CN113268884B - 一种基于资产管理壳的分布式控制***管控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于资产管理壳的分布式控制***管控方法，涉及工业***中控制与管理模型集成技术领域。设计一种基于IEC 61499标准的资产管理壳集成模型，将控制模型融入进管理模型中，完成综合信息、管理和控制的一体化模型，带来统一的表达方式；设计具体模型元素间的映射规则，包括静态与动态，保证不同层级间各元素组织、交互的合理性与正确性；以模块化方式设计通用性的映射结构，以尽可能适应不同场景的需求。不仅可针对工业中不同组件建立信息管理模型，还可以集成进可执行性的***级建模控制语言，同时实现对组件的管理与控制。

Description

一种基于资产管理壳的分布式控制***管控方法

技术领域

本发明涉及工业***中控制与管理模型集成技术领域，尤其涉及一种基于资产管理壳的分布式控制***管控方法。

背景技术

在新一轮工业革新潮流中，资产管理壳作为底层设备模型的核心元素被提出且逐渐得到应用，它是面向分布式***中的一种数字化表达模型，以一种对实体、设备、资产等进行信息化管理的形式存在。但当前的资产管理壳模型只涉及到底层设备的信息管理层面，与控制模型脱节，仅限于描述了设备的静态行为，在灵活性控制以及动态重配置方面存在着不足，需要管理人员同时针对设备模型以及控制模型进行调整，缺乏可移植性。

已有方法中，提出了将资产管理壳通过IEC 61131-3软件模型来表示，针对IEC61131-3标准规范中的配置、资源、程序、变量、语义等元素逐一做了结构上的映射，完成了从传统工业控制模型与新兴的资产管理模型的融合。但IEC 61131-3标准是仅面向单个PLC(Programmable Logic Controllers，可编程逻辑控制器)的方案，不适合于分布式***中多设备多层级的部署方式，并没有发挥出资产管理壳可移植可复用的优势，而是使其妥协于传统的控制方案，去适应上一代工业***。

基于IEC 61131-3的集成方案聚焦于单个PLC，无法在多个设备资源上实现分布式的控制方式。目前的方案强依赖于具体的工艺流程，其控制逻辑上下游间未剥离，在动态配置上不具有灵活性，无法方便地移植和复用，对于***建模以及控制而言，工作量较大。未充分利用资产管理壳和功能块的封装性、灵活性的特点，对控制模型的集成也偏重于底层，缺乏一套从***、设备到功能单元全层级的映射方案。只描述了静态行为，缺少对模型动态行为的集成。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于资产管理壳的分布式控制***管控方法。不仅可针对工业中不同组件建立信息管理模型，还可以集成进可执行性的***级建模控制语言，同时实现对组件的管理与控制。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是设计一种基于IEC61499标准的资产管理壳集成模型，将控制模型融入进管理模型中，完成综合信息、管理和控制的一体化模型，带来统一的表达方式，减少开发工作量；设计具体模型元素间的映射规则，包括静态与动态，保证不同层级间各元素组织、交互的合理性与正确性；以模块化方式设计通用性的映射结构，以尽可能适应不同场景的需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于资产管理壳的分布式控制***管控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、IEC 61499的***模型、设备模型、资源模型、应用模型和功能块模型集成到资产管理壳中，实现从上至下的静态映射；

步骤2、将IEC 61499的管理模型和控制模型融入进资产管理壳模型中。

进一步地，所述***模型与资产管理壳的管理壳网络相对应。

进一步地，所述设备模型与资产管理壳对应。

进一步地，所述资源模型映射资产管理壳的Body(主体)部分。

进一步地，所述应用模型映射资产管理壳模型中的submodel(子模型)网络。

进一步地，所述功能块模型映射资产管理壳中submodel。

进一步地，所述功能块模型包括基础功能块、复合功能块和服务接口功能块。

进一步地，所述管理模型映射资产管理壳中所定义的API。

进一步地，所述功能块模型映射资产管理壳中SubmodelElement(子模型元素)。

进一步地，所述管理模型映射资产管理壳中的Component Manager。

在本发明的较佳实施方式中，本发明涉及一种工业***中控制与管理模型集成的方法，特别是涉及IEC 61499功能块模型与资产管理壳模型的集成融合，旨在完成分布式控制***管理自主管控。

本发明针对已有的资产管理壳的元模型(meta-model)，提出一种基于IEC 61499标准规范的控制集成方式。现有工业***中，对资产管理壳的应用仅停留在信息获取以及状态监控等领域，其作为工业4.0中的基本结构单元，还应当融合进面向下一代的控制方式。如此一来，不仅可针对工业中不同组件建立信息管理模型，还可以集成进可执行性的***级建模控制语言，同时实现对组件的管理与控制。

如图1所示，分别从IEC 61499中的***模型、设备模型、资源模型、应用模型和功能块模型集成到资产管理壳中，实现从上至下的静态映射。IEC 61499中，***模型是多个底层相关联的设备所构成的包含通信、互操作、数据传输等的设备网络，因此与资产管理壳概念中的管理壳网络相对应，实现从工厂或产线子***的角度进行管理。设备模型与资产管理壳对应，资产管理壳本身就是基于设备信息建立信息控制模型，因此自然而然集成设备模型，集成模型中包含了接口、资源和功能模块等必备组件。资源模型提供了保证底层功能块正常执行的基本设施和服务等软硬件资源，在本方法中，其作为容纳底层控制执行模块的容器，被映射至资产管理壳的Body(主体)部分，以支持数据处理、控制和通信等。应用模型为功能块的网络，可以驻留在一个或多个设备中，这类似于资产管理壳模型中的submodel(子模型)网络，可以实现单设备或跨设备中不同submodel间的协作，从软件功能角度进行部署。功能块模型是IEC 61499中最底层也是最重要的概念，是整个标准体系的基础。作为“软件的功能单元”，它以模块化的方式对功能单元做了封装，这与资产管理壳中submodel的概念完全一致，但submodel是针对设备功能进行信息模型的构建与描述，而功能块着眼于具体的逻辑实现，将submodel与功能块相集成可弥补管理壳模型中对控制的不足，使其进一步通用化。功能块分为三种，分别是：基础功能块(Basic Function Block，BFB)、复合功能块(Composite Function Block，CFB)和服务接口功能块(ServiceInterface Function Block，SIFB)，其分别可以映射至submodel中的不同元素间，如图2、图3、图4所示。

除了针对静态行为的集成，本发明还涉及到对于管理和控制模型间组件的动态行为描述。在IEC 61499中，管理模型(management model)被用来动态管理功能块的各个结构，这些管理指令可映射到资产管理壳中所定义的API，如图5所示，将每个具体的管理指令，依据所管理的对象映射到不同的API中，完成对模型的统一调整。在有了动态模型的集成后，可使用动态的API对结构元素进行统一调整管理，完成功能及资源上的重配置。

对于集成模型粒度上的划分，可以将功能块映射至SubmodelElement(子模型元素)而非submodel，在更细的粒度上进行集成。但如此一来，便丢失了submodel中的封装特性，无法与功能块进行同等程度上的配置与管理。

动态模型行为方面，可使用资产管理壳中的Component Manager替代所映射的API，但由于Component Manager并未出现在资产管理壳的元模型中，因此该方案不具有整体一致性，仅停留在概念上，无法体现在具体指令间的映射中。

本发明提供了从***、设备、资源、应用到功能块的全层级的集成映射。将控制模型融入进资产管理壳模型中，使其能以“信息+控制”的方式进行管理。既包含静态模型，也包含动态模型行为。首次提出将资产管理壳模型与IEC 61499结合，之前无相关工作。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

1.新的资产管理壳模型融入了IEC 61499标准规范，完成了管理与控制上的统一表达。同时以模块化的控制方式，更适合于分布式***，能够支持功能单元的复用和移植。

2.通过将submodel与功能块相结合，能充分发挥两者所共有的封装性及灵活性的特点，可简化重配置流程。

3.既包含静态映射模型，也包含动态交互模型，是一套完整的集成方案。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的整体映射模型；

图2是本发明的一个较佳实施例的基础功能块集成模型；

图3是本发明的一个较佳实施例的服务接口功能块集成模型；

图4是本发明的一个较佳实施例的复合功能块集成模型；

图5是本发明的一个较佳实施例的动态管理指令集成；

图6是本发明的一个较佳实施例的资产管理壳元模型；

图7是本发明的一个较佳实施例的SubmodelElement结构组成；

图8是本发明的一个较佳实施例的IEC 61499中的主要模型；

图9是本发明的一个较佳实施例的IEC 61499功能块模型。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

资产管理壳是工业4.0组件中的重要元素，是一种代表了资产或实体的数字化表示，将工业对象包裹在内，当作实体进行管理，形成一个对外开放、对内管理的完整组件，使不同设备变得更加规范和容易管理。使用资产管理壳的概念作为核心元素，可以将不同的资产整合到信息世界中，不同的工程工具可以统一访问管理壳获得需要的信息，比如该资产的结构、产品信息、特性配置、可操作指令以及生产能力等，不再关心底层的具体实现方式，从而解决了接口不一致、标准不统一等问题，允许跨工程领域的协同合作。使用管理壳带来了三方面的优势：可扩展性、统一接口及互操作性。

资产管理壳的元模型(Meta-model)将资产管理壳分为了Header和Body两部分，Header存储着管理壳的管理信息，如设备的Id、资产管理壳的Id、版本、修订等。Body部分由多个子模型(Submodel)组成，子模型是指具有相似信息的聚合，将组件功能方面的特性整合起来，形成一个个具有不同功能的基本单元。一个简化版元模型的架构如图6所示(仅列举了本发明涉及到的元素)，Submodel和SubmodelElement为关键元素。图2、图3、图4中所用到的基本元素大多数为SubmodelElement，因此图7给出了SubmodelElement的基本组成，其中虚点框内的为本发明所主要使用到的模型元素。

IEC 61499是基于IEC 61131-3标准定义的编程语言和模型，代表了分布式工业自动化***的组件解决方案，旨在实现可移植性、可重用性、互操作性和分布式应用程序的程序配置。IEC 61499定义了包括***模型、设备模型、资源模型、应用模型、功能块(FunctionBlock,FB)模型等，所有这些模型允许工程师以图形化的方式开发分布式应用程序。其各个模型间关系如图8所示。

如图9所示，功能块模型是其中最重要的部分，可分为基本功能块(BasicFunction Block，BFB)、复合功能块(Composite Function Block，CFB)和服务接口功能块(Service Interface Function Block，SIFB)，功能块的接口都包含了输入事件、输出事件、输入变量和输出变量，功能块之间通过事件连接和变量连接进行关联。基本功能块内部通过控制执行图(ECC,Execution Control Chart)来封装控制逻辑，控制执行图是一种状态机，每个状态有可调用的函数(Algorithm)，在特定事件发生时完成状态转换。复合功能块内部是由基本功能块、服务接口功能块或其他复合功能块组成的功能块网络。服务接口功能块内部是通过执行服务序列完成特定功能，每个服务序列会调用相关的接口函数。

在资产管理壳模型中，submodel是最低粒度的管理单元，每一个submodel代表了一个功能集合的描述，更侧重于信息级别，它在数字表示和技术功能中起着重要作用；同时，功能块也是IEC 61499控制模型中最基本的功能单元，更侧重于控制逻辑级别。因此，对于将submodel与功能块的集成奠定了整体***架构的基础，在此层级之上的整体运作均是基于此。功能块主要由基础功能块、复合功能块和服务接口功能块组成，因此将这三者集成至资产管理壳模型中，可完成具有通用性的规则映射方案，方便地应用到不同场景中。

基础功能块的集成规则如图2所示，每个框图代表一种模型元素，框图顶部名称中，前者表示IEC 61499元素，后者表示资产管理壳模型元素，如BFB::Submodel表示基础功能块映射到submodel中。每个基础功能块具有外部接口和内部行为两种。对于基础功能块的接口，主要分为数据(Data)和事件(Event)。Data被映射为管理壳模型中的DataElement，其又进一步分为输入数据、输出数据和内部变量，这三种数据类型都被映射为SubmodelElementCollection，属于元素集合。每个数据本身含有Name和Value两种属性，其中内部变量仅用于过程中的临时值而不能被输出。Event可以直接被映射到管理壳模型中的事件元素，它可用来表示触发执行的动作或功能函数。与IEC 61499中的事件不同，本发明的集成模型中为每个事件提供了一个EventMessage的属性值，用来记录事件的发起者、接收者、类型、优先级、时间戳等参数信息。基础功能块的内部行为包括执行算法(algorithm)和ECC(Execution Control Chart)两种，当事件来临时，功能块内部算法被唤醒，用于执行一组函数处理相关的变量和逻辑并可能产生输出。因此，algorithm被映射为SubmodelElementCollection，同样代表了一组元素集合，在这里主要是各个执行调用(Operation)的集合，每个Operation表示一项具体的操作函数。ECC用于桥接基础功能块中的各种状态和状态间的转换，它也被映射为Operation表示。此外，它还拥有ECCState属性以指示当前状态以及ECCAction方法连接到具体的执行函数。

服务接口功能块的集成规则如图3所示，它被用来描述Submodel中具有通用性的功能模块，以服务的形式提供。SIFB作为功能块网络的一部分，在集成模型中，它也是组成Submodel Network的一部分。SIFB的Type属性被映射为Submodel中的Property，属于枚举类型，包含两个值：CoManageType和SelfManageType，前者表示需要与其他SIFB一起共同完成协作服务而后者则表示该SIFB为独立的服务单元。SIFB数据元素的映射关系同BFB中基本一致，不再赘述。在内部行为方面，SIFB存在着ServiceSequence，是由一系列的ServicePrimitive组成，因此在集成模型中将前者映射为SubmodelElementCollection，而后者作为它的元素，被映射到了Operation，表示一种具体的服务操作。

复合功能块定义了一种更复杂的功能块结构，它内部可包含基础功能块、其他较小的复合功能块以及服务接口功能块等，因此其元素实体间可利用上述的元素模型，这里只需要针对各个内部功能块的连接关系进行映射。这些连接关系被统一映射为资产管理壳模型中的Reference，通过使用Reference，可以记录其上下游连接对象的唯一ID，因此能在数据以及事件传输中建立合理连接。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于资产管理壳的分布式控制***管控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、IEC 61499的***模型、设备模型、资源模型、应用模型和功能块模型集成到资产管理壳模型中，实现从上至下的静态映射；

步骤2、将IEC 61499的管理模型和控制模型融入进资产管理壳模型中；

其中，所述***模型与资产管理壳的管理壳网络相对应；

所述设备模型与资产管理壳对应；

所述资源模型映射资产管理壳的Body主体部分；

所述应用模型映射资产管理壳模型中的submodel子模型网络。

2.如权利要求1所述的基于资产管理壳的分布式控制***管控方法，其特征在于，所述功能块模型映射资产管理壳中submodel或SubmodelElement子模型元素。

3.如权利要求1所述的基于资产管理壳的分布式控制***管控方法，其特征在于，所述功能块模型包括基础功能块、复合功能块和服务接口功能块。

4.如权利要求1所述的基于资产管理壳的分布式控制***管控方法，其特征在于，所述管理模型映射资产管理壳中所定义的API或资产管理壳中的Component Manager。

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