本發明涉及通信傳輸，更具體地說，本發明涉及一種基于邊緣網關的plc組網數據采集系統及其方法。

背景技術：

1、專利公開號為cn116055525a的專利公開了一種基于邊緣計算的數據采集系統。該系統包括連接并控制工業設備的plc，連接工業設備或plc的邊緣網關，連接邊緣網關的云平臺以及與云平臺交互的客戶端，其中，云平臺用于生成數據采集任務，并將生成的數據采集任務下發至邊緣網關；邊緣網關用于根據接收到的數據采集任務，通過與其連接的工業設備或plc進行數據采集，對采集到的數據進行預處理后轉發給云平臺。本技術提供的基于邊緣計算的數據采集系統中，云平臺集中管理邊緣網關，實現了數據采集任務的動態下發，降低了對設備進行數據采集設置的工作量，提高了設備數據的采集效率。

2、現有的基于邊緣網關的plc組網數據采集系統及其方法，主要存在以下問題：

3、工業企業為了降低成本和統一設備標準，可能會批量采購同一型號的plc設備，這些plc設備在出廠時一般默認配置了相同的ip地址，以便在出廠測試或初步配置時能夠快速識別和使用。于此同時為了簡化安裝和調試過程，設備供應商也可能會將plc設備的ip地址設置為一個通用的默認值，以便用戶在使用前進行自定義配置。然而，很多企業用戶早期并沒有構建工業互聯網絡需求，在設備安裝后并沒有及時對plc設備的ip地址進行修改，這會導致多個plc設備使用相同的ip地址。另外，很多企業組建工業互聯網絡時缺乏前瞻性，初始只實現本車間的plc設備、上位機等互相通信，并沒有對整個廠區車間進行統一的ip地址規劃，隨著公司業務的快速拓展可能會出現多個車間ip地址段沖突的情況。

4、傳統工業網絡配置需要針對每個設備手動設置ip地址、子網掩碼、網關等參數，并配置相應的路由和防火墻規則，過程繁瑣且容易出錯，特別是在大型工業網絡中更為明顯。并且在傳統網絡架構下，網絡擴展通常需要添加物理設備和重新規劃ip地址分配，擴展過程復雜且容易引入配置錯誤。所以，如何在不改動現有網絡架構和plc設備ip地址的前提下，實現plc組網數據的集中采集是急需解決的問題。

5、鑒于此，本發明提出一種基于邊緣網關的plc組網數據采集系統以解決上述問題。

技術實現思路

1、為了克服現有技術的上述缺陷，為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種基于邊緣網關的plc組網數據采集系統，包括：

2、動態虛擬隔離模塊，通過部署sdn控制器，采用深度包檢測技術，識別分類不同plc設備，并自動分配至虛擬子網，獲取虛擬ip；每個虛擬子網通過虛擬交換機和虛擬路由器隔離相同ip地址的plc設備；通過映射表記錄plc設備的虛擬ip與實際物理網口信息，建立網絡拓撲視圖；

3、多協議解析模塊，基于網絡拓撲視圖進行邊緣網關與plc設備的連接，通過集成plc通信協議庫并采用fpga硬件加速進行協議解析，從plc設備中實時讀取plc組網數據；

4、ai智能調度模塊，基于plc組網數據讀取plc實時狀態，動態調整采集周期，根據邊緣網關cpu負載與網絡擁塞狀況優化采集策略；

5、網關協同感知模塊，基于改進raft共識算法，在邊緣網關之間同步優化后的采集策略，并采用心跳機制檢測邊緣網關狀態，對故障邊緣網關進行隔離，自動更新網絡拓撲視圖；使用更新后的網絡拓撲視圖，重新從plc設備中實時讀取plc組網數據；

6、數據傳輸模塊，通過標準化數據訪問接口，將讀取的plc組網數據傳輸至采集服務器。

7、優選地，所述獲取虛擬ip的方法包括：

8、在邊緣網關部署sdn控制器，集中管理虛擬交換機和虛擬路由器，配置sdn控制器與邊緣網關物理網口的連接；在sdn控制器中定義虛擬交換機和虛擬路由器，作為邏輯隔離的虛擬子網邊界；

9、sdn控制器通過鏡像端口捕獲網絡中的數據包，使用dpi技術解析數據包負載，提取關鍵特征；關鍵特征包括協議頭字段、功能碼和設備標識符；預設設備指紋庫，設備指紋庫元素包括協議特征、廠商標識符和設備型號；基于預設的設備指紋庫識別并分類不同品牌和協議類型的plc設備，得到分類結果；

10、根據分類結果定義虛擬子網劃分策略，虛擬子網劃分策略包括按品牌隔離、按協議隔離和按功能組隔離；sdn控制器根據分類結果自動創建虛擬子網，并綁定至對應的虛擬交換機，配置虛擬路由器的訪問控制列表，限制跨子網通信；

11、在虛擬子網內部署輕量級dhcp服務器，為每個plc分配唯一的虛擬ip，對每個plc設備，通過sdn控制器手動綁定虛擬ip與物理網口；在虛擬路由器中配置nat規則，將plc的物理ip映射為全局唯一的虛擬ip。

12、優選地，所述隔離相同ip地址的plc設備的方法包括：

13、在sdn控制器中，為每個虛擬子網分配獨立的虛擬交換機和虛擬路由器；每個虛擬交換機充當該虛擬子網內plc設備的入口或出口，控制虛擬子網內plc設備的流量轉發；預設配置流表規則，虛擬交換機通過配置流表規則控制流量，僅允許同一虛擬子網內的plc設備之間的通信；預設配置流表規則包括入口流量匹配規則、默認丟棄規則、vlan隔離規則、nat轉換規則、訪問控制列表規則和ai自適應流表規則；對于不同的虛擬子網，虛擬交換機基于vlan標簽隔離不同子網內的流量；

14、每個虛擬子網通過虛擬路由器進行數據包的路由和轉發；虛擬路由器根據網絡策略和配置，僅允許合法的跨子網數據傳輸，對于同ip地址但屬于不同虛擬子網的設備，通過配置訪問控制策略，阻止跨子網的非法通信。

15、優選地，所述網絡拓撲視圖的獲取方法包括：

16、通過sdn控制器掃描所有已接入的plc設備，將plc設備的虛擬ip手動綁定至對應的物理網口，生成plc設備映射表；通過plc設備映射表記錄每個plc設備的虛擬ip、物理ip、mac地址和連接的物理網口信息；以邊緣網關為中心節點，基于plc設備映射表構建網絡拓撲視圖，采用拓撲繪制工具graphviz對網絡拓撲視圖進行可視化展示。

17、優選地，所述基于網絡拓撲視圖進行邊緣網關與plc設備的連接的方法包括：

18、邊緣網關根據獲取的網絡拓撲視圖，讀取每個plc設備的虛擬ip及其對應的實際物理網口信息，建立與plc設備的虛擬通信鏈路；

19、將各種plc通信協議的幀格式、字段定義、校驗算法及狀態機邏輯進行抽象，封裝成統一的plc通信協議庫；基于plc通信協議庫生成數據請求命令，通過虛擬通信鏈路向plc設備發送數據請求；plc設備對接收到的數據請求命令進行響應，通過虛擬通信鏈路向邊緣網關傳輸原始數據包；邊緣網關對虛擬通信鏈路傳輸的原始數據包進行抓取，并通過fpga硬件進行協議解碼和數據提取，進而獲取plc組網數據。

20、優選地，所述plc組網數據包括設備id、通信協議、時間戳、設備狀態數據、傳感器數據和設備報警數據。

21、優選地，所述動態調整采集周期的方法包括：

22、基于plc組網數據讀取plc實時狀態，采用模糊邏輯對plc實時狀態進行多維度分析，獲取設備狀態分級；依據設備狀態分級，動態分配數據采集周期；基于滑動時間窗口實時調整采集周期，當數據變化率超出預設數據變化率閾值時自動縮短采集周期，提高采集密度。

23、優選地，所述優化采集策略的方法包括：

24、通過api實時采集邊緣網關的cpu使用率，獲取邊緣網關cpu負載；當邊緣網關cpu負載超出預設的邊緣網關cpu負載閾值時，延長plc組網數據輪詢間隔，同時減少并發采集的plc設備數量，暫停非關鍵plc設備的plc組網數據采集任務；

25、實時監測網絡接口的帶寬利用率，獲取網絡擁塞狀況，使用輕量級壓縮算法對采集的plc組網數據進行壓縮。

26、優選地，所述基于改進raft共識算法，在邊緣網關之間同步優化后的采集策略的方法包括：

27、在邊緣網關節點上運行改進raft共識算法，改進raft共識算法包含動態超時機制，通過動態超時機制實時監測網絡質量參數，建立邊緣網關集群并完成初始leader選舉；網絡質量參數包括往返時延、丟包率和網絡抖動指標；通過加權平均網絡質量參數計算網絡質量綜合指標；基于網絡質量綜合指標通過指數衰減模型動態調整改進raft算法的選舉超時時間和日志復制超時時間；

28、通過改進raft共識算法同步優化后的采集策略至各邊緣網關節點；改進raft共識算法同步優化后的采集策略包括為每個網關節點維護獨立的日志復制成功概率模型，

29、根據當前往返時延和丟包率動態調整重試間隔至最優；各邊緣網關節點根據優化后的采集策略執行網絡拓撲數據采集；將采集的拓撲數據通過改進的raft共識機制同步至leader節點；leader節點合并各網關節點的拓撲數據；自動更新網絡拓撲視圖，將更新后的網絡拓撲視圖同步至各邊緣網關節點。

30、一種基于邊緣網關的plc組網數據采集方法，包括：

31、s1、通過部署sdn控制器，采用深度包檢測技術，識別分類不同plc設備，并自動分配至虛擬子網，獲取虛擬ip；每個虛擬子網通過虛擬交換機和虛擬路由器隔離相同ip地址的plc設備；通過映射表記錄plc設備的虛擬ip與實際物理網口信息，建立網絡拓撲視圖；

32、s2、基于網絡拓撲視圖進行邊緣網關與plc設備的連接，通過集成plc通信協議庫并采用fpga硬件加速進行協議解析，從plc設備中實時讀取plc組網數據；

33、s3、基于plc組網數據讀取plc實時狀態，動態調整采集周期，根據邊緣網關cpu負載與網絡擁塞狀況優化采集策略；

34、s4、基于改進raft共識算法，在邊緣網關之間同步優化后的采集策略，并采用心跳機制檢測邊緣網關狀態，對故障邊緣網關進行隔離，自動更新網絡拓撲視圖；使用更新后的網絡拓撲視圖，重新從plc設備中實時讀取plc組網數據；

35、s5、通過標準化數據訪問接口，將讀取的plc組網數據傳輸至采集服務器。

36、與現有技術相比，本發明具備以下有益效果：

37、本發明通過虛擬ip分配和nat映射機制，有效解決了工業現場plc設備可能存在的ip地址沖突問題，使得具有重復私有地址的異構plc設備能夠在同一物理網絡中共存并正常通信；基于sdn的虛擬子網隔離技術實現了不同品牌、不同協議或不同功能組plc設備間的邏輯隔離；通過自動化的設備識別和虛擬子網劃分，大幅降低了工業網絡配置的復雜度，減少了人工操作錯誤；虛擬化技術使得網絡拓撲和策略調整不再依賴于物理連接變更，可以通過sdn控制器動態調整虛擬子網劃分和訪問控制策略，適應不斷變化的工業網絡需求。

38、通過虛擬交換機和虛擬路由器的組合架構，實現了不同虛擬子網間的完全邏輯隔離，使具有相同ip地址的plc設備能夠在各自的虛擬子網中獨立運行，無需修改設備原有ip配置，解決了工業網絡整合中的核心難題；基于預設配置流表規則的多層次訪問控制機制，實現了從數據鏈路層到應用層的全方位安全防護，能夠根據協議特性、設備類型和業務需求精確控制通信權限；標準化的虛擬交換機和虛擬路由器配置模板大幅降低了網絡部署復雜度，網絡管理員只需關注策略定義而非底層實現細節，減少了配置錯誤風險，提高了部署效率。

39、通過動態超時機制，系統能夠自適應地調整raft算法參數，有效應對邊緣網絡環境中的延遲波動、丟包和網絡抖動問題，顯著提高了共識算法在惡劣網絡條件下的穩定性。改進的raft算法在網絡質量下降時智能延長超時時間，有效減少了因網絡波動導致的不必要leader選舉次數，減輕了邊緣網關的計算負擔，降低了系統資源消耗；基于網絡質量的最優重試間隔計算，使日志復制請求的發送時機更加合理，在網絡良好時加速共識達成，在網絡擁塞時避免無效重試，提高了采集策略同步的整體效率。通過自適應探測頻率調整機制，系統在網絡質量較差時主動降低拓撲數據采集頻率，減輕了邊緣網絡的傳輸負擔，防止網絡擁塞惡化；通過優化的共識機制和拓撲同步策略，系統能夠在保證數據一致性的前提下最大限度地保障數據的實時性，滿足邊緣計算場景對數據時效性的嚴格要求。