WO2008090216A1 - Automatisierungssystem mit implementierter engineering-umgebung - Google Patents

Automatisierungssystem mit implementierter engineering-umgebung Download PDF

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WO2008090216A1
WO2008090216A1 PCT/EP2008/050885 EP2008050885W WO2008090216A1 WO 2008090216 A1 WO2008090216 A1 WO 2008090216A1 EP 2008050885 W EP2008050885 W EP 2008050885W WO 2008090216 A1 WO2008090216 A1 WO 2008090216A1
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WO
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components
service
virtual
automation system
oriented
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PCT/EP2008/050885
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English (en)
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Inventor
Armando Walter Colombo
Axel Bepperling
Daniel Cachapa
Rui Milagaia
Original Assignee
Schneider Electric Automation Gmbh
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Publication date
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Priority to US12/524,376 priority patent/US20100049336A1/en
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B15/00—Systems controlled by a computer
    • G05B15/02—Systems controlled by a computer electric
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
    • 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
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/02—Protocols based on web technology, e.g. hypertext transfer protocol [HTTP]
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/31—From computer integrated manufacturing till monitoring
    • G05B2219/31196—SOAP, describes available services and how to call them remotely

Definitions

  • the invention relates to an automation system with service-oriented architecture and decentralized, distributed components and / or devices in a flexible and reconfigurable production environment, with at least one host computer, which via a data transmission means such as Ethernet with the service-oriented components and / or devices and an engineering tool for, in particular, holistically supporting the lifecycle of service-oriented architectures of distributed, distributed components and / or devices in flexible and reconfigurable production environments.
  • a data transmission means such as Ethernet
  • SOA Service-Oriented Architecture
  • the invention is based on the object to further develop a system of the type mentioned in that allows the creation of service-oriented systems of devices whose execution in a virtual network and their synchronization with real, physically existential components.
  • the object is fiction, u. a. is achieved by implementing in the at least one host computer a virtual simulation-based engineering environment with a virtual service-oriented communication platform for exchanging messages and interactions based on web services between virtual models of components and / or real components.
  • the virtual components implemented in the host computer are preferably addressable and autonomous as service instances in the virtual network.
  • a preferred embodiment is characterized in that the virtual service instances from outside the virtual network are visible and addressable and that this is realized by assigning a physical endpoint address.
  • Another preferred embodiment is characterized in that the virtual service-oriented communication platform is realized by the standard network and process function of the operating system of the host computer.
  • the service-based components are implemented on the same host machine in separate processes or threads and have their own endpoint addresses.
  • communication between host-internal services as well as between host-internal services and external services of a component is transparent.
  • both real components and virtual components are described by a mechatronic module, a control module and a communication module
  • the mechatronic module having visual and physical properties is represented by machine and electronic parts
  • the control module maps control logic of the components
  • the communication module is realized in the form of a web service.
  • a particular embodiment is characterized in that service-oriented systems of components can be executed on the virtual simulation-based engineering platform.
  • the subject of this invention is further a modular virtual engineering tool for, in particular, holistically supporting the life cycle of service-oriented architectures of distributed, distributed components and / or devices in flexible and reconfigurable production environments using an integrated, simulation-based engineering platform ,
  • the component functionality is available as a service to other components in a network, based on web service technology.
  • component is a mechatronic element of automation and process automation technology, which consists of a mechanical, sensory component, which consists of control functionality and has the ability to communicate.It is in principle able to independently realize their elementary functions Communication and integrated control, the functionality can be published as a web service for other networked components called "life cycle", all phases of a component and the production plant, which can be traversed referred to. These include development, programming, compilation, commissioning, monitoring, runtime diagnostics, simulation, reconfiguration, recycling and much more. This enables the 2D / 3D simulation-based design of component architectures. According to its own inventive feature, the engineering environment allows the creation of service-oriented systems of devices, their execution in a virtual network and their synchronization with real, physically existing components, for example, to allow supervision.
  • FIG. 1 shows a system architecture of an automation system comprising a host computer with implemented engineering environment and virtual SO communication platform, which is connected via Ethernet with real components,
  • FIG. 3 shows a structure of the virtual service-oriented communication platform in an automation system according to FIG. 1, FIG.
  • Fig. 5 shows an application example "diagnosis at runtime" integrated in a single environment or in physically separate environments and
  • Fig. 6 shows an application example "test and supervision" integrated in a single environment or physically separate environments.
  • Fig. 1 shows a system architecture of an automation system AS, which is constructed in a service-oriented architecture.
  • the automation system AS comprises at least one host computer HR and distributed components and / or devices PDL ... PDN in a flexible and reconfigurable production environment, which are connected to each other and to the host computer HR via a communication means KM such as Ethernet.
  • a communication means KM such as Ethernet.
  • an engineering environment EU is implemented, which provides an integrated, virtual service-oriented communication platform KP.
  • virtual components VD1... VDN are implemented, which exchange messages and interactions via the virtual service-oriented communication platform KP.
  • the virtual components VD1... VDN essentially have the same structure as the real components PD1... PDN.
  • the nature of the virtual and real components VD, PD are considered as a unit of the following modules.
  • a component VD, PD consists of the mechanical, mechanical and electronic parts, whose visual and physical properties are represented sufficiently virtually (graphic model, moving parts). Based on the granularity of the system, a component VD, PD such as a sensor / actuator, a machine or a subsystem can be.
  • the engineering tool EU can be used for small mechatronic components VD, PD as well as for aggregated components or complex mechatronic structures.
  • not essential processes, such as moving machine parts may be represented by separate logic, which simulate, for example, the time or collision behavior of the real component in the virtual model.
  • Communication module WS
  • the device functionality described under control is made available exclusively via service interfaces for other network nodes as so-called service WS.
  • the infrastructure is based on SOAP-based web service technology.
  • the use of a device function in a higher context must therefore take place via the service interface.
  • there are different approaches for establishing / coordinating a production process with services eg. Eg business process engine with central coordination, or distributed, event-based coordination. These types of coordination are known from orchestration and choreography. These approaches can also be used in the intelligent agent system for control and communication.
  • the aim of the engineering tool EU is to deliver the integrated virtual service-oriented communication platform KP, which apart from the modeling of components VD, PD (including 2D / 3D modeling, service modeling, control development) also their simulation and maintenance in the virtual environment EU, KP allows.
  • Engineering Environment EU is a generic term for a toolkit that allows the graphical modeling of components and aggregates VD, PD and the development of control logic.
  • the code is developed offline, emulated and loaded in compiled form on the end platform and executed.
  • FIG. 2 of a simulation-based engineering platform KP extends the engineering environment EU with simulation functionality, which allows the simulation of the modeled system in purely virtual or heterogeneous production environments with real hardware.
  • the device and component functions are encapsulated as services WS, so that a further abstraction layer or infrastructure in the form of the session / presentation layer SPL shown in FIG. 3, transport / network layer TNL and data link / phys.
  • Layer DPL is necessary, which is the exchange of messages and interactions Basis of Web Services - also referred to as a service-oriented communication platform KP.
  • the virtual service-oriented communication platform KP is characterized in that no physical network is necessary for the realization of a system of services and nevertheless all functions of the real platform are present.
  • the service instances are addressable as unique service endpoints in the virtual network (transport address) and act autonomously, ie uninfluenced by the coexistence of other services.
  • the virtual service entities SI must also be visible and addressable outside the virtual network.
  • the virtual service-oriented communication platform KP can already be achieved by the standard network and process functions of the host operating system, if, for example, the service-based components VD1, VD2 are started on the same host computer HR in separate processes (threads) and with their own Endpoint address are available, as shown in Fig. 3.
  • the communication between services is transparent, whether between host-internal services or between host-internal service and external service of a component.
  • the virtual components VD1... VDN can communicate with exactly the same mechanisms as the real components PD1... PDN.
  • the engineering environment EU offers the ability to both map and develop the real components PD1... PDN as virtual components VD1... VDN with the above-mentioned properties of mechatronics, control, communication.
  • the aspect of reusability of components VD, PD is very much in the foreground in the service-oriented or component-based development of systems.
  • One use case is the creation or extension of reusable component libraries.
  • a component VD, PD can be either a composite of other components / services, or an atomic component consisting of control logic and mechatronics.
  • the EU engineering environment allows the development of the physical behavior (kinematics) of the geometry (3D model), the service functions, the service interfaces and the actuator / sensor connection.
  • the service logic must work in the real and virtual environment. That is, the logic necessary for driving the IO and physical behavior emulation must be strictly separated from the service implementation and interfaced to real and virtual services.
  • the engineering platform EU offers the ability to connect the virtual communication platform KP to the production system network via a host Ethernet interface NI, so that transparent data exchange between the engineering system and real components PD1... PDN, as well as between virtual and real components is possible ,
  • VD1 shows the structure of a simulation and analysis of virtual components VD1... VDn.
  • the virtual components VDx and their practical interaction can be tested completely separately from the outside world in the EU virtual environment.
  • the process of the application and the status of the components are visualized and analyzed in the engineering tool.
  • the virtual component VD1, VD2 can also run on physically separate computers.
  • FIG. 5 shows the structure of a diagnosis at runtime.
  • reality is modeled as either 1: 1 or only partially limited to a subset. That is, for each real component PD1 ... PDN for which diagnostic information is to be displayed, a corresponding counterpart as virtual component VDl ... VDN must be present.
  • the application now runs on real components which send status information / commands to the engineering environment via a diagnostic service interface. There, the information is prepared and suitably displayed in the model (movement, alarm, messages).
  • Fig. 6 shows a test and supervision structure.
  • the control is perceived by the virtual components VD1 ... VDN.
  • the difference now is not to send the service request (only) to a virtual component VD2, but to the corresponding real component PD2, which executes the service operation and to synchronize the associated virtual component VD2 via the diagnostic interface.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Automatisierungssystem mit Service-orientierter Architektur und dezentralen, verteilten Komponenten und/oder Geräten in flexibler und rekonfigurierbarer Produktionsumgebung, mit zumindest einem Host-Rechner, welcher über ein Datenübertragungsmittel wie Ethernet mit den Service-orientierten Komponenten und/oder Geräten verbunden ist. Zur Erstellung von Service-orientierten Systemen von Geräten/Komponenten, deren Ausführung in einem virtuellen Netzwerk und deren Synchronisation mit realen, physikalisch existierenden Komponenten, ist vorgesehen, dass in dem zumindest einen Host-Rechner eine virtuelle simulationsbasierte Engineering-Umgebung mit virtueller Service-orientierter Kommunikationsplattform zum Austausch von Nachrichten und Interaktionen auf der Basis von Web-Services zwischen virtuellen Modellen von Komponenten und/oder Geräten deren Funktionalität als Services verfügbar ist.

Description

Automatisierungssystem mit implementierter Engineering-Umgebung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Automatisierungssystem mit Service-orientierter Architektur und dezentralen, verteilten Komponenten und/oder Geräten in flexibler und rekonfigurierbarer Produktionsumgebung, mit zumindest einem Host-Rechner, welcher über ein Datenübertragungsmittel wie Ethernet mit den Service-orientierten Komponenten und/oder Geräten verbunden ist, sowie auf ein Engineering-Werkzeug bzw. System für insbesondere die ganzheitliche Unterstützung des Lebenszyklus von Serviceorientierten Architekturen von dezentralen, verteilten Komponenten und/oder Geräten in flexiblen und rekonfigurierbaren Produktionsumgebungen.
In der Vergangenheit bis heute herrschen zentrale / hierarchische Steuerungen mit eher monolithischen Programmiertechniken vor, d. h. die komplette Steuerungslogik läuft auf wenigen rechenstarken SPS Geräten, welche, meist über Feldbusse, Prozessdaten mit Sensoren und Aktuatoren zyklisch austauschen.
Heutzutage sind verschiedene Trends zu beobachten:
-> Wachsende Rechenleistung und Ethernet werden mehr und mehr auch auf kleinsten Geräten verfügbar.
-> Service-Orientierte Architektur (SOA), beispielsweise auf Basis von Webservice- Technologie erhält erstmals Einzug in die Automatisierungswelt und wird bereits als Kommunikations- bzw. Steuerungsplattform verwendet.
-> Heutzutage wird der Lebenszyklus einer Produktionsanlage ganzheitlicher betrachtet und bei der Planung berücksichtigt.
-> Für die Entwicklung von Services, für die Verknüpfung von Servicekomponenten und für die Modellierung und Entwicklung von Applikationen und Prozessabläufen existieren bereits Werkzeuge.
-> Simulations- bzw. Emulationswerkzeuge sind für Steuerungslogikeinheiten verfügbar (nicht jedoch für verteilte Applikationslogiken). Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein System der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Erstellung von Service-orientierten Systemen von Geräten, deren Ausführung in einem virtuellen Netzwerk und deren Synchronisation mit realen, physikalisch existentiellen Komponenten erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungs gemäß u. a. dadurch gelöst, dass in dem zumindest einen Host-Rechner eine virtuelle simulationsbasierte Engineering-Umgebung mit virtueller Service-orientierter Kommunikationsplattform zum Austausch von Nachrichten und Interaktionen auf der Basis von Web-Services zwischen virtuellen Modellen von Komponenten und/oder realen Komponenten implementiert ist.
Vorzugsweise sind die in dem Host-Rechner implementierten virtuellen Komponenten als Service-Instanzen im virtuellen Netz adressierbar und autonom.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die virtuellen Service-Instanzen von außerhalb des virtuellen Netzes sichtbar und adressierbar sind und dass dies durch Vergabe einer physikalischen Endpunktadresse realisiert ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die virtuelle Service-orientierte Kommunikationsplattform durch die standardmäßige Netzwerk- und Prozessfunktion des Betriebssystems des Host-Rechners realisiert ist.
Vorzugsweise sind die Service-basierten Komponenten auf demselben Host-Rechner in separaten Prozessen bzw. Threads implementiert und verfügen über eigene Endpunktadressen.
Vorzugsweise ist die Kommunikation zwischen Host-internen Services als auch zwischen Host-internen Services und externen Services einer Komponente transparent durchführbar.
Bevorzugt werden sowohl reale Komponenten als auch virtuelle Komponenten durch ein Mechatronik-Modul, ein Steuerungs-Modul sowie eine Kommunikations-Modul beschrieben, wobei das Mechatronik-Modul visuelle und physikalische Eigenschaften von maschinellen und elektronischen Anteilen abbildet, das Steuerungs-Modul Steuerungslogik der Komponenten abbildet und das Kommunikations-Modul in Form eines Web-Services realisiert ist.
Ferner ist vorgesehen, dass reale und virtuelle Komponenten die gleiche Kommunikationsplattform (Protokoll-Stack) aufweisen.
Eine besondere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass Service-orientierte Systeme von Komponenten auf der virtuellen Simulations-basierten Engineering- Plattform ausführbar sind.
Gegenstand dieser Erfindung ist ferner ein modulares virtuelles Engineering- Werkzeug bzw. System für insbesondere die ganzheitliche Unterstützung des Lebenszyklus von Service-Orientierten Architekturen von dezentralen, verteilten Komponenten und/oder Geräten in flexiblen und rekonfigurierbaren Produktionsumgebungen mit Hilfe einer integrierten, simulations-basierten Engineering Plattform. Die Komponentenfunktionalität ist als Service für andere Komponenten in einem Netzwerk verfügbar, auf der Basis von Web-Service Technologie.
Dabei wird mit „Komponente" ein mechatronisches Element der Automatisierungs- und Prozessautomatisierungstechnik bezeichnet, welches aus einem mechanischen, sensorischen Anteil besteht, welches aus Kontrollfunktionalität besteht und die Fähigkeit der Kommunikation besitzt. Sie ist prinzipiell in der Lage selbständig ihre elementaren Funktionen zu realisieren. Durch Kommunikation und integrierte Steuerung kann die Funktionalität als Webservice für andere vernetzte Komponenten veröffentlicht werden. Mit der Bezeichnung „Lebenszyklus" werden alle Phasen einer Komponente und der Produktionsanlage, welche durchlaufen werden können, bezeichnet. Dies sind beispielsweise Entwicklung, Programmierung, Zusammenstellung, Inbetriebnahme, Überwachung, Laufzeitdiagnose, Simulation, Rekonfigurierung, Wiederverwertung und vieles mehr. Dadurch ist das 2D/3D-simulationbasierte Design von Komponentenarchitekturen möglich. Nach einem eigenerfinderischen Merkmal erlaubt die Engineeringumgebung die Erstellung von Service-Orientierten Systemen von Geräten, deren Ausführung in einem virtuellen Netzwerk und deren Synchronisation mit realen, physikalisch existierenden Komponenten, um beispielsweise Supervision zu erlauben.
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 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels .
Es zeigen:
Fig. 1 eine Systemarchitektur eines Automationssystems umfassend einen Host- Rechner mit implementierter Engineering-Umgebung und virtueller SO- Kommunikationsplattform, welche über Ethernet mit realen Komponenten verbunden ist,
Fig. 2 eine Struktur der Engineering-Plattform,
Fig. 3 eine Struktur der virtuellen Service-orientierten Kommunikationsplattform in einem Automatisierungs System gemäß Fig. 1,
Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel „Simulation und Analyse" integriert in einer einzigen Umgebung oder auf physikalisch getrennten Umgebungen (Rechnern),
Fig. 5 ein Anwendungsbeispiel „Diagnose zur Laufzeit" integriert in einer einzigen Umgebung oder auf physikalisch getrennten Umgebungen und
Fig. 6 ein Anwendungsbeispiel „Test und Supervision" integriert in einer einzigen Umgebung oder physikalisch getrennten Umgebungen. Fig. 1 zeigt eine Systemarchitektur eines Automatisierungssystems AS, welches in Service- orientierte Architektur aufgebaut ist. Das Automatisierungs System AS umfasst zumindest einen Host-Rechner HR sowie verteilte Komponenten und/oder Geräte PDl ... PDN in einer flexiblen und rekonfigurierbaren Produktionsumgebung, die über ein Kommunikationsmittel KM wie Ethernet untereinander und mit dem Host-Rechner HR verbunden sind. In dem Host-Rechner HR ist eine Engineering-Umgebung EU implementiert, welche eine integrierte, virtuelle Service-orientierte Kommunikationsplattform KP bereitstellt. Ferner sind virtuelle Komponenten VDl ... VDN implementiert, welche über die virtuelle Service-orientierte Kommunikationsplattform KP Nachrichten und Interaktionen austauscht.
Die virtuellen Komponenten VDl ... VDN weisen im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf wie die realen Komponenten PDl ... PDN. Die Beschaffenheit der virtuellen und realen Komponenten VD, PD werden als Einheit aus folgenden Modulen betrachtet.
Mechatronik-Modul MM:
Eine Komponente VD, PD besteht aus den maschinellen, mechanischen und elektronischen Anteilen, deren visuelle und physikalische Eigenschaften hinreichend virtuell abgebildet werden (Grafisches Model, bewegliche Teile). Ausgehend von der Granula- rität der Anlage kann eine Komponente VD, PD wie zum Beispiel ein Sensor /Aktor, eine Maschine oder eine Teilanlage sein.
Steuerungs-Modul SM:
Die Komponente VD, PD besitzt die notwendigen Rechenressourcen (Kapazitäten), um die Funktionalität autark zu realisieren und kann unterschiedliche Granularität besitzen (z. B. Sensor/Aktor -> Machine -> Machine+intelligente Steuerung = PhysicalAgent). Das heißt, das Engineering-Werkzeug EU kann für kleine mechatronische Komponenten VD, PD als auch für aggregierte Komponenten bzw. komplexe mechatronische Strukturen verwendet werden. Für die Applikationslogik nicht wesentliche Abläufe, wie sich bewegende Maschinenteile dürfen durch separate Logik abgebildet werden, welche zum Beispiel das Zeit- oder Kollisionsverhalten der realen Komponente im virtuellen Modell simulieren. Kommunikations-Modul WS:
Die unter Steuerung beschriebene Gerätefunktionalität wird ausschließlich über Serviceschnittstellen für andere Netzwerkknoten als sogenannter Service WS verfügbar gemacht. Als Infrastruktur wird Webservice Technologie auf SOAP-Basis zu Grunde gelegt. Die Nutzung einer Gerätefunktion in einem höheren Kontext muss demnach über die Serviceschnittstelle erfolgen. Derzeit gibt es unterschiedliche Ansätze zur Etablierung / Koordinierung eines Produktionsablaufes mit Services, z. B. Business Process- Engine mit zentraler Koordination, oder verteilte, ereignis-basierte Koordination. Diese Arten von Koordination sind bekannt aus Orchestration und Choreography. Diese Ansätze können auch im Bereich Intelligenter Agentensystem für Kontrolle und Kommunikation eingesetzt werden.
Ziel des Engineering- Werkzeugs EU ist es, die integrierte virtuelle Service-orientierte Kommunikationsplattform KP zu liefern, welche neben der Modellierung von Komponenten VD, PD (inklusive 2D/3D-Modellierung, Service-Modellierung, Steuerungsentwicklung) auch deren Simulation und Maintenance in der virtuellen Umgebung EU, KP ermöglicht.
Engineering-Umgebung EU ist allgemeiner Begriff für einen Werkzeugsatz, welcher die grafische Modellierung von Komponenten und Aggregaten VD, PD sowie die Entwicklung von Steuerungslogik erlaubt. Der Programmcode wird offline entwickelt, emuliert und in kompilierter Form auf die Endplattform geladen und ausgeführt.
Die in Fig. 2 dargestellte Struktur einer simulationsbasierten Engineering-Plattform KP erweitert die Engineering-Umgebung EU mit Simulationsfunktionalität, welches die Simulation des modellierten Systems in rein virtuellen oder heterogenen Produktionsumgebungen mit realer Hardware erlaubt.
Die Geräte- und Komponentenfunktionen sind als Services WS gekapselt, so dass eine weitere Abstraktionsschicht bzw. Infrastruktur in Form von in Fig. 3 dargestellten Session / Präsentation Layer SPL, Transport/Network Layer TNL sowie Datalink /phys. Layer DPL notwendig ist, welche den Austausch von Nachrichten und Interaktionen auf Basis von Web-Services ermöglicht - auch bezeichnet als Service-orientierte Kommunikationsplattform KP. Die virtuelle Service-orientierte Kommunikationsplattform KP ist dadurch gekennzeichnet, dass kein physikalisches Netzwerk für die Realisierung eines Systems von Services notwendig ist und trotzdem alle Funktionen der realen Plattform vorhanden sind. Die Service-Instanzen sind als eindeutige Service-Endpunkte im virtuellen Netzwerk adressierbar (Transportadresse) und agieren autonom, d. h. unbe- einflusst durch Koexistenz anderer Services. Darüber hinaus müssen die virtuellen Service-Instanzen SI auch außerhalb des virtuellen Netzes sichtbar und adressierbar sein.
Die virtuelle Service-orientierte Kommunikationsplattform KP kann schon durch die standardmäßigen Netzwerk- und Prozessfunktionen des Host-Betriebssystems zustande kommen, wenn beispielsweise die Service-basierten Komponenten VDl, VD2 auf demselben Host-Rechner HR in separaten Prozessen (Threads) gestartet werden und mit eigener Endpunktadresse verfügbar sind, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Kommunikation zwischen Services geschieht transparent, ob zwischen hostinternen Services oder zwischen hostinternem Service und externem Service einer Komponente.
Durch die Bereitstellung der in das Werkzeug (Engineering-Umgebung) EU integrierten, virtuellen Kommunikationsplattform KP wird erreicht, dass die virtuellen Komponenten VDl ... VDN mit exakt den gleichen Mechanismen kommunizieren können wie die realen Komponenten PDl ... PDN.
Der Unterschied, ob ein Service in einer realen oder virtuellen Umgebung ist wird minimal, wenn beide Umgebungen eine Kommunikationsplattform (Protokollstack) anbieten, welche die gleichen Schnittstellen hat und die Optimierungen für die jeweilige Laufzeitumgebung verbirgt. Idealerweise kann ein und dieselbe Service-Komponente unverändert in einer realen Komponente oder in einem Container in einer virtuellen Umgebung laufen und kommunizieren.
Die Engineering-Umgebung EU bietet die Fähigkeit, die realen Komponenten PDl ... PDN als virtuelle Komponenten VDl ... VDN mit den oberen genannten Eigenschaften Mechatronik, Steuerung, Kommunikation sowohl abzubilden als auch zu entwickeln. Der Aspekt der Wiederverwendbarkeit von Komponenten VD, PD steht stark im Vordergrund bei der Service-orientierten bzw. komponenten-basierten Entwicklung von Systemen. Ein Anwendungsfall ist die Erstellung bzw. Erweiterung von wieder verwendbaren Komponentenbibliotheken. Eine Komponente VD, PD kann entweder eine Komposition aus anderen Komponenten /Services sein, oder aber eine atomare Komponente, welche aus Steuerungslogik und Mechatronik besteht. Für solche atomare Komponenten erlaubt die Engineering-Umgebung EU die Entwicklung des physikalischen Verhaltens (Kinematik) der Geometrie (3D Modell), der Service-Funktionen, der Service-Schnittstellen und der Aktor/Sensor-Anbindung. Für die Entwicklung von Service- Logik und die Anbindung an IO gilt, dass die Servicelogik in der realen und virtuellen Umgebung funktionieren muss. Das heißt, die Logik, welche für das Treiben der IO und der Emulation des physikalischen Verhaltens notwendig ist, strikt von der Service- Implementierung zu trennen und über eine Schnittstelle für reale und virtuelle Services anzubinden ist.
Ferner bietet die Engineering-Plattform EU die Fähigkeit, die virtuelle Kommunikationsplattform KP über eine Host-Ethernetschnittstelle NI mit dem Produktionssystemnetzwerk zu verbinden, so dass transparenter Datenaustausch zwischen dem Engineeringsystem und realen Komponenten PDl ... PDN, sowie zwischen virtuellen und realen Komponenten möglich ist.
Fig. 4 zeigt die Struktur einer Simulation und Analyse von virtuellen Komponenten VDl ... VDn. In diesem Fall können die virtuellen Komponenten VDx und ihr praktisches Zusammenspiel völlig getrennt von der Außenwelt in der virtuellen Umgebung EU getestet werden. Der Ablauf der Applikation und der Status der Komponenten wird im Engineering- Werkzeug visualisiert und analysiert. Die virtuelle Komponente VDl, VD2 können auch auf physikalisch getrennten Rechnern ablaufen.
Fig. 5 zeigt die Struktur einer Diagnose zur Laufzeit. In der Engineering-Umgebung EU ist die Realität als Model entweder 1:1 oder nur teilweise, auf eine Untermenge beschränkt, abgebildet. Das heißt, dass für jede reale Komponente PDl ... PDN, für welche Diagnoseinformationen dargestellt werden sollen, ein entsprechender Gegenpart als virtuelle Komponente VDl ... VDN vorhanden sein muss. Die Applikation läuft nun auf reellen Komponenten, welche über eine Diagnoseserviceschnittstelle Statusinformationen / Kommandos an die Engineering-Umgebung senden. Dort werden die Informationen aufbereitet und geeignet im Model dargestellt (Bewegung, Alarm, Meldungen).
Fig. 6 zeigt eine Test und Supervision - Struktur. In diesem Fall wird die Steuerung von den virtuellen Komponenten VDl ... VDN wahrgenommen. Der Unterschied besteht nun aber darin den Service-Request nicht (nur) an eine virtuelle Komponente VD2 zu senden, sondern and die entsprechende reale Komponente PD2, welche die Serviceoperation ausführt und über die Diagnoseschnittstelle die zugehörige virtuelle Komponente VD2 zu synchronisieren.

Claims

PatentansprücheAutomatisierungssystem mit implementierter Engineering-Umgebung
1. Automatisierungssystem (AS) mit Service-orientierter Architektur und dezentralen, verteilten Komponenten und/oder Geräten (PDl ... PDN) in flexibler und re- konfigurierbarer Produktionsumgebung, mit zumindest einem Host-Rechner (HR), welcher über ein Datenübertragungsmittel (KM) wie Ethernet mit den Service- orientierten Komponenten und/oder Geräten (PDl ... PDN) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zumindest einen Host-Rechner (HR) eine virtuelle simulationsbasierte Engineering-Umgebung (EU) mit virtueller Service-orientierter Kommunikationsplattform (KP) zum Austausch von Nachrichten und Interaktionen auf der Basis von Web-Services zwischen virtuellen Modellen (VDl ... VDN) von Komponenten und/oder realen Komponenten implementiert ist.
2. Automatisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Host-Rechner (HR) implementierten virtuellen Komponenten (VD) als Service-Instanzen (SI) im virtuellen Netz adressierbar und autonom sind.
3. Automatisierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuellen Service-Instanzen (SI) außerhalb des virtuellen Netzes sichtbar und adressierbar sind, insbesondere durch Vergabe einer physikalischen Endpunktadresse.
4. Automatisierungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Service-orientierte Kommunikationsplattform (KP) durch die standardmäßigen Netzwerk- und Prozessfunktionen des Betriebssystems des Host-Rechners (HR) realisierbar ist.
5. Automatisierungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Service-basierten Komponenten (VDl, VD2) auf demselben Host- Rechner (HR) in separaten Prozessen bzw. Threads implementiert sind und über eigene Endpunktadressen verfügen.
6. Automatisierungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation zwischen Host-internen Services (VWS) als auch zwischen Host-internen Services (VWS) und externen Services (WS) einer Komponente transparent durchführbar ist.
7. Automatisierungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl reale Komponenten (PDl ... PDN) als auch virtuelle Komponenten (VDl ... VDN) durch ein Mechatronik-Modul (MM), ein Steuerungs-Modul (SM) sowie ein Kommunikations-Modul (WS) bestehen, wobei das Mechatronik- Modul visuelle und physikalische Eigenschaften von maschinellen und elektronischen Anteilen abbildet, das Steuerungs-Modul die Steuerungslogik der Komponenten abbildet und das Kommunikations-Modul in Form eines Web-Services realisiert sind.
8. Automatisierungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass reale und virtuelle Komponenten (VD, PD) die gleiche Kommunikationsplattform (KP) (Protokoll-Stack) aufweisen.
9. Automatisierungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Service-orientierte Systeme von Komponenten auf der virtuellen simulati- onsbasierten Engineering-Plattform (EU) ausführbar sind.
10. Engineering- Werkzeug bzw. System (EN) für insbesondere die ganzheitliche Unterstützung des Lebenszyklus von Service-orientierten Architekturen von dezentralen, verteilten Komponenten und/oder Geräten (PD) in flexiblen und rekonfigu- rierbaren Produktionsumgebungen mit Hilfe einer integrierten, simulations- basierten Engineering-Plattform, wobei insbesondere die Komponentenfunktionalität als Service (WS) für andere Komponenten in einem Netzwerk, vorzugsweise auf der Basis von Web-Service-Technologie verfügbar ist.
PCT/EP2008/050885 2007-01-25 2008-01-25 Automatisierungssystem mit implementierter engineering-umgebung WO2008090216A1 (de)

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