DE102006058282A1

DE102006058282A1 - Engineering-Verfahren zur Entwicklung einer Service orientierten Software-Komponente sowie Software-Komponenten als Bestandteile einer Service orientierten Architektur

Info

Publication number: DE102006058282A1
Application number: DE102006058282A
Authority: DE
Inventors: Armando Walter Dr.-Ing. Colombo; Martin Dr.rer.nat. Feike
Original assignee: Schneider Electric GmbH
Current assignee: Schneider Electric Automation GmbH
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-06-12
Also published as: JP2010511949A; US20100131076A1; EP2100198A1; WO2008068333A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Engineering-Verfahren zur Entwicklung von Service orientierten Software-Komponenten als Bestandteile einer Service orientierten Architektur für dezentrale, verteilte Geräte in flexiblen Produktionanlagen. Um die Entnente, sowie Software-Komponenten als Bestandteile einer Service orientierten Architektur zu vereinfachen wird vorgeschlagen, dass das Engineering-Verfahren folgende Verfahrensmerkmale umfasst: - Erstellen eines PPR-Modells der flexiblen Produktionsanlage unter Berücksichtigung von Produkt-, Prozess- und Ressource-Informationen, - Zerlegung eines in dem PPR-Modell enthaltenen Produktionsprozesses in Teilprozesse, - Entwicklung der Software-Komponenten auf der Grundlage der Teilprozesse, wobei jede der Software-Komponenten eine aus dem Teilprozess abgeleitete Steuerungslogik, eine flexible Schnittstelle für den Zugriff auf in dem PPR-Modell repräsentierte Ressourcen sowie eine Kommunikationssierte Architektur aufweist.

Description

Engineering-Verfahren zur Entwicklung einer Service orientierten Software-Komponente sowie Software-Komponenten als Bestandteile einer Service orientierten Architektur für dezentrale, verteilte Geräte in flexiblen Produktionsanlagen.
In der Zukunft der Automatisierungstechnik gibt es einen Wechsel von zentralen Steuerungen hin zu kleinen intelligenten elektronischen Geräten bzw. Komponenten, die in flexiblen Produktionssystemen eingesetzt werden sollen. Diese Technologie erfordert ein neues Engineering Verfahren.
Aus dem Bereich der ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning-Systeme) hat sich der Ansatz einer Service orientierten Architektur sehr erfolgreich etabliert, um verschiedene Services zur IT-Unterstützung verschiedener Geschäftsprozesse miteinander zu verbinden.
Ferner ist ein wichtiger Trend im Entwurf neuer Produkte und deren Produktionsanlagenplanung die durchgängige ganzheitliche Betrachtung des Produktlebenszyklus, der z. Zt. bei vielen Unternehmen unter dem Stichwort „digitale Fabrik" vorangetrieben wird. In diesem Zusammenhang hat sich als Datenmodell die Verknüpfung der zentralen Typen Produkt, Prozess und Ressource (PPR-Modell) durchgesetzt.
Produktionsanlagen müssen – analog zu Produkten – ebenfalls unter dem Aspekt des Lebenszyklus betrachtet werden, da sonst keine Flexibilität der Anlage garantiert werden kann.
Ziel ist es daher ein Konzept zu entwickeln, bei welchem bei Veränderungen der Anlage kein bzw. nur ein geringer Konfigurieraufwand erforderlich wird.
Dabei stehen nicht mehr fixe Kennzahlen der Anlage im Fokus, wie z.B. eine bestimmte Ausbringung, sondern die Fähigkeit einer Produktionsanlage, sich auf unterschiedliche Situationen einzustellen. Diese Fähigkeit wird durch flexible, rekonfigurierbare Komponenten gewährleistet.
Verschiedene Produktionsanlagen für unterschiedliche Produktionsszenarien können nicht auf realen Anlagen entwickelt werden. Der Aufbau entsprechender Anlagen, um diese Produktionsszenarien zu untersuchen, ist zu kostspielig. Deshalb ist eine virtuelle Entwicklungsumgebung notwendig. Dabei handelt es sich um ein Software-Programm, mit dem Produkte, Prozesse und Ressourcen der Produktionsanlage virtuell abgebildet werden können. Mit einer derartigen Entwicklungsumgebung können Produktionsanlagen virtuell getestet werden.
Diverse Forschungsobjekte (s. u.) untersuchen die Einsatzmöglichkeit, Service orientierte Architektur auf dezentrale, verteilte Geräte und Komponenten in flexiblen Produktionsanlagen anzuwenden, wobei allerdings bisher eine konkrete Lösung zur Entwicklung von Service-Bausteinen bzw. Web-Service basierten Technologien nicht angegeben werden konnte.
Im Rahmen des europäischen „Integrated Project SOCRADES" werden Methoden, Technologien und Tools zum Modellieren, Design und Implementieren von vernetzten Systemen entworfen, die von intelligenten, eingebetteten Geräten zur Verfügung gestellt werden.
Ziel dieses Projekts (SOCRADES) ist die Entwicklung von so genannten „middleware"-Technologien, d. h. anwendungsunabhängigen Technologien, die Dienstleistungen zur Vermittlung zwischen Anwendungen anbieten. Diese sollen auf einer Service orientierten Architektur (SOA) basieren und drahtgebundene und drahtlose Netzwerktechnologien einschließen sowie ein offenes Interface aufweisen. Ferner sollen derartige Software-Komponenten gerätespezifische Funktionalitäten enthalten.
Ein Engineering-Verfahren zur Entwicklung einer Service orientierten Architektur für dezentrale, verteilte Komponenten in flexiblen Produktionssystemen sowie eine Struktur der Software-Komponenten als Service orientiertes Modul ist bisher nicht bekannt.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Engineering-Verfahren zur Entwicklung einer Service orientierten Software-Komponente, sowie Software-Komponenten als Bestandteile einer Service orientierten Architektur anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensmerkmale gelöst:

– Erstellen eines PPR-Modells der flexiblen Produktionsanlage unter Berücksichtigung von Produkt-, Prozess- und Ressource-Informationen,
– Zerlegung eines in dem PPR-Modell enthaltenen Produktionsprozesses in Teilprozesse,
– Entwicklung der Software-Komponenten auf der Grundlage der Teilprozesse, wobei jede Software-Komponente eine aus einem Teilprozess abgeleitete Steuerungslogik, eine flexible Schnittstelle für den Zugriff auf in dem PPR-Modell repräsentierte Ressourcen, sowie eine Kommunikationsschnittstelle enthält.

Die Steuerungslogik einer standardisierten Software-Komponente wird für jeweils einen Fertigungsprozess, wie z.B. eine Spannfolge zum Fixieren von zu verschweißenden Blechen entwickelt. Für die Anlagenplanung hat sich in der Praxis die Zerlegung in Teilprozesse durchgesetzt, die als Leitfaden für ein Steuerungsprogramm eingesetzt wird. Ein auf Komponenten basierender Engineering-Ansatz ist daher zweckmäßigerweise auf den Fertigungsprozess auszurichten. Dieses Engineering-Verfahren stellt die funktionellen Elemente zur Verfügung, damit die Service orientierten Architektur fachgerecht eingesetzt werden kann.
Für die Bearbeitung eines Prozesses sind verschiedene Ressourcen, wie z.B. Aktoren, Sensoren, Steuerungen sowie elektrische und/oder mechanische Komponenten aber auch Informationen und Menschen notwendig. Die Ressourcen selbst sind als virtuelles Modell so repräsentiert, dass deren physikalisches Verhalten möglichst zweckmäßig wiedergegeben wird. Bei der Entwicklung der oben beschriebenen Software, im Weiteren auch Services genannt, ist der Bezug zu den Ressourcen durch das PPR-Modell festgelet.
Die Services als Bestandteil einer Kombination aus Mechatronik, Kommunikation und Intelligenz werden in ein Gesamtkonzept integriert, welches alle Steuerungsaufgaben übernimmt. Im Falle einer Service orientierten Architektur werden sie vorzugsweise als Web-Service implementiert.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird aufbauend auf den standardisierten Software-Komponenten ein Modell eines Lebenszyklus für die Produktionsanlage entwickelt. Dabei ist zu beachten, dass nicht nur für ein spezifisches Zielszenario ein Entwurf erstellt wird, sondern dass sich verändernde Rahmenbedingungen in den Planungsansatz integriert werden.
Ein weiterer Verfahrensschritt zeichnet sich dadurch aus, dass unterschiedliche Produktionsszenarien als Client-Server-Architektur dargestellt und virtuell analysiert werden. Ziel ist es dabei, dass in der Praxis keine Nachprogrammierung der Produktionsanlage durchgeführt werden muss, wenn sich die Rahmenbedingungen verändern. Im Gegensatz zur konventionellen Vorgehensweise können bei der hier eingesetzten Service orientierten Archi tektur verschiedene Varianten einfach durch eine neue Client-Server-Architektur generiert werden.
Ein weiterer bevorzugter Verfahrensschritt sieht vor, dass die entwickelten Software-Komponenten und die zugeordnete Client-Server-Architektur auf verschiedenen Aggregationsebenen implementiert werden.
Dadurch wird erreicht, dass ein stufenloser Übergang von einer zentralen Steuerung auf dezentrale Steuerungskomponenten durchgeführt werden kann. Dabei können die Web-Services ihrerseits wieder weitere Web-Services aufrufen. In einem weiteren Schritt soll vorzugsweise eine Bibliothek generischer Web-Services erzeugt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1: eine Service orientierte Architektur eines Steuerungssystems für eine flexible Produktionsanlage,
2: einen Prozessgraph eines virtuellen Modells der Produktionsanlage und daraus abgeleitete Web-Services,
3: ein Ablaufdiagramm zur Erstellung eines Modells eines Lebenszyklus für die Produktionsanlage und
4: schematische Darstellung einer Client-Server-Architektur auf verschiedenen Aggregationsebenen.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Steuerungssystem 10 in Service orientierter Architektur für dezentrale, verteilte Geräte wie Steuereinheiten 12, 14, 16 in Form von speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS, Mini-SPS) oder intelligenten Modulen sowie elektische und/oder mechanische Komponenten 18, 20, 22 in Form von Transportsystemen, Motoren oder Sensoren einer Produktionsanlage 24.
Die Geräte 12, 14, 16, die in 1 als „Devices" bezeichnet sind, können als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), in der Produktionsanlage 24 verteilte Mini-SPS oder intelligente Steuerungsmodule in Form von intelligenten Aktoren oder Sensoren ausgerichtet sein. Die Geräte 12, 14, 16 sind über ein Datenkommunikationssystem 26 zum Austausch von Daten miteinander gekoppelt, wobei das Datenkommunikationssystem 26 als drahtgebundenes Bus-System oder drahtloses Funksystem ausgebildet sein kann.
Ferner weisen die Geräte 12, 14, 16 jeweils physikalische Ein- bzw. Ausgänge 28, 30, 32 zur Steuerung von Aktoren bzw. zur Erfassung von Sensordaten auf.
In den Geräten 12, 14, 16 sind ein oder mehrere Software-Komponenten 34–44 implementiert, über die unterschiedliche Dienste (Services) wie beispielsweise Diagnose, Datenzugriff oder aber auch Steuerungsabläufe bereitgestellt und aufgerufen werden.
Insgesamt bildet also jedes der Geräte (Devices) 12, 14, 16 einen Service als Kombination aus Mechatronik, Kommunikation und Intelligenz, die in einem Gesamtkonzept integriert werden, welches alle Steuerungsaufgaben übernimmt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Service orientierten Architektur ist zumindest eine Software-Komponente als Web-Service ausgebildet. Die Service orientierte Architektur ermöglicht eine gleichberechtigte Kommunikation zwischen den Geräten 12, 14, 16 ohne dass ein Hierarchie-Konzept notwendig ist.
Die 2 skiziert das Engineering-Verfahren für flexible Produktionsanlagen auf der Basis einer Service orientierten Architektur.
Die Produktionsanlage 24 wird mittels eines PPR-Modells dargestellt, welches Produkt-, Prozess- und Ressource-Informationen enthält. Der Produktionsprozess kann durch einen Prozessgraph 48 dargestellt werden, in dem Teilprozesse 50, 52, 54 enthalten sind. Jeder Teilprozess 50, 52, 54 enthält neben Logik-Informationen, d. h. der zeitlichen Abfolge von Aktionen, auch Informationen darüber, welche Ressourcen zur Durchführung des jeweiligen Teilprozesses benötigt werden. Entscheidender Design-Schritt ist die Übernahme dieser Informationen für die Entwicklung der Services.
Die in 2 beschriebenen Software-Komponenten 34, 40, 42 der in 1 bezifferten Geräte 12, 14, 16, welche Steuerungsabläufe übernehmen, werden jeweils aus einem der Teilprozesse 50, 52, 54 abgeleitet. Jede Software-Komponente eines Teilprozess enthält eine Steuerungslogik 56, die für jeweils einen Fertigungsprozess, wie beispielsweise Teilprozess 52 entwickelt und aus dem Prozessgraph 48 abgeleitet wird. Da für die Bearbeitung des Teilprozesses 52 Ressourcen in Form der elektrischen bzw. mechanischen Komponenten 18, 20, 22 wie Sensoren, Motoren und Transportsysteme notwendig sind, wird eine flexible Schnittstelle 54 implementiert, in welcher Ressource-spezifische Daten zugeordnet werden. Die Ressourcen 18, 20, 22 selbst sind in der virtuellen Engineering-Umgebung (PPR-Modell) so repräsentiert, dass deren physikalisches Verhalten möglichst zweckmäßig wiedergegeben wird, wie beispielsweise der Zeitverbrauch für einen Bewegungsprozess.
Schließlich sind die standardisierten Software-Komponenten 34, 40, 42 mit Kommunikationsschnittstellen 60, 62 ausgestattet. Die Kommunikationsschnittstelle 60 ist im Falle der Service orientierten Architektur als Web-Service basierte Technologie implementiert ist und ermöglicht die Kommunikation mit anderen Services und somit eine Integration in ein Gesamtkonzept. Über die Schnittstelle 62 können Ressourcen 18, 20, 22 angesteuert bzw. deren zustande abgefragt werden.
Auf diese Weise werden aus sämtlichen Teilprozessen des gesamten Prozessablaufs Software-Komponenten 34, 40, 42 abgeleitet, die sodann in das Gesamtsystem 10 der Service orientierten Architektur implementiert werden können.
Um eine möglichst standardisierte Software-Komponente zu erhalten, in der sich verändernde Rahmenbedingungen der Produktionsanlage berücksichtigt sind, wird aufbauend auf den Software-Komponenten ein Modell eines Lebenszyklus für die Produktionsanlage entwickelt. Ein zeitlicher Ablauf eines Anlagen-Lebenszyklus ist in 3 dargestellt. Zunächst wird eine Bedarfsdefinition der Produktionsanlage wie beispielsweise deren Förderkapazität durchgeführt. Auf dieser Grundlage erfolgt die Planung verschiedener Varianten für den flexiblen Betrieb der Produktionsanlage. Das PPR-Modell der Produktionsanlage begleitet die Anlage während ihres gesamten Lebenszyklus. Das PPR-Modell enthält virtuelle Abbildungen von Geräten und Komponenten der Produktionsanlage, in denen die Software-Komponenten als Modul enthalten sind.
Auf der Grundlage derartiger Module erfolgt sodann der Aufbau eines virtuellen Modells mit flexibler Anpassung an verschiedene Rahmenbedingungen, wobei die Teilprozesse und somit die Steuerungslogik der Software-Komponenten ständig angepasst werden. Um die Flexibilität der Software-Komponenten zu erhöhen, werden in der Steuerlogik mehrere Varianten von Teilprozessen implementiert, z.B. Spannen eines Bleches mit unterschiedlicher Spannkonfiguration.
Der Vorteil der Erfindung zeichnet sich in der Planungsphase dadurch aus, dass ein Produktionssystem virtuell mit „intelligenten" Modellen von Geräten und Komponenten dargestellt werden kann, wobei die „Intelligenz" der verwendeten Module durch Planung verschiedener Varianten für den flexiblen Betrieb aufgrund verschiedener Rahmenbedingungen angepasst werden kann. Aus einem derartigen PPR-Modell unter Berücksichtigung des Anlagen-Lebenszyklus bei veränderten Rahmenbedingungen kann sodann auch ein Steuerungsprogramm für die tatsächliche Anlagensteuerung abgeleitet werden.
Auf der Hardware-Ebene bietet die Erfindung den Vorteil, dass Geräte in Form von speicherprogrammierbaren Steuerungen, Robotersteuerungen oder dergleichen flexibel an sich ändernde Produktionsbedingungen anpassbar sind, ohne dass es einer aufwändigen Neuprogrammierung bedarf.
4 zeigt, dass unterschiedliche Produktionsszenarien in Form einer Client-Server-Architektur dargestellt und virtuell analysiert werden können. In der Produktionsanlage 24 wird beispielsweise ein Produkt 64 auf einer Palette transportiert. Die Einheit aus Produkt und Paletten wird im Folgenden als „Client" bezeichnet. Über das Datenübertragungsmedium 20 wird ein Service 66 wie „Transportbedarf" angefragt. Die Anfrage wird dem Gerät 12 wie Motorsteuerung einer Transportstruktur zugeleitet, welche wiederum eine Serviceanfrage 68 an das Gerät 14 wie Steuerung einer Umsetzstation meldet. Schließlich ruft das Gerät 14 den allgemeinen Service 70 „Transportsystem" auf, der letztendlich die geforderte Transportkapazität zum Transport des Produktes bietet.
Die in 4 dargestellte Architektur zeigt auch, dass ein stufenloser Übergang von einer zentralen Steuerung auf dezentrale Steuerungskomponenten 12, 14, 16 durchgeführt werden kann. Dabei können die verwendeten Web-Services ihrerseits wieder weitere Web-Services 72 aufrufen. Diese Anfragen können über ein globales Netzwerk 74 wie Internet erfolgen. Web Services können in die IT Landschaft eines Unternehmens integriert werden. Beispielsweise kann eine Verbindung zu einem MES 76 (Manufacturing Execution System) aufgebaut werden, um spezielle Routing-Informationen abzurufen.

Claims

Engineering-Verfahren zur Entwicklung von Service orientierten Software-Komponenten als Bestandteile einer Service orientierten Architektur für dezentrale, verteilte Geräte in flexiblen Produktionsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass das Engineering-Verfahren folgende Verfahrensmerkmale umfasst: – Erstellen eines PPR-Modells der flexiblen Produktionsanlage unter Berücksichtigung von Produkt-, Prozess- und Ressource-Informationen, – Zerlegung eines in dem PPR-Modell enthaltenen Produktionsprozesses in Teilprozesse, – Entwicklung der Software-Komponenten auf der Grundlage der Teilprozesse, wobei jede der Software-Komponenten eine aus dem Teilprozess abgeleitete Steuerungslogik, eine flexible Schnittstelle für den Zugriff auf in dem PPR-Modell repräsentierte Ressourcen sowie eine Kommunikationsschnittstelle zur Integration in die Service orientierte Architektur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsschnittstelle als Service basierte Technologie implementiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufbauend auf den standardisierten Software-Komponenten ein Modell eines Lebenszyklus für die Produktionsanlage entwickelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Produktionsszenarien als Client-Server-Architektur dargestellt und virtuell analysiert werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entwickelten Software-Komponenten und die zugeordnete Client-Server-Architektur auf verschiedenen Aggregationsebenen implementiert werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Software-Komponenten als Web-Service eine Bibliothek generischer Web-Services erzeugt wird.
Software-Komponente als Bestandteil einer Service orientierten Architektur für dezentrale, verteilte Geräte und Komponenten in flexiblen und (z.B.) Produktionsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Software-Komponente aus einem Prozess oder Teilprozess eines PPR-Modells der flexiblen Produktionsanlage abgeleitet ist, wobei jede Software-Komponente eine aus dem Prozess oder Teilprozess abgeleitete Steuerungslogik, eine flexible Schnittstelle für den Zugriff auf in dem PPR-Modell repräsentierte Ressourcen sowie eine Kommunikationsschnittstelle zur Integration in die Service orientierte Architektur aufweist.
Software-Komponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Software-Komponente als Web-Service ausgebildet ist.
Steuerung für eine flexible Produktionsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung Software-Komponenten nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.