CN109564411A - 用于进一步使用驱控工业现场设备的现有软件的平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于驱控工业设施(100)中的至少一个工业现场设备(101)的平台(1)，其中该工业设施具有控制软件(2)，该平台包括其中可执行控制软件的执行环境(3)，以及用于在控制软件(2)和现场设备(101)之间进行通信的外部接口(4)，其中，执行环境(3)具有虚拟硬件(31)，从控制软件(2)的角度看，该虚拟硬件表现为现场设备(101)，其中，在虚拟硬件(31)和外部接口(4)之间连接有交换单元(5)，该交换单元被设计为双向地转换控制软件(2)和虚拟硬件(31)之间交换的数据，以便经由外部接口(4)与现场设备(101)通信。一种相关的计算机程序产品。

Description

用于进一步使用驱控工业现场设备的现有软件的平台

技术领域

本发明涉及一种用于驱控工业现场设备的可编程逻辑控制器的专业领域。

背景技术

为了监视和控制许多工业过程，使用存储器可编程控制器(SPS)或自动化技术的其他控制设备。这种设备是运行专门为被控制或监视的特定现场设备设计的软件的专用计算机。在某些情况下，该软件甚至特定于使用现场设备的工业设施。

该软件与其运行的控制设备的操作系统和硬件驱动程序紧密交织，因为与现场设备通信的所有数据必须通过控制设备。结果，在控制设备和现场设备之间用另一型号替换控制设备或改变通信系统(例如I/O系统，现场总线或其他网络)可能需要手动调整软件。必须确保软件在调整之后仍具有与之前相同的功能。特别是对于安全相关的应用，必须检查所有更改。为此所需的工作成本可能导致比实际硬件更换更高的成本。能够通过对工业控制系统的现代化实现的优点通过这种附加成本损害。因此，难以向用户出售这样的现代化。

美国专利No.5,307,346A公开了一种接口，该接口将工业设施的网络中使用的统一通信协议(例如制造自动化协议(MAP))双向转换成用于现场设备控制的各种通信标准。在控制软件仍然通过MAP寻址接口之前，可以屏蔽该接口和现场设备之间的网络中的变化。控制软件在控制设备的硬件上的绑定不受影响。

发明内容

因此，本发明的目的是，即使在驱控现场设备的控制单元的硬件改变之后，也允许进一步使用现有的控制软件而无需调整。

该目的通过根据独立权利要求的平台和相关的计算机程序产品来实现。其他有利实施例由对此进行引用的从属权利要求得出。

在本发明的框架中，已经开发了一种用于利用控制软件控制工业设施中的至少一个工业现场设备的平台。该平台包括控制软件可执行的执行环境和用于控制软件和现场设备之间通信的外部接口。

根据本发明，执行环境包括虚拟硬件，从控制软件的角度来看，虚拟硬件的行为类似于现场设备。在虚拟硬件和外部接口之间连接有交换单元。该交换单元被设计成双向地转换在控制软件和虚拟硬件之间交换的数据，以通过外部接口与现场设备通信。在此，交换单元通常不是具有1：1转换的简单协议适配器，但是一方面考虑了在虚拟硬件和控制软件语言之间交谈的语言中的和另一方面通过外部接口交谈的语言中的数据字段的语义含义。

例如，执行环境可以提供虚拟化操作系统，其对应于为其开发控制软件的操作系统。然后可以在执行环境中不发生改变地执行为特定控制设备作为二进制代码编译的控制软件。替代地或组合地，执行环境可以提供程序库(API)，其重新实现最初编写控制软件的语言的语义，也就是说，从控制软件调用函数时，刚好执行此函数调用期间在原始平台上执行的该函数。例如，执行环境还可以为其中编写控制软件的解释器语言提供解释器。然后，该解释器可以执行作为源代码存在的控制软件并在该程度上实现解释器语言。特别地，执行环境可以实现为便携式软件组件。控制软件可以由多个控制程序或控制回路构成。

虚拟硬件特定用于由控制软件驱控的现场设备。例如，它可以作为虚拟化操作系统中的设备驱动程序存在。

已经认识到，根据本发明的平台将插入到控制软件中的、对于相应的应用来说特定的控制逻辑与控制设备的硬件和与用于现场设备的一种类型的网络连接解耦。可以在执行环境中总结对控制器硬件的所有调整。可以在交换单元中总结对现场设备的网络连接的所有调整。例如，如果在不改变在新硬件上的功能的情况下迁移控制软件，那么与现有技术相比，就不再需要干预单片机程序，在该单片机程序中实际控制逻辑与硬件和网络访问的指令混合在一起。换言之，分别仅调整执行环境和/或交换单元。

这些调整也需要付出成本。然而，已经认识到，通过根据本发明的模块化设计显着减少了这种成本，因为特别是各自所需的测试是可管理的。人们还认识到这种定制是通用的，也就是说，它们可以为其他项目多次重复使用：执行环境最初仅特定用于为其编写控制软件的一种类型的控制设备。理想地，仅这里包含的虚拟硬件(例如可以作为驱动器存在)对于被驱控的现场设备是特定的。反过来，交换单元对于由具体受驱控的现场设备和用于通过外部接口进行连接而使用的通信标准的组合来说是特定的，但是与为其编写控制软件的控制设备的类型无关。因此，可以创建具有预制元件的标准构件，由此可以针对特定应用情况(即用于确定的现场设备的确定的控制软件应该在确定类型的控制设备上重复使用)组成解决方案。

因此，控制软件在新控制设备上的匹配最终从非常劳动密集且容易出错的定制转变为可以作为产品或服务单独出售的多用途抽象工具。

反过来，在每个特定应用中，本发明显著降低了控制软件从一个控制设备到另一个控制设备的迁移的成本，以及至现场设备的网络连接的修改的成本。这使得在许多情况下甚至可以经济地进行这种迁移，例如在新版本的控制系统上的迁移。根据现有技术，控制软件迁移的成本是阻止这种迁移的强大障碍，特别是因为控制软件的调整通常仅需要用户自己现有的知识，因此不能或仅部分地作为外部服务购买。通过迁移到新控制设备，可以获得其他功能。另一方面，可以节省过时控制单元的维护成本。

工业控制设施通常预计寿命为几十年。并非每个控制设备制造商都能保证在如此长时间内出现故障时相同类型设备的可用性。根据现有技术，这种故障可能迫使用户马上将自己的控制软件与新的控制单元进行匹配。在某种程度上，一个过时的控制单元是从残余物甚至二手市场以高价购买的。本发明使得在这种故障时有可能将当前的主流控制单元以明显更好的性价比明显更快地集成在现有的控制系统中。

在工业设施中，本发明使得控制设备的硬件标准化，从而降低采购和维护的成本。

在本发明的一个特别有利的设计方案中，执行环境包括虚拟机，虚拟机又由操作系统调配地在硬件上运行。这使得即使在同一硬件上也可以同时运行多个这样的虚拟机，并且因此例如将多个控制单元合并到一个强大的工业PC中。此外，可以通过管理层轻松监控，停止，启动或重新配置此类机器。最后，虚拟机还提供关于其中运行的控制软件的最大灵活性。因此，控制软件例如可以依赖于特定的旧系统软件，由于缺少硬件驱动程序，该系统软件又不再在当前控制设备上运行。在虚拟机中，仍然可以使用旧的系统软件。

有利地，虚拟硬件，交换单元和/或虚拟机经由附加抽象层与操作系统共同作用。然后，在使用不同操作系统时所需的任何调整都可以捆绑在此抽象层中。然后，在不同的硬件架构上为不同的操作系统提供平台变得更加容易。在抽象层中进行的调整比直接在虚拟硬件中，在交换单元和/或虚拟机中的相应调整更合理，其中对操作系统的要改变的访问相应都与相应组件的内部逻辑的指令混合。

例如，执行环境可以被设计为执行控制软件，该控制软件可以根据IEC 61131-3以标准化语言或以专有控制程序语言，特别是ASEA主程序设计语言或泰勒控制语言存在。对其他控制编程语言的支持可以通过相应地调整执行环境来抽象地添加，而为此无需存在具体的控制软件。

在本发明的另一特别有利的设计方案中，提供了附加网关，其经由第一接口与外部接口连接并且经由第二接口与现场设备连接。以这种方式，现场设备直接寻址的通信标准可以与通信标准解耦，该通信标准例如在工业设施的网络中作为标准使用。因此，例如，至现场设备的物理布线可以继续不变地使用，同时工业设施的网络升级到新标准。如果现场设备的连接类型发生变化，例如，如果它从物理I/O接口切换到现场总线，则可以在网关中组合所有必要的调整。外部接口，执行环境和交换单元可以保持不变。控制设备通过与网关共享的、一致的、可配置的数据模型与现场设备并进而与要控制或监控的过程通信。

因此，附加网关是本发明基本思想的逻辑延续，即工业控制系统中的位置变化应该仅导致对尽可能少的明确定义的位置的调整，并且尽可能少的其他程序代码应该位于这些位置处，其是指其他功能并应保持不变。

因此，网关有利地被设计成在一方面的外部接口的通信标准和另一方面的现场设备的通信标准之间双向转换。

特别地，网关可以执行对由现场设备获得的测量数据的重复采样，该测量数据迄今已由控制设备接管。控制设备在这种程度上减轻了负担；它只需读入待处理的数据(拷入)并传输(拷出)控制程序生成的输出。网关可以处理并且特别是压缩传输到外部接口的数据，使得不会产生超过必要的网络负载的数据的传输。例如，网关可以被赋予以速率，利用该速率而不取决于其内部采样速率应该将数据传递到外部接口。交换单元将来自外部接口的数据包转换为在拷入阶段可用于控制软件的值，以便进一步处理。相反，在拷出阶段，交换单元从控制软件接收数据，并在下一可能时间点通过外部接口将其发送到网关。然后，网关将此数据转发到现场设备。

为此，网关可以配备有例如基于微处理器的计算机系统和相应的软件。用于与现场设备通信的接口例如可以实现为专用硬件，例如现场可编程门阵列(FPGA)或实现现场总线协议的专用集成电路(ASIC)。

有利地，第一接口和外部接口经由网络与共享通信介质连接。这种网络例如可以是以太网。这些网络中的多个参与者之间的连接通常是逻辑连接，当其中一个参与者与网络物理断开时，这些连接不会立即中断。也就是说，网关，外部接口，现场设备或其他组件例如可以被更换，而不会导致受控工业过程强制性地陷入停顿。该过程必须能够在短时间内应对不流过任何数据。

网关可以配备用于数据分析的另外功能，这些功能通常由控制设备执行。通过这种方式，这些功能可以基于现有过程，而不从现有控制软件的角度改变任何东西。例如，处理后的数据可以通过网络传输到工业设施的其他位置。

网关的引入便于工业控制系统的后续扩展。不仅网关和外部接口之间的网络还有网关和现场设备之间的网络都可以被替换和扩展，而工业过程不必陷入停顿。

在本发明的另一有利的设计方案中，网关另外设计成监视由现场设备测定的至少一个测量值，并且如果测量值满足预定标准则通过网络传送事件。通过这种方式，例如可以独立于控制软件中的实际控制逻辑来实现错误处理。例如，即使相关联的控制程序仅作为不可编辑的二进制代码存在，也可以随后以这种方式添加对确定范围限制的监控。

此外，尤其在控制软件的新发展中，可以如下地实现模块化，即对于独立于实际控制逻辑的安全基本保护功能重新定位到网关。在控制设备上的控制软件中，与保护功能相关的程序代码不再与与用户可选择的控制逻辑有关的程序代码混合。与不同功能相关的程序代码的任何分离都提高了其可维护性并降低了与功能相关的调整可能无意中影响其他功能的风险。

特别地，网关可以被设计为通过网络与人机接口(human-machine interface，HMI)双向通信。通过这种方式，可以通过人机接口直接配置网关。此外，在一方面通过控制设备进行的自动化控制与另一方面通过人机接口的手动操作之间的明确分离可以被实现，也就是说，手动控制不必求助于控制设备。在控制设备发生故障时，则该过程至少基本上是可手动控制的。即使是更换控制单元所需的较短时间也可以通过手动操作来弥补。

在本发明的一个特别有利的设计方案中，网关是用于自动化技术的控制设备，通过将固件修改为其特定功能，控制设备被设计为网关。为此，例如，使用由申请人以“AC800PM”的名称提供的控制设备。控制设备例如能够以其通常的方式从现场设备接收数据，但是不再自己处理它，而是通过网络将其转发到另一个控制设备的外部接口。

另一方面，网关所带来的优点的前提条件并不是网关与控制设备的硬件分离。两个组件可以在同一硬件平台上以功能分离的方式实现并因此形成新的模块化控制设备。因此，在本发明的一个特别有利的设计方案中，执行环境和网关由相同的操作系统调配地在相同的硬件上运行。例如，网关和执行环境可以实现为单独的虚拟机。这两个功能可以通过相关的管理系统进行同等管理。在这方面，术语“外部接口”并不意味着必须经由网络建立到作为单独设备构建的网关的连接，而是仅留下运行控制软件的执行环境的逻辑功能组。

有利地，硬件是用于自动化技术的控制设备，可编程逻辑控制器(SPS)或特别是工业PC。与控制单元或SPS相比，工业PC通常配备有明显更多的计算功率和存储器。这两种资源在工业PC上比在控制单元或SPS上便宜得多。此外，市场上可以获得各种操作系统以及用于创建虚拟机的解决方案，用于作为主机系统的工业PC。因此，例如，将一些控制器与为一个工业PC中的完全不同的硬件平台编写的软件合并可能是值得的。对于确定的应用，例如培训，模拟或较少时间关键的控制，台式PC，服务器或智能手机或平板电脑也可用作硬件。

例如，如果将控制设备或SPS用作硬件，则该控制设备的容量例如可以提升超出其原始设计的容量。例如，通过将与现场设备的通信外包给网关存储空间和/或可以在控制设备上铲除计算能力，该控制设备可以用于更大和/或更复杂的控制软件。此外，网关可以提供更多的通信接口。因此，如果用户对替换现有控制设备不感兴趣，而仅仅想要扩展其功能，则本发明也带来了优点。

在本发明的一个特别有利的设计方案中，操作系统是实时的，通过操作系统的调配，虚拟机在硬件上运行。以这种方式，尽管可以保证虚拟化响应时间，但是可以在控制器的硬件上立即操作控制软件。有利的是，连接外部接口和网关的网络以及网关本身包括其接口也是实时的。

执行环境，特别是虚拟机或虚拟硬件，交换单元，外部接口和网关包括其中包含的接口，尤其也能够以软件和/或硬件的形式实现，软件和/或硬件是可自行销售的产品。因此，根据上文，本发明还涉及一种具有机器可读指令的计算机程序产品，当在计算机，控制设备或其他硬件上执行时，为计算机，控制设备或其他硬件赋予根据本发明的平台的功能和/或赋予在之前描述的意义上的网关中包含的功能。

附图说明

下面将参考附图解释本发明的主题，而本发明的主题不受其限制。图中示出：

图1：具有根据本发明的平台1的工业设施100。

图2：根据现有技术的控制设备105用于比较。

具体实施方式

图1示例性地示出了工业设施100，其中通过根据本发明的平台1控制工业现场设备101。具有抽象层34的操作系统33在工业PC30上运行，抽象层独立于实际使用的操作系统33向交换单元5和虚拟机32提供通用系统调用。控制软件2在虚拟机32中运行并经由第一通信标准61访问虚拟硬件31，就好像其在此是现场设备101一样。工业PC30与外部接口4和内层31，32，33和34一起形成用于控制软件2的执行环境3。

交换单元5以第二通信标准转换来自和到虚拟硬件31的数据传输，其适用于工业设施100的网络41。经由外部接口4建立到网络41的连接。网络41是具有共享介质的以太网42。

工业PC30的外部接口4和网关7的第一接口71之间的数据传输通过网络进行分组交换。根据第三通信标准63经由网关7的第二接口72提供到现场设备101的连接。网关7被设计为连续监视由现场设备101递送的测量值102，并且如果存在标准102a，则经由第一接口71将事件103发送到工业设施100的人机接口43。当工业PC30未运行时，通过人机接口43也可以直接远程控制网关7和现场设备101。

网关7与执行环境3一起形成用于驱控现场设备101的平台1。除了工业PC30、人机接口43和网关7之外，在网络41上还连接有备用I/O系统104以及另外的控制设备105。

图2比较地示出了根据现有技术的另一控制设备105的结构以及该控制设备105与现场设备101和网络41的连接。控制软件2在执行环境105a上运行，执行环境又在操作系统105b上运行并使用专有硬件驱动程序105c。操作系统105b和硬件驱动器105c访问专用硬件105d，其包括用于通过第一通信标准61与现场设备101通信的第一接口105e和用于集成到网络41中的第二接口105f，在该网络中适用第二通信标准62。

与图1不同的是，控制设备105的各种组件彼此构建在一起并共同作用，但彼此并不是抽象的和被封装的。硬件105d的任何改变都需要改变硬件驱动器105c。至少硬件105d到新硬件架构的改变也使得对操作系统105b的改变是必要的。改变的硬件驱动器105c使得必须使控制软件2适应访问这些硬件驱动器105c。由于硬件架构改变而导致的操作系统105b的改变需要对控制软件2和运行该控制软件2的执行环境105a进行进一步的改变。

参考标号列表

1 平台

2 控制软件

3 执行环境

30 用于执行环境3的物理硬件

31 在虚拟机33中的虚拟硬件

32 虚拟机，在操作系统33上运行

33 操作系统，在硬件30上运行

34 操作系统33之前的附加抽象层

4 外部接口

41 工业设施100的网络

42 网络41的共享介质

43 工业设施100的人机接口

5 交换单元

61，62，63 通信标准

7 网关

71，72 网关7的接口

100 工业设施

101 现场设备

102 来自现场设备101的测量值

102a 测量值102的标准

103 根据标准102a触发的事件

104 备用I/O系统

105 另外的控制设备

105a 控制设备105中的执行环境

105b 控制设备105的操作系统

105c 控制设备105的专有硬件驱动器

105d 控制设备105的专有硬件

105e，104f 控制设备105的网络接口

Claims (14)

1.一种用于控制工业设施(100)中至少一个工业现场设备(101)的平台(1)，其中，所述工业设施具有控制软件(2)，所述平台包括其中能执行所述控制软件的执行环境(3)，以及用于在所述控制软件(2)和所述现场设备(101)之间进行通信的外部接口(4)，其特征在于，所述执行环境(3)具有虚拟硬件(31)，从所述控制软件(2)的角度看，所述虚拟硬件表现为所述现场设备(101)，其中，在所述虚拟硬件(31)和所述外部接口(4)之间连接有交换单元(5)，所述交换单元被设计为双向地转换所述控制软件(2)和所述虚拟硬件(31)之间交换的数据，以通过所述外部接口(4)与所述现场设备(101)通信。

2.根据权利要求1所述的平台(1)，其特征在于，所述执行环境(3)包括虚拟机(32)，所述虚拟机又由操作系统(33)调配地在硬件(30)上运行。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的平台(1)，其特征在于，所述虚拟硬件(31)、所述交换单元(5)和/或所述虚拟机(32)通过附加抽象层(34)与所述操作系统(33)共同作用。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的平台(1)，其特征在于，所述执行环境(3)被设计为执行控制软件(2)，所述控制软件以根据IEC 61131-3的标准化语言或以专有控制编程语言、特别是ASEA主程序设计语言或泰勒控制语言存在。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的平台(1)，其特征在于，提供附加网关(7)，所述附加网关经由第一接口(71)与所述外部接口(4)连接以及经由第二接口(72)与所述现场设备(101)连接。

6.根据权利要求5所述的平台(1)，其特征在于，所述网关(7)被设计为在一方面的所述外部接口(4)的通信标准和另一方面的所述现场设备(101)的通信标准之间进行双向转换。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的平台(1)，其特征在于，所述第一接口(71)和所述外部接口(4)经由网络(41)与共享通信介质(42)连接。

8.根据权利要求7所述的平台(1)，其特征在于，所述网关(7)还被设计用于监视由所述现场设备(101)测定的至少一个测量值(102)并且当所述测量值(102)满足预定标准(102a)时经由所述网络(41)传送事件(103)。

9.根据权利要求7至8中任一项所述的平台(1)，其特征在于，所述网关(7)还被设计为经由所述网络(41)与人机接口(43)双向通信。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的平台(1)，其特征在于，所述网关(7)是用于自动化技术的控制设备，通过将固件修改为其特定功能，所述控制设备被设计为网关。

11.根据权利要求2、权利要求5至10中任一项以及可选的权利要求3或4所述的平台，其特征在于，所述执行环境(3)和所述网关(7)由相同的所述操作系统(33)调配地在相同的所述硬件(30)上运行。

12.根据权利要求2和可选的权利要求3至11中任一项所述的平台(1)，其特征在于，所述硬件(30)是工业PC、用于自动化技术的控制设备或可编程逻辑控制器。

13.根据权利要求2和可选的权利要求3至12中任一项所述的平台(1)，其特征在于，所述操作系统(33)是实时的。

14.一种计算机程序产品，包括机器可读指令，当所述机器可读指令在计算机、控制设备或其他硬件(30)上执行时，所述机器可读指令为所述计算机、所述控制设备或者所述其他硬件赋予根据权利要求1至13中任一项所述的平台(1)的功能，和/或赋予在权利要求5至11中任一项的意义上其中包含的网关(7)的功能。