CN114460892B

CN114460892B - 一种基于云化可编程逻辑控制器的任务控制方法

Info

Publication number: CN114460892B
Application number: CN202111566875.4A
Authority: CN
Inventors: 王健全; 马彰超; 徐浩; 向成峰; 孙雷; 李卫
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2041-12-20
Also published as: CN114460892A

Abstract

本发明涉及工业网络控制领域，其公开一种基于云化可编程逻辑控制器PLC的任务控制方法、装置和计算机可读存储介质。所述方法包括：设置本地处理单元，所述本地处理单元执行PLC的功能并与云端的云化PLC网络连接；检测网络质量，获取与云化PLC通信的网络QoS指标，根据网络QoS指标将任务分配到本地处理单元和云化PLC，通过在本地端设置本地PLC控制单元和QoS切换机制，提高了***的可靠性。

Description

一种基于云化可编程逻辑控制器的任务控制方法

技术领域

本公开的实施例涉及工业控制领域，并且更具体地，涉及一种基于云化可编程逻辑控制器的任务控制方法。

背景技术

在工业生产中有两套主流的方案被大多数工厂采用。一种是传统的硬 PLC可编程逻辑控制器，其控制单元和I/O端口在同一位置，可以直接进行通信，稳定性强，可以在较恶劣环境工作，不受网络时延干扰；另外一种是工业生产中最新的产品软PLC，它是基于通用计算平台如PC机、ARM嵌入式设备等开发结构的控制***，利用软件技术将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器，通常使用某种终端如传统PLC硬件或支持某种总线协议的网络I/O设备)与PC连接，前者连接有传感器和执行器。

传统PLC具有硬实时性，正因为如此它才能提供快速、确定的响应，但其靠近现场环境，更换、扩展能力差，同时传统PLC往往封闭不开源，难以使不同厂商的设备互联互通。同时硬PLC的特点也决定了它在工业生产中难以协作，这带来了生产的不方便，同时工业现场高温、振动、温差、粉尘环境等特点也增加了现场PLC的运维成本增加。软PLC的控制器和I/O端口不在同一侧，软件PLC提供了与硬PLC同样的功能，同时又提供了PC环境的各种优点。但其在进行远程通信的时候易受干扰，或存在较大时延等问题，在生产条件较为恶劣的情况下，若不能保证正常的通信，将对生产效率产生影响。

发明内容

为解决上述问题之一，本发明提供一种基于云化可编程逻辑控制器PLC 的任务控制方法，所述方法包括：设置本地处理单元，所述控制单元执行本地端PLC的功能并与云端的云化PLC执行网络连接；检测网络质量，获取与云化PLC通信的网络QoS指标，根据网络QoS指标将任务分配到本地处理单元和云化PLC。

进一步，所述根据网络QoS指标将任务分配到本地处理单元和云化PLC 包括：将获取的网络QoS指标与设定的阈值做比较，依据比较结果，将任务分配到本地处理单元和云化PLC。

进一步，所述网络QoS指标至少包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化和丢包率。

进一步，所述检测网络质量包括：本地处理单元发送心跳包到云化PLC，并记录发送时刻t₁，云化PLC接收到心跳包之后立即转发，本地处理单元记录接收到该心跳包的时刻t₂，重复发送，以此测量QoS指标。

进一步，本地处理单元发送心跳包到云化PLC，并记录发送时刻t₁，当云化PLC接收到来自本地处理单元的心跳包时，立即向发送方回复该心跳包；本地处理单元等待接收到服务器返回数据的时间，记录接收时间t2，计算时间差Δt为时延值。

进一步，将获取的网络QoS指标与设定的阈值做比较，依据比较结果，将任务分配到本地处理单元和云化PLC包括：当比较结果表示网络质量良好可满足所有业务通信时延/带宽需求，PLC工作任务在云化PLC执行；当比较结果表明网络恶化，根据任务的切换规则将对应的任务在本地处理单元和云化PLC之间执行切换。

进一步，将获取的网络QoS指标与设定的阈值做比较，依据比较结果，将任务分配到本地处理单元和云化PLC具体为:判断当前***的QoS指标是否能够满足所述云化PLC的QoS要求包括:当前QoS指标均低于***设定的阈值时延阈值value1和丢包率阈值value1时，表示网络质量良好可满足所有业务通信时延/带宽需求，PLC工作任务在云化PLC执行；当前QoS的时延值或丢包率至少一项高于设定的阈值时延阈值value1和丢包率阈值value1时，表明网络恶化，根据任务的切换规则将对应的任务在本地处理单元和云化PLC之间执行切换。

进一步，根据任务的切换规则将对应的任务在本地处理单元和云化PLC 之间执行切换包括：根据任务对时间的敏感度来判断是任务是在本地处理单元执行还是在云化PLC处理。

进一步，将获取的网络QoS指标与设定的阈值进行比较，分配相应的任务到本地处理单元或云化PLC处理；包括：判断当前***的QoS指标是否能够满足所述云化PLC的QoS要求，当前QoS指标均低于设定的阈值value1 时，表示网络质量良好可满足所有业务通信时延/带宽需求，PLC工作任务在云化PLC执行；当前QoS指标高于***设定的阈值value1但低于阈值value2 时，将时间敏感型任务放置到本地执行，其余任务仍在云端执行，当时延值或丢包率至少一项高于***设定的value2时，所有任务完全转到本地处理单元处理。

提供一种电子设备，其包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的方法步骤。

提供计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的方法步骤。

本发明中，在云化PLC的基础上引入了本地处理单元，增加网络QoS检测装置，实时检测云化PLC到工业现场本地处理单元之间通信链路的服务质量，对网络质量进行评估，当服务质量出现异常，将云化PLC负责的工业控制任务转为在本地处理单元执行，保障生产过程的正常运行，提高生产的效率以及可靠性。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了应用本发明的***结构示意图；

图2示出了发明方法的流程示意图；

图3示出了根据发明中的QoS检测任务切换的流程图；

图4示出了本发明中的多云化部署时的QoS检测任务切换流程图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A 和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例1

现有的云化PLC的服务器的I/O端口已经分离，通过网络，例如5G网络，来传递信息，在网络质量差的环境下易产生时延、丢包，可能会对工业生产产生干扰。而本地处理单元，即本地PLC，不受此影响。在某些工业生产中，特别是引入了虚拟化的工业控制器后，集中式工业控制器与远程I/O端口通信时易受到干扰，工作可靠性不能得到保障，从而影响生产效率。

本方案的本地处理单元上设置有网络质量检测装置，根据实时检测结果，调整PLC功能执行位置，实现工控***的灵活控制，保证工控***在运行效率、生存性、鲁棒性之间取得折中优化，提高工业生产的效率。

如图1所示，其为本公开实施例的***框图，为提高整个***的可靠性，本地处理单元上设置有网络质量检测装置，研究在不同服务质量QoS(Quality of Service，服务质量)时，选择在集中式部署的云化工业控制单元(云化PLC) 或工业现场机器设备侧的工业控制单元(本地处理单元，即本地PLC)执行PLC 的功能，来满足实时性和确定性业务需求。

其中，QoS的关键指标主要包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化(包括抖动和漂移)和丢失。

本公开实施例以QoS的时延指标作为切换云化PLC和本地处理单元的依据。本公开实施例旨在基于不同的QoS下切换本地处理单元和云化PLC的方法，利用不同的网络条件来满足工业生产的需要，解决现有技术中云化PLC运行时可靠性不强的问题。

如图2所述的本公开实施例的方法200,其包括：

在框202，设置本地处理单元，所述本地处理单元执行PLC的功能并与云端的云化PLC执行网络连接；

在一些实施例中，设置本地处理单元，可选的，本地处理单元包括信号检测和任务处理模块。

在框204，检测网络质量，获取与云化PLC通信的网络QoS指标；

在框206，根据网络QoS指标将任务分配到本地处理单元和云化PLC。

在一些实施例中，获取当前网络的QoS指标，判断当前***的QoS指标是否能够满足所述云化PLC的QoS要求，当前QoS指标均低于***设定的阈值1时，表示网络质量良好可满足所有业务通信时延/带宽需求，PLC工作任务在云化PLC 执行；当前QoS的时延值或丢包率至少一项高于***设定的阈值1但低于阈值2 时，表明网络恶化，将时间敏感型任务放置到本地处理单元执行，其余任务仍在云化PLC执行；当时延值或丢包率至少一项高于***设定的阈值2时，表明网络恶化到无法提供服务，所有任务完全转到本地处理单元处理。

上述检测QoS质量的具体操作如下：本地处理单元发送心跳包到云化PLC，并记录发送时刻t₁，云化PLC接收到心跳包之后立即转发，转发时延可忽略不计，本地处理单元记录接收到该心跳包的时刻t₂，重复发送，在每个周期内发送最大允许量。

已知PLC执行过程为：

过程1：输入处理阶段

在这一阶段，PLC以扫描工作方式按顺序将所有输入端的输入状态采样并存入输入映像寄存器中。

过程2：执行阶段

在这一阶段，PLC按顺序进行扫描，即从上倒下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。

③输出处理阶段

在所有用户程序执行完后，PLC将输出映像寄存器中的内容送入输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

对于每个特定任务来说，PLC执行程序时间是确定的，即上述三个过程总和是确定的，所需时间记为t_Ex，则每个任务上传数据、任务执行和收到指令所需要的总时间为t＝t_in+t_Ex+t_out，其中t_in为设备上传数据到PLC输入端的时间，t_out为PLC下达指令到设备的时间。

定义参数：Δt:此时刻前5次心跳包收发的平均时间；Δloss:此时刻前100 次心跳包的丢包个数×100％。由这两个参数决定任务在本地处理单元/云化PLC 执行，具体的流程如下所示：

由上述要求确定QoS阈值：Δt1、Δloss1、Δt2、Δloss2。本地处理单元在每个扫描周期内不停地收发心跳包，云化PLC有特定的接收心跳包的程序，当接收到来自本地处理单元的心跳包时，立即向发送方回复该心跳包。本地处理单元等待接收云化PLC所在服务器返回数据的时间，记录接收时间t₂，计算时间差Δt即为时延值。

判断当前***的QoS指标是否能够满足所述云化PLC的QoS要求：

①当前QoS指标均低于***设定的阈值(ΔT、ΔLoss)时，表示网络质量良好可满足所有业务通信时延/带宽需求，PLC工作任务在云化PLC执行；

②当前QoS的时延值或丢包率至少一项高于***设定的阈值(ΔT、ΔLoss)

时，表明网络恶化，是否切换本地操作按照具体任务的需求来实现。

由于每个任务对时间敏感程度不同，保障在要求时间内(记为R_x)能够完成任务x，可容忍的信道延迟Δt_x<R_x-t_Ex。对于任务A(响应时间10ms以内)，任务 B(响应时间100ms以内)，任务C(响应时间50ms)，分别测算其可容忍信道延时为Δt_a，Δt_b，Δt_c，与实时信道测量结果比较，采取不同的任务执行切换策略，在该信道质量下仍能在相应要求时间R_x内完成的任务，继续在云端执行，其他任务立即切换到本地处理单元执行。

上述检测装置还可以用于测量时延抖动情况，具体方式是：测量多组时间差，如dt1，dt2，dt3等，计算其方差，记为时延抖动。

在实际生产过程中，设备的移动和环境的干扰都有可能会影响到QoS值的变化，软件会定时的检测当前环境下QoS指标的变化，以此为依据进行设备的切换。这样可以保障生产过程的正常运行，提高生产的效率以及可靠性。在本次设计中，每次切换时，会第一时间给用户发送提示信息，用户也可以在操作界面上观察到运行的状态。同时，***也可以让用户决定是否结束设备的运行，为用户提供选择机会，有助于提高用户体验。

当然，QoS的内容除了时延指标及时延抖动之外，还可以是其它参数，例如吞吐量等，在本申请实施例不限定。

在一些实施例中，将本地处理单元的信号检测模块单独设立，而视情况启动任务处理模块执行本地PLC的功能。可以由一个信号检测模块对应多个任务处理模块，从而降低成本。

在一些实施例中，根据当前网络的历史QoS指标，得到其QoS指标的变化趋势，若判断在预设时间后QoS的时延值或丢包率至少一项高于***设定的阈值1 但低于阈值2时，表明网络将持续恶化，启动本地处理单元，将时间敏感型任务放置到本地处理单元执行，其余任务仍在云化PLC执行；若判断在预设时间后时延值或丢包率至少一项高于***设定的阈值2时，表明网络恶化到无法提供服务，启动本地处理单元，所有任务完全转到本地处理单元处理。其中，所述预设时间为本地处理单元的启动及切换时间。通过上述操作，可以降低功耗，仅在需要的情况下启动本地处理单元的任务处理模块，实现本地PLC功能。

图3给出了本公开实施例的一个基于检测当前网络的QoS的时延值、丢包率作为切换云化PLC和本地处理单元的依据的案例流程图。由上述要求确定QoS 阈值：Δt1、Δloss1、Δt2、Δloss2。本地处理单元在每个扫描周期内不停地收发心跳包，云化PLC有特定的接收心跳包的程序，当接收到来自本地处理单元的心跳包时，立即向发送方，即本地处理单元，回复该心跳包。本地处理单元等待接收到服务器返回数据的时间，记录接收时间t₂，计算时间差Δt即为时延值。判断当前***的QoS指标是否能够满足所述云化PLC的QoS要求，

步骤一，设备开启时，检测当前环境下网络的QoS的时延值、丢包率，得到当前的网络状况作为PLC工作任务在本地PLC还是云化PLC上运行的依据。

步骤二，把获得的QoS的时延值与***预设的阈值进行判断，判断当前***的QoS的是否能够满足云化PLC的QoS要求，当前QoS的时延值或丢包率至少一项高于***设定的阈值(ΔT、ΔLoss)时，表明网络恶化，是否切换本地操作按照具体任务的需求来实现。

由于每个任务对时间敏感程度不同，保障在要求时间内(记为R_x)能够完成任务x，可容忍的信道延迟Δt_x<R_x-t_Ex。例如，对于任务A(响应时间10ms以内)，任务B(响应时间100ms以内)，任务C(响应时间50ms)，分别计算其可容忍信道延时Δt_a，Δt_b，Δt_c，与实时信道测量结果比较，采取不同的任务执行切换策略，在该信道质量下仍能在相应要求时间R_x内完成的任务，继续在云端，即云化PLC，执行；其他任务立即切换到本地处理单元，即本地PLC，执行。即使有任务在本地处理单元执行，本地处理单元仍在不停发送心跳包，当检测QoS指标满足云化PLC运行条件时，再次切换到云端执行。

步骤三，在工厂生产过程中不断重复此操作，每一次PLC工作任务的切换时，***都会将切换信息显示在本地处理单元的人机交互界面上，同时用户也能在所述人机交互界面上实时查看，在当前生产时，PLC工作任务在何处执行。

实施例2

如图4所示，本方案可在多云化PLC中部署。

步骤一：采用多处云化PLC部署，本地处理单元在扫描周期内不断向各处云化PLC发送心跳包检测QoS值，以时延值、丢包率为PLC工作任务在云端/本地PLC执行的具体依据。

步骤二，记三处获得的时延值、丢包率为Δt1、Δloss1，Δt2、Δloss2，与设定的阈值1(ΔT1、ΔLoss1)进行判断。若Max(Δt1，Δt2)<＝ΔT1且Max(Δloss1，Δloss2)<＝ΔLoss1，表示两处云化PLC网络质量均可满足所有业务通信时延/ 带宽需求，则PLC工作任务在云化PLC1、2执行；若ΔT1<＝Max(Δt1，Δt2)<＝ΔT2 且ΔLoss1<＝Max(Δloss1，Δloss2)<＝ΔLoss2时，表明网络恶化，此时判断是否有云化PLC1或云化PLC2满足低于阈值1的条件，若有，则在满足低于阈值1 的条件的该云化PLC处执行PLC工作任务，若没有，则将PLC工作任务放到本地PLC执行。

在有任务在本地PLC执行时，心跳包仍在不停发送，当检测QoS指标满足云化PLC运行条件时，再次切换到QoS指标满足云化PLC运行条件的云化PLC执行。

步骤三，在工厂生产过程中不断重复此操作，每一次PLC工作任务的切换时，***都会将切换信息显示在本地处理单元的人机交互界面上，同时用户也能在所述人机交互界面上实时查看当前生产时，PLC工作任务在何处执行。

根据本公开的实施例，实现了以下技术效果：保证工厂传统PLC和新技术虚拟PLC的结合使用的前提下，将QoS的时延指标作为PLC工作任务运行环境的依据，切实保证时延敏感类业务的传输，，保证了工业生产的效率以及灵活性。与传统的生产方式只使用硬PLC相比，生产过程更加灵活，数据可视化程度高，数据处理更加方便；与只使用软PLC相比，本方案中的任务切换机制提高了***的可靠性，克服了易受到外界环境干扰的问题，整个***的可靠性大大增强，确保生产过程可以顺利执行。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上***的***(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行***、装置或设备使用或与指令执行***、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体***、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器 (CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims

1.一种基于云化可编程逻辑控制器PLC的任务控制方法，其特征在于：所述方法包括：

设置本地处理单元，所述本地处理单元执行本地端PLC的功能并与云端的云化PLC网络连接；

检测网络质量，获取与云化PLC通信的网络QoS指标；所述网络QoS指标至少包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化和丢包率；其中，所述检测网络质量包括：本地处理单元发送心跳包到云化PLC，并记录发送时刻

，当云化PLC接收到来自本地处理单元的心跳包时，立即向发送方回复该心跳包；本地处理单元等待接收到服务器返回数据的时间，记录接收时间t2，计算时间差∆t为时延值；

将获取的网络QoS指标与设定的阈值做比较，依据比较结果，将任务分配到本地处理单元和云化PLC；包括判断当前***的QoS指标是否能够满足所述云化PLC的QoS要求，当前QoS指标均低于***设定的阈值时延阈值value1 和丢包率阈值value1时，表示网络质量良好可满足所有业务通信时延/带宽需求，PLC工作任务在云化PLC执行；当前QoS的时延值或丢包率至少一项高于设定的阈值时延阈值value1 和丢包率阈值value1时，表明网络恶化，根据任务的切换规则将对应的任务在本地处理单元和云化PLC之间做切换。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：根据任务的切换规则将对应的任务在本地处理单元和云化PLC之间执行切换包括：根据任务对时间的敏感度来判断是任务是在本地处理单元执行还是在云化PLC处理。

3.一种基于云化可编程逻辑控制器PLC的任务控制方法，其特征在于：所述方法包括：

将获取的网络QoS指标与设定的阈值进行比较，分配相应的任务到本地处理单元或云化PLC处理，包括：判断当前***的QoS指标是否能够满足所述云化PLC的QoS要求，当前QoS指标均低于设定的阈值value1时，表示网络质量良好可满足所有业务通信时延/带宽需求，PLC工作任务在云化PLC执行；当前QoS指标高于***设定的阈值value1但低于阈值value2时，将时间敏感型任务放置到本地处理单元执行，其余任务仍在云端的云化PLC执行，当时延值或丢包率至少一项高于***设定的value2时，所有任务完全转到本地处理单元处理。

4.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1~3中任一项所述的方法。