CN117296044A

CN117296044A - 用于工业自动化系统的运行时容器的管理

Info

Publication number: CN117296044A
Application number: CN202280034009.7A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·霍尔姆; 延·延科; 尼克莱·法尔科
Original assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Current assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2022-05-11
Publication date: 2023-12-26
Also published as: US20240077856A1; EP4338050A1; WO2022238482A1; DE102021204757A1

Abstract

一种工业自动化系统中的方法，包括：由工业控制设备(300)向容器管理器(100)发送输入数据集(210)，其中，输入数据集(210)至少包括输入元数据；通过容器管理器(100)并且基于输入元数据确定用于处理输入数据的运行时容器(400)；通过运行时容器(400)的应用程序基于输入数据生成输出数据；通过容器管理器(100)生成输出数据集(220)，其中，输出数据集(220)至少包括输出元数据；以及由容器管理器(100)将输出数据集(220)发送至工业控制设备(300)。

Description

用于工业自动化系统的运行时容器的管理

技术领域

本发明总体上涉及工业自动化技术领域并且尤其涉及用于工业自动化系统运行的运行时容器的动态管理的方法和技术。

背景技术

在通用信息技术(IT)领域，已经已知用以快速并且独立于底层硬件基础设施开发应用程序的技术。例如“连续部署”等方法用于管理广泛分布的计算机基础设施中的复杂的软件项目。这些方法通常由封装在所谓的“容器”中的软件应用程序支持。与虚拟机相比，这些软件应用程序虚拟化操作系统而非硬件并且由此能够使软件设计为可移植且高效的。例如，在这种情况下经常使用的一种技术是Docker技术，它主要面向Linux的虚拟化。

在另一技术领域，即工业自动化技术(AT)中，这些方法迄今几乎不使用。另一方面，在第四次工业革命和全面数字化的过程中，用于分析、管理并且在某些情况下甚至用于控制自动化环境的组件的云解决方案越来越多地被用在工业自动化技术中。在这种情况下，数据通常由工业控制设备在运行时产生并且发送至一个或多个云系统。工业控制设备例如可以是内存可编程的控制器(PLC)。这样的设备通常与一个或多个传感器和/或执行器通信连接并且在自动化技术的背景下实现任务。在本发明的范围内，云系统通常包括远离控制设备的计算机系统。作为实例可以提到WAGO云、微软Azure、亚马逊AWS(“亚马逊网络服务”)、SAP云或者IBM云。在云系统内，接收到的数据通常被存储、评估和/或供任意终端设备的用户使用。

例如，由EP 3 249 481 B1已知一种用于对基于云的应用程序的数据执行闭环控制的系统。其中描述了工业控制与云环境如何交互并形成闭环，以便在云中执行复杂的计算而不会对工业控制造成负担。这通过在控制器中生成所谓的云变量来实现，这些云变量由控制器中的云代理转发以在云中处理。然而在这种情况下，EP 3 249 481 B1将工业控制和云应用程序上的处理逻辑分别视为彼此几乎无影响的单片组件。

因此本发明的问题在于，提供一种允许工业控制设备更灵活地访问外部资源的方法。

发明内容

该问题通过独立权利要求的主题来解决，其中，从属权利要求涉及优选的进一步扩展方案。

因此权利要求1涉及一种工业自动化系统中的方法。工业控制设备向容器管理器发送输入数据集，其中，输入数据集至少包括(或者仅包括)输入元数据。容器管理器基于输入元数据确定用于处理来自工业控制设备的输入数据的运行时容器。通过运行时容器的应用程序基于输入数据生成输出数据。容器管理器生成输出数据集，其中，输出数据集至少包括输出元数据。容器管理器将输出数据集发送至工业控制设备。

在一种特别简单的实现中，可以将待处理的输入数据直接在输入数据集中从工业控制设备发送至容器管理器，然后所述容器管理器可以将它们发送至运行时容器。然而在该实施方式中，经由容器管理器的数据交换可能呈现关于数据传输的瓶颈，由此可能增加通信工作量。因此备选地可以规定，容器管理器可以向工业控制设备发送运行时容器地址。可选地，工业控制设备的地址可以被传送至运行时容器。该地址可以包含在控制设备的元数据中或者备选地由容器管理器确定。然后可以由工业控制设备将输入数据直接传送至运行时容器(即无需容器管理器的参与)并且可选地传送控制设备的地址。

还为输出数据的通信提供了两种可行方案。在一种简单的实现中，运行时容器可以将生成的输出数据发送至容器管理器，容器管理器又将这些输出数据在输出数据集中发送至工业控制设备。在这种情况下，容器管理器也会出现与输入端已经描述的瓶颈相同的缺点。因此备选地规定，运行时容器可以将输出数据直接发送至控制设备的地址。该地址要么直接来自控制程序要么由容器管理器已知。

当然，也可以将上面描述的两种方法混合起来，亦即，输入数据的通信可以经由容器管理器发生，其中，输出数据可以直接被传输，并且反之亦然。

因此，本发明涉及一种方法和设备，在所述方法和设备中，工业控制设备、特别是其中的函数模块(例如来自IEC编程)、优选IEC 61131这样设计，以便访问外部资源。

通常本发明的实施例包括编排，即优选通过位于工业控制上的实时系统的控制逻辑，启动、配置、监控和/或停止封装在容器中的来自工业控制的(软件)应用程序。在这种情况下，封装在容器中的(软件)应用程序也可以不同地在另一个硬件基础设施上(例如在云中)执行。

通过启动、监控和/或停止来自工业控制设备的PLC程序的、封装在容器中的(软件)应用程序的可行方案，系统(IT和AT)进一步彼此结合。此外，软件组件可以通过使用容器技术动态地从PLC-程序加载、关闭和/或移除。后者能实现内存的统一使用。此外，封装在容器中的软件应用程序的外包还提供了以不同编程语言和软件平台实施的软件组件之间的桥梁。

同样提供一种由工业自动化系统中的容器管理器执行的方法。所述方法包括：从工业控制设备接收输入数据集，其中，输入数据集至少包括输入元数据；基于输入元数据确定用于处理输入数据的运行时容器；生成输出数据集，其中，输出数据集至少包括输出元数据；以及将输出数据集发送至工业控制设备。

一种由工业自动化系统中的工业控制设备执行的相应的方法，包括：将输入数据集发送至容器管理器，其中，输入数据集至少包括输入元数据；其中，输入元数据允许容器管理器确定用于基于输入数据生成输出数据的运行时容器；由容器管理器接收输出数据集，其中，输出数据集至少包括输出元数据。

在本发明的另一方面中，输入元数据可以包括容器类型。按照容器类型，工业控制设备的运行时程序的开发者可以定义应该外包在容器中的哪个功能。

输入元数据也可以包括输入标识符，例如时间戳，其中，输出数据集包括输出元数据，并且其中，输出元数据包括与相关联的输入元数据相同的输入标识符。这用于将由容器生成的输出数据分配给原始输入数据(例如通过时间戳)。由此，即使在异步操作模式下也能实现同步。

此外，输入元数据可以包括返回地址、容器标识符和/或策略。策略可以定义在什么条件下启动新的容器、重新启动、停止和/或移除现有容器，并且使控制设备或者其程序员能通过容器实现广泛的控制。

如果输出数据集包括输出元数据，则这些输出元数据也可以包括状态。

确定用于处理输入数据的运行时容器可以包括启动新的运行时容器或者选择已经在运行的运行时容器。

此外，确定用于处理输入数据的运行时容器还基于用于运行运行时容器的处理资源的当前利用率。

本发明还提供一种整体系统和上面提到的设备，这些设备均具有用于执行在这里描述的方法的器件。此外提供一种具有用于实现这里描述的方法的指令的计算机程序。

附图说明

随后参考附图阐述本发明的优选的实施例：

图1示出了用于本发明的第一种实施方式的系统环境的示意图。

图2示出了用于本发明的第二种实施方式的系统环境的示意图。

具体实施方式

随后更详细地阐述按照本发明的用于运行工业自动化系统的目前优选的实施例。

在图1和图2中示出自动化系统的两种示例性的实施方式。在两种实施方式中，系统包括工业控制设备300，该工业控制设备例如可以是内存可编程的控制器(PLC)。这样的设备300通常与一个或者多个传感器和/或执行器通信连接并且在自动化技术的背景下实现任务。在此可以由传感器数据创建输入过程映像310并且通过相应的处理产生输出过程映像330。

在工业控制设备300的控制逻辑内配置函数模块320(参见图1中的模块“FUB”)，以用于与容器管理器100通信。通过模块320可以从控制逻辑中选择数据并且在预定义的格式下作为输入数据集210(参见图1中的“输入包类型1”和图2中的“输入包”)转发给容器管理器100。

在两种实施方式(图1和图2)中，这样的输入包210至少包括输入的元数据。这些输入的元数据可以包括：

-选择的容器类型，其给出了要提供期望的功能(例如特定算法)的容器的类型。容器类型要么通过函数模块300预定义，要么在通用的函数模块300的情况下由用户指定。容器类型的实例可以是：异常检测算法、预测函数、对循环/周期性过程的功率消耗进行阶段分析的方法、神经元网络、趋势/漂移检测、仪表板、数据记录器和/或定义的容器中的其他公司的程序。

-唯一的输入标识符(参见图2中的“输入ID”)，以便能够在稍后的进程中将输入包和函数模块分配给输出。

-返回地址(如有必要)。

-容器标识符(参见图1和图2中的“容器ID”；可选并且取决于具体的实施)。

-具有一个或者多个变量的可选策略。此外，这种策略可以定义在什么条件下启动新的容器、重新启动、停止和/或移除现有容器。

实例1：一旦在定义的时段内没有更多数据发送至容器，该容器就终止。

实例2：一旦在定义的时段内没有更多数据发送至容器，该容器就被移除。

实例3：除非有明确指令，否则容器永远不会终止和删除。

实例4：容器可以被多个FUB使用+与实例1至实例3结合。

实例5：容器可以被仅一个FUB使用+与实例1至实例3结合。

不言而喻，在备选的实施方式中也可以仅使用上述数据的子集作为元数据。

在根据图2的实施方式中，输入包210也还包括来自控制逻辑的实际输入数据(以下也称作“输入数据”)，亦即需要处理的数据。而在根据图1的实施方式中，输入数据从控制设备300单独被发送到相应的容器400(参见图1中的“输入包类型2”215)。

随后说明在JSON格式下数据通信的示例性的实现方式：

首次连接容器管理器：

Json

Topic:Container Manager

Payload:{‘returnAddress’:‘…’,‘containerType’:‘…’,policy:‘…”,‘containerConfig’:‘…’,‘projectID’:‘…’

}

容器管理器向FUB发送通知——永久订阅FUB，以获取状态变化。容器管理器永久提供状态信息，从而FUB可以在没有得到更多状态信息时，FUB可以采取行动：

Topic:‘PfcId1/InstanceId1’

Payload:{‘time’:‘…’,‘containerStatus’:‘…’,‘inputAddress’:‘…’,‘outputAddress’:‘…’,

}

FUB数据：

Topic:“…”

Payload:{

‘data’:[{‘time’:‘2020-06-29T09:09:54.874Z’,‘value1’:1.2,‘value2’:1.4,…,‘xyz’:[221,213,213]}],

‘outputAddress’:‘…’,

‘sourceID’:‘…’

}

模型数据：

Topic:‘PfcId1/InstanceId1/output’

Payload:{

‘data’:[{‘time’:‘2020-06-29T09:09:54.874Z’,‘result1’:1.23,‘result2’:2.34}],}

容器管理器100的任务至于，在考虑到可用资源的情况下管理可用容器400并且将接收到的输入包210转发至容器400。当容器管理器100接收到新输入210时，会根据容器类型、策略和/或容器ID决定是否启动容器400。如果对于请求的容器类型来说不存在容器，则通常启动这种类型的容器。如果容器已经存在并且策略允许使用“共享”容器，则可以使用该容器。通过容器ID可以指定使用确切一个具有该容器ID的容器。如果该容器已经存在，则使用该容器，否则启动一个具有该容器ID的新容器。其他规则可以根据应用情况进行调整。

在根据图2的实施方式中，输入数据被转发至相应的容器400。数据包的分配优选根据容器类型以及容器ID进行。

在根据图2的实施方式中，容器400将其结果返回至容器管理器100并且由容器管理器100将这些结果插入输出数据集220中(参见图2中的“输出包”)。在这种情况下，输出数据集220可以包括输入ID和/或相应容器的状态。对此备选地，容器400也可以将输出数据直接发送至工业控制设备300(参见图1中的“输出包类型2”225)。例如，上述状态可能指示由于输入数据不当或者程序崩溃而导致的错误。指示容器仍在初始化中或者指示计算负载的状态也是可设想的。

在两种实施方式中，容器管理器100将输出包220发送至输入包210中指定的适当的返回地址。

随后，函数模块320可以将这些数据提供给工业控制装置300的控制逻辑，从而在那里处理数据。

为了能特别有效地分配利用率，容器管理器100可以将容器400、特别是无状态容器分配给它可用的硬件，从而这些容器能够并行使用。为此，容器管理器100可以识别接收到的输入包210的负载并且在需要时启动另一个(相同的)容器400。由此将负载分配到多个容器400上。

容器管理器100也可以负责终止和/或移除不再需要的容器400，或者，如有必要，不创建新的容器400并且拒绝来自函数模块320的请求，例如硬件负载过重而无法运行其他容器时。在这种情况下，容器管理器100可以考虑包含在输入包210中的策略。

此外，还能实现用于容器管理器100经由附加的函数模块320直接响应的其他功能，例如容器启动、容器更新、删除以及容器的终止和/或当前容器状态的概述。

总之，本发明在一种优选的实施方式中提供了函数模块320，其可以由(IEC)程序员选择并且利用SW/HW资源处理。其他的一切都通过容器管理器100完成。容器管理器100管理SW/HW资源并且借助于存储在函数模块320中的元数据来选择对于函数模块320中必需的功能所需的SW/HW资源。这些SW/HW资源可以位于云中、自动化网络中或常规的IT集群中。

随后阐述示例性的使用场景：

异常检测：异常检测算法可以是计算密集型的并且用一种特殊的编程语言实现，从而这种异常检测算法在不同于工业控制设备的容器中运行。在该实例中，输入数据可以是温度和/或振动。这些数据由异常检测算法评估并且将评估发送至工业控制设备。在这种情况下，函数模块可以以通常的方式使用，因为理想情况下，容器管理器在后台提供容器中的异常检测。函数模块随后与异常检测容器通信并且将结果转发至控制程序。

第三方集成：可以通过容器管理器提供一种容器，该容器直接接收函数模块的数据并且将结果发送至所述函数模块，例如具有低代码开发环境的容器、比如像节点RED容器。

仪表板：可以通过容器管理器提供一种仪表板容器，该仪表板容器直接接收函数模块的数据并且将这些数据可视化。由此能够在无需耗费或者耗费最小的情况下实现对过程数据的了解。

Claims

1.一种工业自动化系统中的方法，包括：

由工业控制设备(300)向容器管理器(100)发送输入数据集(210)，其中，输入数据集(210)至少包括输入元数据；

通过容器管理器(100)并且基于输入元数据确定用于处理输入数据的运行时容器(400)；

通过运行时容器(400)的应用程序基于输入数据生成输出数据；

通过容器管理器(100)生成输出数据集(220)，其中，输出数据集(220)至少包括输出元数据；以及

由容器管理器(100)将输出数据集(220)发送至工业控制设备(300)。

2.一种方法，由工业自动化系统中的容器管理器(100)执行并且包括：

由工业控制设备(300)接收输入数据集(210)，其中，输入数据集(210)至少包括输入元数据；

基于输入元数据确定用于处理输入数据的运行时容器(400)；

生成输出数据集(220)，其中，输出数据集(220)至少包括输出元数据；以及

将输出数据集(220)发送至工业控制设备(300)。

3.一种方法，由工业自动化系统中的工业控制设备(300)执行并且包括：

将输入数据集(210)发送至容器管理器(100)，其中，输入数据集(210)至少包括输入元数据，其中，输入元数据允许容器管理器(100)确定用于基于输入数据生成输出数据的运行时容器(400)；

由容器管理器(100)接收输出数据集(220)，其中，输出数据集(220)至少包括输出元数据。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述输入元数据包括容器类型。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，输入元数据包括输入标识符，特别是时间戳，其中，输出数据集(220)包括输出元数据，并且其中，输出元数据包括与相关联的输入元数据相同的输入标识符。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，输入元数据包括返回地址。

7.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，输入元数据包括容器标识符。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，输入元数据包括策略。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，输出数据集(220)包括输出元数据并且输出元数据包括状态。

10.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，确定用于处理输入数据的运行时容器(400)包括：

启动新的运行时容器(400)；或者

选择已经在运行的时间容器(400)。

11.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，确定用于处理输入数据的运行时容器(400)还基于用于运行运行时容器(400)的处理资源的当前利用率。

12.一种系统或者一种设备，包括用于执行根据权利要求1至11之一所述的方法的器件。

13.一种计算机程序，包括在由计算机执行程序时促使该计算机执行根据权利要求1至11之一所述的方法的指令。