CN116472503A - 用于将过程控制器连接到opc ua对等设备的接口设备 - Google Patents

Abstract

一种用于将至少一个过程控制器(1)连接到一个或多个对等设备(3a‑3d)的接口设备(2)，包括：与过程控制器(1)进行双向通信的过程控制器接口(21)；对等设备接口(23)，用于与对等设备(3a‑3d)进行双向OPC UA通信；以及逻辑单元(22)，被配置为：响应于来自过程控制器(1)和/或来自一个或多个对等设备(3a‑3d)的一个或多个输入(4)满足一个或多个预定条件(22a)，根据预定逻辑(22b)从一个或多个输入确定一个或多个要执行的动作(22c)；根据预定逻辑(22b)确定一个或多个输出(5)，当将该一个或多个输出(5)提供给过程控制器(1)和/或对等设备(3a‑3d)时，使要执行的动作(22c)被执行；以及，将这些输出(5)提供给过程控制器(1)和/或一个或多个对等设备(3a‑3d)。

Description

用于将过程控制器连接到OPC UA对等设备的接口设备

技术领域

本发明涉及为了工业过程自动化的目的而管理过程控制器和对等设备之间的通信。

背景技术

自动化工业计划通常包括与工业生产过程直接相关的许多现场设备。这些现场设备由一个或多个过程控制器控制。虽然过去已经使用了几种不同类型和架构的现场总线来将现场设备连接到过程控制器，但是许多“工业4.0”概念假设过程控制器和现场设备之间的通信将集中在与开放平台通信统一架构OPC UA相结合的IP通信上。从WO2009/083133A1中已知用于OPC UA通信的客户端-服务器架构。

OPA UA现场设备的大部分功能借助于将由过程控制器调用的各个设备的“方法”来提供。例如，如果致动器现场设备的功能使能控制阀，则对相应方法“移动”的调用允许定位阀的活塞。现场设备可以实现更多的动作(如“关机”或“重置”)，这些动作可以通过调用相应的方法来触发。

发明内容

本发明的目的是促进具有多个现场设备的车间的自动化，和/或增加由每个现场设备提供的功能的利用，特别是在过程控制器不知道在现场设备侧实现的OPC UA方法的完整集合的设置中。

该目的通过具有过程控制器接口、对等设备接口和逻辑单元的接口设备来实现。

本发明提供了一种用于将至少一个过程控制器连接到一个或多个对等设备的接口设备。

特别地，这样的对等设备可以是现场设备。特别地，这种现场设备可以是与工业过程直接交互的设备。例如，现场设备可以包括测量工业过程中的物理量(例如温度、压力、电压、安培数或至少一种物质的浓度)的测量仪器。

对等设备也可以是其它过程控制器，例如可编程逻辑控制器PLC。例如，过程控制系统可以被分割成相对自主的基于PLC的子系统。然后，例如，中央过程控制器可以与这些子系统通信以将该过程作为整体编排。

一般而言，过程控制器的作用例如可以是编排任何种类的一个或多个对等设备朝向特定目标的操作。例如，低级控制器可以具有致动一个或多个现场设备的工作，使得诸如由另一现场设备测量的温度或压力的特定量保持在给定的设定点。更高级的控制器又可以控制那些给定的设定点，使得整个工业过程的另一个目标得到满足。

接口设备包括用于与过程控制器双向通信的过程控制器接口。接口设备还包括用于与对等设备进行双向OPC UA通信的对等设备接口。特别地，对等设备接口和过程控制器接口可以是物理上不同的接口，和/或它们可以根据不同的通信标准来操作。但这不是必需的。相反，两个接口可以根据相同的通信标准并且甚至在相同的网络内操作。例如，如果过程控制器和对等设备都说OPC UA并且连接到相同的以太网网络，则过程控制器接口和对等设备接口可以是相同底层物理以太网卡上的不同虚拟网络接口。

接口设备包括逻辑单元。该逻辑单元实施一种“if-this-then-that”(IFTTT)逻辑。响应于来自过程控制器和/或来自一个或多个对等设备的一个或多个输入满足一个或多个预定条件，逻辑单元根据预定逻辑从一个或多个输入确定一个或多个要执行的动作。例如，这种动作可以包括将从过程控制器接收到的数据相应地传送到对等设备、从对等设备接收到的数据相应地传送到过程控制器。该动作还可以包括使对等设备以某种方式改变工业过程的进程。

逻辑单元根据预定逻辑确定一个或多个输出，当将一个或多个输出提供给过程控制器和/或对等设备时，使要执行的动作被执行。例如，如果过程控制器和对等设备之间的数据通信要被调停和/或中断，则在物理层和/或逻辑层上可能涉及某种数据转换。如果要改变物理过程的进程，则逻辑单元可以将该期望转换为需要向诸如现场设备的对等设备发出的一个或多个具体命令。

所确定的输出被提供给过程控制器和/或一个或多个对等设备。例如，如果要调用由OPC UA对等设备提供的方法，则输出可以是调用指令，其在被提供给对等设备的应用编程接口API时引起该方法的调用。即使对等设备也是过程控制器，例如PLC，也可能存在两个过程控制器说不同的语言并且需要接口设备用于相互通信的情况。

发明人已经发现，以这种方式，接口设备在对等设备和过程控制器之间引入抽象层。例如，在过程控制器或对等设备升级到相应的新设备的情况下，这种抽象促进通信。例如，一方面的过程控制器和另一方面的作为对等设备的现场设备通常具有不同的生命周期和物理寿命。因此，它们很可能在不同时间由于更换而掉落。因为设备通常具有比对应于其创新生命周期更长的物理生命周期，所以在设备由于更换而掉落时，其制造商可能已经切换到销售较新的型号，逐步淘汰旧的型号。如果车间操作员不再有备用的旧型号存货，则他可能面临在寻找仍可以以较高价格购买旧模型的次级来源，或者购买较新的型号和对他继续使用的设备进行适配之间的选择。例如，如果用新型号更换现场设备，则新型号可能具有不同的能力，并且可能需要不同的语法来与其交互。如果用新型号更换过程控制器，则新过程控制器可能期望某些现代特征出现在现场设备中，并且可能不知道缺少这些现代特征的传统现场设备。

接口设备提供了可以进行适配的地方，使得不需要对过程控制器或现场设备进行改变，该过程控制器或现场设备即使在相应的其它设备已经被替换之后仍然被使用。根据相应设备的使用年限，与使一个设备首先为另一设备提供匹配输出相比，转换一个设备的输出以供另一设备使用可能要容易得多。

特别地，单个接口设备可以在一个或多个过程控制器和多个对等设备之间转换。因此，即使涉及多个过程控制器和对等设备，也只有一个地方需要改变一些东西。

在特别有利的实施例中，过程控制器接口包括映射到逻辑单元的变量的至少一个I/O端口。根据过程控制器对I/O端口的写请求，过程控制器接口读取过程控制器写入I/O端口的输入，并且根据该输入更新变量值。然后，当与对等设备通信时，逻辑单元可以以任何适当的方式使用变量的值。例如，从过程控制器写入I/O端口的输入，通过逻辑单元的预定逻辑，对作为对等设备的现场设备的至少一个UPC UA方法的调用可以被确定为要执行的动作。例如，逻辑单元可以从对其做出写请求的I/O端口确定过程控制器意图设置的现场设备的参数，并且调用将被用于设置该参数的现场设备的OPC UA方法，其中写入I/O端口的输入作为自变量。以相同的方式，可以设置作为对等设备的过程控制器的参数。例如，上级过程控制器可以在下级过程控制器中设置设定点。

同样，根据过程控制器对I/O端口的读请求，和/或根据逻辑单元对变量的更新，逻辑单元借助于I/O端口将变量的值提供给过程控制器。具体地，逻辑单元可以借助于其预定逻辑，从过程控制器对I/O端口的读请求中确定对对等设备的至少一个OPC UA方法的调用，以使变量的更新作为要执行的动作。例如，逻辑单元可以从对其做出读请求的I/O端口确定过程控制器意图读取的对等设备的参数。然后，逻辑单元可以调用将被用于读取该参数的对等设备的OPC UA方法、将返回的参数存储在变量中、并且经由I/O端口将其传递给过程控制器。

以这种方式，接口设备甚至使得过程控制器能够与OPC UA对等设备通信，该过程控制器仅具有可用于输入和输出数据的I/O端口并因此纯数据驱动，并且以任何方式不知道OPC UA。对于过程控制器可以使用的对等设备的特征没有限制，只要接口提供通过I/O端口交换的数据与OPC UA对等设备上的相应要执行的动作之间的某种映射。

例如，被调用的OPC UA设备的方法可以被编码在由过程控制器写入到I/O端口的输入中，或者被编码在从其导出的变量的值中。因此，在另一特别有利的实施例中，响应于确定所述输入或所述变量满足或超过预定阈值，逻辑单元可以将对对等设备的第一OPC UA方法的调用确定为要执行的动作。响应于确定所述输入和/或所述变量不满足所述预定阈值，逻辑单元可以将对对等设备的第二OPC UA方法的调用确定为要执行的动作。

从过程控制器的角度来看，接口设备在某种程度上类似于电话计算机，其使得仅具有按键式电话的客户能够对可用的对等设备执行任意动作。象征性地讲，过程控制器拨打接口设备并以类似于“欢迎来到该车间中的对等设备。如需列出可用的对等设备，请按下1。如需从特定对等设备读取数据，请按2。如需更改特定对等设备上的参数，请按下3…”的菜单来被问候。

例如，这可以在逻辑单元的预定逻辑中借助于相对于写入I/O端口的输入的“if…then…else”控制结构或“case”控制结构来实现。

在另一特别有利的实施例中，逻辑单元还被配置为订阅在发布-订阅模型中由至少一个对等设备发布的至少一个消息话题，并且响应于接收到所订阅的消息话题的消息来确定一个或多个要执行的动作。例如，逻辑单元可以将来自接收到的消息的信息转发到先前已经指令逻辑单元订阅所述消息主题的过程控制器。用以订阅的指令和所获得的发布信息可以以任何适当的方式在过程控制器和接口设备之间来回传送。甚至经由写入到I/O端口的输入和从I/O端口读回的输出的纯数据驱动通信也是足够的。

特别地，对等设备的同一个发布的消息主题可能是几个过程控制器感兴趣的。然后，发布的消息将只需要通过网络传播到接口设备一次，并且然后可以向前分发到对它们感兴趣的过程控制器。

同样地，如果多个过程控制器对对等设备的同一个参数的值感兴趣，则接口设备需要调用对等设备的方法来仅获得该参数的更新值一次。然后，更新的值可以被存储在逻辑单元的变量中，并且进一步分配给需要它的任何过程控制器。接口设备控制从对等设备获得参数的更新值的频率，而不管过程控制器请求该参数的频率如何。以这种方式，可以抑制对等设备内的OPC UA服务器上的负载。例如，作为对等设备的现场设备通常是具有有限计算资源和网络资源的低功率设备。因此，它们的OPC UA服务器可以被配备成最多处理几个同时的请求。接口设备可以具有强大得多的计算和网络资源，因此其是否接收到更多的请求是无关紧要的。

逻辑单元响应于来自过程控制器和/或来自对等设备的输入而确定的要执行的动作可以例如包括：

·从至少一个现场设备获得至少一个测量值或操作参数值；和/或

·设置至少一个现场设备的至少一个操作参数；和/或

·使现场设备对现场设备所参与的工业过程的执行施加至少一种物理影响。

动作不限于这些或其它原语。相反，响应于单个输入或一系列输入，整个动作序列可以依靠逻辑单元的预定逻辑展开。例如，响应于过程控制器发出需要清洗容器的信号，接口设备可以通过致动各种阀来协调容器的重复填充和排放，并且继续这样做直到特定物质的浓度下降到预设阈值以下。

接口设备的功能不限于促进先前在过程控制器和一个或多个对等设备之间的协作中所进行的操作。相反，可以添加新的功能。在另一有利实施例中，由逻辑单元评估的预定条件可以包括：针对包括对等设备的工业车间中的物理状态变量的至少一个互锁条件，以作为针对至少一个要执行的动作的先决条件。例如，如果过程控制器输出指令以开启制造薄膜的真空腔室上的电子束蒸发器或质谱仪，则接口设备可以读出腔室上的OPC UA压力计现场装置，以检查腔室中的真空是否足够。如果电子束蒸发器或质谱仪在没有足够好的真空的情况下操作，则它可能受到损害。

同样，预定逻辑确定的一个或多个输出也可以基于从多个对等设备获得的信息。例如，预定逻辑可以聚集来自多个温度传感器的测量值以形成平均温度，然后将该平均温度传送到过程控制器。

在另一有利实施例中，逻辑单元还被配置为将多个对等设备提供的OPC UA方法映射到一个公共OPC UA命名空间内的句柄。响应于来自过程控制器的指示调用这种句柄的意图的输入，它然后可以确定对对等设备的对应OPC UA方法的调用作为要执行的动作。以这种方式，过程控制器不必知道该方法驻留在哪个命名空间中。特别地，若干可用对等设备中的哪一个执行特定动作通常并不重要；相反，执行动作是重要的。例如，如果三个并联的泵可用于排空容器，但只需要一个泵的容量，则逻辑单元可以以“循环(round-robin)”方式选择使用哪个泵，以便在泵上更均匀地分布磨损和撕裂。

在另一个特别有利的实施例中，逻辑单元被配置为接受可解释的、可编译的或可执行的代码，例如Python代码，并且将其用作预定逻辑，以用于确定要执行的动作，和/或用于确定用于执行这些动作的输出。这为用户提供了使接口设备适应特定车间的进一步灵活性。例如，该逻辑可以适于在仅支持通过多个I/O端口的数据驱动通信的特定传统过程控制器与一系列现代OPC UA对等设备之间进行接合。

接口设备可以在具有用于与过程控制器和对等设备通信的适当硬件接口的一个或多个计算机上实现。例如，大多数计算机已经具有可用于与OPC UA对等设备通信的以太网接口。为了与使用数据驱动I/O的过程控制器通信，适当的硬件接口可以作为接口卡连接到计算机，或者经由Thunderbolt或USB连接插入到计算机。然后，接口设备的主要功能可以嵌入到软件中。因此，本发明还涉及一种具有机器可读指令的计算机程序，所述指令在由一个或多个计算机执行时将所述一个或多个计算机升级到上述接口设备。

计算机程序可以例如在非暂态计算机可读存储介质上或以下载产品的形式销售，所述下载产品例如允许在在线商店中购买之后立即履行。因此，本发明还涉及具有计算机程序的非暂态计算机可读存储介质或下载产品。本发明还涉及具有计算机程序和/或非暂态计算机存储介质和/或下载产品的一个或多个计算机。

附图说明

在下文中，使用附图来说明本发明，而不旨在限制本发明的范围。附图示出：

图1：与过程控制器1和多个对等设备3a-3d通信的接口设备2的实施例；

图2：多个对等设备3a-3d的方法3a1-3a3、3b1-3b3到公共命名空间6中的句柄6a-6f的示例性映射。

具体实施方式

图1示出了处于与过程控制器1和多个对等设备3a-3d通信的设置中的接口设备2的示例性实施例。为清楚起见，图1仅示出一个通信方向：输入4由过程控制器1提供，并且这最终导致输出5被传输到一个或多个对等设备3a-3d。但是也有可能由一个或多个对等设备3a-3d提供输入4，如所订阅的消息主题的消息，并导致输出5被传输到过程控制器1。

接口设备2包括可连接到过程控制器1的过程控制器接口21，逻辑单元22和可例如经由以太网连接到对等设备3a-3d的对等设备接口。

在图1所示的示例中，过程控制器接口包括I/O端口21a，该I/O端口21a可以由过程控制器1以数据驱动的方式写入和读取。I/O端口21a被映射到逻辑单元22的变量22d。即，写入到I/O端口21a的输入4更新变量22d，并且可以通过从I/O端口21a读取来查询变量22d的当前值。

在逻辑单元22中对照条件22a检查输入4。如果满足条件(真值1)，则基于预定逻辑22b从输入4确定一个或多个要执行的动作22c。预定逻辑22b还将要执行的动作22c转换为输出5，然后将输出5发送到适当的对等设备3a-3d。在图1所示的示例中，要执行的动作22c包括调用提供方法3a1、3a2和3a3的对等设备3a1的方法3a2。因此，输出5包括对方法3a2的调用指令。

图2示出了将由几个对等设备3a-3d提供的多个方法3a1-3a3、3b1-3b3聚集到逻辑单元22内的一个单个OPC UA命名空间6中。每个方法3a1-3a3、3b1-3b3被映射到统一命名空间6中的一个句柄6a-6f。这种聚集的一个效果是过程控制器1不需要知道在哪个对等设备3a-3d上实现要调用的方法3a1-3a3、3b1-3b3。

附图标记列表

1 过程控制器

2 接口设备

21 接口设备2的过程控制器接口

21a 在过程控制器接口21中的I/O端口

22 接口设备2的逻辑单元

22a 用于确定动作22c的预定条件

22b 用于确定动作22c、输出5的预定逻辑

22c 响应于输入4的要执行的动作

22d 逻辑可变单元22

23 接口设备2的对等设备接口

3a-3d 对等设备

3a1-3a3 由对等设备3a提供的示例性方法

3b1-3b3 由对等设备3b提供的示例性方法

4 到接口设备2的输入

5 来自接口设备2的输出

6 统一OPC UA命名空间

6a-6f 方法3a1-3a3、3b1-3b3的名称空间6a-6f中的句柄

Claims (14)

1.一种用于将至少一个过程控制器(1)连接到一个或多个对等设备(3a-3d)的接口设备(2)，包括：

·过程控制器接口(21)，用于与所述过程控制器(1)进行双向通信；

·对等设备接口(23)，用于与所述对等设备(3a-3d)进行双向OPC UA通信；以及

·逻辑单元(22)，所述逻辑单元被配置为：响应于来自所述过程控制器(1)和/或来自所述一个或多个对等设备(3a-3d)的一个或多个输入(4)满足一个或多个预定条件(22a)：

o根据预定逻辑(22b)从所述一个或多个输入确定一个或多个要执行的动作(22c)；

o根据所述预定逻辑(22b)确定一个或多个输出(5)，当将所述一个或多个输出(5)提供给所述过程控制器(1)和/或所述对等设备(3a-3d)时，使所述要执行的动作(22c)被执行；以及

o将这些输出(5)提供给所述过程控制器(1)和/或所述一个或多个对等设备(3a-3d)。

2.根据权利要求1所述的接口设备(2)，其中所述过程控制器接口(21)包括至少一个I/O端口(21a)，所述至少一个I/O端口被映射到所述逻辑单元(22)的变量(22d)，并且其中所述过程控制器(21)接口被配置为：

·根据所述过程控制器(1)对所述I/O端口(21a)的写请求，读取所述过程控制器(1)写入所述I/O端口(21a)的输入(4)，并且根据该输入(4)更新所述变量(22d)的值；以及

·根据所述过程控制器(1)对所述I/O端口(21a)的读请求和/或根据所述逻辑单元(2)对所述变量(22d)的更新，借助于所述I/O端口(21a)向所述过程控制器(1)提供所述变量(22d)的值。

3.根据权利要求2所述的接口设备(2)，其中所述预定逻辑(22b)具体包括：

·从由所述过程控制器(1)写入所述I/O端口(21a)的所述输入(4)，确定对对等设备(3a-3d)的至少一个OPC UA方法(3a1-3a3)的调用作为要执行的动作(22c)；和/或

·从由所述过程控制器(1)对所述I/O端口(21a)的所述读请求，确定对对等设备(3a-3d)的至少一个OPC UA方法(3a1-3a3)的调用，以使所述变量(22d)的更新作为要执行的动作(22c)。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的接口设备(2)，其中所述逻辑单元(22)被配置为：

·响应于确定所述变量(22d)和/或由所述过程控制器(1)写入所述I/O端口(21a)的所述输入(4)满足或超过预定阈值，确定对对等设备(3a-3d)的第一OPC UA方法(3a1-3a3)的调用作为要执行的动作(22c)；以及

·响应于确定所述变量(22d)和/或由所述过程控制器(1)写入所述I/O端口(21a)的所述输入(4)不满足所述预定阈值，确定对对等设备(3a-3d)的第二OPC UA方法(3a1-3a3)的调用作为要执行的动作(22c)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的接口设备(2)，其中所述逻辑单元(22)还被配置为：订阅在发布-订阅模型中由所述至少一个对等设备(3a-3d)发布的至少一个消息话题，并且响应于接收到所订阅的所述消息话题的消息来确定一个或多个要执行的动作(22c)。

6.根据权利要求5所述的接口设备(2)，其中所述一个或多个要执行的动作(22c)包括：基于接收到的所订阅的所述消息话题的所述消息来更新所述逻辑单元(22)的变量(22d)的值。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的接口设备(2)，其中所述要执行的动作(22c)包括：

·从至少一个现场设备(3a-3d)获得至少一个测量值或操作参数的值；和/或

·设定至少一个现场设备(3a-3d)的至少一个操作参数；和/或

·使所述现场设备(3a-3d)对所述现场设备(3a-3d)参与的工业过程的执行施加至少一种物理影响。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的接口设备(2)，其中所述一个或多个预定条件(22a)包括：针对包括所述对等设备(3a-3d)的工业车间中的物理状态变量的至少一个互锁条件，作为针对至少一个要执行的动作(22c)的先决条件。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的接口设备(2)，其中所述预定逻辑(22b)包括：基于从多个对等设备(3a-3d)获得的信息来确定所述一个或多个输出(5)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的接口设备(2)，其中所述逻辑单元(22)还被配置为：将由多个对等设备(3a-3d)提供的OPC UA方法(3a1-3a3，3b1-3b3)映射到一个公共OPCUA命名空间(6)内的句柄(6a-6f)，并且响应于来自所述过程控制器(1)的指示调用这种句柄(6a-6f)的意图的输入(4)，确定对对等设备(3a-3d)的对应OPC UA方法(3a1-3a3，3b1-3b3)的调用作为要执行的动作(22c)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的接口设备(2)，其中所述逻辑单元(22)被配置为接受可解释的、可编译的或可执行的代码，并将其用作预定逻辑，以用于确定要执行的动作(22c)和/或用于确定用于执行这些动作(22c)的输出。

12.一种计算机程序，包括机器可读指令，所述机器可读指令在由一个或多个计算机执行时将所述一个或多个计算机升级到根据权利要求1至11中任一项所述的接口设备。

13.一种非暂态计算机可读存储介质或下载产品，具有根据权利要求12所述的计算机程序。

14.一个或多个计算机，具有根据权利要求12所述的计算机程序和/或具有根据权利要求13所述的非暂态计算机可读存储介质和/或下载产品。