一款工业物联网高性能通讯中间件-架构篇

在与远控操作台、自动化作业指令、人机交互、设备实时监控等工业物联网领域专家深入交流后，我了解到数据通讯方面的特殊要求。

请教了一些同事，我熟悉了工业标准协议。

经过三个版本的迭代，四个月的设计、编码、测试，上生产验证，一款由我独立研发的工业物联网高性能通讯中间件交付了。

本着交流合作，共同进步的精神，我决定把中间件的研发分享出来。由于内容较多，篇幅较长，将分三篇文章全面介绍这款中间件。

《一款工业物联网高性能通讯中间件-架构篇》：介绍中间件设计思想，技术方案，协议与标准，风险与应对

《一款工业物联网高性能通讯中间件-服务端实现篇》：介绍中间件服务端项目结构，开源组件，自封组件，PLC测点配置，数据采集，数据交互，OpcUa断线重连，常见问题及解决

《一款工业物联网高性能通讯中间件-客户端实现及封装篇》：内容待定

本次分享的是开篇《一款工业物联网高性能通讯中间件-架构篇》。

1 设计思想

这款中间件主要是解决底层PLC数据采集，清洗，交互，传输，上层应用调用问题。介绍时，中间件与数据中心等同。

1.1 概述

中间件/数据中心特点如下：

• 一次编写，到处应用
• 采用服务端/客户端模式。客户端打包，便于安装与接入
• 异步，事件驱动架构设计保障高性能、高并发
• 为应用客户端提供统一的PLC数据通讯，交互的IEC标准/Node接口
• 数据采集，清洗，调用集中维护
• PLC数据解析采用业界流行的Opc UA通讯协议
• 解决PLC客户端接入连接数的限制
• 满足远控操作台、自动化作业指令、人机交互、设备实时监控毫秒级响应时延要求
• 同时支持多PLC
• 同时支持多应用客户端接入，取决于服务端内存，理论上2G内存支持2000个客户端接入
• 支持实时数据/历史数据转发
• 服务端单机支持60000测点/秒并发
• 服务端支持集群部署，可扩展
• 客户端的封装支持断线重连，如PLC程序更新，网络断开，手动关闭服务端，稳定性强
• 分级分类的日志功能，便于排查修复问题，可维护性高
• 模块化设计，组件化编码，可移植，可重用

1.2 应用

 

Portal ：人机交互HMI

ACCS：自动化作业指令

数据中心：工业物联网高性能通讯中间件

【...】：其他应用，比如设备实时监控系统等

1.3 数据流

2 技术方案

2.1 技术选型

开发语言：C#（工业软件很多由C#编写，无历史包袱）

开发工具：Visual Studio 2019（号称宇宙最强IDE）

开源框架：Opc Ua基金会开源代码，OpcUaClientHelper开源代码，HpSocket开源代码

自封组件：Log4net日志组件，OpcUaClient组件，RabbitMQ组件，Socket客户端异步组件，并发缓存组件，数据服务组件，多协议解析组件

接口协议：IEC，接近Opc Ua原生Node数据交互统一接口

2.2 架构图

 2.3 实时数据/历史数据

 

2.4 论证

2.4.1 测试论证

2.4.2 项目论证

在某上市公司的工业物联网项目上线后，中间件服务稳定运行超过5个月，满足数据通讯的各项指标，为应用系统在数据通讯方面提供了很好的底层技术支撑，获得了较好的评价

2.5 专利与著作权

该中间件申请了1项著作权（涉及敏感信息不方便透露），2项发明专利（进入国家专利局实审阶段）

3 协议与标准

参考了IEC61850/IEC61131.3协议，制定了关于数据集、指令集和任务集的统一接口规范标准。

IEC名称由配置工具生成，管理员统一分发，各应用系统根据公开的配置，解析报文含义。

IEC示例：吊具移动水平位移是Spreader.Pos.YC.F30.X

报文格式如下：

4 风险与应对

 4.1 风险

仅支持Opc Ua协议

PLC硬件性能限制，不同厂商不同型号硬件可能需要微调批量查询，修改，订阅的数量

4.2 应对

尽量采用业界通用的Opc Ua协议，如有需要，再进行Modbus，TCP/IP等协议集成

批量数值做成可配置以兼顾软硬件性能