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.