CN103649855B - 一种用于在分散的控制系统中动态分配程序功能的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将程序组成部分分配到控制系统的分散的控制装置上的方法和系统，包括以下步骤：a）生成至少两个程序模块，该程序模块各自具有：程序组成部分、数据接口和用来定义性能需求的性能参数；b）通过数据接口之间的数据关联将程序模块连接成控制程序；c）确定可用的控制装置及其在控制系统中的性能；d）确定可能的、程序模块的分配并通过比较需求和性能进行检验；e）选取并进行经检验的分配；f）在分散的控制装置之间设置数据交换通道。

Description

一种用于在分散的控制系统中动态分配程序功能的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于在分散的控制系统中动态分配程序功能的方法和系统。

背景技术

在应用于过程和工厂自动化以及用于机器控制的自动化技术中使用控制系统，该控制系统包括一个或数个分散的控制装置，例如可编程逻辑控制器（SPS）和特定应用的控制程序。该控制程序在许多情况下按照一种根据标准IEC61131的程序语言而生成，该程序语言例如可以植入电脑辅助的开发系统中，该开发系统能够生成用于控制系统的控制程序以及生成单个程序组成部分（如功能或功能块），这些程序组成部分例如能够指派给一个或多个分散的控制装置。通过附属的程序模型来确定程序组成部分是如何实例化及如何完成的。最初与平台无关而生成的程序基本上能够在不同的硬件类型上运行，对此必须在程序的汇编和上传之前确定各个硬件类型。

在进一步改进的标准IEC61499中使由IEC61131已知的、带有输入-和输出数据接口（I/O-接口）的功能块额外扩展事件接口。该事件接口可以连接不同的功能块，各自能够通过一个事件（英语中表示为Event）推动这些功能块的执行，可以通过在各个控制装置内部和/或外部的另一个程序组成部分触发该事件。由此，根据标准IEC61499的程序模型基本上可以在控制系统内部连接单个程序组成部分，该程序组成部分分配在不同的控制装置上。在控制系统中分散的控制装置之间的数据交换可以通过数据网络进行，例如通过自动化总线系统如PROFINET进行。借助基于协议的数据交换可以在包含数个分散的控制装置的控制系统中进行事件接口之间所需的连接。

然而，在为控制系统生成特定应用的控制程序时，必须确定哪个程序组成部分应该在哪个分散在系统中的控制装置上运行。因此对于包含分散的控制装置的控制系统通常在生成的程序组成部分和硬件设备之间具有固定分配。

在使用控制系统时，根据待执行的任务从不同的性能等级来选择控制装置的硬件类型。在改进用于控制系统的控制程序时使程序组成部分相应地分配到单个控制装置上，对此在分配过程中必须通过程序员确保已有的、控制装置的硬件资源充分满足各自相应的程序组成部分的资源需求。在控制系统的总体程序结构中也有硬件的物理分配，即，特别是涉及手动地将单个程序组成部分按规定分配到控制装置上。

这种根据特定应用安排和编程的控制系统一般来说难以扩展，因此在装置或机器之后的扩展过程中通常需将相应的控制装置通过更有效的装置来替代。而在设计控制系统和选择相应的硬件时可以考虑到装置或机器将来的扩展，由此可以避免在控制装置中的之后必要的硬件更换并且只需要调整控制程序。然而，使用过大尺寸的控制装置，即，使用对于相应的应用有过多冗余性能的控制装置，通常违背了经济效率的需求。

虽然在共同的数据网络内部由多个控制装置构成的控制系统中基本上可以例如通过添加额外的控制装置来扩展总体系统的硬件资源，但是有效的系统编程需要将现有的以及添加的程序组成部分重新分配到可用的控制装置上。全部程序组成部分的重新分配及其通信关系的确定由程序员手动进行，因此几乎伴随每一个扩展都需要重新扩展已有控制系统的控制程序。

发明内容

本发明的目的在于，简化可编程性，特别是关于控制系统更好的可伸缩性。

为实现该目的，本发明提出一种方法，用于将控制程序的程序组成部分分配到至少两个在控制系统中分散的控制装置上，该方法包括以下步骤：

a）生成至少两个程序模块，其中给每个程序模块至少指派了一个程序组成部分、数个数据接口和一个性能参数，其中通过性能参数定义了对于控制装置性能的需求和/或对于在控制装置之间的数据交换通道的性能的需求，这些需求对于程序模块的可实行性是必须的；

b）将程序模块彼此连接成控制程序，其中定义了数据接口之间的数据关联关联。

c）确定在控制系统中分散的、可用的控制装置的数量和每个控制装置的性能；

d）确定在控制装置上的程序模块的可能的分配数量，其中通过比较根据性能参数的需求和控制装置的性能来检验可能的分配，

e）选择经检验的、程序模块的分配并将程序组成部分相应地分配到分散的控制装置上；

f）在分散的控制装置之间设置数据交换通道，定义的数据关联在分配的程序模块之间进行相应的转换。

通过根据前两个方法步骤连接的程序模块为控制系统提供了控制程序，该控制程序这时和实际使用的、控制装置的硬件还未产生关联。整个控制程序完成之后才进行在连接的程序模块的程序组成部分和所提供的、实际控制系统的控制装置之间的关联。在完成整个控制程序之后才进行的另一个步骤中，程序员才需要确定，应该在控制系统中实际提供的哪个控制装置上执行生成的控制程序。这种确定可以例如根据由程序员给定的列表来进行，该列表包括在控制系统中实际可用的控制装置的记录。

相对于现有技术，该方法的主要优势在于，由程序员大致上为各个自动化任务生成基于程序模块的解决方案，该解决方案最初没有和预定的目标硬件相关联。

在之后的、所谓“后期绑定”的阶段中才进行各个程序组成部分和控制装置的连接，在这个阶段中通过开发系统进行程序组成部分的动态分配。在动态分配过程中以相应的方式顾及到通过性能参数定义的、强制的规定参数。

根据方法步骤e）的分配可以优选这样地进行，即，基本上实现控制装置的均匀负荷。这种均匀的负荷可以例如通过结合在开发系统中的算法来确定，对于该算法事先选出或规定了一个或多个优化标准。

另一个分配标准可以表述为使通过数据网络的程序模块之间的通信最小化或者使控制装置之间的I/O接口和事件接口的数量结构最小化。

在性能参数中可以提供一种属性，通过该属性确定程序模块在控制装置中对于可实行性是否需要特定的性能特征。

相应的性能特征可以是运动核的需求或者根据特定的SIL（安全完整性等级）-规范（标准IEC/EN62061和IEC/EN61508）的、确定的程序块的可处理性。

通过这种属性可以排除所有不满足规定参数的、用于分配程序组成部分的结合，从而为优化分配相应快速地集中了算法。

另外，在性能参数中可以确定，是否应该在一些不同的控制装置上冗余地执行程序模块。

在动态分配过程中使相应的程序组成部分及其通过指派的数据接口的连接加倍并同时分配到不同控制器上。相应地在分散的控制装置之间产生了多余的数据交换通道，并且不需要程序员的干预。

此外，在性能参数中提供了一个用于数据关联的“服务质量”的值。

另外可以通过性能参数规定一个对于最快任务的周期需求的值或者对于I/O接口的同步要求和更新时间的值。

该方法的优势在于，能够根据相应的优化规则自动地进行动态分配并且必要时通过手动预先规定参数而使性能参数影响该动态分配。

此外，根据本发明的目的实现方案包括具有用于执行该方法的装置的开发系统。

该方法和开发系统使得已有的控制系统具有容易的可扩展性。可以通过添加另一个硬件，即，通过在各个数据网络上添加一个额外的控制装置来扩展已有控制系统的硬件资源。附属的并且也已存在的、基于程序模块的控制程序必须仅通过额外的程序模块扩展，该额外的程序模块具有用于新添加的自动化任务的相应连接。通过该方法

动态地进行全部程序组成部分的重新分配。

附图说明

接下来根据示例性的实施方式结合附图详细地描述本发明。

在附图中：

图1：示出了三个相互连接的程序模块，各个程序模块包含：一个程序功能、数个数据接口和一个性能参数，

图2：示出了两个在控制系统中分散的控制装置（SPS），程序功能分配在这两个控制装置上，以及

图3：粗略地示出了根据本发明的开发系统。

具体实施方式

在生产线中必须关注例如不同的自动化任务。这些自动化任务特别是在扩大的生产设备中通过数个控制装置、例如通过可编程逻辑控制器（SPS）进行，这些控制装置可以通过网络以数据技术地连接成为控制系统。这种数据网络可以像PROFINET一样基于以太网地形成并且为所有控制器跨系统或跨网络地提供全部的输入接口和输出接口。即，所有基于硬件的I/O接口和事件接口在整个数据网络内能够用于网络中所有的组成部分，由此通过PROFINET的数据网络进行I/O接口的连接。

为了解决各个自动化任务首先通过电脑辅助的开发系统生成特定应用的控制程序，该控制程序最初和各个控制系统的硬件没有关联。在图1中示出了这种用于示例的自动化任务的程序。

为了生成控制程序，根据待解决的自动化任务生成数个程序模块1、2、3。一个程序模块基本上包含一个程序组成部分以及一个性能参数和数个指派的数据接口。

程序组成部分12、22、32可以例如由一个或数个能够实例化的功能或功能块组合而成，将这些功能或功能块的I/O接口和事件接口各指派给一个数据接口。程序模块的性能参数包含具有对于SPS的需求的信息，这些需求需要用于执行程序模块或执行各个程序组成部分。通过这些需求可以定义例如SPS的可用配置，例如运动核的可用性或安全功能的可用性，或者可以确定SPS的特定的性能特点，例如节拍时间和循环时间及类似的。

由图1中所示的实施例可见，给第一程序模块1指派了一个包含“功能A”的程序组成部分12、以及一个输入数据接口13和三个输出数据接口14。程序组成部分12不需要特定的硬件资源及SPS的配置。因此指派给第一程序模块1的性能参数11不包含需求数据。

第二程序模块2同样包括第二程序组成部分22以及数据接口23、24。通过程序组成部分22应该实现用于执行SPS的运动核所需的驱动控制。因此性能参数21包含属性“运动核”，通过该属性表明SPS的相应所需的可用配置。

根据本实施例应该冗余地在两个不同的SPS上执行和第三程序模块3相应的第三程序组成部分32，由此在一个控制装置停止工作的情况下可以由其他的SPS（备用硬件）无冲突地承担各个经转化的自动化任务。性能参数31包含相应的属性“多余信息”。

程序模块1、2、3通过已有的数据接口13、14；23、24；33、34相互连接，其中这些连接在图1中通过连接箭头进行说明。

为了完成控制程序，最后由图3中的开发系统发布待编程的控制系统的可用硬件资源。这可以例如自动地进行，其中开发系统和控制系统的数据网络连接并且自主地判断出可用的硬件。

在图2中可见，该实施例中所示的控制系统包括两个在生产线控制系统中分散的控制装置，第一SPS10和第二SPS20。第二SPS20具有运动核配置，而第一SPS10只具有标准功能，即不提供特殊配置。

在考虑到各个指派的性能参数11、21、31中所定义的规定参数的情况下，开发系统计算程序模块1、2、3的程序功能12、22、32的分配。

对于通过程序模块2实现的驱动控制，开发系统必须确保控制装置具有在性能参数21中所需求的运动核，相应的程序功能22应该在该控制装置上运行。因此在该实施例中给第二SPS20指派了程序功能22。

根据相应的性能参数31必须在两个不同的控制装置上强制地执行作为冗余部分的、第三程序模块3的程序功能32，以及因此将该程序功能指派给第一SPS10和第二SPS20。

对于第一程序模块1的程序功能12的分配不需要满足受资源限制的规定参数。根据其它的分配标准，例如在整个控制系统中均匀负载硬件，将程序功能12指派给第一SPS10。

基于经计算的、程序功能的分配将I/O接口设置到各个控制器上。为此根据和程序功能相应的数据接口和已定义的连接通过开发系统相应地设置每个控制装置的PROFINET控制器。

如果以后需要为额外的自动化任务以及额外的程序功能或程序模块扩展生产线，那么开发系统可以进行新的分配，必要时通过相应改变的规定参数来优化该分配。

如果在控制系统中耗尽了硬件资源，那么可以通过在数据网络中添加额外的控制装置容易地扩展硬件资源。由开发系统发布扩展或添加了硬件之后，可以进行程序功能的重新动态分配。在重新动态分配的过程中可以将图1中所示的、最初为自动化任务所生成的、特定应用的控制程序保留在各个控制系统经改变的硬件上。必要时仅将新的自动化任务的程序模块添加到控制程序中，这些程序模块必须和已有的程序模块相应地连接。有利的是不需要完全地重新规划自动化程序。

在图3中粗略地示出了用于执行上述所描述的方法的开发系统。该开发系统包括：输入装置101，用于生成和连接至少两个程序模块1、2、3，其中每个程序模块包括至少一个程序组成部分、数个数据接口13、14、23、24、33、34和一个性能参数11、21、31，并且通过该性能参数为程序模块1、2、3的可实行性定义对于控制装置10、20的性能的需求；确定装置102，用于确定在控制系统中分散的、可用的控制装置10、20的数量及其性能。该开发系统还包括比较装置103，用于检验程序模块1、2、3在可用的控制装置10、20上的可能的分配，其中通过比较根据性能参数11、21、31的需求和控制装置10、20的性能获得验证。该开发系统还包括选取装置104，用于选取经检验的、程序模块1、2、3的分配。该开发系统还包括分配装置105，用于根据所选取的、程序模块1、2、3的分配将程序组成部分分配到分散的控制装置10、20上。该开发系统还包括设置装置106，用于在分散的控制装置10、20之间设置数据交换通道，该数据交换通道是为了在经分配的程序模块1、2、3之间相应地转化已定义的数据关联而形成的。

Claims (6)

1.一种用于将控制程序的程序组成部分分配到至少两个在控制系统中分散的控制装置上的方法，所述方法包括以下步骤：

a)生成至少两个程序模块(1、2、3)，其中给每个程序模块至少指派了一个程序组成部分(12、22、32)、数个数据接口(13、14；23、24；33、34)和一个性能参数(11、21、31)，其中通过性能参数定义了对于控制装置性能的需求和/或对于在控制装置之间的数据交换通道的性能的需求，所述需求对于程序模块的可实行性是必须的；

b)将程序模块(1、2、3)彼此连接成控制程序，其中定义了数据接口(13、14；23、24；33、34)之间的数据关联；

c)确定在控制系统中分散的、可用的控制装置(10、20)的数量和每个控制装置的性能；

d)确定在可用的控制装置(10、20)上的程序模块(1、2、3)的可能的分配数量，其中通过比较根据性能参数的需求和控制装置的性能来检验可能的分配；

e)选择经检验的、程序模块的分配并将程序组成部分(12、22、32)相应地分配到分散的控制装置(10、20)上；

f)在分散的控制装置(10、20)之间设置数据交换通道，其中定义的数据关联在分配的程序模块(1、2、3)之间进行相应的转换。

2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，根据步骤e)选择一个分配，所述分配基本上实现控制装置的均匀负荷。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在性能参数(11、21、31)中可以提供一种属性，通过所述属性确定程序模块(1、2、3)在控制装置(10、20)中对于可实行性是否需要特定的性能特征。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在性能参数(11、21、31)中提供一个用于数据关联的服务质量的值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在性能参数(11、21、31)中提供一种属性，通过所述属性确定是否应该在一些不同的控制装置(10、20)上冗余地执行程序模块(1、2、3)。

6.一种用来执行根据前述权利要求任意一项所述的方法的开发系统，所述开发系统包括：输入装置(101)，用于生成和连接至少两个程序模块(1、2、3)，其中每个程序模块包括至少一个程序组成部分、数个数据接口(13、14、23、24、33、34)和一个性能参数(11、21、31)，并且通过所述性能参数定义对于控制装置(10、20)的性能的需求和/或对于在控制装置之间的数据交换通道的性能的需求，所述需求对于程序模块(1、2、3)的可实行性是必须的；确定装置(102)，用于确定在控制系统中分散的、可用的控制装置(10、20)的数量和性能；比较装置(103)，用于检验程序模块(1、2、3)在可用的控制装置(10、20)上的可能的分配，其中通过比较根据性能参数(11、21、31)的需求和控制装置(10、20)的性能获得验证；选取装置(104)，用于选取经检验的、程序模块(1、2、3)的分配；分配装置(105)，用于根据所选取的、程序模块(1、2、3)的分配将程序组成部分分配到分散的控制装置(10、20)上；设置装置(106)，用于在分散的控制装置(10、20)之间设置数据交换通道，所述数据交换通道是为了在经分配的程序模块(1、2、3)之间相应地转换已定义的数据关联而形成的。