CN109388110B - 在工业自动化系统内提供功能的方法以及自动化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在工业自动化系统内提供功能的方法。其中，通过至少一个控制单元(10)的网络应用(11)使得自动化系统的功能可供使用，该网络应用在客户端侧在控制程序运行期间经由作为网络客户端(21)的单页网络应用在客户端侧的用户端口(22)上进行提供。功能由网络应用(11)的表示至少一个控制单元(10)和可由其提供的数据的标准化的数据模型(13)所提供。经由网络应用的通用的数据端口(12)来访问标准化的数据模型(13)。

Description

在工业自动化系统内提供功能的方法以及自动化系统
技术领域
本发明涉及一种用于在工业自动化系统内提供功能的方法。本发明此外还涉及一种计算机程序产品。此外，本发明还涉及一种工业自动化系统。
背景技术
工业自动化系统用于监控、控制和调节工业过程，尤其是在制造、过程及楼宇自动化领域，并且实现了控制装置、传感器、机床以及工业设备的运作，它们的运作要尽可能自主地进行，并且不依赖于人为干预。由于信息技术对包含多个联网的控制及计算机单元的自动化系统越来越重要，用于可靠地提供分布在自动化系统上的功能的方法对于提供监控、控制和调节功能来说赢得了越来越重要的地位。
在工业自动化系统中可以使用许多的控制单元，也被称为PLC(可编程逻辑控制器)。通常，每个控制单元提供一个可以用来访问相应的控制单元的端口。经由这个端口可以询问到许多不同的信息，例如控制单元的当前状态、控制单元的配置数据、系统及用户变量、诊断信息(像是追踪记录文件、警报、日志等等)或者控制单元的当前配置的备份。经由端口不仅能够部分地浏览数据，而且还能够访问数据并且修改数据。
为此，在控制单元上安装有网络应用，其能够经由http或者https实现访问。为此例如可以在控制单元中将单个的网页存放在存储器中，这些网页能够连接到上述数据和/或控制单元的状态。在运行期间，这些信息在控制单元侧分别在调用相应的网页时被删除并且集成到这个网页中。之后网页被传输给网络客户端。因此，对于网络客户端这方的每一次询问，生成一个包含被询问的数据的网页。
这种做法的问题在于，网络应用具有极高的复杂性。此外，必须为每种不同的控制单元类型设计相应数量的、含有集成在其中的数据的网页。此外不利的是，这些网页上的数据的更新需要重新加载所涉及到的网页。这可以选择自动地在调用网页时完成，例如在通过浏览多个网页时，为此要通过使用者准确地触发新的加载。可选择地，可以以固定的间隔(例如每五分钟)完成一次更新。结果就是由此产生对网页应用的较高的计算负荷。从使用者的角度来看，得到了较差的反应时间。
有一种网页应用被称为单页应用(英语：Single-Page-Application,SPA)，其由一个单独的HTML文件构成，并且其内容被动态地重新加载。在单页应用中，使用者不再需要在各个网页之间变换。作为替代，在客户端侧的终端设备中与网页应用的互动引起后台中的通信，这种通信动态地重新加载单网页的其他部分。在此，数据也可以通过不同的专有端口重新加载。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于在工业自动化系统中更加灵活地提供功能的方法，以及提供该方法的合适的工业实现方案。
按照根据本发明的方法，通过控制单元的网页应用使得自动化系统的功能可供使用，在客户端侧在控制程序流程期间通过作为网络客户端的单页应用在客户端侧的用户端口提供该功能。这些功能由网络应用的表示至少一个控制单元和可由其提供的数据的标准化的数据模型提供。经由网页应用的通用数据端口来访问标准化的数据模型。
方法实现了到静态资源和通用数据端口的严格分离。由此只需要为控制单元的不同变体提供一个网络客户端。如果在控制单元的特定变体中不提供特定的功能，那么这些功能就不在网络客户端中被提供用于可视化和选择。
由此得到另一个优点，即，使得网络客户端的研发和网络应用的研发可以被严格地分离。由此能够关于最优的数据集成来优化网络应用。由此得到更少的测试耗费，因为各个网络客户端只需要相对于通用的数据端口和标准化的数据模型实现，对于特定控制单元类型的所有控制单元，通用的数据端口可以都是一样的。作为使用具体的控制单元的代替，例如可以使用模拟器。在网络应用侧，只需要测试这些端口和对通用的数据模型的访问。测试因此可以独立于用户端口地进行。由此还得到以下可能性，即，能够相互独立地提供或更新网络应用和网络客户端。此外还能够实现用户端口在不同的网络应用中的更加简单的集成。
在网络客户端的初始化加载以后，在网络应用中出现相比现有技术更小的负荷，因为还仅输出数据结构。尤其是不需要将数据集成到网络应用上的网页中。应用本身仅仅通过加载静态资源来实现。
通过将构成网络客户端的静态资源储存到网络服务器上的方法，可以更加简单地实现用户专用的应用。
根据一种有利的构造方案，数据模型具有一种分级结构化的构造，带有相互之间处于预设关系之中的节点。特别有利的是，数据模型具有树状结构化的构造。由此能够特别简单地实现标准化的数据模型，并且经由通用数据端口来访问这个数据模型。
根据另一种有利的构造方案，在每次询问任意的控制单元时，都可以在数据模型中在分级机构的同一个位置上找到有关控制单元的特定信息或者由它可提供的数据。通用的数据端口允许访问分级的、优选树状结构化的数据模型。在此，可以通过分级进行巡览，从而能够识别(部分)元素的存在或缺少。此外，标准化的数据模型表示控制单元的状态和数据。特定的有关控制单元的信息和由它提供的数据在此总是可以在同一个位置上或在同一路径上找到。这让巡览更加轻松，并且与所使用的控制单元的类型无关。
数据模型根据有利的构造方案包括静态的数据和/或动态的数据。静态的数据例如是表示控制单元特征的数据，例如固件信息等等。动态的数据包括状态数据、追踪记录文件、警报(一般而言：诊断数据)、用户数据或者过程数据(测量数据)。
有利地，从网络客户端开始经由数据端口访问数据模型的结构，从而从模型中提取出多个不同控制单元的所有功能的超集的子集，并且提供给客户端侧的用户端口。换句话说，由此实现了在数据结构内部的浏览。通过这种浏览或巡览能够确定(部分)元素的存在或缺失。在巡览的过程或浏览过程期间，可以生成或者移除数据结构的元素。可选择地或者附加地，可以读取或者写入数据结构的元素。此外还可以实现一种订阅机制，其允许通过改变数据模型的特定元素发出通知。此外，不仅允许在数据模型中进行巡览，而且还允许其他的对控制单元的能力进行可读取的自我说明的方法。
在上下文中有利的是，单页应用仅仅将那些包含在子集中的数据提供给客户端侧的用户端口。由此确保了，控制单元仅仅显示那些基于其能力能够处理的数据。不可处理的信息或者不被显示或者例如变灰(grey out)。
此外有利的是，单页网络应用作为静态资源由网页应用或者另一个应用或者网络客户端的中央计算机加载或运行。可以使用移动应用或者客户端应用作为单页网络应用的替选，当网络客户端在一个移动设备上、像例如平板计算机等等运行时，这些代替单页网络应用被使用。
此外还可以有利的是，在操作及观察站中进行对单页网络应用的执行。
此外还提出一种计算机程序产品，其能够直接地被加载到电子计算机的内部存储器中、尤其是控制单元的计算单元中，并且其包含软件代码部段，当产品在计算机上运行时，就利用这些软件代码部段执行根据在此描述的方法的各个步骤。
根据本发明的工业自动化系统包括至少一个控制单元和一个操作及观察站。至少一个控制单元包括至少一个网络服务器，用于提供作为网络应用的自动化功能，其中，网络应用包括标准化的数据模型和通用的数据端口，数据模型表示至少一个控制单元以及可由其提供的数据，数据端口允许通过标准化的数据模型来访问可由控制单元提供的数据。操作及观察站包括一个当控制程序在客户端侧的用户端口上运行期间在客户端侧运行单页网络应用的网络客户端，其中，网络客户端包括多个不同类型的控制单元的所有功能的超集，并且通过通用的数据端口访问标准化的数据模型。
根据本发明的工业自动化系统具有上文中结合根据本发明的方法所描述过的相同的优点。
此外，根据本发明的工业自动化系还可以包含更多的、能够实现根据本发明的方法的实施的优点。
附图说明
接下来借助附图用一个实施例更详尽地阐述本发明。图中示出：
图1示出了用于提供功能的工业自动化系统的示意图；以及
图2示出了表示在根据本发明的方法的背景中所使用的标准化数据模型的示意图。
具体实施方式
在图1中所示的工业自动化系统示例性地仅仅包含一个控制单元10，其包括一个网络服务器11用于提供作为网络应用的自动化功能。工业自动化系统中的控制单元的数量可以比图1中的简化示图大得多。此时，多个控制单元的构造与在此涉及的说明是一样的。控制单元10通过通信网络15与至少一个操作及观察站20相连，该操作及观察站具有网络客户端21，其用于在运行期间从客户端侧将网络应用关联到客户端侧的用户端口22上。客户端侧的用户端口22在本实施例中包括网络浏览器。操作及观察站20可以是固定的计算机或者是移动的计算机(例如笔记本、平板计算机等等)。
网络客户端实现了单页网络应用(SPA)的执行，该单页网络应用掌控着各种类型的控制单元10的所有功能的超集(所谓的superset)，这些功能应该可在网页浏览器22中的端口处通过控制单元10提供使用。
网页服务器11为此包括一个通用的端口12，其允许访问分级的、优选树状结构化的数据模型13。数据模型13的一种可能的表示在图2中示出。数据模型包括一个根节点N0、示例性地第一分级层的三个节点N11-N13、示例性地第二分级层的六个节点N21-N26以及示例性地第三分级层的九个节点N31-N39。各个相邻的分级层的节点，只要数据模型这样设置，就经由棱边相互连接，从而确定各个节点相互之间的关系。借助数据模型的这种仅仅示例性的结构化，能够表示相应的控制单元10和可由其提供的数据。正如在图2中所示的结构化的数据模型13允许借助通用的数据端口12在层级中进行巡览，从而能够识别出数据模型的(部分)元素的存在或缺失。数据结构的元素在此例如可以通过网络浏览器生成、移除、读取和/或写入。
标准化的数据模型表示相应的控制单元10、其状态和可由控制单元提供的数据。关于控制单元的特定信息和可由其提供的数据在此总是可以在同一节点上被发现，该节点可以在特定的路径上找到。
网络服务器12被设置为，不仅向网络浏览器提供静态资源，而且还实现了通用的数据端口，并且借助这个通用的数据端口实现了对标准化数据模型13的访问。
网络客户端21首先作为静态资源被存放在控制单元10的存储器中。通过网络服务器11使得网络客户端21可供使用。静态资源尤其是包括HTML、CSS、JavaScript代码、文本、图表等文件。网络客户端21可以作为静态资源由一个不同于网络服务器的机构提供。网络客户端21可以作为控制单元10的固件的一部分被提供或者独立地进行更新，而不会在此取代控制单元10的全部固件(即固件映像)。静态资源、即网络客户端可以被配置为，使得其被设置在中央的服务器(未在图中示出)来加载，其中，总是能够提供网络客户端的最新版本，而不必为此改变其固件或投影。
例如通过网络客户端21的入口网页加载HTML代码，HTML代码又指出JavaScript代码。网络客户端21以及所属的JavaScript代码的执行在此仅仅在客户端侧在操作及观察站20的网络浏览器22中进行。网络客户端20在需要时重新加载静态资源，例如图表和局域化的文本或者还有用于其他的事先已经存放的功能的其他的Java-Script代码。
显然，不需要刷新或重新加载网络客户端的网页。与之相对地，在控制单元10的网络服务器11上不执行任何应用代码，以便动态地生成资源。
网络客户端21是应用的一般框架。为了针对相应的控制单元10及其当前数据的内容和信息，网络客户端21仅仅通过通用的端口12来访问基础的标准化的数据模型13。标准化的数据模型13不仅包括静态的/不变的信息，例如关于控制单元10的信息、序列号、类型、固件版本等等。通用的数据模型13还包括那些只会随着投影发生变化的信息，例如连接的外围设备、控制单元按其连接的拓扑等等。此外，数据模型13还包含动态的数据，例如控制单元的状态或者通过控制单元的端口从外围设备或诊断缓冲器中获得的数据、追踪记录文件、警报、系统及用户变量、监控表(Watchtables)等等。
通过在数据模型13上的完全巡览，使得网络客户端21能够获取由控制单元10的网络服务器11提供的数据。如果例如在标准化的数据模型13中包含有关警报信息的元素，那么在网络客户端21中设置用于警报的菜单输入，并且实现了对该部分方面的访问。
在网络客户端21因此能够考虑到网络浏览器22的用户端口中的更多功能的同时，却只开放那些在标准化的数据模型13中存在于各个实际所分配的控制单元10上的功能。以有利的方式，网络客户端21于是一直覆盖为其写入功能的所有类型的控制单元10的全部功能范围。依据控制单元10的实际存在的功能，正如说明的那样，却仅仅将那些在标准化的数据模型13中存在的功能方面进行可视化并且激活它们以供选择。
网络客户端21和网络服务器11之间的数据端口可以是依靠于OPC-UA-访问模型的。同样地，标准化数据模型13同样也可以在其构造中依靠于OPC-UA-相伴文档(例如“OPC-UA for Devices”)的模型。这使得在特定情况下能够经由不同的访问路径以类似的方式寻址。从而，例如可以从OPC客户端出发经由集成的OPC服务器进行访问，也可以从网络浏览器出发经由具有HTTP和JSON的网络服务器进行访问。于是对于应用的开发者来说，不管所选择的访问路径是什么，至少作为基础的寻址及使用模型是已知的。
操作及观察站20的使用者可以在开放网络客户端21与网络服务器11以及所使用的标准化数据模型13之间的端口时以简单的方式接触到来自控制单元10的信息。尤其是能够以简单的方式建立个人的应用，这些应用作为静态资源被存储在控制单元10上。
作为网络客户端21的替选，例如也可以使用移动应用作为客户端应用，其访问通向网络服务器11的数据端口以及作为基础的标准化数据模型13。

Claims (10)

1.一种用于在工业自动化系统内提供功能的方法，其中
通过至少一个控制单元(10)的网络应用(11)使得所述自动化系统的功能可供使用，在客户端侧在控制程序运行期间经由作为网络客户端(21)的单页网络应用在客户端侧的用户端口(22)提供所述功能；
所述功能由网络应用(11)的标准化的数据模型(13)提供，其中，所述数据模型代表至少一个所述控制单元(10)以及可由所述控制单元提供的数据；
经由所述网络应用的通用的数据端口(12)来访问标准化的所述数据模型(13)，其中，从所述网络客户端(21)出发经由所述数据端口(12)来访问所述数据模型(13)的结构，从而从所述数据模型(13)中提取出多个不同的控制单元(10)的所有功能的超集的子集并且在客户端侧的用户端口(22)提供所述子集，从而允许对所述控制单元的能力进行可读取的自我说明的方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数据模型(13)具有分级结构化的构造，所述构造包含相互之间处于预设关系的节点。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述数据模型(13)具有树状结构化的构造。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在每次询问任意的控制单元(10)时，都能够在所述数据模型(13)中在分级结构的同一个位置上找到有关所述控制单元(10)的特定信息或者可由所述控制单元提供的数据。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述数据模型(13)包括静态的数据和/或动态的数据。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述单页网络应用在所述客户端侧的用户端口(22)仅仅提供包含在所述子集中的数据。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述单页网络应用作为静态资源由所述网络应用或者另外的应用或者所述网络客户端(21)的中央计算机加载并执行。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述单页网络应用的运行仅仅在客户端侧在操作及观察站(20)中进行。
9.一种计算机程序产品，能够直接在数字计算机的内部存储器中加载，并且包含软件代码部段，当所述产品在计算机上运行时，就利用所述软件代码部段执行根据权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
10.一种工业自动化系统，包括：
-至少一个控制单元(10)，包括用于提供作为网络应用(11)的自动化功能的至少一个网络服务器，其中，所述网络应用(11)包括一个标准化的数据模型(13)以及通用的数据端口(12)，所述数据模型代表至少一个所述控制单元(10)以及可由所述控制单元提供的数据，所述通用的数据端口允许经由标准化的所述数据模型(13)来访问可由控制单元(10)提供的数据；
-操作及观察站(20)，包括用于在客户端侧的用户端口(22)处在控制程序运行期间在客户端侧执行单页网络应用的网络客户端(21)，其中，所述网络客户端(21)包括多个所述控制单元(10)的所有功能的超集，并且经由所述通用的数据端口(12)来访问所述标准化的数据模型(13)，其中，从所述网络客户端(21)出发经由所述数据端口(12)来访问所述数据模型(13)的结构，从而从所述数据模型(13)中提取出多个不同的控制单元(10)的所有功能的超集的子集并且在客户端侧的用户端口(22)提供所述子集，从而允许对所述控制单元的能力进行可读取的自我说明的方法。
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