DE102008002827A1 - Modular and functional structure for service-oriented automation components - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine service-orientierte Automatisierungskomponente (AK), welche ihre Komponentenfunktionen als Services (S) anderen Automatisierungskomponenten (AK) anbietet und Services (S) anderer Automatisierungskomponenten (AK) anfragt. Um die Modularität, Rekonfigurabilität, Wiederverwendbarkeit, Verteilung und Heterogenität der Automatisierungskomponenten (AK) zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die service-orientierte Automatisierungskomponente (AK) modulat aus Modulen (KOM-MOD; ERS-MOD; EAH-MOD; GI-MOD; LS-MOD) aufgebaut ist, umfassend zumindest ein Event-Router-Scheduler-Modul (ERS-MOD) als Koordinator für die verschiedenen asynchronen und konkurrierenden Module sowie ein Kommunikations-Modul (KOM-MOD) zur Kommunikation zwischen den Automatisierungskomponenten (AK) über die Einbindung von Services (S) der Automatisierungskomponenten (AK), welche in dem Kommunikations-Modul (KOM-MOD) enthalten sind und von diesem bereitgestellt werden sowie ergänzend ein Logik-Steuerungs-Modul (LS-MOD) zur Steuerung des Verhaltens der Automatisierungskomponente (AK) durch Koordination eines des Komponentenverhalten darstellenden Sets von Services (S), welches durch ein logisches Modell beschrieben ist, ein Entscheidungs- und Ausnahme-Handler-Modul (EAH-MOD), welches in Echzeit einen Entscheidungsfindungs- und Konflikt-Lösungs-Service zur Verfügung stellt, zur Unterstützung der Koordination und Ausführung der Services und/oder ein Geräte-Interface-Modul ...The invention relates to a service-oriented automation component (AK), which offers its component functions as services (S) to other automation components (AK) and requests services (S) of other automation components (AK). To improve the modularity, reconfigurability, reusability, distribution and heterogeneity of the automation components (AK), it is proposed that the service-oriented automation component (AK) module consist of modules (KOM-MOD, ERS-MOD, EAH-MOD, GI-MOD LS-MOD), comprising at least one event router scheduler module (ERS-MOD) as coordinator for the various asynchronous and competing modules and a communication module (KOM-MOD) for communication between the automation components (AK) via the integration of services (S) of the automation components (AK) which are contained in and provided by the communication module (KOM-MOD) and additionally a logic control module (LS-MOD) for controlling the behavior of the Automation component (AK) by coordinating a component behavior representing set of services (S), which is described by a logical model, a decision making and Exception Handler Module (EAH-MOD), which provides a real-time decision making and conflict resolution service to assist with the coordination and execution of services and / or a device interface module ...
Description
Kontextcontext
Die Idee definiert eine modulare, technologieunabhängige und wiederverwendbare Struktur für Automatisierungskomponenten, die Teil von service-orientierten Anwendungen sind, um rekonfigurierbare Automatisierungs- und Produktionssysteme zu entwickeln. Die Struktur ist gekennzeichnet durch Entkopplung und Integration der von den Komponenten dargebotenen Funktionalitäten: i) In der Designphase wird die Entwicklung von unterschiedlichen Funktionalitäten entkoppelt, welches eine flexible, transparente und schnelle Entwicklung erlaubt, und ii) auf dem Entwicklungs-Level werden die unter Verwendung verschiedener Methoden und Technologien entwickelten Funktionalitäten integriert.The Idea defines a modular, technology independent and reusable one Structure for automation components, The part of service-oriented applications are to be reconfigurable Develop automation and production systems. The structure is characterized by decoupling and integration of the Components offered functionalities: i) In the design phase the development is decoupled from different functionalities, which allows a flexible, transparent and fast development, and ii) at the development level, those using different Integrated methods and technologies developed functionalities.
Die Erfindung bezieht sich auf das Feld der verteilten Automatisierungs- und Produktionssteuerung, wobei die Komponenten, welche diese Struktur verwenden, in verschiedenen Levels der IT-Umgebung vertikal integriert sind, von dem Geräte-Level bis zu dem Unternehmens-Level. Die Erfindung bezieht sich auf die Notwendigkeit flexible Automatisierungsproduktionssysteme zu entwickeln, welche Anforderungen von Modularität, Rekonfigurabilität, Wiederverwendbarkeit, Verteilung und Heterogenität unterstützen.The This invention relates to the field of distributed automation and production control, the components using this structure are vertically integrated into different levels of the IT environment, from the device level up to the company level. The invention relates to the need develop flexible automation production systems which Requirements of modularity, reconfigurability, Support reusability, distribution and heterogeneity.
Beschreibung der IdeeDescription of the idea
In service-orientierten Automatisierungssytemen stellen die Automatisierungskomponenten, nämlich Hardware- und Softwarekomponenten, Services zur Verfügung, die ihre Funktionalitäten darbieten. Diese Services werden von anderen Komponenten aufgerufen, wobei dass Systemverhalten von der Koordination der Services geregelt wird. Die Existenz einer generischen Struktur für Automatisierungskomponenten, welche Beteiligte in einem service-orientierten Automatisierungssystem sind, ist obligatorisches Ziel der Entwicklung von flexiblen und rekonfigurierbaren Produktionssystemen.In Service-oriented automation systems represent the automation components, namely hardware and software components, services that provide their functionalities. These services are called by other components, where that system behavior is governed by the coordination of services becomes. The existence of a generic structure for automation components, which participants in a service-oriented automation system is a mandatory goal of the development of flexible and reconfigurable production systems.
Die
generische Architektur für
service-orientierte Automatisierungskomponenten definiert, dass eine
Komponente in einem Puzzle von steckbaren und wiederverwendbaren
Modulen strukturiert ist, wie in
Das Logik-Steuerungsmodul regelt das Verhalten der Komponente durch Koordination eines Sets von Services gemäß ihren Verhaltens, beschrieben durch ein logisches Modell. Die in der Komponente eingebettete Logik ist abhängig von der Systemtopologie, jedoch sollte diese von dem Prozessplan jedes Produkts unabhängig sein. Ein möglicher Ansatz zur Entwicklung der Logikkontroller (z. B. Design, Validation, Simulation und Ausführung) kann für service-orientierte Systeme angepasste High-Level Petri Netze verwenden, wobei die Vorteile ihrer leistungsfähigen mathematischen Grundlage, diskrete, dynamische und verteilte Systeme zu repräsentieren, genutzt werden. Diese logischen Controller müssen das in Petri-Netzen ausgedrückte Prozessmodell interpretieren und ausführen. Die Anwesenheit von Logik-Steuerungsmodulen in mehr als einer Komponente erlaubt den Aufbau einer nicht-hierarchischen Architektur, was bedeutet, dass die überwachende Steuerung tatsächlich verteilt ist und nicht zentral koordiniert. In diesem Fall müssen die durch Koordination von Services eingekapselten Prozesse miteinander zusammenwirken, um dasselbe Synchronisationslevel zu erreichen, wie eine zentralisierte Einheit zur Verfügung stellen würde.The Logic Control Module governs the behavior of the component Coordinate a set of services according to their behavior through a logical model. The embedded logic in the component depends on from the system topology, however, this should be from the process plan each product independently be. A possible approach for the development of logic controllers (eg design, validation, simulation and execution) Can be for service-oriented Systems use high-level Petri nets, taking advantage their powerful mathematical foundation, discrete, dynamic and distributed systems used to represent become. These logical controllers must be the process model expressed in Petri nets interpret and execute. The presence of logic control modules in more than one component allows the construction of a non-hierarchical architecture, which means that the supervisory controller indeed distributed and not centrally coordinated. In this case, the co-ordinating services encapsulated processes with each other work together to achieve the same level of synchronization, how a centralized entity would provide.
Die Kommunikation zwischen den Automatisierungskomponenten wird ausgeführt über die Einbindung von Services der Komponenten, welche in den Kommunikationsmodulen enthalten und von diesen bereitgestellt werden. Beispielsweise kann ein Förderband den Transfer-Service bereitstellen, um die Bewegung von Paletten zu handhaben, der von anderen Komponenten genutzt werden kann, jedoch kann dieser ebenfalls externe Services aufrufen, wenn diese benötigt werden (z. B. um mit einem anderen Förderer verbunden zu werden, ist die Anfrage des Transfer-Services eines anderen Förderers notwendig). Eine geeignete technologische Lösung, um die service-orientierten Kommunikationsmodule zu implementieren, ist die Verwendung von Web-Technologie, und insbesondere Web-Services.The Communication between the automation components is carried out via the Integration of services of the components included in the communication modules contained and provided by them. For example, can a conveyor belt provide the transfer service to the movement of pallets can, however, be used by other components Call this also external services, if they are needed (eg to connect to another conveyor to become, is the request of the transfer service of another sponsor necessary). A suitable technological solution to the service-oriented Implementing communication modules is the use of web technology, and in particular web services.
Das Entscheidungs- und Ausnahme-Handler-Modul stellt in Realzeit Entscheidungsfindungs- und Konfliktlösungs-Services zur Verfügung, um die Koordination der Ausführung der Services zu unterstützen, da das Logikmodell des Systems eine festgelegte Sequenz von Aktionen nicht beschreibt, jedoch statt dessen alle möglichen Kombinationen dieser. Zum Beispiel wenn ein System durch Redundanz von Service-Providern flexibel ist, muss das konkrete Mapping von Services zu Geräten in Realzeit entschieden werden. Der Komplexitätsgrad, welcher mit dem Entscheidungsfindungsmechanismus verknüpft ist, kann im Bereich von einfachen Algorithmen bis komplexen berechneten Systemen liegen, wie beispielsweise Multiagentenysteme, Expertensysteme, neurale Netzwerke und genetische Algorithmen.The Decision and Exception Handler module provides decision making and real-time decision making Conflict Resolution Services to disposal, to coordinate the execution to support the services because the logic model of the system has a fixed sequence of actions does not describe, but instead all possible combinations of these. For example, if a system is due to redundancy of service providers Flexibility must be the concrete mapping of services to devices in real time be decided. The degree of complexity associated with the decision-making mechanism is linked can be calculated ranging from simple algorithms to complex ones Systems such as multi-agent systems, expert systems, neural Networks and genetic algorithms.
Das Geräte-Interface-Modul stellt die Mechanismen zur Integration der physikalischen Geräte wie beispielsweise Roboter oder Sensoren zur Verfügung, innerhalb des Steuerungsteils der Komponente. Da lokale Gerätecontroller üblicherweise geschlossene Architekturen aufweisen, ist es notwendig, Hüllen zu entwickeln, um die Details jedes Gerätecontrollers zu verbergen und Stammfunktionen bereitzustellen, die die Funktionalität des physikalischen Geräts repräsentieren. Das Geräte-Interface-Modul setzt sich zum Ziel, diese Aufgaben zu erfüllen, durch Bereitstellung von Mechanismen zur Unterstützung der einfachen und transparenten Integration von physikalischen Geräten innerhalb der Steuerungsanwendungen.The device interface module provides the mechanisms for integrating physical devices, such as robots or sensors, within the control portion of the component te. Since local device controllers typically have closed architectures, it is necessary to develop envelopes to hide the details of each device controller and provide primitives that represent the functionality of the physical device. The device interface module aims to accomplish these tasks by providing mechanisms to support the easy and transparent integration of physical devices within the control applications.
Das Herz der Struktur ist das Event-Router-Scheduler-Modul, das als ein Koordinator für die verschiedenen asynchronen und konkurrierenden Komponentenmodule wirkt.The The heart of the structure is the Event Router Scheduler module, which is called a coordinator for the different asynchronous and competing component modules acts.
Ein wichtiges Merkmal, welches von der vorgeschlagenen generischen Komponentenstruktur dargestellt wird, ist, dass jede Komponente der Architektur unabhängig und unterschiedlich implementiert werden kann. Die einzige Notwendigkeit ist, dass die Komponente ihre Funktionen als Services mit anderen teilen sollte und den Kommunikationsprotokollen und Prozessen folgen sollte. Diese Flexibilität kann der Entwicklung für kundenspezifische Komponenten für diversifizierte Anwendungen beisteuern.One important feature represented by the proposed generic component structure is that each component of the architecture is independent and can be implemented differently. The only necessity is that the component has its functions as services with others should share and follow the communication protocols and processes should. This flexibility can the development for custom components for Contribute diversified applications.
Beispielexample
Die
generische modulare Struktur für
die service-orientierten Automatisierungskomponenten kann verwendet
werden, um unterschiedliche Typen von Komponenten zu implementieren,
die an der Steuerung teilhaben, nämlich die Mechatronik-Komponenten
(MeC), Prozesssteuerungskomponenten (PCC) und intelligente Support-Komponenten
(ISC). Die Entwicklung von Automatisierungskomponenten wird erreicht
durch Festlegung des Sets von Kernel-Modulen (z. B. Kommunikation
und Event-Router-Scheduler),
welche durch die generische Struktur bereitgestellt werden, und
Auswahl der optionalen Module (z. B. Logik-Steuerung, Geräte-Interface
und Entscheidungs- und Ausnahme-Handler) entsprechend des Typs und
der Funktion der Automatisierungskomponente, wie in
Die MeC-Komponente umfasst die mechanische, elektronische und Software-Kombination, welche die lokale Steuerung des physikalischen Geräts erlaubt. Neben den Kommunikations- und Event-Router-Scheduler-Modulen, welche die Kernel-Module sind, kann ebenfalls das Logik-Steuerungsmodul eingebettet sein, um dessen lokales Verhalten in Fällen zu regeln, wenn die Dekomposition von atomaren Operationen möglich ist und das Geräte-Interface-Modul sodann die Services synchronisiert, welche von dem physikalischen Gerät bereitgestellt werden, wie beispielsweise Leseeingänge, Schreibausgänge oder Aufruf von Programmen.The MeC component includes the mechanical, electronic and software combination which the local control of the physical device allowed. In addition to the communication and Event Router Scheduler modules, which are the kernel modules also be embedded the logic control module to its local behavior in cases to regulate when the decomposition of atomic operations is possible and the device interface module then the services synchronized, which of the physical Device provided such as read inputs, write outputs or Calling programs.
Ein MeC kann ebenfalls seine eigene Intelligenz eingebettet aufweisen. In diesem Fall wird die Abkürzung SMeC (Intelligente Mechatronik-Komponente) verwendet. Eine SMeC kann ebenfalls zusammengesetzte Komponenten repräsentieren, in dem Sinne, dass eine Komponente eine Aggregation von mehreren anderen Komponenten ist (z. B. ein Transportsystem, aufgebaut von individuellen Fördereinheiten). Neben den von den MeC-Komponenten geerbten Modulen, enthält die Struktur dieses Typs von Kompo nenten ebenfalls das Entscheidungs- und Ausnahme-Handler-Modul, welches lokalen Entscheidungssupport für den Logik-Steuerungs-Mechanismus im Fall von Entscheidungsbedarf oder Konfliktlösung bereitstellt.One MeC can also have its own embedded intelligence. In this case, the abbreviation SMeC (Intelligent Mechatronic Component) used. A SMeC may also represent composite components, in the sense that One component is an aggregation of several other components is (eg a transport system built by individual conveyor units). In addition to the modules inherited from the MeC components, the structure contains this type of component also includes the decision and exception handler module, which local decision support for the logic control mechanism in the case of decision needs or conflict resolution.
Andere beispielsweise der generischen Struktur für service-orientierte Automatisierungskomponenten sind die Entwicklung von Prozesssteuerungskomponenten. In komplexeren Systemen, aufgebaut auf kleinen mechatronischen Komponenten, ist es notwendig, Komponenten zu haben, die globale Prozesskoordinationsmechanismen bereitstellen. PCC-Komponenten, welche ihre eigene Logik-Steuerung aufweisen, stellen diese Art von Mechanismen bereit, wirken als Clienten, die imstande sind, von anderen Komponenten bereitgestellte Services zu nutzen. Der PCC unterstützt den komplexen Prozessfluss und die Interaktion von Services in dem System, entsprechend eines Prozessmodells. Für diese Anwendung implementieren diese die Logik für das Work-Flow-orientierte Ausführen und Sequenzieren von atomaren Services, und stellen ein High-Level-Interface für den aggregierten Prozess zur Verfügung, welcher aus einzelnen zusammengesetzt ist. Als Beispiel kann ein Roboter einen Transportservice bereitstellen, der verschiedene Operationen einschleußt (wie beispielsweise Greifen, Bewegen und Platzieren). Dieser kann seine Aktivitäten mit seinen verbundenen Nachbarn synchronisieren, und falls notwendig, Befehle von globalen Komponenten aufnehmen. Die Struktur dieser Art der Automatisierungskomponenten umfasst die Kommunikation, Event-Router-Scheduler, Logik-Steuerung und die Entscheidungs- und Ausnahme-Handler-Module. Da diese Typen von Komponenten, die Zugriff auf physikalische Hardware nicht benötigen, ist das Geräte-Interface-Module in dieser Struktur nicht enthalten.Other for example, the generic structure for service-oriented automation components are the development of process control components. In more complex Systems based on small mechatronic components is it is necessary to have components that provide global process coordination mechanisms provide. PCC components, which have their own logic control have these types of mechanisms ready to act as Clients that are capable of being provided by other components To use services. The PCC supports the complex process flow and the interaction of services in the system, according to one Process model. For This application implement this logic for work-flow oriented execution and execution Sequencing atomic services, and provide a high-level interface for the aggregated Process available, which is composed of individual. As an example, a Robots provide a transport service that performs various operations einschleußt (such as grabbing, moving and placing). This one can his activities synchronize with its connected neighbors and, if necessary, Include commands from global components. The structure of this Type of automation components includes communication, event router scheduler, Logic control and the decision and exception handler modules. This one Types of components that do not have access to physical hardware need, is the device interface module not included in this structure.
Vorteile durch diese IdeeBenefits of this idea
Das Ziel des Patentvorschlags ist die Zurverfügungstellung einer gemeinsamen und generischen Struktur für service-orientierte Automatisierungskomponenten unterstützend die einfache und schnelle Entwicklung von flexiblen und rekonfigurierbaren Produktionssystemen.The The aim of the patent proposal is the provision of a common and generic structure for Service-oriented automation components supporting the easy and fast development of flexible and reconfigurable production systems.
Die folgenden Themen fassen die eigentlichen Vorteile der Anwendung der Idee zusammen:
- • Definition einer gemeinsamen Struktur für service-orientierte Automatisierungskomponenten, die die Entwicklung von rekonfigurierebaren Systemen und die Unternehmensvertikalintegration vereinfachen;
- • Funktionale Separation von Modulen, die für verschiedene Anwendungen wiederverwendet werden können. Die Module können unabhängig entwickelt werden, da Sie die notwendigen Interfaces für Inter-Modul-Kommunikation implementiert haben.
- • Integrationstransparenz, da die Modulstrukturen entwickelt werden können unter Verwendung verschiedener Methodologien und Technologie.
- • Systemintegrationstransparenz, da das System das modulare Framework nutzt mit dem Kernel-Service-orientierten Kommunikationsmodul, welches in verteilten und heterogenen Umgebungen ausschlaggebend ist.
- • Erweiterte Flexibilität und konsequente Rekonfiguration, die von verteilten Steuerungssystemen verlangt wird.
- • Defining a common structure for service-oriented automation components that simplify the development of reconfigurable systems and enterprise vertical integration;
- • Functional separation of modules that can be reused for different applications. The modules can be developed independently because you have implemented the necessary interfaces for inter-module communication.
- • Integration transparency as the modular structures can be developed using different methodologies and technology.
- • System integration transparency, as the system uses the modular framework with the kernel-service-oriented communication module, which is crucial in distributed and heterogeneous environments.
- • Extended flexibility and consistent reconfiguration required by distributed control systems.
Claims (7)
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