CN112910944A - 在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，至少包括数据服务层、数据应用层和操作监控层，所述数据应用层设置在位于第二层网络的操作监控层和位于第三层网络的数据服务层之间，其中，所述数据应用层包括至少一个二维模块和至少一个三维模块，被控对象的属性分别由所述二维模块和所述述三维模块以二维和三维的方式并行地显示为二维图形部件和三维图形部件，被控对象的所述二维图形部件和所述三维图形部件以映射的方式设置，使得操作方能够在用于显示三维图像部件的三维视图中定位到所述二维图形部件。本发明的安全网络结构总的数据应用层不影响操作操作监控层与过程控制层的网络通信，还能保证与上层网络隔离。

Description

在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构

技术领域

本发明涉及安全网络结构技术领域，尤其涉及一种在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构。

背景技术

数字孪生是通过物联网与相关的实体实例相连，运用直观的方式完善工程、运营、供应链、业务网络和服务环节的数据流、通信和协作。数字孪生网络的特征包括：(1)在资产、产品或流程层面，相关的数字孪生在同一个***中协作运行，这些数字孪生能够生成单一的***级视图(比如，工厂内的机器)；(2)独立的数字孪生需在特定环境下安全地协作运行，这些数字孪生能够生成单一的环境视图(比如，无人驾驶汽车车队)；(3)上述两种场景均包含企业信息、业务网络信息和运营信息。

但是，当前的孪生数字网络都是初级的定义，也处于发展状态中，还没有技术对2.5层网络进行重新定义，也没有形成不影响操作监控层与过程控制层的网络通信。

专利CN110324224A公开了一种核电机组安全级DCS网络结构，包括构成环网的人机数据总线、安全总线和安全***总线，核电机组安全级DCS 布置在环网中；人机数据总线内的节点的布置位置、安全总线内的节点的布置位置、及安全***总线内的节点的布置位置满足：具有同盘台的多个子机柜的布置节点相邻、具有同路电源的多个子机柜的布置节点相邻，可最大限度避免具有同盘台、同路电源的子机柜在断电或者维修脱网时对安全级DCS 其他设备造成影响；提升安全级DCS调试检修工作效率、调试效率、降低调试工期；降低了单个控制站或单列控制柜停盘维护的影响范围，提高了***的可维修性和可靠性。但是该网络结构不适用于当前的在分散控制***集成可视化数字工厂。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，至少包括数据服务层、数据应用层和操作监控层，其特征在于，所述数据应用层设置在位于第二层网络的操作监控层和位于第三层网络的数据服务层之间，其中，所述数据应用层包括至少一个二维模块和至少一个三维模块，被控对象的属性分别由所述二维模块和所述述三维模块以二维和三维的方式并行地显示为二维图形部件和三维图形部件，被控对象的所述二维图形部件和所述三维图形部件以映射的方式设置，使得操作方能够在用于显示三维图像部件的三维视图中定位到所述二维图形部件。

优选的，所述数据应用层还包括图形模块，所述图形模块将被控对象的三维数据与被控对象的属性融合形成能够实时更新的三维图形部件，并且发送至所述三维模块。

优选的，所述被控对象的三维图形部件与所述被控对象的二维图形部件建立映射关联关系，使得操作方能够在三维视图中定位到所述二维图形部件，其中，所述被控对象的属性能够响应于操作方的操作以二维和三维方式并行地显示。

优选的，所述数据服务层的第二防火墙装置与所述操作监控层的第一防火墙装置之间通过至少一个第一网络交换装置建立通信连接，其中，

所述数据应用层通过至少一个第二网络交换装置与所述操作监控层建立通信连接，

所述第二网络交换装置与所述第一网络交换装置之间设置有至少一个第三防火墙装置。

优选的，所述操作监控层包括至少一个第一操作站，

所述第一操作站用于并行地查看和控制被控对象的二维图形部件和三维图形部件，

在被控对象的二维图形部件被点选的情况下，所述三维模块响应于第一操作站发送的点选操作信息，按照操作方对二维图形部件的预先设置来显示与所述被控对象的二维图形部件对应的三维图形部件。

优选的，在被控对象的二维视图被按照自定义的几何形状划分景深区域的情况下，所述三维模块响应于第一操作站发送的景深区域显示在所述景深区域内的被控对象的三维图形部件。

优选的，所述三维模块基于所述第一操作站对所述被控对象的查看操作信息来适应性调整被控对象的三维图形部件的清晰程度。

优选的，所述生产运行管理层至少包括人员定位***，

所述人员定位***基于操作方携带的至少一个定位装置确定操作方在工厂内的实时位置信息，

所述二维模块将所述实时位置信息与所述被控对象的二维图形部件在二维视图中融合显示，和/或

所述三维模块将实时位置信息与所述被控对象的三维图形部件在三维视图中融合显示，

响应于所述二维视图中的操作方的实时位置信息之点选，所述三维模块在至少一个操作站显示与二维的实时位置信息对应的三维实时位置信息。

本发明还提供一种在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络***，至少包括数据服务层、数据应用层和操作监控层，其特征在于，所述数据应用层设置在位于第二层网络的操作监控层和位于第三层网络的数据服务层之间，其中，

所述数据应用层包括至少一个二维模块和至少一个三维模块，被控对象的属性分别由所述二维模块和所述三维模块以二维和三维的方式并行地显示为二维图形部件和三维图形部件，

响应于对所述被控对象的二维图形部件之点选，所述三维模块能够根据操作方对二维图形部件的预先设定来显示与所述被控对象的所述二维图形部件对应的三维图形部件。

优选的，被控对象的所述二维图形部件和所述三维图形部件以映射的方式设置，使得操作方能够在用于显示三维图像部件的三维视图中定位到所述二维图形部件。

附图说明

图1是本发明的安全网络结构的示意图；

图2是本发明的二维图形部件的示意图；

图3是本发明的三维图形部件的一个被控对象的其中一个角度的示意图；

图4是本发明的三维图形部件的一个被控对象的另一个角度的示意图；

图5是本发明的三维图形部件的其中一个示意图。

附图标记列表

F1：生产运行管理层；F2：数据服务层；F3：数据应用层；F4：操作监控层；F5：过程控制层；11：人员定位***；12：数据库***；13：高级应用终端；14：WEB客户端；21：调度站；22：生产分析客户端；23：WEB 服务器；24：防护服务器；31：二维模块；32：图形服务器；33：三维模块；41：第一操作站；42：第二操作站；43：工程师站；44：历史记录站； 45：时钟同步器；50：设备；61：第一防火墙；62：第二防火墙；63：第三防火墙；70：现场控制站。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本发明中的画面频流是指：能够形成画面的视频流。视频流是指视频数据的传输，例如，它能够被作为一个稳定的和连续的流通过网络处理。

如图1所示，本发明的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，包括生产运行管理层F1、数据服务层F2、数据应用层F3、操作监控层F4和控制层F5。为了不影响操作监控层与过程控制层的网络通信，且还要保证与上层网络隔离，数据应用层F3设置在2.5层网络，即数据应用层F3设置在操作监控层F4和数据服务层F2之间。数据服务层F2的第二防火墙装置62与操作监控层F4的第一防火墙装置60之间通过至少一个第一网络交换装置建立通信连接。数据应用层F3通过至少一个第二网络交换装置与操作监控层F4建立通信连接。第二网络交换装置与第一网络交换装置之间设置有至少一个第三防火墙装置63。操作监控层F4与控制层F5 通过至少一个第三网络交换装置连接。

控制层F5包括若干设备50、I/O单元和现场控制站70。I/O单元设置在若干设备50与现场控制站70之间。I/O单元用于从真实现场的被控对象实时采集数据并传输给现场控制站70，还可用于将现场控制站70的输出指令实时传送给真实现场的被控对象。在真实现场设有若干类型传感器的设备 50，通过电缆分别连接到控制室内部的I/O单元上，再通过数据总线将检测信号上传至现场控制站70。例如，真实现场某设备装有一台温度变送器，当设备内温度升高时，变送器输出电流信号4～20mA增大，电流信号通过电缆传输至控制室内的I/O单元中，经模/数A/D转换后，数据上传至现场控制站70，供各操作站、二级服务器调用。

优选的，操作监控层F4包括至少一个操作站、工程师站42和历史记录站43。优选的，现场控制站70将真实现场的实时数据发送至历史记录站进行转存和存储，形成与时间相关的历史数据。

优选的，操作监控层F4的时钟同步器45与现场控制站70连接。数据应用层F3包括二维模块31、图形服务器32和三维模块33。数据服务层F2包括调度站21、生产分析客户端22、WEB服务器23和防护服务器24。优选的，生产运行管理层F1至少包括人员定位***11、数据库***12和 WEB客户端14。其中，生产运行管理层F1分别与数据服务层F2、数据应用层F3和操作监控层F4建立通信连接。

现场控制站70用于从真实现场的被控对象实时采集数据，还可用于将操作站的输出指令实时传送给真实现场的被控对象。现场控制站70将数据同步传输至二维模块2和/或三维模块3。I/O单元可以是采集各种设备数据、设备状态以及环境数据的装置。例如，各种仪表设备，用于采集和监测温度、流量、液位、压力等过程参数值的变化；阀门的打开或关闭状态；电机的启动或停止状态等；设备的出口介质物性组分的实时数据；可燃气体检测探头监测到的浓度；有毒气检测探头监测到的有毒气体浓度；现场摄像头监测的到的实时视频画面等等。I/O单元还可以是各种执行元件，例如控制阀、开关阀、各类执行机构、电气控制回路等等。

二维模块2用于以二维的方式显示被控对象，以便操作方控制其状态。优选的，如图2所示，二维模块2用于以二维的方式显示被控对象及其属性。二维模块中定义了各类设备的编号、功能、用途、设定值、输入/输出数据、报警以及相关的各类工程设计图形、颜色、数据等，如图2所示。二维模块中可显示工程中所有变量的参数和属性，可以以声光报警方式告知操作方过程意外情况，可以通过任意组合或单点模式显示过程数据的实时或历史趋势图，可以获知过程安全联锁保护状态等。

优选的，二维模块2仅存放二维数据信息，从而不占用其他服务器的资源，有利于减轻三维模块的工作负荷，从而提高三维模块的处理效率。

三维模块3：用于以三维的方式显示被控对象，以便操作方显示其当前控制或查看的被控对象，如图3～5所示。其中，三维模块仅用于三维图形渲染，不对三维图形进行轻量化，有利于减轻三维模块的工作负荷，从而提高三维模块的处理效率。三维模块将被控对象的三维模型渲染完成后推送至至少一个操作员站进行显示。操作员站不进行三维模型的渲染工作。优选的。操作员站在显示三维模型时，同时显示实时的实时数据、报警数据和/或设备数据。

其中，被控对象的属性能够响应于操作方的操作以二维和三维方式并行地得以显示。优选的，在被控对象的属性信息***作方改变后，二维模块和三维模块中的相关模块属性参数会同步发生改变，从而二维模块和三维模块始终以属性信息一致的实时展示方式展示被控对象。相比于现有技术中的二维模块与三维模块串行的工作模式，本发明的二维模块与三维模块并行的工作模式，不占用控制网络带宽，工作负荷小，减少三维模块和二维模块的数据延迟显示现象，图形显示的工作效率明显提高，从而实现二维图形和三维图形的并行实时显示。优选的，二维图形和三维图形并行同步显示。

第一操作站41用于并行地查看和控制被控对象的二维图形部件和三维图形部件。其中，第一操作站包括并行的两个显示屏，一个用于查看和控制被控对象的二维图形部件，另一个用于查看和控制被控对象的三维图形部件。并行的显示屏可以是上下设置，也可以是左右设置，还可以是按照任意的方式进行排布。

优选的，被控对象的三维图形部件映射至被控对象的二维图形部件，即被控对象的三维图形部件与二维图形部件存在映射关联，使得操作方能够在三维视图中定位到二维图形部件。在操作方在二通维模块的显示器点选某个部件时，二级模块响应于对被控对象的二维图形部件之点选，根据操作方对二维图形部件的预先设定，按照预先设定来显示与被控对象的二维图形部件对应的三维图形部件。

在被控对象的二维图形部件被点选的情况下，三维模块33响应于第一操作站41发送的点选操作信息，按照操作方对二维图形部件的预先设置来显示与被控对象的二维图形部件对应的三维图形部件。

例如，通过二维显示画面跳转三维显示画面的其中一种方式为：通过鼠标右键点击二维画面上的设备或部件，选择三维定位，跳转至三维画面中的关联设备。通过输入对应编码从二维显示画面跳转至三维显示画面的中的关设备。

通过报警列表跳转至三维显示画面的方式为：通过点选报警列表来定位至出现报警的三维显示画面上的设备及其部件。

优选的，对于双屏操作站，本发明可以实现下屏操作，上屏显示，或者上屏操作，下屏显示。优选的，双屏设置不限于上下、左右的相对位置的设置，双屏可以是任意位置的设置，以操作方觉得舒适即可。

优选的，三维模块的显示是以画面频流的方式来自于图形服务器。其中，还用于存储设备静态数据，既包括非图形类工程数据，例如数据表、规格书、说明书等，又包括图形类工程数据，例如流程图、设备制造图、平面布置图等等。

图形服务器用于将三维数据与被控对象的属性数据进行融合。其中：被控对象的属性是以部件为单位各自单独赋值的。例如，被控对象的各个部件按照预定义的统一编码规则进行编码。优选的，二维模块和三维模块中的相同被控对象采用同一个编码。优选的，各部件的编码为唯一调用各类部件的唯一接口。通过在需要本发明通过将编码作为调用对象，不需要再对数据进行关系检索、分析、筛选等操作，对被控对象的属性数据三维调取速度快、调用效率高。

优选的，本发明的生产运行管理层F1至少包括人员定位***11。人员定位***至少包括蓝牙定位***、GPS定位***、北斗定位***等等。为了位置信息的精确，优选为蓝牙定位***。人员定位***11基于操作方携带的至少一个定位装置确定操作方在工厂内的实时位置信息。二维模块将实时位置信息与被控对象的二维图形部件在二维视图中融合显示，和/或三维模块将实时位置信息与被控对象的三维图形部件在三维视图中融合显示。响应于二维视图中的操作方的实时位置信息之点选，三维模块在至少一个操作站显示与二维的实时位置信息对应的三维实时位置信息。相比于仅通过查看三维视图来查看被控对象，由于若干被控对象都是连接的，且连接关系复杂，操作方在查看的过程中容易出现无目的查看的漫游弊端，操作方在操作员站同时查看二维视图和三维视图，能够在查看三维视图的被控对象的三维图形部件的同时了解被控对象所在的区域，从而参照二维的区域顺序进行查看，避免了无目的的漫游查看现场。

优选的，本发明的操作员站以预设角度初步显示被控对象的三维图形。其中，响应于操作方的点选信息或显示角度请求，三维模块调节被控对象的显示角度至指定角度。如此显示，有利于操作方查看被控对象的各个角度的运行情况，避免查看角度的局限性。

现有技术中，工厂的被控对象的数量是巨大的，由于没有二维视图的参照，操作方根据连接关系进行查找和查看被控对象，很容易将查看的主要目标进行印象模糊，从而查看的被控对象越来越多，导致了查看的效率降低。

优选的，本发明中，在被控对象的二维视图被按照自定义的几何形状划分景深区域的情况下，三维模块33响应于第一操作站41发送的景深区域显示在景深区域内的被控对象的三维图形部件。本发明如此设置有利于操作方能够快速确定查看区域以及查看的被控对象，从而进行工厂的线上巡检。

例如，操作方在显示的二维视图上以不限定的几何形状划定三维视图的景深区域，则二维模块将景深信息发送至三维模块。三维模块响应于景深信息，将景深区域以三维图形进行展示。

本发明的景深范围是指是指获取有限距离的视图时，可在显示上构成清晰影像的显示范围。景深区域是指能够清晰显示被控对象的三维图形部件的距离范围。

在二维视图划定的面积可以是指定的景深范围。景深范围内包含有若干被控对象。在操作方划定景深区域时，三维视图按照能够指定的景深范围来显示被控对象的三维图形部件。

优选的，本发明的三维显示画面按照在二维场景中指定的景深范围请求数据，给出处于景深范围内的含有被控对象以及与被控对象关联的设备的三维视图。

优选的，三维模块33基于第一操作站41对被控对象的查看操作信息来适应性调整被控对象的三维图形部件的清晰程度。当操作方基于查看指定景深区域内的三维图形及其属性时，画面是清晰的。当操作方查看到达景深区域的边缘时，边缘内的三维图形是高清晰度的，边缘外的三维图形的清晰度降低，从而提示操作方查看内容超出景深区域，使得操作方能够重新规划查看的景深区域，避免无清晰目标的查看。

随着操作方的操作来调节被控对象的清晰度，使得被控对象的三维图形部件的清晰度基于操作的需要而变化。如此，操作方能够有计划地、有目标地对景深范围内的被控对象进行查看，避免了无目标的漫游查看行为。

优选的，对于属性异常的设备，二维图形以突出的颜色和/或标识显示发出报警信息的设备的二维图形，以及与该设备的异常问题关联的至少一个其他设备。即操作方在二维视图上，就能够明显的看到发出报警的设备以及与报警相关的关联设备。操作方能够通过在二维视图上划定含有报警设备以及关联设备的景深区域，在三维视图上以高清晰度的方式详细查看报警设备及其关联设备的三维图形及其属性信息。即通过对报警设备及其关联设备的突出显示，操作方能够快速确定需要重点查看的设备，避免了无目的的排查设备以找出报警原因的弊端。

如若不设置景深区域的划定方式，操作方在操作员站查看三维视图的设备时，三维模块无法确定操作方下一步即将查看的设备，只能将当前三维视图内的所有设备均以高清的方式来显示。然而实际中，有很多设备的三维图形及其属性，操作方不会详细查看。这就导致了三维模块向操作员站发送了过量的不必要的数据，导致操作员站的数据延迟以及三维图形更新缓慢，影响操作员站的画面更新速度。优选的，操作员站的显示设备包括二维显示器、三维显示器和可佩戴设备的显示装置。

本发明通过景深区域的指定，三维模块能够减少向查看的显示设备的输送数据的数据量。三维模块基于二维模块发送的景深区域以及景深区域内的设备名单筛选三维图形及其属性数据的高清数据，并且发送至显示设备。即，三维模块能够基于景深区域有目标的筛选和输送数据，从而减少大量的不必要数据的发送。

优选的，景深区域不仅能够设置二维视图中，也能够设置在三维视图中。当操作方在三维视图中划定景深区域时，三维模块能够根据景深区域搜索数据，并且给出景深区域内的设备的表单。操作方根据表单来查看自己需要的信息。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，至少包括数据服务层(F2)、数据应用层(F3)和操作监控层(F4)，

其特征在于，

所述数据应用层(F3)设置在位于第二层网络的操作监控层(F4)和位于第三层网络的数据服务层(F2)之间，其中，

所述数据应用层(F3)包括至少一个二维模块(31)和至少一个三维模块(33)，

被控对象的属性分别由所述二维模块(31)和所述述三维模块(33)以二维和三维的方式并行地显示为二维图形部件和三维图形部件，

被控对象的所述二维图形部件和所述三维图形部件以映射的方式设置，使得操作方能够在用于显示三维图像部件的三维视图中定位到所述二维图形部件。

2.根据权利要求1所述的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，其特征在于，所述数据应用层(F3)还包括图形模块(32)，

所述图形模块(32)将被控对象的三维数据与被控对象的属性融合形成能够实时更新的三维图形部件，并且发送至所述三维模块(33)。

3.根据权利要求2所述的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，其特征在于，

所述被控对象的三维图形部件与所述被控对象的二维图形部件建立映射关联关系，使得操作方能够在三维视图中定位到所述二维图形部件，其中，所述被控对象的属性能够响应于操作方的操作以二维和三维方式并行地显示。

4.根据权利要求3所述的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，其特征在于，

所述数据服务层(F2)的第二防火墙装置(62)与所述操作监控层(F4)的第一防火墙装置(60)之间通过至少一个第一网络交换装置建立通信连接，其中，

所述数据应用层(F3)通过至少一个第二网络交换装置与所述操作监控层(F4)建立通信连接，

所述第二网络交换装置与所述第一网络交换装置之间设置有至少一个第三防火墙装置(63)。

5.根据权利要求4所述的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，其特征在于，

所述操作监控层(F4)包括至少一个第一操作站(41)，

所述第一操作站(41)用于并行地查看和控制被控对象的二维图形部件和三维图形部件，

在被控对象的二维图形部件被点选的情况下，所述三维模块(33)响应于第一操作站(41)发送的点选操作信息，按照操作方对二维图形部件的预先设置来显示与所述被控对象的二维图形部件对应的三维图形部件。

6.根据权利要求4所述的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，其特征在于，

在被控对象的二维视图被按照自定义的几何形状划分景深区域的情况下，所述三维模块(33)响应于第一操作站(41)发送的景深区域显示在所述景深区域内的被控对象的三维图形部件。

7.根据权利要求6所述的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，其特征在于，

所述三维模块(33)基于所述第一操作站(41)对所述被控对象的查看操作信息来适应性调整被控对象的三维图形部件的清晰程度。

8.根据权利要求1～7所述的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络结构，其特征在于，

所述生产运行管理层(F1)至少包括人员定位***(11)，

所述人员定位***(11)基于操作方携带的至少一个定位装置确定操作方在工厂内的实时位置信息，

所述二维模块将所述实时位置信息与所述被控对象的二维图形部件在二维视图中融合显示，和/或

所述三维模块将实时位置信息与所述被控对象的三维图形部件在三维视图中融合显示，

响应于所述二维视图中的操作方的实时位置信息之点选，所述三维模块在至少一个操作站显示与二维的实时位置信息对应的三维实时位置信息。

9.一种在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络***，至少包括数据服务层(F2)、数据应用层(F3)和操作监控层(F4)，

其特征在于，

所述数据应用层(F3)设置在位于第二层网络的操作监控层(F4)和位于第三层网络的数据服务层(F2)之间，其中，

所述数据应用层(F3)包括至少一个二维模块(31)和至少一个三维模块(33)，

被控对象的属性分别由所述二维模块(31)和所述三维模块(33)以二维和三维的方式并行地显示为二维图形部件和三维图形部件，

响应于对所述被控对象的二维图形部件之点选，所述三维模块(33)能够根据操作方对二维图形部件的预先设定来显示与所述被控对象的所述二维图形部件对应的三维图形部件。

10.根据权利要求9所述的在分散控制***集成可视化数字工厂技术的安全网络***，其特征在于，

被控对象的所述二维图形部件和所述三维图形部件以映射的方式设置，使得操作方能够在用于显示三维图像部件的三维视图中定位到所述二维图形部件。

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