CN105654228A

CN105654228A - 用于对生产工厂的实体工厂项进行建模的通用工厂模型

Info

Publication number: CN105654228A
Application number: CN201510833852.3A
Authority: CN
Inventors: 弗兰切斯卡·多里亚; 詹皮耶罗·阿尔塔雷; 马可·切雷吉诺; 詹卢卡·罗西; 卢卡·博尔托洛索; 乌尔里希·布劳恩; 克劳斯·扬德尔; 奥利弗·图劳
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2016-06-08
Also published as: EP3026606A1; US20160154910A1

Abstract

本发明公开了在具有工程环境和运行时间环境的制造执行系统内对生产工厂的实体工厂项进行建模的通用工厂模型，该通用工厂模型包括：a)节点类型模型，其聚集用于对单个实体工厂项进行建模的不同方面，涉及公共接口参数以及自动化参数；b)多个节点，每个节点表示一个独特的节点类型的实例；c)库模型，包括项目库和全局库，所述库包括节点类型模型、刻面模型、规则模型以及层次模型；d)接线图模型，其定义节点的不同刻面的接口成员之间的交互；以及e)图解模型，表示节点之间的物理连接和/或逻辑连接。

Description

用于对生产工厂的实体工厂项进行建模的通用工厂模型

技术领域

本发明涉及用于在具有工程环境和运行时间环境的制造执行系统内对生产工厂的实体工厂项进行建模的通用工厂模型。

背景技术

众所周知，用于由企业资源计划(ERP)做计划并且由车间生产的制造过程的方法提供了制造执行系统(MES)，以用于建模、计划、调度和执行制造过程，并且控制工厂车间层级处对应的生产步骤。在由层级0至层级4构成的自动化金字塔中，ERP系统驻留在层级4处的最高层级，其表示负责粗略生产计划和购买订单处理的企业层级。MES系统位于层级3，其表示工厂控制层级，包括详细的生产建模、计划、生产执行、生产数据获取、KPI计算、资源和质量管理。过程控制层级位于层级2并且包括SCADA系统(监管控制和数据获取)，其用于生产的观察和控制、生产配方的管理以及生产数据的存档。定位在层级1处表示字段级过程信号和I/O模块以及现场总线的那些，由此经由I/O信号给技术生产过程提供接口。通常实现在层级0处表示占主导的二进制信号的快速数据收集的执行器/感测层级。当然，不同层级的边界根据各自的生产设施(工厂)的设置和情况而浮动。

特定地，企业资源计划系统(在下文中被称为ERP)是包括硬件装置和对应的软件应用程序的、用于计划企业的商业资源的系统，商业资源即材料供应、人力资源管理、采购、订单、效益、财政、库存控制、客户管理等，而层级0和层级1处的术语“车间”已用于指示下述系统，所述系统例如通过对每个机器每小时生产的件的数目或其运行参数、所生产的件的质量进行测量等来支持对进行生产动作并涉及制造过程的单个机器的控制。

制造执行系统(在下文中被称为MES)是层级3处的中间层，其提供ERP上层与车间低层之间的计算机器和软件工具，包括用于生产订单管理(其从ERP接收生产需求)的软件工具以及用于生产建模的软件工具，其支持对要涉及制造过程的资源(即员工、机器和材料)进行选择和管理的阶段，以在所需时间约束内实现所计划的制造过程。

因此，通过ANSI/ISA/95标准来管理的制造执行系统需要对用于调度活动和控制活动二者的工厂设备进行建模。因此，生产过程通常包括生产需求，其对针对单个产品的生产需求进行定义。预定义的产品通过生产规则来标识，其中，每个生产规则被划分在表示由MES控制的简单生产动作的许多分段需求中。

因此，生产需求(也可以被称为操作需求或工作订单)包含至少一个分段需求；即使其跨越产品的所有生产。分段需求至少包含具有标识的材料生产需求、要生产的产品的数量和测量单位。通常，在MES中，用户会由于各种原因如机器停机时间、材料短缺、缺少人力而想要修改待生产的产品的数量。

针对MES的另一关键问题在于，立即对由ERP开发的操作进度作出反应。在该活动中，根据操作进度来创建工作订单是MES和ERP的交互中最具挑战的任务之一，并且因此应该在可能的最好性能情况下来进行操作。通常，工作订单在执行步骤、资源和参数方面相当复杂，其在于：从头开始创建工作订单非常耗时，并且通常与大多数紧凑的制造进度不兼容。

考虑到用于使整个系统能够在自动化金字塔的不同层级之间交换数据的合适软件结构仅有非常少的要求，现今的可用的软件系统无法满足这些要求。当前，每个系统ERP、MES、SCADA和DCS(分布式控制系统)包括其各自的用于对实体设备资源进行建模的建模工具以及相应的层次，因此并未采用均匀和可渗透的方式来完成相应的层次。因此，在工程以及运行时间中，由于保持不同计划模型一致的必要性导致这些不同层级的产品之间的集成较难并且容易有错误。

发明内容

因此，本发明目的在于提供一种受益于集成架构的、用于生产设施的MES系统、SCADA系统和DCS系统的通用工厂模型，其使得能够针对附接至通用工厂模型的所有类型的系统(MES、SCADA、DCS)对生产设施的实体资源进行严格和持久的建模。

根据本发明通过用于在具有工程环境和运行时间环境的制造执行系统内对生产工厂的实体工厂项进行建模的通用工厂模型来实现该目的，该通用工厂模型包括：

a)节点类型模型，其聚集用于对单个实体工厂项进行建模的不同方面，包括公共接口参数以及自动化参数；

b)多个节点，每个节点表示一个独特的节点类型的实例；

c)库模型，包括项目库和全局库，所述库包括节点类型模型、刻面(facet)模型和规则模型以及层次模型；

d)接线图模型，其定义节点的不同刻面的接口成员之间的交互；以及

e)图解模型，其表示节点之间的物理和/或逻辑连接。

因此该通用工厂模型提供了用于对实体工厂项进行建模的标准化架构，其中，实体工厂项可以由与实体工厂项存在商业关系的多个不同用户使用。特定地，SCADA系统和DCS系统现在能够在MES的环境内对其各自的需求进行独特的建模，该建模针对工厂占主导地位系统的生产的执行和控制。

本发明的另一优选实施方式可以提供节点类型模型，包括：

a)标头，其提供节点类型的标识信息；

b)结构刻面，用于高层级表示；

c)可选地自动化刻面，用于自动化表示；

d)可选地一个或多个功能刻面，用于不同功能方面；

e)可选地一个或多个接线图，其定义由接线连接的两个节点的刻面之间的关系；以及

f)可选地一个至多个节点视图，其提供由结构刻面公开的节点数据的视图。该节点类型在使用通用工厂模型的所有系统内为强制性的，其中，结构刻面是表示节点的公共接口的强制性元素。

为了满足对节点的特定层次的多于一个的要求，可以在所定义的层次内针对专用的层级来定义节点类型。特定地，可以将一个或多个层次层级分配给节点类型，由此使得工程系统中的引导能够以预期层级在层次中创建节点。

为了实现关于节点类型的有益工程以及在节点类型模板方面重新使用各种节点类型，可以在库中定义节点类型，并且节点类型可以包括由外部应用消耗、用于数据表示或用于实现商业逻辑的属性。

附图说明

在下文中参照以下附图更详细地描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的库模型的概述；

图2示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的节点类型模型的概述；

图3示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的刻面模型的概述；

图4示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的接线图模型的概述；

图5示意性地描绘了根据图4的接线图模型开发的接线图的第一示例；

图6示意性地描绘了根据图4的接线图模型开发的接线图的第二示例；

图7示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的规则模型的概述；

图8示意性地描绘了根据图4的接线图模型开发的接线图的第三示例；

图9示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的节点模型的概述；

图10示意性地描绘了在通用工厂模型内的中央仓库的结构；

图11示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的层次模型的概述；

图12示意性地描绘了对根据现有ISA-95和ISA-88标准的层次模型的概述；

图13示意性地描绘了针对根据图11中所示的层次模型的层次的示例；

图14示意性描绘了要被用于根据图9中所示的节点模型创建节点的节点模板；

图15示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的组模型的概述；

图16示意性地描绘了对通用工厂模型中应用的图解模型的概述；

图17示意性地描绘了对通用工厂模型内的可移动设备(工厂项)的管理的概述；

图18示意性地描绘了对根据图11中所示的层次模型将DCS和SCADA层次集成在MES层次中的集成模型的概述；

图19示意性地描绘了对根据图11中所示的层次模型将DCS和SCADA层次集成在MES层次中的协作模型的概述；

图20示意性地描绘了用于节点到不同运行时间服务器的层次式分布的示例；

图21示意性地描绘了用于应用单个节点选择的层次式分布的示例；

图22示意性地描绘了通常表示DCS使用情况的节点的非层次式分布的示例；

图23示意性地描绘了对运行时间架构和将通用工厂模型集成在整体工厂架构中的概述；以及

图24示意性地描绘了对通用工厂模型和使用通用工厂模型的应用的概述。

具体实施方式

在下文中，从与实现无关的视角来描述通用工厂模型(在下文中被称为CPM)的对象模型。用于CPM的创建和应用的总体构思为采用单个软件平台用于生产过程的控制和执行，其中，将在针对独特的制造工厂定制的软件平台的通常非常复杂的实现内的独特的任务分配给MES、SCADA和DCS+系统。定制的软件平台在下文中也被称为项目。

CPM旨在对实体制造工厂中的每个相关项进行建模和组织。实体工厂项可以表示固定设备、可移动设备、工具、资产等。本说明书使用术语“CPM节点”用于实体工厂项。CPM节点的目的在于聚集用于对单个工厂实体元素进行建模的不同方面。该聚集涉及公共接口参数以及自动化参数。所有CPM节点的特征在于通用参数的集合(唯一标识符、名称、用于多语言支持的显示名称、描述等)以及对于每个节点类型而言特定的附加集合(罐的层级、烤箱的温度、压力机的可用性)。CPM节点参数可以被外部应用(例如UI、OEE)消耗，可以用于数据表示或用于实现商业逻辑。

下表提供了对最常见的工厂项的简要描述：

表1：

图1示意性地示出了在CPM中使用的库模型。根据该库模型的库是具有两个具体表示的抽象对象：项目库和全局库。库通常包括可以被重新使用的预定义的对象(即类型和模板及层次定义)以及充当主副本的任何对象。CPM预知上文提及的两种类型的库：

●全局库是独立于项目的库，其可以被若干项目使用。用户可以借助于“演示”关联将全局库松散耦合至项目。由此当进行项目时可以使用所有相关的全局库。实际上，全局库旨在如下文更详细地进行说明的解除产品/工业特定类型定义，以满足交叉功能性的集合(例如，用于食品和饮品行业细分工业的设备类型)。

●项目库是项目的唯一部分。项目库包含所有项目主数据。项目聚集一个并且仅一个项目库。

库中包括的对象为：

●类型，例如参见随后在图9中说明的CPM节点类型模型；

●模板，例如参见随后分别在图3和图7说明的刻面模型、规则模型。

●层次定义

全局库通过不同的自动化特定产品例如MES、SCADA、DCS+来提供，并且可以针对行业细分(例如，食品和饮品、汽车等)专门化。每个全局库被版本化。

项目库的目的在于管理/包含所有类型和模板及其针对专用客户项目相关的功能性的合适集合。项目库也被版本化。

图2中示意性地所示出的并且包含在库中的CPM节点类型表示由CPM管理的主对象类型，并且用于对实体工厂项进行建模。CPM节点类型包括：

●标头，其提供CPM节点类型的标识信息(唯一标识符、名称、描述、版本化等)；

●一个结构刻面，用于高层级表示；

●可选地一个自动化刻面，用于自动化表示；

●可选地一个或多个功能刻面，用于不同功能方面；

●可选地一个或多个接线图，其定义刻面之间的关系；

●可选地一个至多个CPM节点视图，其提供由结构刻面公开的CPM节点数据的视图，例如工厂显示中的图表表示或者针对详细视图的所谓的面板。

正如此处关于对CPM节点类型模型的描述中可以看出，在CPM对象模型中刻面模型起着重要作用，并且因此之后关于图3来对其进行描述。参照图4给出有关接线图模型的更多信息。

可以在所定义的层次内针对专用的层级来定义CPM节点类型。因此，可以将一个或多个层次层级分配给CPM节点类型。这使得工程系统中的引导能够以其预期的层级在层次中创建CPM节点。CPM节点类型模板支持针对库中类似的CPM节点类型重新使用CPM节点类型模板定义。这增大了CPM节点工程工作流中使用(例如，工厂中的CPM节点的创建和管理)的容易度。

CPM节点类型标头被定义为唯一地标识CPM节点类型的信息的集合。该信息不能由用户来进行扩展。下表列出了相关参数：

表2：

属性	描述
		标识符	仅用于系统内部使用的唯一标识符(人类不可读)
名称	用于基于名称寻址的规范的(单语言的)唯一名称
		显示名称	用于UI的单语言的显示名称
描述	附加多语言描述
		版本	版本信息
是可移动的	定义实体工厂项(即设备)是否可移动
		是被锁定的	保护旗标，以防止节点类型修改

图3示意性地示出了对CPM中应用的刻面模型的概述。刻面被设计成：通过从与刻面范围相关的不同域公开数据和功能性来扩展CPM节点，针对工厂设备对数据和功能性进行过滤和实况化。借助于刻面，外部系统能够访问CPM节点信息，并且通过发布合适的商业逻辑结果(例如KPI计算)来充实CPM节点信息。

最重要的刻面中之一为自动化刻面，从自动化视角来说自动化刻面是预期作为实体表示的唯一但可选的元素。自动化刻面与一个或多个结构标签类型相关，以便与自动化系统交换数据。因此，自动化刻面结合对应的结构标签类型作用为类似对自动化系统的包装器，从而允许针对不同自动化系统类型使用CPM节点类型。

在CPM节点实例层级处，CPM节点的自动化刻面与在运行时间系统管理、控制和执行生产过程的过程图像内部的对应结构标签类型实例相关。

自动化刻面模板支持针对库中的类似的自动化刻面重新使用自动化刻面模板定义。这增大了在CPM节点工程工作流中使用的容易度。

结构刻面是表示CPM节点的公共接口的强制性元素。结构刻面定义了外部CPM节点接口，其通过接口成员而公开。外部商业逻辑或用户接口通过CPM节点结构刻面可以：

●读取和写入CPM节点的参数

●定义对CPM节点的参数的订阅。

结构刻面可以可选地与结构标签类型相关，以便针对接口成员值持久性而与过程图像交换数据。在CPM节点实例层级处，CPM节点的结构刻面与在运行时间系统的过程图像内部的对应结构标签实例相关。取决于结构标签的配置，IOWA服务可以应用附加功能性，例如警报条件监控和/或数据登录。

功能刻面可选地使用附加功能方面来充实CPM节点。针对功能刻面的示例为：

●OEE：借助于“OEE刻面”提供由任何设备表示的CPM节点可用性。

●批量控制：经由“批量刻面”向表示单位的CPM节点分配批量信息。

●维护：借助于“维护刻面”计算操作小时、维护间隔

●材料管理：经由“材料刻面”向表示存储位置的CPM节点分配包括数量的材料信息。

MES、SCADA和DCS产品经由其各自的库传递其所需的功能刻面。功能刻面是向CPM提供用于交换来自不同的产品或系统源的数据的数据接口的逻辑容器。功能刻面允许在与CPM交互的不同的现有系统之间进行松散耦合，此外允许系统以下述方式彼此独立地工作：在系统中的一个暂时较慢或不可用的情况下，不会放慢或破坏整个系统(松散耦合)。

另一有用刻面被称为CPM节点代理刻面，其主要意在使用特性来充实CPM节点类型，其中，从与具有添加功能性而不改变原始配置的范围的不同项目中运行的工厂相关的CPM节点的特性中复制该特性的值。

CPM节点类型具有一个或多个CPM节点代理，其具有引用相同或不同CPM节点类型的其它CPM节点的能力。

CPM节点代理刻面使得CPM节点能够访问所引用的CPM节点类型接口的任意定义的特性。在与另一CPM节点通信(读取、写入、订阅数据值)方面，CPM节点代理刻面确切地表现为类似自动化刻面。至于其它刻面，CPM节点代理提供可以用于CPM节点类型层级处的刻面间接线的接口。

使用多于一个CPM节点代理允许将针对不同工程角色(SCADA、MES和DCS)的不同考虑分开。工程环境支持通过浏览在源CPM项目上运行的CPM节点来在类型和实例层级处对CPM节点代理刻面特性进行定义。这意味着工程环境必须能够连接至源CPM项目的运行时间系统(IOWA系统)。

在协作场景的情况下，工程系统在创建与工厂的必须被镜像的部分有关的“镜像”CPM节点类型方面支持用户。示例：

●用户选择源项目中的CPM节点类型。

●CPM节点类型被创建在具有相同名称的当前项目中，并且包含：

●相同节点成员

●具有相同成员的CPM刻面

●连接1:1相同CPM刻面和节点成员的接线图。

●在该场景中，默认的是，接线是一对一不具有规则的，并且由用户决定设备的镜像为完整的还是不完整的(即节点的一些成员连同至CPM刻面成员的对应接线被移除)。

总的来说，刻面目的在于通过提供经过滤的并且被配置用于使用其的CPM节点类型的数据和功能的子集而涵盖特定功能性(例如自动化系统、整体设备有效性、质量、诊断等)。功能刻面模板支持针对库内部的类似相同或类似功能刻面而重新使用功能刻面模板定义，例如应用到库中的一组CPM节点类型的OEE或材料刻面的定义。

刻面是提供一组接口成员的接口。因此，每个刻面能够公开接口成员。下表列出了针对接口成员参数定义的一般信息：

表3：

属性	描述
		标识符	接口成员标识符(其必须是唯一的)
名称	接口成员名称
		显示名称	接口成员多语言名称

数据类型	接口成员数据类型
		方向	接口成员约束方向(输入/输出/输入-输出)
仅读取	指示在执行期间用户是否无法修改接口成员值

利用简单命名空间字符串(类似于mixerA.OEEFacet.Status)应该可访问接口。

装饰器是可以被添加至接口成员的注释。装饰器的目的在于扩展接口成员。可以根据用户特定需要来扩展接口成员。下表列出了针对装饰器定义的一般信息。

表4：

属性	描述
		标识符	装饰器标识符(其必须是唯一的)
关键字	装饰器关键字
		数据类型	装饰器支持的布尔型、整型、字符串
值	装饰器值

CPM解除系统装饰器，并且提供创建新的系统装饰器的可能性。下表中列出了默认系统装饰器的示例：

表5：针对默认系统装饰器的示例

结构刻面的部分被“镜像”回到过程图像，以支持标签的警报、登录及其它方面，而不需要在CPM运行时间中重新实现所有这些特征。

接口成员装饰器可用在：

●工程，用于更容易的接口成员操纵。

●运行时间，用于检测不合适的数据操纵或实例排列规则。

装饰器用途的示例可以为：

●仅读取：在执行期间值无法被修改，

示例：罐的容量、设备的移动性；

●读取-写入：在执行期间可以对值进行修改，

示例：罐中的量、灭菌状态。

图4示意性地示出了在CPM内应用的接线图模型。接线图定义了不同刻面的接口成员之间的交互。绘制从一个接口成员到另一个接口成员的接线。接线图模型支持规则，以便适应性值用于接口特定的需要。

图5示出了针对接线图的第一示例。如果两个不同刻面的接口成员不需要任何数据操纵，则接线为直接的(例如IMb.2→IMc.2)。如果属于不同刻面的接口成员需要数据操纵，则借助于被称为规则的中介者对象来进行接线(例如IMa.1→规则→IMc.1)。该方法允许在两个接口成员之间指定1:1的连接。在两个分离的对象(规则和连接)中解耦允许独立于接口成员和连接而写入可重用代码。通过接线连接的接口成员必须是相同类型的接口成员。

接线联接过程主要用于对被链接至特定CPM节点的刻面参数进行传播和对准。这方面减小了工程投入，并且允许工程师重新使用已经准备就绪的参数。另一方面为数据适配。由各种参数执行的接线联接处理：在接线的成对参数需要若干种类数据操纵的情况下，给工程师提供专用环境来指定转换逻辑。接线能够将公开其公共接口的对象连接作为公共成员列表。成对的接口成员定义了连接。根据接线图模型在接线图内对接线连接和规则进行组织。CPM接线模型是CPM节点的可选部分，其包括具有规则和连接的接线图。

接线图具有规则列表和连接列表。接线模型被分割成若干接线图以便：

a)将不同的项目责任(例如致力于同一CPM节点类型的SCADA团队和MES团队)分开；

b)将关于同一项目的不同的产品实现方式(例如SCADA、MES、DCS)分开；

c)管理复杂度。

因为规则接口成员和刻面接口成员以相同方式被定义，所以如在图6中针对第二接线图示例所示的，使用在先前段落中描述的相同机制来连接两个或更多个规则是可能的。经由第一规则(上框)和第二规则(下框)从刻面A的连接IMb.1进行至刻面C的IMc.2。可以独立地设计两个规则。

图7示意性地示出了在接线图模型内使用的规则模型，二者都应用在CPM中。在以下情况下，接线规则是必要的：

a)接口成员之间的接线在规则方面需要任何种类的数据适配或操作。

b)多于两个的接口成员必须被连接。

正如刻面一样，规则也借助于接口成员而将自身公开。使用可以包含多于一个脚本功能的脚本来实现规则内的逻辑。授权的用户可以创建脚本功能或者使用库中可用的现有脚本。脚本意味着无状态。在同一规则的不同执行之间必须保持状态的情况下，必须定义局部变量。因为规则独立于连接和刻面接口成员，所以可以在库中组织规则，以使得规则可以被重新使用为组成部分。图8示意性地示出了针对涉及变量和脚本的机制的接线图的第三示例。因此，图8的示例可以描述以下情况：

●通过中介者“规则”接线图涉及刻面“刻面A”和“刻面C”

●规则内的变量包含计数器值

●在机器状态为激活的情况下，规则内的脚本用接口成员规则.1的值来更新当前计数器值(规则.2→1)

●当机器状态从1变成0时，计数器被复位(“刻面A.2”从1变成0)

现在图8示意性地示出了CPM节点的设计，其表示CPM节点类型的实例。CPM节点包括CPM节点标头，CPM节点标头提供其标识信息(唯一标识符、名称、描述、版本化等)。CPM仓库控制每个单个CPM节点的寿命周期。CPM节点实例从CPM节点类型承袭所有其结构(即结构刻面、自动化刻面、某些功能刻面以及接线图)。对CPM节点类型的引用贯穿整个寿命周期有效，以便对CPM节点实例应用运行时间处的类型改变。配置工程师可以在CPM节点层级处重写特性，以便对实例应用独特的行为。这样的特性是默认值，例如设定点、值范围以及CPM节点视图(在针对CPM节点类型定义了多个特性的情况下)。

为了降低复杂度，接线图和规则在实例层级处不经受改变。可以利用用户定义的参数进一步扩展CPM节点，以便满足客户需要。CPM节点标头被定义为信息的列表，该信息的列表目的在于唯一地标识CPM节点。下表列出了相关参数：

表5：CPM节点标头

CPM运行时间环境对包含所有CPM节点的平面节点仓库进行管理。CPM节点仓库的目的在于管理CPM节点寿命周期。使得每次创建或导入(大容量导入)一个或多个CPM节点时，独立于一个或多个CPM节点应归属于的可能的层次而自动地管理其实例。根据可能的域模型(例如生产、维护、能量)，如图10中示意性地所示出的，在不同层次中组织节点是可能的。

通过图11中示意性地示出的层次模型来实现CPM的另一突出改进。CPM支持层次式对象结构，以便以不同的方式组织设备，进而同时满足项目和商业过程的需要。这意味着设备(实体工厂项)可以被组织作为生产区域的一部分。类似地，可以将同一设备组织在下述位置结构中，在该位置结构中，将对象拟合在物理/地理情境中(例如，其将准确地示出搅拌器安装在工厂中的什么地方)。用户可以定义附加视图，以便针对电工、维护工程师来组织设备，使得他们能够使用合适的视图来工作。

因此，层次定义的目的在于定义若干组织(其可以具有不同水平的细节)，以使得用户可以根据功能/物理/逻辑方面来组织其设备。此外，当定义层次的结构时能够指定约束(例如区域不能够包含站点)。

层次模型目标在于支持按层次组织的结构。可以在不同层次中对属于唯一仓库的CPM节点进行组织。图12示出了ISA95和ISA88层次模型的组合视图的示例，以对仓库和层次的域对象进行描述。在该示例中，企业、站点、区域、工作中心、工作单位为层次层级。

在可以使用CPM节点来建立层次之前，必要的是指定层次定义。工程系统可以借助于默认层次(例如ISA88/95、不具有约束的父子层次)来隐藏对层次定义的需要。层次定义包括层次层级以及经由层次层级约束的父子链接的彼此的关系。

下表示出了层次定义的示例：

表6：层次实体定义-层次定义

上表6列出了用于单个层次定义(设备层次)的层次层级。

表7：层次实体定义-层次层级

层次层级	父层次层级
		站点	---
建筑物	站点
		线	建筑物
机器	线

上面的表7列出了层次层级之间的层次约束。使用CPM仓库中可用的CPM节点来建立“具体的”层次。图13中示意性地示出了该示例。

根据实例来创建CPM节点模板，并且CPM节点模板包含这些实例和层次定义的所有信息(包括自动化和功能刻面配置)。从实际的视角来看，用户能够重新使用CPM节点模板来创建多个CPM节点实例。取决于模板，其可以是具有少数设备模块的简单装置或者是整个包装线。图14示意性地示出了包装线的示例，其通常存在于灌装工厂。

灌装包装线模板包括数个CPM节点，如：

●填料，

●卸垛机，

●巴氏灭菌器，

●码垛机。

每个CPM节点包含其结构刻面和对于灌装过程相关的MES功能刻面。在一个CPM节点中包含多个刻面的情况下，CPM节点也包含接线图。根据CPM节点模板创建的CPM节点实例仍保持对其CPM节点类型的引用。

图15中示意性地示出的组模型允许对CPM节点进行分组。这种类型的组织包括在工程阶段和运行时间阶段均对CPM节点的集合(静态地或动态地)进行分组。可以手动地将CPM节点添加在组中。也可以将CPM节点分配给多个组。

典型示例为：

●属于同一ERP成本中心的成组的CPM节点；

●根据维护团队的成组的CPM节点。

表9：组模型

属性	描述
		标识符	标识符(其必须是唯一的)
名称	名称
		显示名称	多语言显示名称
描述	附加描述
		版本	版本信息

图16示意性地示出了在CPM中应用的图解模型。图解用于对CPM节点之间的物理/逻辑连接进行建模。每个连接可以包含属性列表(时间、成本等)。系统通过分析和过滤图解节点之间的连接来识别所有可能的图解。

图解模型包括：

●图解：在唯一标识符、名称和显示名称方面的图解定义；

●图解连接：经由图解连接链接将几个CPM节点进行链接；

●图解连接属性：使用多于一个属性进一步充实每个图解连接。

作为示例，图解被用作针对路由定义(例如包装线)的约束。

可移动设备尤其在处理和制药行业是重要且强制性的特征。可移动设备被唯一地标识，并且具有与静态CPM节点(名称、描述、刻面以及合适的接口成员等)相同的特性/特征。除此以外，将可移动设备从一个层次位置移动至另一层次位置。

至于所有其它CPM节点，可移动设备的寿命周期负责CPM节点仓库。从层次式组织的视角来看，可移动设备被：

●分配给(存储/静态位置)(例如装备区域、站点等)，参见图17中针对静态位置的线；

●动态地移动到新分配的位置中(在运行时间中移动层次中的设备)，参见图17中针对动态位置的线；

●通过路径(层次式视图)或者借助于CPM节点标头而通过其通用的标识信息“可查询”；

●经由示出当前位置的层次中的路径可寻址；

●使用此构思，可以通过固定的ID(当设备移动时其不会改变)来寻址可移动设备，固定的ID类似于：

○存储器静态位置的CPM路径

○唯一标识符

●以及可以通过改变ID来对其寻址/将其示出：

○至位置的CNS路径

在下文中，更详细地说明集成和协作场景。从项目实现方式的视角来看，预见了四个不同场景：

1.使用项目组合实现的绿地自顶向下：

从工厂设计视角自顶向下意味着全新的CPM项目，在该全新的CPM项目中，可以在任何时间使用来自不同自动化系统产品的功能性来充实CPM节点组成。

这并不意味着同时针对所有产品进行调试(例如可以在MES之前对SCADA进行调试)。

2.使用项目组合实现的绿地自底向上：

CPM项目已经准备就绪，并且在第二时间中添加附加功能性(例如在第一项目阶段未设计的MES项目以及已经在操作中的SCADA/DCS)。可以用MES功能来充实CPM节点。

请注意，在现有项目被生效(封闭)的经调整的工业的情况下，可能存在有下述情况：需要新的验证或者必须设计“代理CPM节点”(参见场景3)。

3.使用项目组合实现的棕地自底向上：

不同的OEM借助于独立的CPM项目来实现整个工厂的部分。在第二时间中，在调试的项目的顶部需要附加功能性。示例：在现有的SCADA项目的顶部的MES。

除非存在负责改变OEM系统的所有者，否则需要创建新的CPM项目。如果“封闭的”项目的源节点可用或者“封闭的”项目结构仅可以针对CPM项目扩展而被浏览，则可以减轻工程投入。

4.棕地自底向上，第三方系统：

在这种情况下，没有策略可以应用，因为第三方系统根本不遵守CPM模型。仅可以应用接口层级方法(例如OPC)。针对上文提及的场景，将应用以下两个模型。

第一模型是图18中示意性地示出的集成模型。应将集成模型应用在所有未“封闭的”系统中。从工程观点的视角来看，“封闭的”场景是无法被修改的系统。典型示例是从作为在被调整的工业中的有效的系统的OEM中解除的系统。为了实现集成的场景，系统必须不被视为“封闭的”，以便使用来自不同自动化系统产品的功能刻面来扩展CPM节点。

作为集成模型的具体特征，SCADA和DCS系统的层次被安装到MES的层次。因此，SCADA和DCS两者在其特定节点中包括来自MES的刻面。不同层次的复制被省略，这导致SCADA和DCS系统的封闭被破坏。

第二模型是图19中示意性地示出的协作模型。协作模型是用于关于“封闭的”系统的所有种类的应用的优选模型。因为从工程视点的视角来看，系统无法被修改，所以在协作模型中存在创建代理CPM节点(引用CPM节点对应物的具有属性“代理关闭”的CPM节点)来表示封闭系统的相关对象的需要。但是在分离的层次中，系统将提供对属于“封闭的”系统的远程CPM节点的透明访问。不进行层次的合并。

工程系统将支持：

●从低层级系统向高层级系统复制层次(选择的部分)

●从低层级系统向高层级系统复制结构刻面(选择的部分)

在该场景中，可以通过传播之后的对封闭系统的修改以及可能地应用一致性规则以警惕冲突来添加的本解决方案的值。

因此，在协作模型中，SCADA和DCS层次被导入并集成到MES层次(例如根据ISA-95和ISA-88的层次)中。MES刻面被专有地仅用于MES，这与集成模型完全不同。SCADA和DCS系统二者保持处于封闭，并且如图19中可以看出各自的层次被复制，其中，SCADA和DCS系统的节点被复制到MES中。在这方面而言，需要交叉节点和交叉系统接线，这意味着例如MES刻面必须经由接线被链接至SCADA和/或DCS系统中的非MES刻面。

在本示例中，单个专用的工程实例负责配置层次、组和图解以及CPM节点如何属于它们。借助于CPM运行时间和IOWA名称服务，然后全部的CPM节点配置被分布、被保持对准并且局部缓存在所有服务器站中。如图20中所示，该工程实例(工程系统ES)负责将其合适的配置发送给每个运行时间服务器。如果该运行时间服务器不可访问，则工程系统无法将新配置下载到目标。如图20中所示，运行时间服务器的冗余配置降低了不应用工程改变的可能性。

支持将CPM节点分布到不同运行时间服务器，并且可以根据以下策略中的一个或全部来执行该分布。

1.从层次中的一个中选择包含相关CPM节点的更高层级层次节点：

●在由选择的层次驱动分布的情况下，选择的父节点的所有子节点被分布给同一目标服务器站，直到从属节点被分布给另一服务器为止。

●可以向用户强调未分配给分布层次的节点。

●中央服务器可以是(如在示例中的)专用服务器站或者甚至是“常规”服务器站中之一的一部分。

●在CPM的分布方面而言，该方法使得工程容易。

2.从层次中的一个中选择单个CPM节点

图1中示意性地示出了该示例。即使大多数CPM节点可以根据对更高层级层次节点的选择而被分布，但是某些、单独的CPM节点仍可以有区别地被分布。因此，配置工程师将单个节点分配给不同系统(例如Line_22给服务器站A)。配置工程师经由专用工程系统对一个或多个层次、组和图解以及CPM节点如何属于它们进行配置。然后整个CPM节点配置被分布到一个或多个运行时间站。在CPM方面的分布而言，该选择使得具有高灵活性。

图22中示意性地示出的非层次式分布是典型的DCS+使用情况。与层次式分布(参见先前段落)相反，当中央服务器提供通用、更高层级层次实体层级时，不可以有专用运行时间服务器站。专用工程站负责配置层次、组和图解以及CPM节点如何属于它们。借助于CPM运行时间和IOWA名称服务，然后整个CPM节点配置被分布、被保持对准并且被局部缓存在所有服务器站中。必要的是提供对工厂层次至每个客户端站的透明视图，而不管客户端站可以与哪个服务器站连接。在该分布模式中，对于工程站而言，专用运行时间服务器作为通信伙伴存在。如果该运行时间服务器有故障，则不需要参数化。因此，图22描述了如何将先前示例配置分布到三个对等运行时间站：

●每个运行时间服务器的名称服务表示局部进程或工作单元以及有关已经被分布到对等运行时间站的进程或工作单元的“安装的”信息。这借助于所谓的“安装至”关系将远程信息链接至局部内容来完成。

●因此，“站点”实体的系统跨度信息在每个服务器站处可用。

●连接至对等服务器站中的任意服务器站的客户端站能够浏览所有对等服务器站的数据，从而也能够浏览整个工厂模型。

●每个名称服务能够向局部和远程对象提供引用，以使得客户端能够访问分布式系统中的对象。

对于分布式CPM，该方法不需要中央服务器。

图23示意性地示出了CPM如何被集成在下述一批软件应用的整体架构中，所述一批软件应用执行和控制工厂(运行时间架构)中的制造过程。因此图23表示属于不同产品的应用与CPM之间的关系，以及CPM与脚本框架(接线图执行发动机)、用户管理器和访问控制部件的功能相关性。现在每个单个软件系统MES、SCADA和DCS+包括耦接至CPM的单独的工程和运行时间系统二者。因此，这些系统中没有系统需要单独的系统针对其特定需要和要求来对生产计划进行建模。因此工程被集中在可以从不同软件应用(此处为MES、SCADA和DCS+)的工程系统中寻址的CPM中。因此每个单独的工程专业人员将他的特定工程工作基于上述的模型，并且因此可以在针对节点、刻面、规则、接线、层次等的模型的范围内对其单独的需要进行建模。因此，现在工程变得完全透明并且对于所有系统工程师可渗透，而不管他们在从事哪个具体软件应用。

词汇/缩写

架构的重要需求

下表列出了所有架构的重要需求。

表：架构的重要需求

Claims

1.一种用于在具有工程环境和运行时间环境的制造执行系统内对生产工厂的实体工厂项进行建模的通用工厂模型，所述通用工厂模型包括：

a)节点类型模型，其聚集用于对单个实体工厂项进行建模的不同方面，涉及公共接口参数以及自动化参数；

b)多个节点，每个节点表示节点类型的实例；

c)库模型，包括项目库和全局库，所述库包括节点类型模型、刻面模型、规则模型以及层次模型；

e)图解模型，其表示所述节点之间的物理连接和/或逻辑连接。

2.根据权利要求1所述的通用工厂模型，其中，所述节点类型模型包括：

a)标头，其提供所述节点类型的标识信息；

b)结构刻面，用于高层级表示；

c)可选地自动化刻面，用于自动化表示；

d)可选地一个或多个功能刻面，用于不同功能方面；

f)可选地一个至多个节点视图，其提供由所述结构刻面公开的节点数据的视图。

3.根据权利要求1或2所述的通用工厂模型，其中，在所定义的层次内针对专用的层级来定义所述节点类型。

4.根据权利要求3所述的通用工厂模型，其中，将一个或多个层次层级分配给节点类型，由此使得工程系统中的引导能够以预期的层级在层次中创建节点。

5.根据前述权利要求中任一项所述的通用工厂模型，其中，所述节点类型被定义在所述库中，并且所述节点类型包括由外部应用消耗、用于数据表示或用于执行商业逻辑的属性。