CN101632051B - 具有所实现的工程系统的自动化系统和工程系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有面向服务的架构和在灵活的和能够再配置的生产环境中的分散的分布的组件和/或设备的自动化系统，所述自动化系统具有至少一台主机，该主机通过数据传输手段如以太网与所述面向服务的组件和/或设备相连接。为了建立设备/组件的面向服务的系统，其在虚拟的网络中的实现以及使其与真实的物理上存在的组件同步，在此规定，所述至少一台主机中包括虚拟的基于模拟的工程环境，该工程环境具有虚拟的面向服务的通信平台，所述通信平台用于在网络服务的基础上在组件和/或设备的虚拟的模型之间交换信息和相互作用，其功能性作为服务能够支配。

Description

具有所实现的工程系统的自动化系统和工程系统
技术领域
本发明涉及一种自动化系统以及一种工程系统。
背景技术
开头所述类型的自动化系统和工程系统比如在EP-A-1 659 468中得到说明，然而所述自动化系统和工程系统用于基于代理的模拟及控制系统。
陈及其他人的公开文献：“基于代理的系统在智能制造中的应用(Application Of Agent-based Systems In Intelligent Manufacturing)”，关于升级评审，先进工程信息，Elsevire，第20卷，第四期，2006年10月，该公开文献同样涉及基于代理的自动化系统。在那里提到将基于代理的技术与基于网络的技术集成在一起的构思，其中应该在网络服务的基础上实现通信。
US-B-7,151,966涉及用于在工业控制环境中提供开放的接口和分布的处理的一种系统和一种方法。在此，在联网的工业的控制环境中提供虚拟的和远程的组件相互作用。对在网络服务的基础上组件之间的通信进行说明，但是没有涉及面向服务的系统。
在过去直到现在，具有更确切地说单一的编程技术的中心的/分层的控制系统占优势地位，也就是说完整的控制逻辑电路在少数的计算强劲的(rechenstark)SPS设备上运行，所述SPS设备大多数通过现场总线与传感器和执行器周期性地交换过程参数。
目前可以观察到不同的趋势：
-增加的计算功率和以太网也越来越多地可以在最小的设备中支配。
-比如基于网络服务技术的面向服务的架构(SOA)首次进入自动化世界并且已经用作通信或者说控制平台。
-目前更为全面地研究并且在规划中考虑生产设备的生命周期。
-对于服务的开发、对于服务组件的联系并且对于应用程序和过程流程的建模和开发来说早已存在相关工具。
-模拟或者说仿真工具对控制逻辑单元来说可以支配(但是对分布的应用逻辑电路来说则不能)。
发明内容
据此，本发明的任务是，改进一种开头所述类型的系统，从而允许设备的面向服务的系统的建立、其在虚拟的网络中的实现以及其与真实的在物理上存在的组件的同步。
另外，按本发明该任务通过按本发明的自动化系统得到解决。按本发明的具有在灵活的和能够再配置的生产环境中的分散的分布的真实的组件的自动化系统包括至少一台主机，所述主机具有集成的虚拟的基于模拟的工程环境用于对所述真实的组件的虚拟的模型进行模拟和仿真，其中，所述工程环境与连接所述真实的组件的网络连接，其特征在于，不仅真实的组件而且所述真实的组件的虚拟的模型都构造成基于服务的并且作为一个单元由机电模块、控制模块和通信模块组成，所述机电模块描绘机器的和电子的部分的看得见的和物理的性能，所述控制模块描绘所述组件的控制逻辑电路用于实现组件功能性并且所述真实的组件的以及所述真实的组件的虚拟的模型的通信模块作为统一的网络服务接口来实现，其中不仅所述组件的虚拟的模型而且所述真实的组件的组件功能性都能够作为服务对于所述系统的其它的虚拟的和/或真实的组件在网络服务技术的基础上被支配，所述工程环境具有虚拟的面向服务的通信平台用于实现组件的基于服务的系统，所述通信平台通过主机-以太网接口与将所述真实的组件连接的网络连接以用于在所述通信平台与所述真实的组件之间进行数据交换，并且所述组件的虚拟的模型以与所述真实的组件精确相同的机制进行通信。
不仅真实的组件而且虚拟的组件都通过机电模块、控制模块以及通信模块来描述，其中所述机电模块描绘机器的和电子的部分的看得见的和物理的性能，所述控制模块描绘所述组件的控制逻辑电路并且所述通信模块以网络服务的形式实现。此外规定，真实的和虚拟的组件具有相同的通信平台(协议堆栈)。
优选在主机中实现的虚拟的组件能够作为服务实例(Service-Instanz)在虚拟的网络中编址并且是独立的。
一种优选的实施方式的突出之处在于，所述虚拟的服务实例能够从所述虚拟的网络的外部看见并且能够编址并且这一点通过物理的终点地址的分配来实现。
一种另外的优选的实施方式的突出之处在于，所述虚拟的面向服务的通信平台通过所述主机的操作系统的标准的网络功能及过程功能来实现。
优选所述基于服务的组件在相同的主机上在单独的过程或者说线程中实现并且拥有自身的终点地址。
优选不仅主机内部的服务之间的通信而且主机内部的服务与组件的外部的服务之间的通信都能够透明地实施。
一种特殊的实施方式的突出之处在于，组件的面向服务的系统能够在虚拟的基于模拟的工程平台上实现。
此外，本发明的主题是一种借助于集成的基于模拟的工程平台尤其用于对灵活的和能够再配置的生产环境中的分散的分布的组件和/或设备的面向服务的架构的生命周期进行全面支持的模块化的工程系统。按本发明的用于全面支持在灵活的和能够再配置的生产环境中的分散的分布的真实的组件的生命周期的工程系统包括集成在主机中的虚拟的基于模拟的工程环境用于对所述真实的组件的虚拟的模型进行模拟和仿真，其中，所述工程环境能够与连接所述真实的组件的网络连接，其特征在于，不仅真实的组件而且所述真实的组件的虚拟的模型都构造成基于服务的并且作为一个单元由机电模块、控制模块和通信模块组成，所述机电模块描绘机器的和电子的部分的看得见的和物理的性能，所述控制模块描绘所述组件的控制逻辑电路用于实现组件功能性并且所述真实的组件的以及所述真实的组件的虚拟的模型的通信模块作为统一的网络服务接口来实现，其中不仅所述组件的虚拟的模型而且所述真实的组件的组件功能性都能够作为服务对于所述系统的其它的虚拟的和/或真实的组件在网络服务技术的基础上被支配，所述工程环境具有虚拟的面向服务的通信平台用于实现组件的基于服务的系统，所述通信平台通过主机-以太网接口与将所述真实的组件连接的网络连接以用于在所述通信平台与所述真实的组件之间进行数据交换，并且所述组件的虚拟的模型以与所述真实的组件精确相同的机制进行通信。组件功能性在网络服务技术的基础上作为服务对于网络中的其它组件来说可以支配。
在此，用“组件”来表示自动化技术及过程自动化技术的机电的元件，该元件由机械的传感技术的部分组成，该部分包括控制功能性并且拥有通信的能力。其原则上有能力独立地实现其基本的功能。通过通信和集成的控制，可以作为网络服务为其它的联网的组件公布所述功能性。用“生命周期”这个名称来表示组件和生产设备的所有可能经历的阶段。这比如是指开发、编程、安装、调试、监控、运行时间诊断、模拟、再配置、再利用及更多阶段。
由此可以进行组件架构的基于模拟的二维/三维设计。根据自身发明的特征，所述工程环境允许建立设备的面向服务的系统、在虚拟的网络中实现所述系统并且使其与真实的物理上存在的组件同步，用于比如能够进行监控。
附图说明
本发明的其它细节、优点和特征从优选的实施例的以下说明中获得。其中：
图1是自动化系统的系统架构，包括具有所实现的工程环境及虚拟的SO通信平台的主机，所述虚拟的SO通信平台通过以太网与真实的组件相连接，
图2是工程平台的结构，
图3是在按图1的自动化系统中的虚拟的面向服务的通信平台的结构，
图4是集成在唯一的环境中或者集成在物理上分开的环境(计算机)中的“模拟和分析”应用实例，
图5是集成在唯一的环境中或者集成在物理上分开的环境中的“关于运行时间的诊断”应用实例，
图6是集成在唯一的环境中或者集成在物理上分开的环境中的“测试和监控”应用实例。
具体实施方式
图1示出了自动化系统AS的系统架构，该自动化系统AS构造在面向服务的架构中。该自动化系统AS包括至少一台主机HR以及在灵活的且能够再配置的生产环境中的分布的组件和/或设备PD1...PDN，所述分布的组件和/或设备PD1...PDN通过通信手段KM如以太网彼此间相连接并且与所述主机HR相连接。在所述主机HR中，实现了工程环境EU，该工程环境EU提供集成的虚拟的面向服务的通信平台KP。此外，实现了虚拟的组件VD1...VDN，它们通过所述虚拟的面向服务的通信平台KP来交换信息和相互作用。
所述虚拟的组件VD1...VDN基本上具有和真实的组件PD1...PDN相同的结构。所述虚拟的和真实的组件VD、PD的性质被视为由以下模块构成的单元。
机电模块MM：
组件VD、PD包括机器的、机械的和电子的部分，这些部分的看得见的和物理的性能以足够虚拟的方式来描绘(图形模型，活动的部件)。根据设备的粒度
Figure GSB00000895961100051
组件VD、PD比如可以是传感器/动作器、机器或者子设备。
控制模块SM：
所述组件VD、PD拥有必要的计算资源(容量)，用于自给自足地实现功能性并且可以拥有不同的粒度(比如传感器/动作器→机器→机器+智能控制＝物理因数)。这就是说，工程工具EU不仅可以用于小的机电的组件VD、PD，而且也可以用于集合的组件或者说复杂的机电的结构。对于应用逻辑电路来说不重要的流程如活动的机器部件可以通过单独的逻辑电路来描绘，所述单独的逻辑电路比如在虚拟的模型中模拟真实的组件的时间特征或碰撞特性。
通信模块WS：
在控制下所说明的设备功能性仅仅能够支配用于其它的网络节点的服务接口作为所谓的服务WS。作为基础结构，以基于SOAP的网络服务技术为基础。因此，必须通过所述服务接口来利用在更高的场境中的设备功能。目前有不同的方案用于用服务比如具有中心配置或者分布的基于事件的配置的商业处理引擎来建立/配置生产流程。这些类型的配置从配器法和编舞法中为人熟知。这些方案也可以用在用于控制和通信的智能的代理系统的领域中。
工程工具EU的目标是，提供集成的虚拟的面向服务的通信平台KP，所述通信平台KP除了能够实现组件VD、PD的建模之外(包括二维/三维-建模、服务建模、控制开发)也能够在虚拟的环境EU、KP中模拟和保持所述组件VD、PD。
工程环境EU是用于成套工具的通用概念，所述成套工具允许对组件及成套机组VD、PD进行图形建模并且允许开发控制逻辑电路。离线开发程序代码、对其进行仿真并且以编译的形式装载到最终平台上并且执行。
基于模拟的工程平台KP的在图2中示出的结构用模拟功能扩展了所述工程环境EU，该模拟功能允许在纯粹虚拟的或者不同的生产环境中用真实的硬件来模似被建模的系统。
设备和组件功能作为服务WS被封装，使得另外的图3中示出的会话/表示层SPL、传输/网络层TNL以及数据链路/物理层DPL形式的抽象层或者说基础结构成为必要，该抽象层或者说基础结构实现了在网络服务的基础上交换信息和相互作用(也称为面向服务的通信平台KP)。所述虚拟的面向服务的通信平台KP的特征在于，不需要任何用于实现服务的系统的物理的网络并且尽管如此存在着真实的平台的所有功能。服务实例能够作为明确的服务终点在虚拟的网络中编址(传输地址)并且自主地也就是在不受其它服务的共存的影响的情况下起作用。除此以外，虚拟的服务实例SI也必须能够在虚拟的网络的外部看得见以及编址。
所述虚拟的面向服务的通信平台KP已经可以通过主机-操作系统的标准的网络功能及过程功能来完成，如果比如所述基于服务的组件VD1、VD2在同一台主机HR上在单独的过程(线程)中起动并且如在图3中示出的一样能够用自身的终点地址来支配。服务之间的通信无论是在主机内部的服务之间还是在主机内部的服务与组件的外部的服务之间都是透明地进行的。
在此提供集成在工具(工程环境)EU中的虚拟的通信平台KP，由此来实现这一点，即具有与真实的组件PD1...PDN精确相同的机制的虚拟的组件VD1...VDN可以进行通信。
服务是处于真实的还是虚拟的环境中的差别变得最小，如果两种环境提供了通信平台(协议堆栈)，该通信平台具有相同的接口并且为相应的运行时间环境隐藏优化方案。在理想情况下，同一个服务组件可以没有变化地在真实的组件中或者在处于虚拟的环境中的容器中运行和通信。
所述工程环境EU提供了不仅描绘而且开发真实的组件PD1...PDN作为具有上面提到的机电、控制、通信这些性能的虚拟的组件VD1...VDN的能力。
所述组件VD、PD的可重复使用性这个方面在系统的面向服务的或者说基于组件的开发中非常重要。一种应用情况是能够重复使用的组件库的建立或者扩展。组件VD、PD要么可以是由其它组件/服务构成的复合体，要么是由控制逻辑电路和机械电子集成装置构成的基元的组件。对于这样的基元的组件来说，所述工程环境EU允许开发几何(三维模型)的物理特性(运动学)、服务功能、服务接口和动作器/传感器-连接。对于服务逻辑电路和连接到IO的连接的开发来说适用这一点，即所述服务逻辑电路必须在真实的和虚拟的环境中起作用。这就是说，对所述IO的驱动和所述物理特性的模拟来说必需的逻辑电路严格地与服务实施分开并且通过用于真实的和虚拟的服务的接口来连接。
此外，所述工程平台EU提供了通过主机-以太网接口NI将虚拟的通信平台KP与生产系统网络相连接的能力，从而可以在工程系统与真实的组件PD1...PDN之间以及在虚拟的与真实的组件之间进行透明的数据交换。
图4示出了虚拟的组件VD1...VDn的模拟和分析的结构。在这种情况下，可以在完全与外界分开的情况下在所述虚拟的环境EU中对所述虚拟的组件VDx及其实际的相互作用进行测试。应用程序的流程和所述组件的状态在工程工具中显示出来并且得到分析。所述虚拟的组件VD1、VD2也可以在物理分开的计算机上运行。
图5示出了关于运行时间的诊断的结构。在工程环境EU中，作为模型要么以1∶1要么仅仅部分地在限制在子集上的情况下来描绘真实性。也就是说，对于每个真实的组件PD1...PDN来说必须存在着相应的配对部分作为虚拟的组件VD1...VDN，在此应该为每个真实的组件PD1...PDN显示诊断信息。现在应用程序在真实的组件上运行，所述真实的组件通过诊断服务接口将状态信息/指令发送给工程环境。在那里对信息进行处理并且合适地在模型中显示出来(动作、报警、通知)。
图6示出了一种测试和监控结构。在这种情况下，控制由虚拟的组件VD1...VDN来履行。不过现在区别在于，将服务请求不是(仅仅)发送给虚拟的组件VD2，而且发送给相应的真实的组件PD2，所述真实的组件PD2执行服务操作并且通过所述诊断接口来使所属的虚拟的组件VD2同步。

Claims (8)

1.具有在灵活的和能够再配置的生产环境中的分散的分布的真实的组件(PD1...PDN)的自动化系统(AS)，包括至少一台主机(HR)，所述主机具有集成的虚拟的基于模拟的工程环境(EU)用于对所述真实的组件的虚拟的模型(VD1...VDN)进行模拟和仿真，其中，所述工程环境(EU)与连接所述真实的组件(PD1...PDN)的网络(KM)连接，
其特征在于，
不仅真实的组件(PD1...PDN)而且所述真实的组件的虚拟的模型(VD1...VDN)都构造成基于服务的并且作为一个单元由机电模块(MM)、控制模块(SM)和通信模块(WS)组成，所述机电模块(MM)描绘机器的和电子的部分的看得见的和物理的性能，所述控制模块(SM)描绘所述组件的控制逻辑电路用于实现组件功能性并且所述真实的组件(PD1...PDN)的以及所述真实的组件的虚拟的模型(VD1...VDN)的通信模块(WS)作为统一的网络服务接口来实现，其中不仅所述组件的虚拟的模型(VD1...VDN)而且所述真实的组件(PD1...PDN)的组件功能性都能够作为服务(WS)对于所述系统的其它的虚拟的和/或真实的组件在网络服务技术的基础上被支配，所述工程环境(EU)具有虚拟的面向服务的通信平台(KP)用于实现组件的基于服务的系统，所述通信平台(KP)通过主机-以太网接口(NI)与将所述真实的组件(PD1...PDN)连接的网络(KM)连接以用于在所述通信平台(KP)与所述真实的组件(PD1...PDN)之间进行数据交换，并且所述组件的虚拟的模型(VD1...VDN)以与所述真实的组件(PD1...PDN)精确相同的机制进行通信。
2.按权利要求1所述的自动化系统，
其特征在于，
组件的虚拟的模型(VD1...VDN)能够作为虚拟的服务实例(SI)在面向服务的通信平台(KP)中编址并且是独立的。
3.按权利要求2所述的自动化系统，
其特征在于，
所述虚拟的服务实例(SI)能够在面向服务的通信平台(KP)的外部看见并且能够编址。
4.按权利要求1所述的自动化系统，
其特征在于，
所述虚拟的面向服务的通信平台(KP)能够通过所述主机(HR)的操作系统的标准的网络功能和过程功能来实现。
5.按权利要求1所述的自动化系统，
其特征在于，
所述组件的虚拟的模型(VD1...VDN)在同一台主机(HR)上在单独的过程或者说线程中实现并且拥有自身的终点地址。
6.按权利要求1所述的自动化系统，
其特征在于，
不仅所述组件的虚拟的模型(VD1...VDN)的服务(VWS)之间的通信而且所述组件的虚拟的模型(VD1...VDN)的服务(VWS)与所述真实的组件(PD1...PDN)的服务(WS)之间的通信都能够透明地在网络中可见地并且可编址地实施。
7.按权利要求3所述的自动化系统，
其特征在于，
所述虚拟的服务实例(SI)通过物理的终点地址的分配能够在面向服务的通信平台(KP)的外部看见并且能够编址。
8.用于全面支持在灵活的和能够再配置的生产环境中的分散的分布的真实的组件(PD1...PDN)的生命周期的工程系统，包括集成在主机(HR)中的虚拟的基于模拟的工程环境(EU)用于对所述真实的组件(PD1...PDN)的虚拟的模型(VD1...VDN)进行模拟和仿真，其中，所述工程环境(EU)能够与连接所述真实的组件(PD1...PDN)的网络(KM)连接，
其特征在于，
不仅真实的组件(PD1...PDN)而且所述真实的组件的虚拟的模型(VD1...VDN)都构造成基于服务的并且作为一个单元由机电模块(MM)、控制模块(SM)和通信模块(WS)组成，所述机电模块(MM)描绘机器的和电子的部分的看得见的和物理的性能，所述控制模块(SM)描绘所述组件的控制逻辑电路用于实现组件功能性并且所述真实的组件(PD1...PDN)的以及所述真实的组件的虚拟的模型(VD1...VDN)的通信模块(WS)作为统一的网络服务接口来实现，其中不仅所述组件的虚拟的模型(VD1...VDN)而且所述真实的组件(PD1...PDN)的组件功能性都能够作为服务(WS)对于所述系统的其它的虚拟的和/或真实的组件在网络服务技术的基础上被支配，所述工程环境(EU)具有虚拟的面向服务的通信平台(KP)用于实现组件的基于服务的系统，所述通信平台(KP)通过主机-以太网接口(NI)与将所述真实的组件(PD1...PDN)连接的网络(KM)连接以用于在所述通信平台(KP)与所述真实的组件(PD1...PDN)之间进行数据交换，并且所述组件的虚拟的模型(VD1...VDN)以与所述真实的组件(PD1...PDN)精确相同的机制进行通信。
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