防护模块的隔离并镜像后进入管理数据处理及存储模块；

(4)生产管理模块通过管理人机接口模块及相应的人机界面将生产管理信息通过管理数据处理及存储模块录入管理数据库，或通过管理数据处理及存储模块对全厂生产设备运行信息进行分析及处理，实时掌握生产运行状态；

(5)能源管理模块通过管理人机接口模块及相应的人机界面将能源管理信息通过管理数据处理及存储模块录入管理数据库，或通过管理数据处理及存储模块对全厂生产设备运行信息进行分析及处理，实时掌握全厂能耗情况；

(6)资产管理模块通过管理人机接口模块及相应的人机界面将资产管理信息通过管理数据处理及存储模块录入管理数据库，或通过管理数据处理及存储模块对全厂生产设备运行信息进行分析及处理，实时掌握全厂资产管理情况；

(7)数据分析及优化模块对管理数据处理及存储模块中的全厂管控数据进行数据分析及建模、提出生产管理、能源管理、资产管理等全厂管理的优化建议，为生产及管理提供建议供管理层决策

本发明的有益效果在于：本发明将5G物联网技术应用于各类型的工厂控制及管理。5G智能仪表和5G智能设备的使用，使数据采集接口统一出现了可能，工厂运行的状态信息和控制信息均通过5G无线接入及传输网络传递或接收，使得数据垂直传输提供的数据海洋为数据挖掘、人工智能应用提供了可靠保证。移动边缘计算中心的控制模块和管理模块控的划分和功能设置便于本发明应用于工厂控制及工厂管理，同时数据在同一平台内保证了管理及控制数据的统一性及实时性，为智能化数据分析创造了有利条件。其中控制模块和管理模块分工明确、采用通用计算机服务器、数据库服务器，按照逻辑切片虚拟化配置，使得移动边缘计算中心的计算过程更为便捷、扩展更加便捷、***适用性及适用性更强。

本发明底层采用5G智能仪表及智能控制设备，通过5G网络接入、应用层采用通用计算服务器及数据库，使常规三层结构的管控***简化为两层结构的管控***，收集底层信息更快、更多，为大数据分析提供了真正的海洋数据支撑，为人工智能、控制优化提供了依据。省去了常规DCS、PLC、FCS等专用控制硬件及软件费用、节省了底层设备至管控***的计算机电缆费用及其相应的施工费用；解决了传统控制***中的四个数据瓶颈问题，实现了真正意义上的智能管控***。

附图说明

图1是本发明实施例的基于5G物联网技术的智能管控***架构及功能示意图。

图2是本发明实施例的控制***接入及身份验证示意图。

图3是本发明实施例移动边缘计算中心控制模块功能示意图

图4是本发明实施例的管控***实时数据结构示意图

图5是本发明实施例的网络切片实现管控数据分离示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对发明构成限定。

如图1所示，本发明智能管控***架构符合物联网的四层架构原则。

基于5G物联网技术的智能管控***现场感知层设备包括5G智能仪表101及5G智能控制设备102以及为考虑传统有线设备通过5G网络进行数据传输，增加5G协议转换器103，实际工厂控制***实施中将感知层设备按照工艺***功能或区域分布进行分组布置，以实现特点工艺***流程及生产线的监控，本示意图中仅仅画出两个分组，实际可以根据实际控制***规模加以扩展。5G智能仪表可以是工厂化定制的支持5G的压力变送器、流量变送器等，本实例不做限定。同理，5G智能控制设备可以是工厂化定制的电动调节阀、气动调节、变频器等控制设备，本实例不做限定。

基于5G物联网技术的智能管控***网络层是指5G无线接入及传输网络2，实际工厂控制***实施中将网络设备按照工艺***功能或区域分布进行分组布置，本示意图中仅仅画出三个分组，实际可以根据实际就地感知层设备规模及分布加以扩展。5G无线传输及接入网络为5G运营商为工厂建立的5G专用网络，可以是5G室外宏基站、室内微基站等，本实例不做限定。

基于5G物联网技术的智能管控***监控层是指实现移动边缘计算中心控制模块的功能软件及硬件、人机接口及人机界面、控制算法及控制策略、实时数据库及存储设备等。实际工厂控制***实施中根据工艺***或生产线流程上各个设备启停的顺序编制顺控逻辑图(SCS)、工艺***或生产线上改变工艺参数及生产产能的设备编制模拟量控制逻辑图(MCS)，这些控制逻辑图结合工艺仪表控制***图(P&ID图)或生产过程仪表控制***图(P&ID图)会在边缘计算中心生产过程监控模块序302中通过人机接口及人机界面上的组态软件上实现，使监控人员实时掌握工艺***或生产线上的设备的运行状态及实时根据现场数据调整设备运行。

基于5G物联网技术的智能管控***管理层是指实现移动边缘计算中心管理模块的功能软件及硬件、人机接口及人机界面、基于管理数据平台实现生产管理、能源管理、资产管理、大数据分析及优化算法、管理数据库及存储设备等。

假定图1中硬件及软件设备均已安装调试完毕，为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

以图2控制***接入及身份验证示意图为例，解释本发明实例5G智能仪表及控制设备如何利用5G网络接入控制***，建立智能仪表及控制设备与边缘计算中心控制模块建立数据上传及下传链路的过程。

(1)当图示5G智能控制设备102通电开机，自动搜索区域范围内5G网络信号，当搜索到本范围最强信号的5G无线接入及传输网络2后，向5G无线接入及传输网络2发送随机接入申请。

(2)5G无线接入及传输网络2自动监听到5G智能控制设备102的接入申请后，同意5G智能控制设备102接入，并要求5G智能控制设备102在规定时延内完成做好注册第二步链接，链接时需要提供设备类型等信息，并等待5G智能控制设备102的第二步链接请求。

(3)5G智能控制设备102收到第二次链接要求后，准备相关数据，发起注册第二步链接请求。

(4)5G无线接入及传输网络2自动监听到5G智能控制设备102的第二步链接请求及附带的相关设备数据后，将相关设备数据发送至无线资源及链路管理模块301，无线资源及链路管理模块301根据设备信息及前两步接入及传输时延等参数，自动判断5G智能控制设备102的网络传输配置参数范围，并将参数发送至数据处理及存储模块302进行确认。并要求5G智能控制设备102在规定时延内完成做好注册第三步链接，链接时需要提供设备寄存器数据大小等参数信息，并等待5G智能控制设备102的第三步链接请求。

(5)5G智能控制设备102收到第三次链接要求后，准备相关数据，发起注册第三步链接请求。

(6)5G无线接入及传输网络2自动监听到5G智能控制设备102的第三步链接请求及附带的相关设备数据后，将相关设备数据发送至数据处理及存储模块303，数据处理及存储模块303将收到的收据经过计算后与无线资源及链路管理模块301送来的数据进行比较，以两者最优的参数作为最终5G智能控制设备102的配置参数，并生成一个全厂唯一的“核心认证码”及相关配置参数，作为5G智能控制设备102的身份认证及参数配置文件，送至5G智能控制设备102。

(7)5G智能控制设备102收到“核心认证码”及相关配置参数后，立即更新本设备配置，并按照配置与5G无线接入及传输网络2链接，为下一步传输做好准备。

(8)5G智能控制设备102发送配置修改完成。

(9)移动边缘计算中心控制模块30收到5G智能控制设备102发送的确认信号，至此移动边缘计算中心控制模块30与5G智能控制设备102可靠的数据上传及下传链路建立完成。

所控范围内的5G智能仪表及智能控制设备均按照上述流程进行接入及身份验证并成功建立与控制***的链接后，管控***可以依靠边缘计算中心控制模块强大的数据逻辑运算能力、数据储存能力及运行虚拟化手段将整个运算能力及储存能力虚拟化，根据现场5G智能仪表及智能控制设备的参数实现对管控***初始化、实时数据进行处理从而实现对生产过程进行监控。以图3边缘计算中心控制模块功能及图4管控***实时数据结构示意图为例，解释本发明管控***的是如何利用5G智能设备的实时数据实现生产过程工艺参数监视、控制逻辑分析、控制逻辑下发从而生产过程监控及实时数据存储的功能。

1)前已述及，就地智能仪表及智能控制设备与管控***的边缘计算中心模块30间建立连接后，管控***会建立以设备唯一的“核心认证码”在管控***中进行识别；边缘中心控制模块会实时根据设备唯一的“核心认证码”从智能设备寄存器中读取存储在采集数据区、控制数据区、管理数据区等内存中的设备运行及管理数据。

2)数据处理及存储模块303根据智能生产线或智能工厂中的智能仪表及智能控制设备的参与生产的作用，将智能仪表及智能控制设备划分到不同的控制逻辑子组(如水泵的控制子组，皮带传输子组等)，控制子组中5G智能仪表及智能控制设备视生产***规模需要而定，本实例不做限定。同时为每一个逻辑子组建立一个以设备唯一的“核心认证码”为索引，为每一个智能设备的采集数据、控制数据分配唯一的寄存器。

3)数据处理及存储模块30为对应的控制逻辑子组配置一一对应的逻辑数据库，同时为逻辑子组寄存器的数据配置一一对应的储存单元，并将这些寄存器内的数据存储在逻辑数据库对应的储存单元中。逻辑子组及逻辑数据库均为边缘中心数据处理及存储模块303中根据生产工艺及运行需要进行动态分配的虚拟部分，将逻辑运算及数据存储虚拟化后，将大型的计算中心、大型数据库根据需要配置，节省了运算及查询时间。

4)因为设备管理数据不参与生产过程控制，管理数据区的数据数据处理及存储模块303建立一个以设备唯一的“核心认证码”为索引的非逻辑数据库，直接将管理数据区的数据存入非逻辑数据库中。同理，非逻辑数据库均为边缘中心数据处理及存储模块303中根据生产工艺及运行需要进行动态分配的虚拟部分，将非逻辑数据库数据存储虚拟化后，将大型的计算中心、大型数据库根据数据功能分别配置，实现了设备管理数据及控制数据的分离。

5)数据处理及存储模块303根据过程控制需要设置逻辑子组及相应逻辑存储数据库后，调用无线资源及链路管理模块303切片功能将逻辑子组中运行及生产需要的设备设置在同一个逻辑切片中。从而保证了现场智能设备寄存器、逻辑子组寄存器、逻辑数据库中数据存储单元数据的统一性及实时性，保证了管控***的实时性。

6)数据处理及存储模块303初始配置完成后，以管控***中5G智能仪表设备1(核心认证码1)与5G智能控制设备2(核心认证码2)完成单回路闭环控制逻辑子组为例，简述边缘计算中心各模块工作协同工作对生产过程进行监控流程如下：

a)数据处理及存储模块303实时读取5G智能仪表设备1(核心认证码1)采集数据区寄存器的数据，同时保存在逻辑子组寄存器及逻辑数据库数据储存单元中，并对逻辑子组寄存器中的数据进行逻辑判断(如数据超限是否超限，是否需要调整5G智能控制设备2(核心认证码2)的运行状态等，逻辑判定根据生产运行需要，本实例不做限定)，并将逻辑判定值写入逻辑子组5G智能控制设备2(核心认证码2)的控制数据寄存器中及对应的逻辑数据库数据储存单元中。

b)数据处理及存储模块303调用5G无线接入及传输网络2，将逻辑子组寄存器中5G智能控制设备2(核心认证码2)的控制数据传送至就地5G智能控制设备2寄存器中，就地设备根据寄存器中控制数据内容调整设备控制状态。

c)生产过程监控模块302实时读取逻辑子组寄存器中的数据，并通过控制人机接口模块305实时反映在人机界面上，供操作人员监视。操作人员也可以通过人机界面及人机接口模块305对生产过程监控模块302中的逻辑子组寄存器数据进行手动修改，从而实现手动控制的目的。

以上以单回路闭路控制为例，说明了边缘计算中心控制模块的工作流程。

下面以图5中5G网络切片实现管控数据分离示意图为例，解释本发明边缘计算中心管理模块如何的工作流程，最终达到管控数据分离及边缘计算中心控制及管理模块相结合实现管控数据一体化平台功能。

(1)前已述及，所有智能控制仪表及控制设备采用统一数据结构，将智能控制仪表及控制设备的数据分别存储在采集数据区、控制数据区、管理数据区，三种数据通过5G接入机传输网络，实时传送至移动边缘计算中心控制模块，并且为每一个智能设备的管理数据区分配唯一的非逻辑数据库存储单元，所有智能设备的管理数据区按照逻辑切片存储在非逻辑数据库中。

(2)数据处理及存储模块303中的逻辑数据库、非逻辑数据库存储的智能设备信息经过生产信息安全防护模块304隔离后传送至控制***管理区。

(3)智能设备信息进入管理区后经过管理信息安全防护模块311的隔离并镜像后进入管理数据处理及存储模块312，确保管理数据处理及存储模块312模块中的数据包含数据处理及存储模块303中数据，同时确保了管理和控制数据的分离。

(4)生产管理模块313可以通过管理人机接口模块317及相应的人机界面将生产管理信息通过管理数据处理及存储模块312录入管理数据库，也可以通过管理数据处理及存储模块312实时掌握生产运行状态(如生产效能损耗、生产人员分配、生产计划执行情况等)。

(5)能源管理模块314可以通过管理人机接口模块317及相应的人机界面将能源管理信息通过管理数据处理及存储模块312录入管理数据库，也可以通过管理数据处理及存储模块312实时掌握全厂能耗情况(如能耗监测、能耗预警、能耗对标等)。

(6)资产管理模块315可以通过管理人机接口模块317及相应的人机界面将资产管理信息通过管理数据处理及存储模块312录入管理数据库，也可以通过管理数据处理及存储模块312实时掌握全厂资产管理情况(设备预测性维护、资产及设备台账、备品备件管理等)。

(7)数据分析及优化模块316对管理数据处理及存储模块312中的全厂管控数据进行数据分析及建模、提出生产管理、能源管理、资产管理等全厂管理的优化建议，为生产及管理提供建议供管理层决策。

(8)全厂信息通过信息发布模块318根据管理人员需求开发应用APP，对管理数据处理及存储模块312中的全厂管控数据进行梳理及发布，管理人员通过手机APP实时掌握全厂运行及管理动态信息。

4～8步中的管理模块，都是基于管理数据处理及存储模块312中的数据进行二次开发，是智能管控一体化平台需要具备的功能，并且根据智能工厂的需要可以进行扩展，本发明重点为管控数据分离，对二次开发的管理模块不做限定。

经过上述步骤，5G网络内的控制及管理数据均按照切片的要求传输并在边缘计算中控制及管理模块内进行了分析及处理，保证了全厂管控数据的贯通及统一，为大数据分析及优化运行提供了可靠的数据，实现了智能管控***的需求,同时数据贯通后为更多的应用及功能提供了扩展的可能性。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于包括5G智能仪表、5G智能控制设备、5G无线接入及传输网络、移动边缘计算中心和集团大数据分析及人工智能应用中心；

5G智能仪表，用于采集本体和测量信息并将其实时发送至5G无线接入及传输网络；

5G智能控制设备，用于采集本体信息并将其实时发送至5G无线接入及传输网络，同时接收控制信息，根据控制信息改变设备控制状态；

5G无线接入及传输网络，用于实现5G智能仪表及5G控制设备与5G网络的连接、接入安全管理、数据采集及控制指令透明传输；以及实现5G网络资源的管理、网络切片差异化服务、无线资源动态分配、无线承载控制确保数据采集及控制指令在规定时延内传输到位；

移动边缘计算中心由控制模块及管理模块组成；

集团大数据分析及人工智能应用中心，用于整个集团多个项目的移动边缘中心的数据采集，并对数据进行大数据分析及人工智能应用，指导整个集团项目的生产及运行优化。

2.根据权利要求1所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于还包括5G通信控制模块，用于将5G智能仪表及控制设备本体存储器中的控制及管理数据按照5G通信协议的要求进行编码及发送；5G智能仪表及控制设备为保证智能管控***的时延要求，将5G通信控制模块与5G智能仪表及控制设备一体化设计，全IP接入，避免A/D,D/A转换时间，开机自动监测5G信号，自动注册，自动选择最优的传输链路，并具备断网、断信号、断电等设备运行状态信息，为保证智能管控***安全可靠，5G智能仪表及控制设备具备两种5G频段数据传输能力，当工作频段收到干扰时无缝切换至备用频段工作；每一个5G智能仪表及5G智能控制设备具有全球唯一的设备标识码，采用统一数据寄存器数据存储格式及传输协议。

3.根据权利要求1所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于5G智能仪表用于对工艺参数的采集，并将采集的信息保存在本体寄存器的采集数据区；以及采集5G智能仪表的生产厂家信息、维护信息、本体运行状态，并将采集的信息保存在本体寄存器的管理数据区；同时将采集数据、管理数据实时发送至5G无线接入及传输网络；将采集数据、管理数据实时发送至5G无线接入及传输网络。

4.根据权利要求1所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于5G智能控制设备用于对智能控制设备的运行状态参数进行采集，并将采集的信息保存在本体寄存器的采集数据区；将智能管控***发来的控制信息进行处理，并将控制信息保存在本体寄存器的控制数据区，改变控制设备控制状态，实现对工艺参数的改变；将智能控制设备的生产厂家信息、维护信息、本体运行状态等信息进行采集，并将采集的信息保存在仪表寄存器的管理数据区；将采集数据、管理数据实时发送至5G无线接入及传输网络，实时接收5G无线接入及传输网络传送的控制数据。

5.根据权利要求1所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于5G无线传输及接入网络由5G天线阵列接入单元及5G传输单元组成；5G天线阵列接入单元模块实现厂区内5G智能仪表及控制设备与5G网络的连接、接入安全管理、数据采集及控制指令透明传输；5G传输单元模块实现5G网络资源的管理、网络切片差异化服务、无线资源动态分配、无线承载控制确保数据采集及控制指令在规定时延内传输到位；5G天线阵列接入单元及5G传输单元具备两种5G频段工作能力，当工作频段收到干扰时无缝切换至备用频段工作，同时无线传输及接入网络根据现场5G智能仪表及控制设备数量及分布进行配置，无线传输及接入网络可以在5G信号覆盖范围内相互备用，确保至少有一条无线链路进行数据传输；5G无线传输及接入网络将5G数据汇聚到5G数据总线上，供边缘计算中心对数据监控及管理；5G无线传输及接入网络可以使用5G运营商公网或者企业自建5G专网。

6.根据权利要求1所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于移动边缘计算中心的控制模块包括无线资源及链路管理模块、生产过程监控模块、数据处理及存储模块、生产信息安全防护模块、控制人机接口模块及对应的人机界面，实现通过人机界面实时监控生产过程、管理及分配无线资源、报警信息显示及管理，同时实现控制数据的处理及存储、生产信息安全防护等功能；同时控制模块内部设置安全防护模块。

7.根据权利要求1所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于移动边缘计算中心管理模块包括管理信息安全防护模块、管理数据处理及存储模块、生产管理模块、能源管理模块、资产管理模块、数据分析及优化模块、管理人机接口模块及对应的人机界面、信息发布模块，实现生产及管理数据贯通，通过人机界面实时掌握生产运行状态、能源管理、资产管理，同时将管理数据存在数据库中，通过数据分析及建模、提出运行优化建议，控制逻辑组态优先方案及全厂控制及管理优化方案供管理层决策。

8.根据权利要求1所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于5G智能仪表及控制设备与移动边缘计算中心控制模块建立数据上传及下传链路的过程包括以下步骤：

(1)当5G智能仪表及智能控制设备通电开机，自动搜索区域范围内5G网络信号，当搜索到本范围最强信号的5G无线接入及传输网络后，向5G无线接入及传输网络发送随机接入申请；

(2)5G无线接入及传输网络自动监听到5G智能仪表及智能控制设备的接入申请后，同意5G智能仪表及智能控制设备接入，并要求5G智能仪表及智能控制设备在规定时延内完成做好注册第二步链接，链接时需要提供设备类型等信息，并等待5G智能仪表及5G智能控制设备的第二步链接请求；

(3)5G智能仪表及5G智能控制设备收到第二次链接要求后，准备相关数据，发起注册第二步链接请求；

(4)5G无线接入及传输网络自动监听到5G智能仪表及5G智能控制设备的第二步链接请求及附带的相关设备数据后，将相关设备数据发送至无线资源及链路管理模块，无线资源及链路管理模块根据设备信息及前两步接入及传输时延等参数，自动判断5G智能仪表及5G智能控制设备的网络传输配置参数范围，并将参数发送至数据处理及存储模块进行确认；并要求5G智能仪表及5G智能控制设备在规定时延内完成做好注册第三步链接，链接时需要提供设备寄存器数据大小等参数信息，并等待5G智能仪表及5G智能控制设备的第三步链接请求；

(5)5G智能仪表及5G智能控制设备收到第三次链接要求后，准备相关数据，发起注册第三步链接请求；

(6)5G无线接入及传输网络自动监听到5G智能仪表及5G智能控制设备的第三步链接请求及附带的相关设备数据后，将相关设备数据发送至数据处理及存储模块，数据处理及存储模块将收到的收据经过计算后与无线资源及链路管理模块送来的数据进行比较，以两者最优的参数作为最终5G智能仪表及5G智能控制设备的配置参数，并生成一个全厂唯一的“核心认证码”及相关配置参数，作为5G智能仪表及5G智能控制设备的身份认证及参数配置文件，送至5G智能仪表及5G智能控制设备；

(7)5G智能仪表及5G智能控制设备收到“核心认证码”及相关配置参数后，立即更新本设备配置，并按照配置与5G无线接入及传输网络链接，为下一步传输做好准备；

(8)5G智能仪表及5G智能控制设备发送配置修改完成；

(9)边缘计算中心控制模块收到5G智能仪表及5G智能控制设备发送的确认信号，至此边缘计算中心控制模块与5G智能仪表及5G智能控制设备可靠的数据上传及下传链路建立完成。

9.根据权利要求8所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于5G智能仪表及智能控制设备的实时数据的处理过程包括以下步骤：

1)5G智能仪表及智能控制设备与移动边缘计算中心模块间上传及下传链路建立完成后，智能管控***会建立以设备唯一的“核心认证码”在智能管控***中进行识别；移动边缘中心控制模块会实时根据设备唯一的“核心认证码”从5G智能仪表及智能控制设备寄存器中读取存储在采集数据区、控制数据区、管理数据区等内存中的设备运行及管理数据；

2)数据处理及存储模块根据5G智能仪表及智能控制设备的参与生产的作用，将5G智能仪表及智能控制设备划分到不同的控制逻辑子组，控制逻辑子组中5G智能仪表及智能控制设备视生产***规模需要而定；同时为每一个逻辑子组建立一个以设备唯一的“核心认证码”为索引，为每一个5G智能仪表及智能控制设备的采集数据、控制数据分配唯一的寄存器；

3)数据处理及存储模块为对应的控制逻辑子组内每一个5G智能仪表及智能控制设备配置一一对应的逻辑数据库，同时为控制逻辑子组寄存器的数据配置一一对应的储存单元，并将上述寄存器内的数据存储在逻辑数据库对应的储存单元中；控制逻辑子组及逻辑数据库均为移动边缘中心数据处理及存储模块中根据生产工艺及运行需要进行动态分配的虚拟部分，将逻辑运算及数据存储虚拟化后，将大型的计算中心、大型数据库根据需要配置；

4)管理数据区的数据数据处理及存储模块建立一个以设备唯一的“核心认证码”为索引的非逻辑数据库，直接将管理数据区的数据存入非逻辑数据库；非逻辑数据库均为移动边缘中心数据处理及存储模块中根据生产工艺及运行需要进行动态分配的虚拟部分，将非逻辑数据库数据存储虚拟化后，将大型的计算中心、大型数据库根据数据功能分别配置；

5)数据处理及存储模块根据过程控制需要设置控制逻辑子组及相应逻辑数据库后，调用无线资源及链路管理模块切片功能将控制逻辑子组中运行及生产需要的设备设置在同一个逻辑切片中；

6)数据处理及存储模块初始配置完成后，移动边缘计算中心各模块工作协同工作对生产过程进行监控流程如下：

a)数据处理及存储模块实时读取5G智能仪表设备采集数据区寄存器的数据，同时保存在逻辑子组寄存器及逻辑数据库数据储存单元中，并对控制逻辑子组寄存器中的数据进行逻辑判断，并将逻辑判定值写入逻辑子组5G智能控制设备的控制数据寄存器中及对应的逻辑数据库数据储存单元中；

b)数据处理及存储模块调用5G无线接入及传输网络，将逻辑子组寄存器中5G智能控制设备的控制数据传送至5G智能控制设备的寄存器中，5G智能控制设备根据寄存器中控制数据内容调整设备控制状态；

c)生产过程监控模块实时读取逻辑子组寄存器中的数据，并通过控制人机接口模块实时反映在人机界面上，供操作人员监视；操作人员也可以通过人机界面及人机接口模块对生产过程监控模块中的逻辑子组寄存器数据进行手动修改。

10.根据权利要求9所述的基于5G物联网技术的智能管控***，其特征在于移动边缘计算中心管理模块的工作流程包括以下步骤：

(1)所有5G智能仪表及控制设备采用统一数据结构，将5G智能仪表及控制设备的数据分别存储在采集数据区、控制数据区、管理数据区，三种数据通过5G无线接入及传输网络实时传送至移动边缘计算中心控制模块，并且为每一个5G智能仪表及控制设备的管理数据区分配唯一的非逻辑数据库存储单元，所有智能设备的管理数据区按照逻辑切片存储在非逻辑数据库中；

(2)数据处理及存储模块中的逻辑数据库、非逻辑数据库存储的5G智能仪表及控制设备信息经过生产信息安全防护模块隔离后传送至智能管控***管理区；

(3)5G智能仪表及控制智能设备信息进入管理区后经过管理信息安全防护模块的隔离并镜像后进入管理数据处理及存储模块；

(4)生产管理模块通过管理人机接口模块及相应的人机界面将生产管理信息通过管理数据处理及存储模块录入管理数据库，或通过管理数据处理及存储模块对全厂生产设备运行信息进行分析及处理，实时掌握生产运行状态；

(5)能源管理模块通过管理人机接口模块及相应的人机界面将能源管理信息通过管理数据处理及存储模块录入管理数据库，或通过管理数据处理及存储模块对全厂生产设备运行信息进行分析及处理，实时掌握全厂能耗情况；

(6)资产管理模块通过管理人机接口模块及相应的人机界面将资产管理信息通过管理数据处理及存储模块录入管理数据库，或通过管理数据处理及存储模块对全厂生产设备运行信息进行分析及处理，实时掌握全厂资产管理情况；

(7)数据分析及优化模块对管理数据处理及存储模块中的全厂管控数据进行数据分析及建模、提出生产管理、能源管理、资产管理等全厂管理的优化建议，为生产及管理提供建议供管理层决策。