EP2248012A1 - Verfahren und system zur einbindung von service-orientierten automatisierungskomponenten einer fertigungsstätte in eine flexible it-unternehmensarchitektur - Google Patents

Verfahren und system zur einbindung von service-orientierten automatisierungskomponenten einer fertigungsstätte in eine flexible it-unternehmensarchitektur

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Publication number
EP2248012A1
EP2248012A1 EP09709959A EP09709959A EP2248012A1 EP 2248012 A1 EP2248012 A1 EP 2248012A1 EP 09709959 A EP09709959 A EP 09709959A EP 09709959 A EP09709959 A EP 09709959A EP 2248012 A1 EP2248012 A1 EP 2248012A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
service
oriented
services
orchestration
oriented automation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09709959A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armando Walter Colombo
Joao Marco Mendes
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Schneider Electric Automation GmbH
Original Assignee
Schneider Electric Automation GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Electric Automation GmbH filed Critical Schneider Electric Automation GmbH
Publication of EP2248012A1 publication Critical patent/EP2248012A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F8/00—Arrangements for software engineering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/50—Network services
    • H04L67/51—Discovery or management thereof, e.g. service location protocol [SLP] or web services

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for orchestrating and integrating services offered by service-oriented automation components from a production level into a higher level such as company level.
  • One approach to solving technical, organizational, and financial constraints is to view a set of production units as a collection of distributed, autonomous, intelligent, and reusable units operating as a set of collaborative entities.
  • Each of these units typically includes hardware mechatronics, control software, and embedded intelligence and is capable of communicating with others.
  • each collaborative unit can initiate actions at any given time and dynamically interact with others to solve both local and global tasks, taking into account that the units are embedded within an infrastructure such as a manufacturing enterprise environment.
  • a partial solution is a mix of stand-alone devices at the manufacturing level that can provide services but can also request services from other levels, such as a decision-making system (DMS), to a manufacturing execution system ( Manufacturing Execution System; MES) as well as an enterprise resource planning (ERP) system.
  • DMS decision-making system
  • MES Manufacturing Execution System
  • ERP enterprise resource planning
  • the present invention is based on the object of providing a method and a system for analyzing the operating behavior of autonomous service-oriented automation and production devices at the production level and their integration into a flexible IT enterprise architecture.
  • the goal is to provide self-initiative control of the equipment at the manufacturing level, as opposed to the typically more service-oriented factory automation systems where devices are merely providers of higher level services such as DMS, MES, and / or ERP.
  • the idea describes orchestration middleware for integrating service-oriented manufacturing automation components into a flexible IT enterprise architecture.
  • the idea focuses on automation and production systems based on distributed, reconfigurable and service-oriented devices and their integration from a higher level manufacturing level (such as enterprise / business / production levels).
  • the resulting middleware infrastructure directs and connects the manufacturing fabric to the higher level using a vectorial function and a device-based layout-based orchestration. All inter- and intra-level interactions are service-oriented.
  • the inventive method is characterized in that the service-oriented automation components are coupled via a higher-level orchestration middleware and that the services offered by the service-oriented automation components use a vector-based function and an orchestration of service-oriented Automation component based layouts are integrated into the higher level.
  • a set of services offered by the service-oriented automation component is mapped into a set of functions / vectors or function vectors.
  • a further preferred procedure provides that an aggregation of services is carried out by assembling the set of functions / vectors or function vectors, with a vector space of the service-oriented automation component formed therefrom containing all possible individual and aggregated services.
  • the orchestration of service-oriented automation components-based layout of the manufacturing facility is configured by composing the vector spaces of the service-oriented automation components, creating restrictions, and creating new sets of aggregated services.
  • vector spaces represent executable processes which are connected to the services and which are called and applied by each higher level having access to them.
  • the orchestration middleware can be coupled with external service-oriented components such as production orchestrators and / or decision-felling systems. Inter-level interactions and intra-level interactions can be service-oriented.
  • a system for orchestrating and integrating services offered by service-oriented automation components of a shop floor from a higher-level manufacturing level is characterized by the service-oriented automation components being distributed via an orchestration middleware using a vectorial function and an orchestration of service -oriented automation components based layouts are coupled.
  • the vectorial function or a set of vector functions from a set of services which is provided by the service provider.
  • oriented automation component is offered, is mapped and that the function vectors to a vector space of the service-oriented automation components to form individual and / or aggregated services are composed.
  • the orchestration middleware is coupled with external service-oriented components such as production orchestrator or decision-felling systems.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an IT enterprise architecture with middleware for orchestrating and integrating services of service-oriented automation components of a production facility
  • Fig. 2 a schematic representation of the aggregation of two services
  • Fig. 3 is a schematic representation of the composition of services by means of vectors.
  • FIG. 1 shows, purely schematically, an orchestration middleware OM, which can also be referred to as production facility orchestration and integrator, for the integration of service-oriented production automation components D1, D2, FC from a production plant level into a higher level such as IT enterprise architecture.
  • Fig. 1 shows the integration between devices Dl, D2, FC of manufacturing FS and the necessary interface OM to the higher levels HL in the form of services S.
  • These services S represent diverse and sufficient functionalities of the manufacturing facility FS, in the higher Level HL and to be integrated, and provide a high level of control and information feedback.
  • Some of the higher level HL features exposed include, but are not limited to: topology information, maintenance, multiple control operations, conflict resolution, and process analysis and monitoring.
  • the approach is based on a bottom-up perspective (of the devices) to adapt the top-down approach from the upper levels HL.
  • the idea uses and extends the concept of service based on adoption and integration from the device level to the enterprise level HL.
  • Each production device Dl, D2, FC integrated mechatronics, communication and control aspects
  • the sequence and connection of services offered by each device follows characteristics and restrictions generated by the hardware (mechatronics), communication, and possible control aspects of the device.
  • the set of services offered by the device can be mapped into a set of functions (vectors) as shown in FIG.
  • the composition of the function s vectors allows the recognition of all possible combinations (aggregation of services), because the vector space of the device contains all possible (allowed) individual and aggregated services.
  • the configuration of a layout implies the composition of devices and of course, formally speaking, composition of their vector spaces, creation of new restrictions and of course a new set of aggregated services.
  • the vector space analysis gives all necessary acceptable specifications about the complete set of services offered by a given configuration.
  • the vector spaces may also represent executable processes associated with the services that are accessible and manageable by each level that has access to it. This determines the integrated behavior of processes that retrieve or control available services. Processes can be distinguished from the automation processes (in the manufacturing plant), integration processes, production processes to the business and enterprise processes.
  • the commissioning of a fixed layout implies that the sequence of services requested respects mechatronics, communications and pricing specifications / features / restrictions such as shared resources, process capacity, competitions, etc. that are explicitly included in the topology of the aggregated service.
  • the orchestration topology for a given automation / production system is now able to interface with external service-oriented components, such as product orchestrators PO and decision making systems (DMS).
  • external service-oriented components such as product orchestrators PO and decision making systems (DMS).
  • the decision-making system DMS may be offered by the orchestration middleware OM services to solve real-time decisions.
  • a defined workflow associated with a product may be able to invoke services (individual or aggregated) offered by the orchestration topology of the manufacturing facility FS, only if the right interface exists, and the orchestrator PO associated with the product recognizes which services are to be found in the orchestration topology of the production facilities.
  • the manufacturing orchestration topology operates as a systems integrator integrating SOA-based manufacturing with other S OA-based components of an enterprise IT architecture (see FIG. 1):
  • control providers + machine providers integrated higher-level manufacturing facilities, such as production management systems (control provider + MES (manufacturing execution system) / ERP (enterprise resource and planning system)).
  • production management systems control provider + MES (manufacturing execution system) / ERP (enterprise resource and planning system)
  • the application example according to FIG. 2 shows how the configuration of the production site is carried out, in the form of an aggregation of services and the resulting orchestration.
  • the two devices, conveyor 1 and conveyor 2 each have 4 dimensional vector spaces, which are mapped in 4 corresponding services.
  • conveyor 1 provides services Sa, Sb, Sl, S2 and conveyor 2 services Sc, Sd, S3 and S4.
  • the services S1, S2, S3 and S4 represent the necessary connection interface which manages the input and output transmission services for each conveyor.
  • the resulting dimension is 7 and consequently the new configuration of the manufacturing facility provides 7 services.
  • a special case is the aggregation of services Sl and S4 into a single service Sl, 4, since these represent a dependent logic: the transfer-out operation of the service Sl needs the transfer-in operation of S4.
  • the new service Sl, 4 and the other non-dependent services are part of the new 7-dimensional vector space.
  • the invention makes it possible to configure flexible production sites in the form of an orchestration method and to specify elements in order to obtain the middling develop leware for transparent integration of manufacturing components (such as devices) specified by their services in an SOA-based IT enterprise architecture.
  • Complementary implementations The approach uses the concepts of service orientation to extend the adaptation and integration from the device level up to the enterprise level. Several advantages can be clearly recognized from this idea. On the one hand, the "inherited" features of service-oriented architectures are merged with traditional configuration approaches for manufacturing and, on the other hand, a new and innovative orchestration approach, formally based on the theory of vector analysis.
  • Orchestration describes the automatic merging, coordination and management of services / services.
  • the orchestration process is performed by a participant (service / service provider / owner) called Orchestrator.
  • Orchestration generally describes an executable manufacturing or business process; Both internal and external services can be orchestrated. The process flow is controlled by a participant.
  • Middleware in English, for example, "interim application” describes application-neutral programs in computer science, which mediate between applications in such a way that the complexity of these applications and their infrastructure is hidden.Medievalware can also be seen as a distribution platform, ie as a protocol (or protocol bundle) In contrast to lower-level network services, which handle simple communication between computers, middleware supports interprocess communication, and middleware connects software components to support the interoperability between the named components.
  • SOA Service Oriented Architecture
  • SOA is a paradigm for structuring and exploiting distributed functionality, which is the responsibility of different service / service owners / participants.
  • SOA is an information technology approach in the area of distributed systems in order to structure and use services and services of manufacturing companies.
  • a set of functions (vectors) or function vectors can be understood as a description of functionalities / capabilities / restrictions of the devices / components and the relationships between said functionalities in the form of linear equations.
  • Each function can also be identified as a basic vector of a vectorial field. In general, the set of base vectors forms a vectorial field. If these functions describe services, then we have a vectorial field of services. As in all vectorial fields: the composition of basic vectors yields new vectors (with the same number of coordinates / dimensions as the field). Since the vectors describe functions, the following figure is given: These complex functions can be the mathematical result of service / service relationships and can be further composed to generate even more complex functions, as shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Orchestration und Integration von von service-orientierten Automatisierungskomponenten einer Fertigungsstätte angebotenen Services aus einem Fertigungslevel in ein höheres Level wie Unternehmens-, Geschäfts- und/oder Produktions-Level. Um flexible Produktionsstatten in Form eines Orchestrationsverfahrens zu konfigurieren und Elemente zu spezifizieren ist vorgesehen, dass die service-orientierten Automatisierungskomponenten über eine Orchestration-Middleware mit dem höheren Level gekoppelt werden und dass die von den service-orientierten Automatisierungskomponenten angebotenen Services unter Verwendung einer vektoriellen Funktion und eines auf Orchestration von service-orientierten Automatisierungskomponenten basierenden Layouts in das höhere Level integriert werden.

Description

Verfahren und System zur Einbindung von service-orientierten Automatisierungskomponenten einer Fertigungsstätte in eine flexible IT-Unternehmensarchitektur
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Orchestrierung und Integration von von service-orientierten Automatisierungskomponenten angebotenen Services aus einer Fertigungsebene in eine höhere Ebene wie Unternehmensebene.
Neue Informationstechnologien haben eine starke Präsenz in einer neuen Generation von Fertigungssystemen. Nach jahrelanger paralleler Entwicklung führen die Wege der Informationssystem- Werkzeuge und der Fertigungssysteme zusammen, um einen Anstoß zu geben, die Integration der vollständigen Geschäftsumgebung zu ermöglichen.
Viele Versuche wurden unternommen, um die Flexibilität, Benutzbarkeit und Integration von holonischen und Multi- Agenten-Systemen und High-Level-Petri-Netzen auf das neue Gebiet der service-orientierten Produktionssysteme zu erweitern (Colombo, A. W.; Schoop, R.; Neubert, R.: "An Agent-based Intelligent Control Platform for Industrial Holonic Manufacturing Systems". IEEE Transaction on Industrial Electronics (IEEE- IES), Vol. 53, Num. 1, Cont. 31, February 2006; Colombo, A. W.: "Industrial Agents: Towards Collaborative Production-Automation, -Management and-Organization". IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, Vol. 52, No. 4, pp. 17-18. December 2005; Colombo, A. W. and Schoop, R.: "Collaborative Industrial Automation: Toward the Integration of a Dynamic Reconfigurable Shop Floor into a Virtual Factory". Chapter XII in "Virtual Enterprise Integration: Technological and Organisational Perspectives (Ed. G. Putnik and M. M. Cunha). Idea Group Publishing, Hershey PA, USA. March 2005). Service-orientierte Architekturen für Automatisierungsgeräte sind beispielsweise in F. Jammes u. a.: "Service-oriented architectures for devices - the SIRENA view", IEEE, INDIN'5, 10-12 August 2005, Seiten 140 bis 147), sowie J. Lastra u, a.: " Semantic web Services in factory automation: fundamental insights and research roadmap", IEEE, Feb. 2006, Vol. 2, Seiten 1 bis 11 beschrieben.
Ein Ansatz zur Lösung technischer, organisatorischer und finanzieller Beschränkungen besteht darin, einen Satz von Produktionseinheiten als Ansammlung von verteilten, autonomen, intelligenten und wieder verwendbaren Einheiten anzusehen, welche als ein Set von kollaborierenden Einheiten arbeiten.
Jede dieser Einheiten umfasst üblicherweise Hardware-Mechatronik, Steuerungssoftware und eingebettete Intelligenz und ist fähig, mit anderen zu kommunizieren.
Ausgehend von einem funktionellen Standpunkt kann jede kollaborative Einheit zu jeder Zeit Aktionen initiieren und dynamisch mit anderen interagieren, um sowohl lokale und globale Aufgaben zu lösen, unter Berücksichtigung, dass die Einheiten innerhalb einer Infrastruktur, wie einer Fertigungs-Unternehmensumgebung einbettet sind.
Ferner wurden Untersuchungen zu Integration von service-orientierten Komponenten aus der Fertigungsebene einer Fabrik in die IT-Unternehmensarchitektur angestellt, um vertikalen Informations- und Steuerungszugriff zu ermöglichen. Eine mögliche Lösung ist, dass diese Komponenten die benötigten Services den oberen Ebenen der Unternehmensstruktur bereitstellen und somit durch diese steuerbar sind. Dieses passt mit dem service-orientierten Paradigma zusammen. Die übliche Master-Slave-Hierarchie aus der „Top/Down-Perspektive" ist jedoch nicht vorteilhaft, wenn über kollaborative und Eigeninitiative ergreifende Geräte gesprochen wird.
Eine Teillösung ist eine Mischung aus autonomen Geräten aus der Fertigungsebene, die Services bereitstellen können, jedoch ebenfalls Services anfragen können, die von anderen Ebenen, wie beispielsweise einem Entscheidungen fällenden System (Decision Ma- king System; DMS) einem Fertigungs-Ausführungs-System (Manufacturing Execution System; MES) sowie einem Unternehmensstruktur-Ressourcen-Planungssystem (Enterprise Ressource Planning; ERP) bereitgestellt werden.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein System zur Analyse des Betriebsverhaltens von autonomen serviceorientierten Automatisierungs- und Produktionsgeräten auf Fertigungsebene bereitzustellen und deren Integration in eine flexible IT-Unternehmensarchitektur.
Das Ziel ist es, eine Eigeninitiative zeigende Steuerung der Geräte auf Fertigungsebene bereitzustellen, im Gegensatz zu den üblicherweise mehr Service- orientierten Fabrik- Automatisierungssystemen, bei denen Geräte lediglich als Bereitsteller für Services für höhere Ebenen wie DMS, MES und/oder ERP sind.
Die Idee beschreibt eine Orchestrierungs-Middleware zur Integration serviceorientierter Fertigungsautomatisierungskomponenten in eine flexible IT- Unternehmensarchitektur. Bezüglich des Sinnzusammenhangs fokussiert die Idee auf Automatisierungs- und Produktionssysteme basierend auf verteilten, rekonfigurierbaren und service-orientierten Geräten und deren Integration aus einer Fertigungsebene in höheren Ebenen (wie z.B. Unternehmens-/Geschäfts-/Produktions-Ebenen). Die resultierende Middleware-Infrastruktur leitet und verbindet die Fertigungs statte zur höheren Ebene unter Verwendung einer vektoriellen Funktion und eines auf Orchestrierung von Geräten basierenden Layouts. Sämtliche Inter- und Intra- Ebenen-Interaktionen sind service-orientiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die service-orientierten Automatisierungskomponenten über eine Orchestrierungs-Middleware mit der höheren Ebene gekoppelt werden und dass die von den service-orientierten Automatisierungskomponenten angebotenen Services unter Verwendung einer vektoriellen Funktion und eines auf Orchestrierung von service-orientierten Automatisierungskomponenten basierenden Layouts in die höhere Ebene integriert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein von der serviceorientierten Automatisierungskomponente angebotenes Set von Services in einen Set von Funktionen/Vektoren bzw. Funktionsvektoren abgebildet wird.
Eine weitere bevorzugte Verfahrensweise sieht vor, dass eine Aggregation von Services durch Zusammensetzen des Sets von Funktionen/Vektoren bzw. Funktionsvektoren erfolgt, wobei ein daraus gebildeter Vektorraum der service-orientierten Automatisierungskomponente alle möglichen individuellen und aggregierten Services enthält.
Vorzugsweise wird das auf Orchestrierung von service-orientierten Automatisierungskomponenten basierende Layout der Fertigungsstätte durch Zusammensetzung der Vektorräume der service-orientierten Automatisierungskomponenten, Erzeugung von Restriktionen sowie Erzeugung neuer Sets von aggregierten Services konfiguriert wird.
Dabei ist vorgesehen, dass die Vektorräume ausführbare Prozesse repräsentieren, welche mit den Services verbunden sind und welche durch jede höhere Ebene, welche Zugang zu diesen haben, aufgerufen und angewendet werden.
Die Orchestrierungs-Middleware kann mit externen service-orientierten Komponenten wie Produktionsorchestratoren und/oder Entscheidungs-Fällenden-Systemen gekoppelt werden. Die Inter-Level-Interaktionen sowie Intra-Level-Interaktionen können serviceorientiert ausgeführt werden.
Ein System zur Orchestrierung und Integration von von service-orientierten Automatisierungskomponenten einer Fertigungs statte angebotenen Services aus einer Fertigungsebene einer höheren Ebene zeichnet sich dadurch aus, dass die service-orientierten Automatisierungskomponenten über eine Orchestrierungs-Middleware unter Verwendung einer vektoriellen Funktion und eines auf Orchestrierung von service-orientierten Automatisierungskomponenten basierenden Layouts gekoppelt sind.
Gemäß eines bevorzugten Systems ist vorgesehen, dass die vektorielle Funktion bzw. ein Set von Vektorfunktionen aus einem Set von Services, welche von der Service- orientierten Automatisierungskomponente offeriert wird, abgebildet ist und dass die Funktionsvektoren zu einem Vektorraum der service-orientierten Automatisierungskomponenten zur Bildung individueller und/oder aggregierter Services zusammengesetzt sind. Die Orchestrierungs-Middleware ist mit externen service-orientierten Komponenten wie Produktions-Orchestrator oder Entscheidungs-Fällenden-Systemen gekoppelt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale 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 von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer IT-Unternehmensarchitektur mit Middleware zur Orchestrierung und Integration von Services von service-orientierten Automatisierungskomponenten einer Fertigungs statte,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Aggregation zweier Services und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Zusammensetzung von Services mittels Vektoren.
Fig. 1 zeigt rein schematisch eine Orchestrierungs-Middleware OM, die auch als Ferti- gungsstätten-Orchestration und Integrator bezeichnet werden kann, zur Integration ser- vice- orientierter Fertigungs-Automatisierungskomponenten Dl, D2, FC aus einer Fertigungsstätten-Ebene in eine höhere Ebene wie beispielsweise IT- Unternehmensarchitektur. Die Fig. 1 zeigt die Integration zwischen Geräten Dl, D2, FC der Fertigungs statte FS und das notwendige Interface OM zu den höheren Ebenen HL in Form von Services S. Diese Services S repräsentieren diverse und ausreichende Funktionalitäten der Fertigungsstätte FS, die in die höhere Ebene HL geleitet und integriert werden sollen, und stellen ein hohes Maß an Steuerung und Informationsfeedback zur Verfügung. Einige der exponierten Merkmale der höheren Ebenen HL umfassen, jedoch nicht limitierend: Topologieinformation, Instandhaltung, mehrere Steuerungsoperationen, Konfliktauflösung und Verfahrensanalyse und Überwachung. Der Ansatz basiert auf einer Bottom- Up-Perspektive (von den Geräten), um den Top-Down- Ansatz von den oberen Ebenen HL anzupassen. Es besteht eine lose-gekoppelte Vererbung, so dass die höheren Ebenen (oft Client-Seite von der Middleware OM) nicht limitiert sind auf eine spezifische Geschäftsaktivität, jedoch zu jeder Abhängigkeit zu den zur Verfügung gestellten Eigenschaften der Middleware. Die Idee verwendet und erweitert das Konzept der Serviceba- siertheit durch die Adoption und Integration von der Geräte-Ebene bis hin zu den Unternehmens-Ebenen HL.
Jedes Produktionsgerät Dl, D2, FC (integrierte Mechatronik, Kommunikation und Steuerungsaspekte) ist ein Orchestrator bzw. eine Prozess-Entwicklung bzw. - Steuerung, der Services offeriert, solche Services, die von dem Gerätehersteller definiert und entwickelt wurden. Die Sequenz und Verbindung von Services, die von jedem Gerät offeriert werden, folgt Eigenschaften und Restriktionen, die von der Hardware (Mechatronik), Kommunikation und möglichen Steuerungsaspekten des Geräts generiert werden. Das Set von Services, welches von dem Gerät offeriert wird, kann in ein Set von Funktionen (Vektoren) abgebildet werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Das Zusammensetzen der Funktion s vektoren erlaubt die Erkennung aller möglichen Kombinationen (Aggregation von Services), da der Vektorraum des Geräts alle möglichen (erlaubten) individuellen und aggregierten Services enthält.
Wenn ein gewünschtes Layout für eine Produktionsstätte konfiguriert wird, ist diese Aktion eine Form von Orchestrierung. Die Konfigurierung eines Layouts impliziert die Zusammensetzung von Geräten und natürlich, formal gesprochen, Zusammensetzung deren Vektorräume, Erzeugung neuer Restriktionen und natürlich eines neuen Sets von aggre gierten Services. Die Analyse des Vektorraums gibt alle notwendigen akzeptablen Spezifikationen über das komplette Set von Services, welches von einer gegebenen Konfiguration offeriert wird. Die Vektorräume können ebenfalls ausführbare Prozesse repräsentieren, welche mit den Services verbunden sind, welche durch jede Ebene, die Zugang zu dieser haben, ansprechbar und handhabbar sind. Somit wird das integrierte Verhalten von Prozessen bestimmt, die verfügbare Services abrufen bzw. ansteuern. Prozesse können von den Automatisierungsprozessen (in der Fertigungsstätte), Integrationsprozesse, Produktionsprozesse zu den Geschäfts- und Unternehmensprozessen abgegrenzt werden.
Nach der Festlegung eines gegebenen Layouts muss ein sehr gut definiertes Set von Services orchestriert bzw. definiert werden. Es ist möglich, hier über Orchestrierung der Topologie der Produktionsstätte zu sprechen.
Die Inbetriebsetzung eines festgelegten Layouts impliziert, dass die Sequenz von aufgerufenen Services Mechatronik, Kommunikation und S teuerungs Spezifikationen / Eigenschaften / Restriktionen wie gemeinsam genutzte Ressourcen, Prozesskapazität, Konkurrenzen etc. respektiert, die explizit in der Topologie des aggregierten Services enthalten sind.
Die Orchestrierungstopologie für ein gegebenes Automatisierungs-/Produktionssystem ist nun imstande mit externen service-orientierten Komponenten gekoppelt zu werden, wie beispielsweise Produkt-Orchestratoren PO und Entscheidungs-Fällenden-Systeme DMS (decision making Systems (DMS)). Beispielswiese können dem Entscheidungs- Fällenden-System DMS von der Orchestrierungs-Middleware OM Services zur Lösung von Echtzeit-Entscheidungen angeboten werden.
Zum Beispiel kann ein definierter Arbeitsablauf, welcher mit einem Produkt verknüpft ist, imstande sein, Services (individuelle oder aggregierte) aufzurufen, welche durch die Orchestrierungstopologie der Fertigungsstätte FS angeboten werden, nur dann, wenn das richtige Interface existiert, und der mit dem Produkt verknüpfte Orchestrator PO erkennt, welche Services in der Orchestrierungstopologie der Fertigungs statten aufzufinden sind.
Ein Hauptresultat dieses Ansatzes ist, dass die Orchestrierungstopologie der Fertigungsstätten als Systemintegrator arbeitet, integrierend SOA-basierende Fertigungs statten mit anderen S OA -basierenden Komponenten einer IT-Unternehmensarchitektur (siehe Fig. 1):
integrierte Service- orientierte Produktionsgeräte (Mechatronik, Steuerung und Kommunikation) (Steuerungsanbieter + Maschinenanbieter) integrierte Fertigungs statte mit höheren Ebenen, wie beispielsweise Produktionsmanagementsystemen (Steuerungsanbieter + MES (Herstellungs- Ausführungs-System)/ERP (Unternehmensressourcen- und Planungssystem)).
Das Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt, wie die Konfiguration der Fertigungsstätte ausgeführt ist, in Form einer Aggregation von Services und die resultierende Orchestra- tion. Die zwei Geräte, Förderer 1 und Förderer 2, haben jeweils 4 dimensionale Vektorräume, die in 4 korrespondierenden Services abgebildet werden. Insbesondere stellt Förderer 1 Services Sa, Sb, Sl, S2 und Förderer 2 Services Sc, Sd, S3 und S4 zur Verfügung. Die Services Sl, S2, S3 und S4 repräsentieren das notwendige Verbindungsinterface, welches die Input- und Outputübertragungs Services für jeden Förderer managt. Gemeinsam, wenn die Förderer in Bezug auf Mechatronik, Kommunikation und Steuerung verbunden und aggregiert sind, ist die resultierende Dimension 7 und konsequenterweise bietet die neue Konfiguration der Fertigungsstätte 7 Services. Ein besonderer Fall ist die Aggregation von Services Sl und S4 in einen einzigen Service Sl, 4, da diese eine abhängige Logik repräsentieren: die Transfer-Out-Operation des Services Sl benötigt die Transfer- In-Operation von S4. Der neue Service Sl, 4 und die anderen nicht abhängigen Services sind Teil des neuen 7 dimensionalen Vektorraums.
Durch die Erfindung wird ermöglicht, flexible Produktionsstätten in Form eines Orchestrierungsverfahrens zu konfigurieren und Elemente zu spezifizieren, um die Midd- leware für eine transparente Integration von Fertigungsstätten-Komponenten (wie Geräte), welche durch ihre Services in einer SOA-basierten IT-Unternehmensarchitektur spezifiziert sind, zu entwickeln.
Komplementäre Ausführungen: Der Ansatz verwendet die Konzepte der Service- Orientierung zur Erweiterung der Adaption und Integration von der Geräteebene hinauf zu der Unternehmens-Ebene. Mehrere Vorteile können aus dieser Idee klar erkannt werden. Einerseits werden die „geerbten" Merkmale von service-orientierten Architekturen mit traditionellen Konfigurationsansätzen für Fertigungs statten fusioniert und andererseits ein neuer und innovativer Orchestrationsansatz, der formal auf der Theorie der Vektoranalyse basiert.
Anfängliche Zusammenfassung von Vorteilen:
Orchestration und Integration von Middleware, die high-level, feature-full und methodologisch unabhängige Steuerung, transparente Ansicht, Zugang und Management auf Produktionsstätten-Ebene bereitstellt;
Wiederverwendung von service-orientierten Konzepten in allen Ebenen, Bereitstellung einer Integrationsarchitektur;
Vorteile für das Management, speziell der vereinigte Zugriff auf die Fertigungsstätte;
Rekonfiguration in der Fertigungs statte erfordert nicht die entsprechende Konfiguration in den höheren Levels (und umgekehrt); Wiederverwendbarkeit von Services für jeden Zweck;
Kollisionsmanagement der Bottom-up- und Top-down-Ansichten durch die Middleware;
Benutzung von mathematischen Methoden und Grundlagen (wie z.B. Lineare Algebra und Funktional Analyse) für die Spezifizierung, Analyse, Validierung und Unterstützung des Echtzeit- Verhaltens der mit Petri-Netzen modellierten Systeme.
Im obigen Text werden folgende Begriffe wie folgt verwendet: Orchestrierung beschreibt die automatische Zusammenführung, die Koordinierung und das Management von Services / Diensten. Der Orchestrierungsprozess wird durch einen Teilnehmer (Service/Dienste Anbieter/Besitzer) durchgeführt, der Orchestrator genannt wird.
Orchestrierung (engl. Orchestration) beschreibt allgemein einen ausführbaren Ferti- gungs- oder Geschäftsprozess; dabei können sowohl unternehmensinterne als auch unternehmensexterne Dienste orchestriert werden. Der Prozessfluss wird durch einen Teilnehmer kontrolliert.
Middleware (deutsch etwa „Zwischenanwendung") bezeichnet in der Informatik anwendungsneutrale Programme, die so zwischen Anwendungen vermitteln, dass die Komplexität dieser Anwendungen und ihrer Infrastruktur verborgen wird. Middleware kann auch als eine Verteilungsplattform angesehen werden, d. h. als ein Protokoll (oder Protokollbündel) auf einer höheren Ebene als der der gewöhnlichen Rechnerkommunikation. Im Gegensatz zu niveautieferen Netzwerkdiensten, welche die einfache Kommunikation zwischen Rechnern handhaben, unterstützt Middleware die Kommunikation zwischen Prozessen. Middleware verbindet Software-Komponenten, so dass dadurch die InterOperabilität zwischen die genannten Komponenten unterstützt wird.
Service-orientierte Architektur (SOA): SOA ist ein Paradigma für die Strukturierung und Nutzung verteilter Funktionalität, die von unterschiedlichen Service/Dienste- Besitzern/-Teilnehmer verantwortet wird. SOA ist ein Ansatz der Informationstechnik aus dem Bereich der verteilten Systeme, um Dienste bzw. Services von Fertigung s geraten zu strukturieren und zu nutzen.
Ein Set von Funktionen (Vektoren) bzw. Funktion svektoren kann verstanden werden als eine Beschreibung von Funktionalitäten/Fähigkeiten/Restriktionen der Geräte/Komponenten und die Beziehungen zwischen den genannten Funktionalitäten in Form von linearen Gleichungen. Jede Funktion kann auch als ein Grund- Vektor eines vektorialen Feldes identifiziert werden. Im allgemeinen bildet die Menge der Grundvektoren einen Vektorial-Feld. Wenn diese Funktionen Services/Dienste beschreiben, dann haben wir ein Vektorial-Feld von Services. Wie in allen vektorialen Feldern: die Komposition von Grundvektoren ergibt neue Vektoren (mit derselben Anzahl von Koordinaten/Dimensionen wie das Feld). Da die Vektoren Funktionen beschreiben, ergibt sich folgende Abbildung: Diese komplexe Funktionen können das mathematische Ergebnis von Services/Dienste-Beziehungen sein und können weiter komponiert werden, um noch komplexere Funktionen zu generieren, wie in Fig. 3 dargestellt.

Claims

PatentansprücheVerfahren und System zur Einbindung von service-orientierten Automatisierungskomponenten einer Fertigungsstätte in eine flexible IT-Unternehmensarchitektur
1. Verfahren zur Orchestrierung und Integration von von service-orientierten Automatisierungskomponenten einer Fertigungs statte angebotenen Services aus einer Fertigungsebene in eine höhere Ebene wie Unternehmens-, Geschäfts- und/oder Produktions-Ebene, wobei die service-orientierten Automatisierungskomponenten über eine Orchestrierungs-Middleware mit der höheren Ebene gekoppelt werden und dass die von den service-orientierten Automatisierungskomponenten angebotenen Services unter Verwendung einer vektoriellen Funktion und eines auf Orchestrierung von service-orientierten Automatisierungskomponenten basierenden Layouts in die höhere Ebene integriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der service-orientierten Automatisierungskomponente angebotenes Set von Services in einen Set von Funktionen/Vektoren bzw. Funktionsvektoren abgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aggregation von Services durch Zusammensetzen des Sets von Funktionen/Vektoren bzw. Funktionsvektoren erfolgt, wobei ein daraus gebildeter Vektorraum der service-orientierten Automatisierungskomponente alle möglichen individuellen und aggregierten Services enthält.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Orchestration von service-orientierten Automatisierungskomponenten basierende Layout der Fertigungs statte durch Zusammensetzung der Vektorräume der service-orientierten Automatisierungskomponenten, Erzeugung von Restriktionen sowie Erzeugung neuer Sets von aggregierten Services konfiguriert wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektorräume ausführbare Prozesse repräsentieren, welche mit den Services verbunden sind und welche durch jede höhere Ebene, welche Zugang zu diesen haben, aufgerufen und angewendet werden.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Orchestrierungs-Middleware mit externen service-orientierten Komponenten wie Produktions-Orchestratoren und/oder Entscheidungs-Fällenden- Sy stemen gekoppelt wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Inter-Level-Interaktionen sowie Intra-Level-Interaktionen service-orientiert ausgeführt werden.
8. System zur Orchestrierung und Integration von von service-orientierten Automatisierungskomponenten (Dl, D2, FC) einer Fertigungs statte (FS) angebotenen Services (S) aus einer Fertigungsebene (FL) in eine höhere Ebene (HL) wie Unternehmens-, Geschäfts- und/oder Produktions-Ebene, dadurch gekennzeichnet, dass die service-orientierten Automatisierungskomponenten (Dl, D2, FC) über eine Orchestrierungs-Middleware (OM) unter Verwendung einer vektoriellen Funktion und eines auf Orchestrierung von service-orientierten Automatisierungskomponenten basierenden Layouts gekoppelt sind.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vektorielle Funktion bzw. ein Set von Vektorfunktionen aus einem Set von Services (S), welche von der service-orientierten Automatisierungskomponente (Dl, D2, FC) offeriert wird, abgebildet ist und dass die Funktionsvektoren zu einem Vektorraum der service-orientierten Automatisierungskomponenten (Dl, D2, FC) zur Bildung individueller und/oder aggregierter Services (S) zusammengesetzt sind.
10. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Orchestrierung-Middleware (OM) mit externen service-orientierten Komponenten wie Produktions-Orchestrator (PO) und/oder Entscheidungs- Fällenden-Systeme (DMS) gekoppelt ist.
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