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可重新配置的实时自动化系统的现场级架构
摘要
快速变化的客户需求导致了制造业从大规模生产向大规模定制转变。然而，当代的生产系统是一个非常静态的性质，改变制造工艺需要大量的人力资源并且很容易出错。因此，可重构性将成为制造工业的一个关键因素，工业自动化系统必须提供合适的解决方案来支持这一新的范例。
面向服务的分布式架构（SOAS）是一种可以提供所要求的自动重新配置能力的有潜力的技术。它源自IT界，使soa适应工业自动化系统不得不面对几个困难——尤其是实时重发必须要满足要求。本文为SOA与工业自动化与实时系统的结合提出了一种创新的解决方案。
- 介绍
今天，制造业由于客户不断变化的需求面临着挑战。以前,批量生产符合成本效益的标准化产品是一个公司竞争力的关键因素。现在和未来的产品定制将变得越来越重要。此外,产品生命周期将变得更短。这要求一个在市场变化和个人客户需求方面能够使制造商反应迅速和经济有效的新的制造系统范例[1][2],其中两个范例是灵活的和可重构的制造。
在柔性制造系统(FMS)中，可变性在生产过程中
。是先天的。一个柔性制造系统由具有不同功能的制造单元和允许不同工作流程的连接运输系统组成。可以通过选择可用的生产工具的另一个子集来生产产品的变体。由于制造系统本身不可能发生物理变化，所以FMS的灵活性仅限于系统[2]预先定义的边界。
相反，可重构制造系统(RMS)允许物理修改。例如，可以在生产过程中添加或删除模块和机器，以实现对未预见的请求[2]响应的新功能。因此，可重构制造被认为是未来[3]的主要生产模式。可重构系统的设计是一个正在进行的研究课题。它涵盖了不同的研究领域，从可重构的过程规划到模块化的机器部件设计。工业自动化的关键挑战是控制系统必须处理新引入的高度复杂性。由于当今生产过程的控制逻辑是相当静态的，因此必须允许它根据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[4][5]中引入面向服务的分布式结构(SOA)。SOA由独立但可互操作的服务组成。每个服务只向其他服务公开其功能，实现在服务外部不可见。此外，所有服务都是松散耦合的:它们彼此独立操作，它们的交互是无状态的、异步的，且与上下文无关的[4]。在SOA中，流程(即(如某种商品的生产)是由这些服务的集合组成的。编排引擎通过连接服务和它们的执行顺序来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，物理更改(例如，删除或添加设备)会导致在抽象流程定义的基础上自动重新配置自动化流程。
SOA范式起源于信息技术领域，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。本文的其余部分组织如下。在第2节中，给出了用于工业自动化的SOA方法的概述，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。第五部分是本文的总结然后是对未来工作的简要展望。
- 工业自动化系统中的SOA概述
SIRENA项目[6]是将SOAS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服务的设备级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”，它公开运转电动机 (持续时间)等服务。Web服务是一种支持分布式系统设计的技术。它们包括提供功能的服务提供者和利用该功能的服务使用者。web服务的接口以机器可读的格式(如基于xml的web)进行描述服务描述语言(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，它还确定服务之间交换消息的格式。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，可以将基本服务组合起来生成新的高阶服务。因此，产品的生产过程可以由不同的生产单元和运输系统的服务组成。这种服务组合称为业务流程。编排引擎必须提供连接服务、安排服务的执行顺序以及将新组合的服务的接口提供给更高层次的可能性。编排web服务的最常见规范是业务流程执行语言[9]。
设备级SOA方法可以简化生产系统的重新配置。尽管系统开发人员必须更改编排逻辑，但是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，提供了在petri网[10]的基础上灵活编排服务的机会。但是，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，这是自动化编排过程所必需的。语义Web服务解决了这个问题，其最著名的例子是SAWSDL、WSMO和OWLS[11]。语义描述了服务定义的含义以及产品组件与其服务之间的关系。为了将服务组合成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配置文件的系统过程。在[11]和[14]中提出了基于SOA的生产流程的概念验证。
尽管SOA的自动化方法已经在科学界讨论了八年多，尽管它有很多优点，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。尽管将来可以通过不断提高硬件组件的性能来解决这个问题，但是必须解决与健壮性、工程工具支持、安全性和标准化相关的其他问题。在人的方面，对工业自动化的新技术持保守态度。为了说服生产站点的工程师和经理，必须成功地实现基于SOA的自动化系统的实例。
从我们的角度来看，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SOCRADES项目定义的基于SOA的自动化系统。图1. 基于SOA的自动化系统
如前所述，soa的一个主要前提是服务的松散耦合。然而，由此产生的设备松耦合不一定反映工业自动化的现实。相反，在自动化功能和设备之间有十个紧密的联系，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发送每100micro;s小于1micro;s的延迟抖动[16]。当前的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。SOAP4IPC引擎[17]分析Web服务的计时行为，并确定服务的最大执行时间。时间约束服务(TiCS)框架[18]提供了对组合服务的时间依赖关系建模的工具。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通信栈性能的方法。作者建议用高效的XML交换[20]来代替SOAP通信协议，这是一种二进制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，在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，这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。RTE是不同通信网络标准的通称，如Profinet IO、EtherNet/IP或EtherCAT。他们都是基于标准的以太网，并使用一些修改提供实时保障。RTEs的一个特性是向后兼容标准以太网(在大多数情况下允许容易地集成到现有的网络。实时通信的优点是以增加的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。考虑到时间限制，中间件管理服务之间的通信。中间件包含一个定制协议栈的占位符，原则上可以用RTE替换它。但是，没有提供关于如何实际实现RTE的示例。特别是，rte的复杂配置的具体要求没有考虑在内。
在下一节中，将介绍一个可重新配置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。
3. 一个可重构的领域级架构
在本节中，将再次讨论soa中实时通信的挑战性实现。在简要描述当前工业自动化系统之后，提出了一种很有前途的方法来扩展这些系统，以使soa能够提供实时的保证。
3.1基本思想:封装实时通信
如第2节所述，只要工业自动化系统需要实时通信，SOA范型就会受到限制。然而，实时关系只存在于整个自动化过程中明确划分的一小部分设备之间。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一个模块级。在这里，一个模块被描述为一个机电一体化的单元，它向外界提供一定的功能。为了实现这一功能，它在内部由多个设备组成，如传感器、执行器和一个控制设备。在一个模块中，设备之间可以进行实时通信，而模块之间没有实时通信。图2描述了这个概念。图2.将自动化过程分割成模块
这种方法引入了一个模块级别的SOA，其中服务不是由设备而是由模块公开的。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。关键的实时通信被转移到现场级，由模块封装。现场级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，这种细分更好地反映了工业自动化的现实。在[22]中提供了类似的方法，其中提供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。该工作明确排除了模块内部通信的重新配置。
在[23]中，提出了一种基于soa的可重构制造过程的体系结构。虽然这篇论文的重点是优化生产计划的计算，它也包括现场设备的集成。所提出的体系结构也背离了设备级SOA概念。相反，在现场，生产过程被分成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收集数据，并通过公开基本服务形成服务级别的接口。然而，RMS中的模块或单元不能被视为静态单元。因此，分段3.3显示了允许动态重新配置模块的字段级架构。3.2当前工业自动化控制系统
可配置模块的结构将面向最先进的工业控制系统。本节将介绍这种系统。典型的控制系统结构如图3所示。 图3.目前工业自动化控制系统
传感器和执行器连接到IO-Devices，后者为传感器和执行器提供电气接口。，电源电压，数字/模拟转换，反之亦然)。io设备将传感器的过程数据发送给可编程逻辑控制器(PLC)，或从PLC接收执行器的过程数据。带有控制逻辑的软件在PLC上执行。PLC和io设备之间的过程数据通过RTE传输。建立这样一个控制系统需要几个配置步骤，如下所示。
- 控制逻辑必须被定义。根据IEC 61131-3，这通常是在编程语言中完成的。这个程序包含代表过程数据的变量。
- 必须配置RTE。通常，用户必须定义网络中有哪些io设备，并且必须分配一个依赖于rt的地址。
- 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，至少要重复步骤2和步骤3。第3.3节中描述的体系结构的目的是使重新配置过程自动化。
3.3模块架构
建议的模块架构的起点是3.2小节中描述的标准自动化控制系统。最后，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，并具有到上层SOA的接口。之前可以对模块进行重新配置
启动其控制逻辑必须定义。因此，逻辑可以独立于模块的硬件设计。这允许定义抽象和可重用逻辑模块。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内的规范。可能的工作流程是这样的:
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.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]中展示了一种用于自动化设备的基于应用程序的方法。在这个概念中，特定功能的控制软件可以加载到通用的现场设备上——这取决于所要求的自动化功能。在此基础上，用户可以选择适当的“控件”应用程序“与已识别的服务相匹配”。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工件(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外，工程师应该从所有其他任务中解脱出来。特别是所有与配置相关的任务，主要包括RTE的配置和逻辑变量与设备信号的映射。因此，在控制逻辑定义过程中，不需要了解所使用的网络技术。逻辑和技术之间的这种抽象简化了重新配置过程——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。提出的体系结构及其功能块如图4所示。
与当前的自动化控制系统一样，该体系结构由一个PLC组成，其中包含了大部分新的功能块。下一小节将介绍各个块。
图4.可重构模块的体系结构
3.3.1控制逻辑
如前所述，控制逻辑仍然必须手动定义。这个逻辑的一部分是外部变量，它表示传感器和执行器的过程数据。通常，工程师必须手动将变量映射到相应的设备。在这里，逻辑独立于底层物理设备，映射由模块体系结构的另一个功能块完成。用户只需定义变量的语义，这些语义描述了变量的内容和含义。因此，有必要定
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