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用于可重构的实时自动化系统的现场级架构
LarsDuuml;urkop1,Henning Trsek1,Jens Otto2 和 Juuml;urgenJasperneite1,2
1inIT——工业IT研究所，奥斯特韦斯特法伦利普应用科学大学，D32657——莱姆戈，德国{拉尔斯·迪科普，亨宁·特塞克，尤尔根·贾斯珀内特}@hs-owl.de2
2Fraunhofer IOSB-INA应用中心工业自动化，D32657——莱姆戈，德国{延斯·奥图，尤尔根·贾斯珀内特} }@iosb-ina，弗劳恩霍夫，De
摘要：
随着客户需求的快速变化导致了制造业从大规模生产到大规模定制的范式转变。然而，今天的生产系统是一个具有非常静态的特性的系统。改变制造过程需要大量昂贵的人力资源和准备工具。因此，可重新配置性将成为制造业的一个关键因素，并且该地区的信息系统必须提供合适的解决方案来支持这一新的范例。
面向服务的体系结构（SOA）是一种潜在的技术，可以提供所需的自动重新配置功能。源于IT世界，SOA对工业自动化系统的适应必须面对几个难题 —— 尤其是必须满足实时要求。本文提出了一种创新的解决方案，用于将SOA集成到工业自动化的实时系统中。
简介
今天，制造行业面临的挑战是由于客户不断变化的需求。 以前，标准化产品的成本效益大规模生产是公司竞争力的关键因素。 现在和将来，产品的定制将变得越来越重要。 此外，产品生命周期变得越来越短。 这需要新的制造系统范例，使制造商能够对市场变化和个人客户需求做出快速和具有成本效益的反应[1] [2]。 这些范例中的两种是灵活的和可重构的制造。
在柔性制造系统（FMS）中，可变性是在生产过程中先验地内置的。 FMS由具有不同能力的制造单元组成，并且具有连接各种工作流程的交通运输系统。 产品的变体可以通过以下方式生产，选择可用生产工具的另一个子集。 由于制造系统本身的物理变化是可能的，因此FMS的灵活性仅限于系统的预定义边界[2]。
通过可控制的制造系统（RMS），可以实现物理修改。例如，可以从生产过程中删除模块和机器，以实现新的功能，从而能够响应不可预见的请求[2]。 因此，可重构的制造业被认为是未来的主要生产范式[3]。可重构系统的设计是一个持续的研究课题。它涵盖了不同的研究领域，从可重构的工艺规划水平到模块化机器组件设计水平。工业自动化的关键挑战是控制系统，它必须重新引入高度复杂性。由于当今生产过程的控制逻辑是相当静态的，因此必须能够对RMS的动态特性做出反应。
控制RMS的一种方法是在工业自动化中引入面向服务的体系结（SOA）[4] [5]。SOA由独立但可互操作的服务组成。每个服务仅向其他服务公开其功能，从服务外部看不到实现。此外，所有服务都是松散耦合的：它们彼此独立地运行，它们的交互是无状态的，异步的，而不是与上下文相关的[4]。在SOA中，过程（即，某种商品的生产）被组成为这些服务的集合。编排引擎通过按执行顺序连接服务和计划，将流程逻辑映射到服务级别。最后，SOA应该提供即插即用（PnP）功能，即物理变化（例如，删除或添加设备）导致基于抽象过程定义的自动化过程的自动重新配置。
SOA范例源自信息技术领域，主要用于在分布式系统上实现业务流程。然而，在许多情况下，工业自动化的要求与SOA方法相反——特别是在实时通信领域。本文的其余部分安排如下：在第2节中，概述了用于工业自动化的SOA方法，并强调了存在的问题。第3节给出了解决这些问题的体系结构。为了证明该架构的可行性，第4节描述了该架构的一个原型实现。本文在第5节中结束，并对今后的工作做了简要展望。
工业自动化系统中的SOA -概述
SIRENA项目[6]是将SOA移植到工业自动化领域的最初方法之一。SIRENA引入了一个基于Web服务的设备及SOA，即Web服务的设备配置文件(DPWS)，其中每个设备都将其功能作为服务提供。例如，给出了一个“智能电机”，它公开Run Motor(持续时间)之类的服务。Web服务是一种支持分布式系统设计的技术。它们由提供功能的服务提供者和使用该功能的服务使用者组成。web服务的接口以机器可读的格式进行描述，比如基于xml的web服务描述语言(web service Description Language, WSDL)[7]。描述包含有关服务期望的参数及其返回的数据的信息。此外，它还决定了两个服务之间交换内容的格式。用于Web服务通信的最常用协议是HTTP[8]上的SOAP。
web服务的一个优点是可以组合基本服务来生成新的更高阶的服务。因此，产品的生产过程可以通过使用不同生产单元和运输系统的服务来组成。这种服务组合称为编排。编制引擎必须提供连接服务的可能性，将服务的执行顺序和新组合服务的接口安排到更高的层。编排web服务的最常见规范是业务流程执行语言(BPEL)[9]。
设备基于SOA方法可以简化生产系统的重新配置。例如，尽管系统开发人员必须更改编排逻辑，但不需要深入研究数据交换和网络通信的细节。SOCRADES项目引入了一个框架，该框架提供了基于petri nets[10]灵活编排服务的机会。然而，每个重新配置步骤都需要手工操作。为了实现PnP的目标，生产系统必须对变化做出自主反应。像WSDL和BPEL这样的语言只提供语法描述方法。它们不描述功能的含义，也称为服务的语义，这是自动编制过程所必需的。语义Web服务解决了这个问题，其最著名的例子是SAWSDL、WSMO和owl[11]。语义描述服务定义的含义以及生产组件及其服务之间的关系。要将服务组合到功能齐全的生产流程，业务流程管理器还需要一个本体形式的知识库。本体可以包含关于可用设备、它们的位置及其依赖项[11][12]的信息。例如，在[13]中显示了一个定义设备概要文件的系统过程。在[11]和[14]中给出了基于SOA的生产过程的概念验证。
尽管自动化方法有很多优点，但是它还没有在工业实践中建立起来。在[15]中，确定了技术和与人相关的采用障碍。从技术角度看，工业自动化中使用的资源约束设备对SOA通信协议的计算能力不足。虽然这可以在未来通过不断提高硬件组件的性能来解决，但是其他关于健壮性、工程工具支持、安全和标准化的问题必须得到解决。在人的方面，对工业自动化的新技术持保守的态度。为了说服工程师和管理人员，必须成功地实现基于SOA的自动化系统。
图一
基于SOA的自动化系统
从我们的角度来看，当试图在工业自动化的设备级别上实现SOA时，还有另一个基本的体系结构问题。为了可视化这个问题，图1[10]中概述了一个基于SOA的自动化系统(由SOCRADES项目定义)。
正如前面提到的，SOA的一个主要前提是服务的松散耦合。然而，由此产生的松散耦合并不一定反映出工业自动化的现实。与此同时，自动化功能和设备之间常常存在紧密的联系，比如实时通信的需要。例如,在运动控制应用程序流程数据值必须每100micro;s发送小于1micro;s的延迟抖动[16]。当前SOA实现无法满足这些需求。实际上，SOA概念并不打算满足这种关键的时间约束。
然而，有几种方法可以向SOA引入实时功能。SOA P4IPC引擎[17]分析web服务的时间行为，并确定服务的最大执行时间。时间约束服务(Tics)框架[18]提供了建模组合服务的时间依赖关系的工具。基于SOAP4IPC结果，框架检查是否可以满足依赖项。[19]中描述了提高SOA通信栈道性能的方法。作者建议用高效的XML交换(EXI)[20]代替SOAP通信协议，该协议采用二进制XML表示。
所有这些解决方案都使用基于Internet协议(IP)的SOA固有通信方法，大多数情况下基于标准以太网。这两种技术都不能提供具有低延迟和抖动的确定性通信，而延迟和抖动是许多自动化应用程序的基本需求。因此，实时以太网(RTE)等具有实时能力的网络被用于工业自动化。Profinite IO, Ether Net/IP或Ether CAT等不同通信网络标准的总称。它们都基于标准以太网，并使用一些修改来提供实时保证。RTE的一个特性是与标准以太网的向后兼容性(在大多数情况下)，它允许轻松地集成到现有网络中。实时通信的优势是以增加手动配置工作为代价的。
在iLAND项目中，已经开发了支持有时间限制的服务操作的[21]方法。中间件依靠时间约束来管理服务之间的通信，中间件包含一个用于定制协议栈道的占位符，原则上可以用RTE替换它。但是，没有提供关于如何实现RTE的例子。特别是没有考虑RTEs的组合配置的具体要求。
在下一节中，我们将介绍一个可重构自动化系统的体系结构，该体系结构将RTE集成到现有的SOA概念中。
一个可重构的字段级架构
在本节中，将再次讨论SOA中实时通信的实现。在简要描述了当前的工业自动化系统之后，提出了一种扩展系统的方法，以使SOA能够提供实时保证。
3.1集成电路理念:实现实时通讯的封装
在第二节中，当实际通信需要工业自动化系统时，SOA范例是有限的。然而，实时关系只存在于整个自动化过程中明确划分的小部分设备之间。为了区分具有和不具有实时需求的部件，我们建议在自动化过程中引入模块级。在这里，一个模块的特点是一个机电一体化的单位，它提供了一个外部世界的功能。为了实现它的功能，它内部包括几个设备，如传感器，执行机构，通常一个控制设备。在一个模块中，设备之间可以实时通信，而模块之间没有通信。图2描述了这个概念。
这种方法引入了一个模块级SOA，其中服务不是由设备公开的，而是由模块公开的。所有SOA原则，如松散耦合、服务组合和编排，仍然适用于模块级别。实时通信的核心被转移到由模块封装的现场级。现场的设备通常构成与自动化过程的机械组件的接口。在我们看来，这种分割更好地反映了工业自动化的现实。在[22]中提出了类似的方法，其中提出了基于模块的服务的动态编排过程。作者假设实时通信只存在于一个模块中。模块内部通信的重新配置在该工作中被明确排除在外。
图二
将非自动化过程转化为模块
在[23]中提出了一种基于SOA的可重构制造过程体系结构。虽然本文的重点是优化生产计划的计算，但也涉及到领域的集成设备。所提议的体系结构也偏离了设备SOA概念。相反，在现场，生产过程被划分为由标准自动化设备控制的单元。OPC UA服务器从其分配的单元中收集数据，并通过公开基本服务形成到服务级别的接口。然而，RMS中的模块或单元不能被认为是静态单元。因此，第3.3小节展示了一个字段架构，该架构实现了模块的动态重构。
3.2目前工业自动化控制系统
可配置模块的架构将面向最先进的工业控制系统。本节将介绍这种系统。一个典型的控制系统结构如图3所示。
图三
目前工业自动化控制系统
这些传感器和执行器连接到toio设备上，这些设备为它们提供一个电气接口。，电源电压，数字/模拟转换，反之亦然)。该IO设备将过程数据从传感器发送到可编程逻辑控制器(PLC)，或从PLC接收执行器的过程数据。控制逻辑软件在PLC上执行。PLC与IO设备之间的过程数据通过RTE传输。设置这样一个控制系统需要几个配置步骤，如下所示。
1. 必须定义控制逻辑。根据IEC 61131-3，这通常是在编程语言中完成的。这个程序包含了表示过程数据的变量。
2. 必须配置RTE。通常，用户必须定义网络中存在哪些IO设备，并且必须分配一个依赖于RT的地址。
3.必须定义控制逻辑变量与具体传感器/执行器信号之间的绑定。
这些步骤的结果是一个非常静态的自动化过程。每次重新配置之后，必须至少重复步骤2和步骤3。架构的目标第3.3节中描述的是自动重新配置过程。
3.2模块架构
建议的模块体系结构的起点是第3.2小节中描述的标准自动化控制系统。最后，该系统和模块将执行相同的功能。不同之处在于，模块体系结构支持自动重新配置，并具有与上层SOA的接口。在模块的重新配置过程开始之前，必须定义其控制逻辑。因此，逻辑可以独立于模块的硬件设计。这允许定义抽象的和可重用的逻辑模块。具体设备的选择、使用的通信网络等都取决于用户——只要硬件符合逻辑模块中的规范即可。一个可能的工作流程可能是这样的:
1. 整个流程逻辑是用流程描述语言(如BPEL)表示或生成的。
2. 编排引擎分析BPEL定义并派生执行流程所需的模块级服务。
3.已标识的服务(包括接口和逻辑定义)是从服务目录中选择的。
在[24]中展示了一种基于应用程序的自动化设备实现方法。在这个概念中，特定于功能的控制软件可以加载到通用的现场设备上——这取决于所请求的自动化功能。在此基础上，用户可以选择与所识别的服务相匹配的合适的“控制应用程序”。定义控制逻辑的另一种可能性是模型驱动的开发过程。在[25]中，从图形化UML和SYSML模型自动生成IEC 61131-3代码。在[26]中提出了一种通过集成来自现有工程构件(如管道和仪表图)的知识来生成控制代码的方法。除了选择或定义适当的控制逻辑，工程师还应该远离其他任务。特别是所有与配置相关的任务，主要包括逻辑变量和设备信号之间的映射。因此，在控制逻辑的定义过程中，对所使用的网络技术并不了解。逻辑和技术之间的这种抽象简化了重构过程——控制逻辑没有定义必须使用哪些具体的物理设备。相反，它只指定设备必须提供或使用哪些信息。图4描述了提议的体系结构及其功能块。
与当前的自动化控制系统一样，该体系结构由一个PLC组成，其中大部分新功能块位于其中。各个块在下一小节中进行描述。
图四
可重构模块的体系结构
3.3.1控制逻辑
如前所述，控制
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资料编号：[2680]
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