CN101984771B - 用于编制面向服务的自动化系统的服务的方法以及编制机 - Google Patents

用于编制面向服务的自动化系统的服务的方法以及编制机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于编制面向服务的自动化系统(SOAS)的服务的方法，其中系统部件(SMC，LCC)提供表示其功能的服务(S，WS)并且请求其它系统部件(SMC，LCC)的服务(S)，其中通过借助于编制机(OE)对系统部件(SMC，LCC)的服务(S)进行编制来控制自动化系统(SOAS)的行为；以及本发明涉及一种用于编制面向服务的自动化系统的服务的编制机。为了实现对设备层上的服务进行编制，所规定的是：编制机(OE)使用适用于面向服务的自动化系统(SOAS)的高级Petri网，并且通过解释和实施不同的描述自动化系统(SOAS)和/或系统部件(SMC，LCC)的行为的HLPN模型来对设备层上的服务(S)进行编制。

Description

用于编制面向服务的自动化系统的服务的方法以及编制机
技术领域
本发明涉及一种用于编制(Orchestrierung)面向服务的自动化系统的服务的方法，其中系统部件提供表示其功能的服务并且请求其它系统部件的服务，其中通过借助于至少一个编制机对这些系统部件的服务进行编制来控制该自动化系统的行为；以及本发明涉及一种用于编制面向服务的自动化系统的服务的编制机，该编制机包括系统部件，如智能机电部件、控制部件和/或决策部件(DSC)，这些系统部件中的每个都提供表示其内部功能并且被其它系统部件所请求的服务组。
背景技术
在F.Jammes、H.Smith等人的论文：“Orchestration ofservice-oriented manufacturing process”(IEEE，2005，卷1，第617至624页)中描述有一种用于编制面向服务的自动化系统的方法以及一种编制机。面向服务的自动化系统的典型特征是：以预先给定的顺序组织和实施不同的过程，以便构成更高级别的复杂过程。这种模式在不同层上重复，所述不同层即构成机器的现场设备的组合、构成工作单元和工作线的机器的组合、构成制造系统和工厂的机器层过程的组合。一旦这些过程被组织为服务的完整经济系统(eco-System)，则所期望的是，将与被分配给这些过程的原子服务的协调相联系的复杂度封装到单个服务接口中。
对与封闭的经济过程或制造过程相关的服务进行顺序和同步实施的实践在专业术语中被称为编制。编制机实施为了编制原子服务所必需的应用逻辑，并且提供用于所组合成的服务(过程)的高层接口。
最近，Web服务的组合和编制获得特别的意义。在这种情形下，所追求的目标是：通过组合Web服务来构成复杂的可以应用在多个分层层次上的过程。
为了提供灵活性，值得推荐的是使用描述所建模的系统的工作流程的Web服务编制描述(基于模型的编制)。该编制描述可以由机器实时地来解释，其中所述机器实时地解释工作流程，以便避免使用“ad-hoc(自组的)”、“Hard-coded(硬编码的)”实施方式。
目前主要公知有两种用于编制Web服务的规范，更确切地说，一种是“Business Process Management Language(BPML；业务流程管理语言)”，另一种是尤其用于表示制造过程的“ProcessSpecification Language(PSL；过程规范语言)”。
但是在行业中常常应用“Business Process Execution Languagefor Web-Service(BPEL4WS；用于Web服务的业务流程执行语言)”，其同样以名称WS-BPEL或BPEL公知。
但是当前可用的编制机的缺点是，这些编制机是针对企业层系统设计的。所述实施方式在应用服务器上“居先”(“on Top”)运行，并且占用10MB范围内的存储区。但是对于设备层上的服务协调而言，编制机必须运行在具有有限资源的嵌入式设备中。
A.Bepperling等人的文献“A Frame Work for Development andImplementation of Web Service based on Intelligent AutonomousMechatronik Component”(Industrial Informatics，2006，IEEE Int.Conf.on IEEE PL，2006年8月1日，第341-347页)描述有以业务层上的总生产过程为出发点对表示生产过程的服务进行的编制。
描述生产过程的模型、尤其是Petri网模型被分成参与该生产过程的“构块(building block)”并且被这些构块解释。对表示生产步骤的服务的编制在实施所述模型以前就已经进行。所述方法不适于编制表示各个系统部件的服务的功能。
P.Leitao等人的文献“Petri-net based Methodology for theDevelopment of Collaborative Production System”(EmergingTechnologies and Factory Automations，2006，ETFA’06，2006年9月1日，第819-826页)描述有一种用于在使用高级Petri网的情况下开发协同式(基于代理的)生产系统的方法。所提出的方法支持从规范分析到协同式和可重新配置的生产系统及其控制系统的设计验证和实施的生命周期。
在F.Jammes的文献“Service Oriented Device Communicationsusing the Device Profile for Web-Service”(因特网引用，2005年12月2日)中描述有对嵌入式设备之间的通信层上的面向服务的体系结构的适应性修改，其中所述嵌入式设备提供其功能。同样描述有将“用于Web服务的设备描述”用于“智能设备”的体系结构。
发明内容
本发明所基于的问题是，改进现有技术中的用于编制面向服务的自动化系统的方法以及编制机，使得所述编制机为紧凑的并且可以运行在设备层上。
根据本发明，该问题尤其是通过一种用于编制面向服务的自动化系统的服务的方法来解决。
面向服务的自动化系统涉及分布式的和可重新配置的自动化系统，该自动化系统的行为通过编制服务来调节，该自动化系统具有提供服务的系统部件(例如制造部件、智能决策部件以及控制设备)，这些系统部件提供其自动化功能作为服务并且这些服务被其它部件请求。
设备层上的服务编制通过计算单元(如被集成在微控制器中的编制机)来进行，所述编制机使用一种适用于面向服务的系统的高级Petri网(HLPN)，所述编制机充当HLPN解释器或者内置的能够自动运行的HLPN控制模块，以用于实施描述其行为的HLPN模型。为此优选地规定：所述编制机被集成在计算单元中，所述计算单元如系统部件(如机电部件和/或逻辑控制部件)的微控制器，并且所述自动化系统的HLPN模型由所述编制机来解释和实施。
另外，该方法的特点在于，所述编制机被集成在下列层上的控制部件的计算单元中：设备层，如机器人的夹持器或运输系统的一部分；机器层，如设备组、尤其是机器人或者完整的运输设备；和/或单元层，如构成完整的制造系统或装配系统的机器组，并且在所述控制部件中实施该自动化系统的以前编译的HLPN模型。
优选地通过XML进行对Petri网的描述，所述XML可以由该设备的控制机制来解释或者在外部控制的情况下被编译并且接着被加载到该设备上。
在解释或编译以后，所述Petri网描述被转换成优选地为矩阵形式的数据结构，所述数据结构可以由用于控制服务和I/O层的程序来处理。
优选地，所述描述同样包含：哪些服务已经被提供/请求、在I/O处被读取/写入，以及以前针对所述Petri网所做出的分析信息。
此外，该问题通过一种用于编制面向服务的自动化系统的服务的编制机来解决。
本发明还涉及一种工业分布式控制领域并且定义有一种用于在基于面向服务的自动化系统中在设备层上编制服务的编制机。
所述编制机使用一种适用于面向服务的系统的高级Petri网(HLPN)，其中利用其功能强大的数学基础这一优点来表现离散的、动态的、分布式的和基于事件的系统，在所述系统中同时性和并行性、同步、资源共享、非同步的事件交换和互相抑制是重要的。
优选地，编制机被实施在设备层上，尤其是被集成到控制装置或控制装置的计算单元、如设备的微控制器中。所述编制机优选地被构造为模块化的，并且可以实施和解释不同的Petri网模型，其中该设备的行为被描述。对于较简单的设备而言，该高级Petri网模型由于硬件限制而可以优选地被直接集成到控制装置中。所述编制机可以被构造为能够在系统部件的计算单元(如微控制器、PLC或IPC)中自动运行的用于实施所述自动化系统的HLPN模型的HLPN控制模块。另外规定，控制系统包括逻辑控制部件和/或决策部件和/或机电部件，这些部件通过通信网络彼此连接，其中所述编制机为了协调和聚合另外的部件的服务而被嵌入在所述逻辑控制部件中，并且其中所述编制机知道所述自动化系统的HLPN模型。
如果设备含有一个以上的服务并且这些服务必须被编制，则该编制机可以被实施在所述设备的控制装置中、即设备层上。另外，该实施方式的前提是，该设备包含相应的基础设施，即数据处理单元、如微控制器。
优选地，所述机电部件以及逻辑控制部件分别具有逻辑控制，所述逻辑控制被定义为HLPN解释器，以便在设备层上编制服务。较简单的部件可以包括经过预编译的HLPN网而不是HLPN解释器。
可替代地，编制机也可以被实施在机器的控制装置中、即机器层上。在此，所述机器包括多个设备，这些设备提供功能作为服务，而这些服务必须被编制。所述机器本身同样必须含有数据处理单元(如微控制器、PLC或者I PC)形式的硬件基础设施。
此外，所述编制机可以被实施在完整的制造系统和/或装配系统的控制装置中。在这种情况下，系统由多个机器构成，其中这些机器的制造功能和/或装配功能被提供为服务，而这些服务必须被编制。另一前提是，所述制造系统和/或装配系统具有计算单元(如微控制器、PLC或IPC)形式的硬件基础设施。
在另一优选的实施方式中，所述系统可以含有多个编制机，其中多个编制机被集成在设备的控制层(设备层)上、机器的控制层(机器层)上和/或系统的控制层(系统层)上。
如果所述编制机在机器层上编制服务，则由所述编制机所编制的服务可以是对设备子群(Sub-Set(子集))的服务子群(Sub-Set(子集))的编制。对于在此种情况下为上级的编制机而言，仅仅存在一个服务要编制，即由另一编制机提供的服务。
本发明相对于现有技术的区别尤其是在于，编制机被实施到设备层上的控制装置中，例如被集成到机器人的夹持器中和/或运输装置的驱动器中，因为所需的计算能力以设备层上的计算单元(如微控制器)的形式存在。
具有计算能力的自动化设备越简单或越小，其中所述自动化设备具有计算单元，则可以越简单地在设备层上实施编制。
本发明的另外的细节、优点以及特征不仅从权利要求书、从所述权利要求书中所得知的特征本身和/或其组合中得出，而且还从下面对从附图中得知的优选实施例的描述中得出。
附图说明
图1示出用于面向服务的自动化系统的控制系统，
图2示出智能机电部件的概念模型，以及
图3示出具有两个工作站的输送系统的HLPN模型。
具体实施方式
图1示出面向服务的自动化系统SOAS的控制系统10，该自动化系统SOAS包括智能机电部件SMS、组合部件AC、逻辑控制部件LCC、以及决策部件DSC，这些部件通过通信网络KN彼此连接并且通过该网络调用或者提供服务。
所提出的用于图1所示的面向服务的自动化系统SOAS的控制方案的基础是：基于模块化和简单的机电设备SMC来构造可重新配置的自动化系统，所述机电设备SMC中的每个都提供表示其内部功能的服务组S。部件SMC、LCC和DSC之间的全部交互过程通过访问通过网络KN连接的服务S来进行。
对面向服务的自动化系统SOAS的控制主要依赖于分布式机电设备SMC与该系统中的其它部件之间的协调。在机电设备的情况下，这包含编制该机电设备的服务以及对该机电设备的I/O进行协调/同步。控制本身可以被区分为：通过机电部件SMC、逻辑控制部件LCC进行的局部控制LC；部件之间的协同控制；以及在使用专门的控制服务AS情况下的组合控制ALCC，其一般用于基于单独的服务来构造更高级的服务。
根据图1的控制系统STS主要示出3种参与控制的部件。逻辑控制部件LCC在单独的和协调的行为不充分的情况下提供协调控制服务。逻辑控制部件LCC应起客户端的作用，并且能够在没有关于如何实施服务S的假设的情况下使用服务S。此外，逻辑控制部件LCC还是提供者，因为该逻辑控制部件LCC可以实施如下功能：生成由单独的服务构成的更高级的组合服务AS。
所附属的对服务S执行协调和聚合的编制机OE应被嵌入到LCC中，其中该编制机OE知道生产系统的全部人工模型MOD、如HLPN模型。
除了主要实施专门的逻辑或处理规划的静态控制装置LCC之外，还可以通过决策机制来扩充灵活性。决策本身可以局部地通过部件SMC、LCC来进行，或者通过将专门的决策部件DCS用于复杂的全局行为来进行。为此目的，控制装置LCC检查提供专门服务S的决策发现部件DSC，以便选择多种可能性之中之一-如由箭头P所指示的那样。控制装置LCC也可以迫使未检测到的方法进入未预见到的状态。LCC和DSC可以集成为一个部件，其中所述LCC和DSC彼此补充并且通过交换服务来协作。
机电设备SMC-亦称智能机电部件-控制其自己的行为并且可以容易地被组合，以便构成更复杂的设备AC，这些更复杂的设备AC与其它设备相组合构成所期望的自动化系统。机电部件SMC表示设备、控制以及通信的集成组合。如图2所示，SMC被构造为3个不同的层：物理层PHL、“智能”逻辑控制层SLCL以及服务层SL。SMC的核心是“智能”逻辑控制模块SLCM，该“智能”逻辑控制模块SLCM包括逻辑控制LC以及可选地包括决策发现DS。“智能”逻辑控制模块SLCM控制物理设备SMC的内部行为并且协调通过服务S的通信。在逻辑控制模块SLCM中实施有服务接口SI。另外，物理层的I/O通过接口SYC被同步化。服务-如“处于合适位置(On-Position)”OPS、“传入(Transfer IN)”TIS或者“传出(Transfer OUT)”TOS-通过服务请求单元SRM被请求，并且通过服务提供单元SPM被提供。通信模块SOCOM被构造为面向服务的。
每个SMC都必须封装有可以提供物理设备SMC或“智能”逻辑控制的服务S。由于这些部件包括面向服务的系统的概念，因此技术解决方案描绘Web服务WS的使用，以便使这些服务具有对话能力。Web服务WS是信息系统之间的简单、经济、最大程度地可用的交互手段。另一方面，电子设备以增长的程度与标准网络(以太网和TCP/IP在许多地方都是最大程度地可用的)连接。用于Web服务WS的设备描述DPWS定义为了将Web服务WS用在电子设备中所需的扩展，其中考虑到这些电子设备的特定的边界条件：基本规范(Footprint(覆盖区))、常规需求(例如安全、即时可运行性、异步和面向事件的交换)的提供和满足。
存在一种方案，该方案用于将LCC和SMC的逻辑控制LC定义成集成的解释器I，以便在设备层上编制服务S，其中服务S处理一种适用于面向服务的系统的高级Petri网HLPN。简单的设备可以替代于包括解释器I而包括已经经过预编译的HLPN，因为逻辑和通信本身在运行时间期间不必改变。
重要的是必须注意，可以并行地通过不同的设备使用其它控制机制。条件是，通过Web服务的通信应当保证兼容性并且所使用的逻辑控制机制、在本情况下为Petri网必须具有对服务层DPWS的访问，以便使用设备以及能够与该系统中的其它部件通信。
基于HLPN的逻辑控制机或编制机OE被嵌入到微控制器设备中，其中所述基于HLPN的逻辑控制机或编制机OE实施自动化设备/自动化系统的逻辑控制行为。机器OE可以被集成到独立的LCC中，或者为了协作目的而被直接集成到SMeC中。该机器实施部件LCC或SMC的通过HLPN模型所描述的逻辑控制行为，其中协调由部件所提供的服务S的实施(和/或根据细化等级的I/O)。
该方案出于多种原因将HLPN用作控制逻辑的描述：
●出于HLPN的功能强大的数学基础这一优点来表现离散的、动态的、分布式的和面向事件的系统，在所述系统中并发性和并行性、同步、资源共享、非同步的事件交换和互斥是重要的；
●图形化的建模和理解方面的设备复合(Anlagenkomplex)；
●功能强大和有效的控制机制，因为HLPN在内部被作为矩阵集来表示和操纵；
●通过对转变的描述来使接口适应于I/O和服务的能力；
●对部件的运行时间行为的控制和同步化；
●揭示需要进行决策的冲突；
●设计阶段的验证、分析和模拟，其中该阶段的结果可以用于支持决策机制；
●子模型的模块化表示、连通性以及聚合；
●透明性(可以以不同的方法对模块进行编程，因为定义有交互模式并且相互构成标准“模式”)。
应用示例
参考图2和图3的用于自动输送设备的控制模块的开发
所考虑的是输送单元FE的示例，输送单元FE具有“传入”服务和“传出”服务TIS、TOS以及“处于合适位置”服务OPS，其中“传入”服务和“传出”服务TIS、TOS用于与其它输送设备(或运输系统)相连接，“处于合适位置”服务OPS用于指示产品(如调色板)在合适位置处，以便由机器或操作员使用。所述服务由SMC来提供，并且可以被其它部件使用，但是也可以在需要时调用外部服务，例如为了与其它输送设备连接而必须请求其它输送设备的“传出”服务。
在开始阶段中，表示自动化设备的行为的HLPN模型被编辑、分析和模拟，其中使用合适的高级Petri网工具。如前所述，自动服务可以通过高级Petri网控制机OE运行，但是也可以获得对其它形式的控制机制的使用。只要控制机具有到服务层SL的接口SI并且因此允许兼容性，则使用哪个可用的控制机取决于开发者或工程师。
然后，HLPN模型被下载到微控制器MC上，该HLPN模型然后被解释并且通过已经被嵌入到该微控制器设备中的HLPN机OE来实施。通过机器OE对HLPN模型的实施将根据特定的行为来编制服务，其中由部件SMC所提供的服务S被调用。系统可被简单和快速地重新配置，并且仅仅需要改变表示自动化设备或自动化系统的新行为的HLPN模块。

Claims (4)

1.一种用于编制面向服务的自动化系统(SOAS)的服务(S)的方法，其中系统部件(SMC，LCC)提供表示其功能的服务(S，WS)并且请求其它系统部件(SMC，LCC)的服务(S)，其中通过借助于编制机(OE)对所述系统部件(SMC，LCC)的服务(S)进行编制来控制所述自动化系统(SOAS)的行为，
其特征在于，
所述编制机(OE)被构造为模块化的，并且所述编制机(OE)在多个系统部件(SMC，LCC)中实施为高级Petri网解释器或者实施为能够自动运行的高级Petri网控制模块，并且所述编制机(OE)使用适用于面向服务的系统的高级Petri网，其中通过协调和聚合另外的系统部件(SMC，LCC)的服务来对设备层上的服务(S)进行编制，所述协调和聚合另外的系统部件(SMC，LCC)的服务通过所述高级Petri网解释器或者所述能够自动运行的高级Petri网控制模块来进行，其中解释和实施不同的、描述所述自动化系统(SOAS)和／或所述系统部件(SMC，LCC)的行为的高级Petri网模型。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述自动化系统(SOAS)的高级Petri网模型由所述编制机(OE)来解释和实施或者在外部控制的情况下被编译并且接着被加载到所述系统部件的编制机中。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
通过XML进行对高级Petri网的描述。
4.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
在解释或编译以后，所述高级Petri网的描述被转换成矩阵形式的数据结构。
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