與工業控制系統的數據聯合的制作方法

專利名稱：與工業控制系統的數據聯合的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及工業控制系統，尤其涉及可在組織模型和工業控制系統之間共享的數據分層結構上分布和操縱數據。
背景技術：
工業控制器是用于控制工業過程、制造設備和諸如數據收集或聯網系統等其它工廠自動化的專用計算機。在工業控制系統核心處的是諸如可編程邏輯控制器(PLC)或基于PC的控制器等邏輯處理器。例如可編程邏輯控制器由系統設計者編程為經由用戶設計的邏輯程序或用戶程序來操作制造過程。用戶程序存儲在存儲器中，并且一般由PLC以順序方式執行，但是例如指令跳轉、循環和中斷例程也是常見的。與用戶程序相關聯的是向PLC操作和程序提供動態的多個存儲元或變量。PLC的差異通常與它們所能處理的輸入/輸出(I/O)數、存儲量、指令數和類型、以及PLC中央處理單元(CPU)的速度相關。
在比控制器更宏觀的意義中商務已變得更為復雜，因為更高階的商務系統或計算機常常需要與此類控制器交換數據。例如，工業自動化企業可能包括在不同地點的數個工廠。諸如效率和生產力的提高、以及成本的降低等現代驅動力需要制造商收集、分析和優化來自全球的制造場所的數據和度量。例如，一食品公司可能有位于全球各地的數個工廠生產某個品牌的食品。這些工廠在過去是獨立的，只有最低限度的數據收集和與其它類似工廠的度量比較。在如今的聯網世界里，制造商需要來自它們的工廠的實時數據以驅動優化和生產力。不幸的是，常規的控制系統體系結構的配備不允許企業的這些不同組件之間無縫的數據交換。

發明內容
以下給出簡要的概述以提供對本文中所描述的一些方面的理解。此概述不是詳盡的縱覽，也并非試圖標識關鍵性/決定性因素或是界定本文中所描述的各個方面的范圍。其唯一的目的是以簡化形式給出一些概念，以作為后面將給出的更為詳細的描述的序言。
提供一種組織模型和尋址模式，它使數據能從組織的各個層、跨越組織邊界來自動和有效地交換、和/或在較低等級的控制實體之間交換到組織的較高層。在一個方面，組織的分層結構模型被分布在組織的控制系統、和組織的諸如商務計算機等的其它組件上。該分層結構可被存儲在控制器的例示中，而該實例也可由該控制器訪問。這使外部應用能夠經由控制器名字空間和/或經由諸如由分層結構工廠模型等組織分層結構來尋址控制器中的數據。分層結構的各個部分可在控制器中實現，而無需與中央系統連接。這實現了諸如外部設備制造商(OEM)等多個用戶的分布式部署。
該組織分層結構還可包括其它組織單元、控制器范圍的標簽、帶相關聯程序范圍標簽的程序、外加指令、例程、操作人員界面屏幕、和/或諸如過程和幫助文件等用戶定義信息。存儲在控制器中的本地分層結構可經由“裝配點”連接到系統分層結構。在將相應控制器與特定組織項目相關聯的配置操作期間，“裝配點”可與系統分層結構中的特定位置連接。
為實現前述及相關目的，結合以下描述和附圖在本文中描述了某些示例性方面。這些方面指示可實施的各種方式，所有這些都旨在被涵蓋于此。通過結合附圖考慮以下詳細描述即可明了其它優點和新穎特征。


圖1是示出組織數據模型中的數據聯合的示意框圖。
圖2是示出示例組織分層結構的圖示。
圖3是示出示例商務模型和在企業與多個控制系統上聯合的分層結構數據表示的圖示。
圖4是示出控制器的平面和分層結構數據表示的圖示。
圖5是示出控制系統分層結構的一個裝配點的圖示。
圖6是示出控制系統分層結構的多個裝配點的圖示。
圖7是示出控制系統分層結構的多個裝配點以及組合命名慣例的圖示。
圖8是示出用于處理模型數據結構的示例系統的圖示。
圖9是示出控制數據和企業聯合過程的流程圖。
圖10示出可結合分層結構化數據模型使用的示例性分層結構。
圖11示出可結合分層結構化數據模型使用的示例性分層結構。
圖12示出分層結構的示例性組合。
圖13示出分層結構的示例性組合。
具體實施例方式
分層結構系統的組織模型可被分布在企業的各個元上。這些元包括在較高等級的商務服務器上維護的系統表示、以及提供諸如可編程邏輯控制器和/或其它工業控制組件等系統的控制元的表示。在一個方面，提供了一種工業自動化系統。該系統包括用于例示組織分層結構的一部分的至少一個控制器。控制器中的通信組件與組織分層結構的至少一個其它部分交互，以便于企業各組件之間的數據交換和控制。
注意，如在本申請中所使用的，諸如“組件”、“分層結構”、“模型”等術語意指計算機相關實體，或者是應用在用于工業控制的自動化系統中的硬件、硬件與軟件的組合、軟件、或者是執行中的軟件。例如，組件可以是，但不限于，在處理器上運行的進程、處理器、對象、可執行碼、執行線程、程序和計算機。作為示例，在服務器上運行的應用程序和該服務器都可以是組件。一個或多個組件可駐留在進程和/或執行線程內，并且組件可本地化在一臺計算機上、和/或分布在兩臺或多臺計算機、工業控制器、和/或與其通信的模塊之間。
首先參考圖1，系統100示出組織數據模型中的數據聯合概念。分層結構數據模型110被示為具有將數據存儲在整個系統100上的多個位置處的各個節點和分支。該模型110可分布在網絡114上以提供集合或聯合的數據庫。如圖所示，企業120可具有一個或多個計算機或網絡組件，它們通過網絡114與諸如可編程邏輯控制器(PLC)130等一個或多個工業控制組件130通信。由此，在基本上企業120和/或PLC130的全部或部分上查看、管理和分布時，具有數據節點和分支的數據分層結構110可作為單個或集合的實體來管理。
系統100允許組合稱為組織或分層結構數據模型110的組織信息，該模型110表示可基于例如S88或S95模型的工廠通用模型，并分布于例如企業120的計算機和工業控制器130當中。模型110可被視為組織模型——組織單元的樹狀分層結構和異類結構。例如，相應的組織單元可包括其它組織單元。組織單元可以是物理位置(例如，場所、區域)或邏輯分組節點或集合(例如，場所集合形式的企業)。組織分層結構或模型110中的節點可具有相關聯的項，這些項表示工廠的生產和控制設備、標簽、支持標簽(例如，警告和事件以及AOI對象)、程序、設備階段、I/O設備、以及其它應用相關實體。這些組織單元由此可構成用戶系統的應用視圖。
典型的系統100可將諸如企業節點和場所等分層結構的上層分配給計算機系統，而諸如區域、生產線、單元和機器等下層可被包含在多個工業控制器中，而這些工業控制器每個都可包括作為諸如區域或區域模型的一個或多個組織單元的成員的組件。諸如區域等組織單元可包含來自一個或多個控制器的組件。為方便數據與信息技術(IT)應用的結合，提供了用于定義IT空間中的各種數據結構、并將那些數據結構轉換到控制器的方法、以及使用事務來連接控制器與結構的IT版本的方法。
在處理之前應注意，企業120可包括諸如服務器、客戶機、通信模塊、移動計算機、無線組件等能夠通過網絡114交互的各種計算機或網絡組件。類似地，如本文中所使用的術語PLC可包括能在多個組件、系統和/或網絡114上共享的功能。例如，一個或多個PLC130可通過網絡114與各個網絡設備通信和協作。這基本上可包括經由網絡114通信的任何類型的控件、通信模塊、計算機、I/O設備、人機接口(HMI)，其中網絡114包括控制、自動化和/或公共網絡。PLC130還可與諸如包括模擬、數字、可編程/智能I/O模塊等輸入/輸出模塊、其它可編程控制器、通信模塊等各種其它設備通信或對其進行控制。
網絡114可包括諸如因特網、內聯網、以及諸如包括DeviceNet(設備網)和ControlNet(控制網)在內的控制和信息協議(CIP)等自動化網絡之類的公共網絡。其它網絡包括以太網、DH/DH+、遠程I/O、Fieldbus、Modbus、Profibus、無線網絡、串行協議等等。此外，網絡設備可包括各種可能性(硬件和/或軟件組件)。這些包括諸如具有虛擬局域網(VLAN)能力的交換機、LAN、WAN、代理、網關、路由器、防火墻、虛擬專用網絡(VPN)設備、服務器、客戶機、計算機、配置工具、監控工具和/或其它設備。
除了各種硬件和/或軟件組件之外，還可提供各種接口來操縱分層結構或組織數據模型110，其各種示例將在以下更加詳細地示出。這可包括用于與模型110或分層結構的其它組件交互的圖形用戶界面(GUI)，這些其它組件有諸如任何類型的發送、檢索、處理和/或操縱工廠或企業數據、接收、顯示、格式化和/或傳送數據、和/或便于企業120和/或PLC130的操作的應用。例如，此類界面還可與引擎、服務器、客戶機、編輯器工具或web瀏覽器相關聯，但是也可使用其它類型的應用程序。
GUI可包括具有一個或多個顯示對象(未示出)的顯示，這些顯示對象用于操縱包括諸如可配置圖標、按鈕、滑塊、輸入框、選項、菜單、選項卡等具有多個可配置尺寸、形狀、顏色、文本、數據和聲音方面來便于對模型110的操作。此外，GUI還可包括多個其它輸入或控件，用于調整和配置一個或多個方面。這可包括從鼠標、鍵盤、語音輸入、網站、遠程網絡服務和/或諸如相機或視頻輸入等其它設備中接收用戶命令以影響或修改GUI的操作。
在繼續討論之前，應注意圖3-8是針對示例性分層結構和數據排列的。但是應當意識到，基本上任何分布在企業或商務上和/或在工業控制系統上共享的數據分層結構都落在本文中所構想的范圍之內。
現在參見圖2，示出了可結合本文中所描述的分層結構化數據模型使用的示例性分層結構200。例如，該數據模型可便于實現嵌套結構，由此減輕與使用平面名字空間的數據模型相關聯的缺陷，盡管平面名字空間仍是可使用的。示例結構200包括企業層202，其中特定企業可在根據分層結構數據模型結構化的數據內表示。在企業層202之下可以是場所層204，從而企業內的特定工廠(場所)可在數據分組內表示。區域層206可存在于場所層204之下，它指定工廠內與數據相關的區域。生產線層208可位于區域層206之下，其中生產線層208指示與特定數據相關聯的生產線。工作單元層210可存在于生產線層208之下，從而指示與特定數據相關聯的工作單元。使用嵌套的分層結構數據模型，PLC可更好地知悉與其相關聯的數據。此外，分層結構200可由該分層結構的所有者定制。例如，可在分層結構200內定義粒度更細的對象/層。
轉到圖3，示出了在企業和控制系統上聯合的示例商務模型300和分層結構數據表示。在此示例中，企業310在模型300中被表示為處于組織的最高層。在此特定示例中，企業生產諸如薯片等貨品。如可理解的，在模型300中可表示比企業310更高或更低的層。在企業層之下，在場所層314上表示了兩個工廠(例如，一個工廠在達拉斯，而另一個在底特律)，但是可使用多于或少于所示的兩個。在320，場所的區域包括此例中諸如切片、清洗、油炸和包裝等的場所314的自動化制造過程。
從相應的區域層320可表示生產線層330，它包括設備(進一步細分為工作單元)、控制器、生產組件、段組件、以及諸如培訓元、質量控制數據和維護數據等雜項組件。在控制層340，表示了執行順序功能圖表或梯形邏輯的邏輯處理器。由此，從高層企業視圖310，來自控制視圖340的數據被自頂向下地聚合和聯合，其中數據模型示出了經由網絡通信分布在遠程或本地地理位置上、但仍表示為單個數據模型300的數據統一化視圖。在生產和段層350，用于處理數據的組件包括可在諸如批處理器或服務器等機器上執行的工作次序元、材料管理器、設備定序器和產品定序器。
圖4示出控制器的平面和分層結構數據表示400。在此方面，控制器數據表示可與上述分層結構企業元結合。在此，示出了兩個視圖。在410處的平面表示示出可啟動和停止兩個電機的程序引擎。同一數據結構410的分層結構視圖420也可在控制器中表示。一般而言，組織分層結構的部分存儲在控制器操作環境的運行時例示中，它可由控制器的通信層(例如，與TCP/IP或控制網絡棧通過接口連接的控制器前景循環)訪問。這將使在分層結構的其它層執行的外部應用程序能夠經由410處的平面控制器名字空間和/或經由420處的組織分層結構在控制器中尋址數據。如可認識到的，分層結構的多個部分可在控制器中實現，而無需連接到中央系統。這允許諸如OEM和系統設計者等多個用戶的分布式部署。該組織分層結構還可包括其它組織單元、控制器范圍標簽、帶有相關聯的程序范圍標簽的程序、外加指令、例程、操作人員界面、和/或諸如過程和幫助文件等用戶定義信息。
圖5-7示出控制系統分層結構的裝配點示例。裝配點表示在分布式數據分層結構中控制器負責維護該層裝配點處或以下的數據的地方。該層以上的數據可被存儲在諸如企業中的客戶機或服務器計算機等企業組件中。如圖5中所示，控制器中的本地分層結構經由510處的“裝配點”連接到系統分層結構500。在將此控制器與特定分層結構項目相關聯的配置操作期間，“裝配點”510可與系統分層結構中的特定位置連接。并且注意，裝配點510可位于分層結構500的不同部分處。圖6示出支持610和620處的多個“裝配點”的單個控制器600，這些“裝配點”可被裝配在系統分層結構的不同層處。在圖7上，諸如區域700等組織單元可由來自710和720處的多個工業控制器的組件組成。應注意，可組合來自多個控制器的具有相同名稱的組織單元。
圖8示出用于處理模型數據結構的示例系統800。系統800包括企業計算機810、用于修改數據結構的應用程序820、配置組件830、以及一個或多個控制架840。一般而言，IT開發者可經由應用程序定義可在控制器840中使用的數據結構820。該定義可以是描述該數據結構、以及每個相應成員的意義的XML文件的形式。此XML描述還可與其它描述組合，這將形成一組系統結構。這些定義可存儲在文件中，此文件在需要時可用配置軟件830的單獨副本分發給遠程用戶。然后控制工程師可創建這些系統結構的實例并填入數據，以允許將數據發送給IT應用程序820。這些系統結構可基于諸如S88和S95等工廠數據標準，但是也可應用其它標準。控制系統還可具有使控制器能夠基于使用如這里所定義的系統數據結構的控制器中的指令來發起事務的機制。該組織結構或模型可提供一種指示控制器變量應為公有還是私有、以及如為公有它是否應被寫入的方法。一般而言，只有被指定為公有的控制器標簽子集才應出現在組織分層結構中。
圖9示出組織模型和通信過程900。盡管為簡單說明起見，該方法被示意并描述為一系列動作，但應理解并認識到，該方法不受諸動作的順序所限，因為一些動作可按不同順序發生和/或與來自本文中示出和描述的其它動作并發。例如，本領域技術人員將可理解并認識到，方法可被替換表示為諸如狀態圖中的一系列互相關的狀態或事件。此外，不是所有示出的動作都是實現如本文中所描述的方法所必需的。
圖9示出控制模型和通信過程900。前進至910，在控制器的域內定義了一個或多個數據結構。這包括存儲控制器或是與控制器相關聯的組件的運行時實例中的分層結構模型的多個部分。此類結構可用為各個組件和網絡數據定義地址位置的控制器配置軟件來配置。在920，將在910定義的相應數據結構與控制器或控制組件的通信層相關聯。該層基本上可與包括工廠網絡、諸如因特網等全球網絡、無線網絡等任何類型的網絡通信。在930，存儲在控制器上的組織分層結構的多個部分可在相應網絡上與其它企業組件通信和交互。這可包括在分層結構或模型的不同節點和路徑上通過網絡交換來自企業各個部分的數據。在940，用于企業和控制系統的數據被聚合在特定節點或給定網絡位置處。這可包括在與企業和控制分層結構的各個數據節點通信的網絡計算機處聚合或收集、查看或收集數據，然后在顯示界面處以分層結構形式呈現這些數據。
在950，經由分層結構組織模型在企業或組織上管理數據。這可包括在分層結構的較高層節點中查看組織的上層，其中這些層可符合前述的S88或S95標準。可定義基本上在從網絡上的較低層控制和配置層、到企業的較高層數據節點的所有組織層之間交換數據的數據結構。相應節點可被調整為具有可變的安全等級，用于控制對從分層結構的不同部分可及的數據節點的人或機訪問的類型。
現在轉到圖10，示出了可結合由可編程邏輯控制器用以便于使用分層結構化數據模型的模式使用的分層結構表示。此圖中所示的分層結構與設備分層結構相關，這些設備分層結構可與過程分層結構結合以生成工廠的穩健表示(它被結合在模式中，以便于結合工業控制器使用)。第一分層結構1000示出給出不同過程的工廠內的設備表示。例如根據批處理的分層結構可包括企業、場所、區域、過程單元、單元、設備模塊和控制模塊的表示。相反，連續過程內的設備的分層結構表示可包括企業、區域、產品單元、連續單元、設備模塊和控制模塊的表示。更具體地，企業可表示整個公司，場所可表示特定工廠，區域可表示工廠的一部分，過程單元可包括用來完成過程的設備，單元可與過程單元內的機器單元相關，設備模塊可包括過程單元的各部分的邏輯表示，而控制模塊可包括諸如電機、閥門等基本元。此外，設備模塊可包括設備模塊，而控制模塊可包括控制模塊。由此，如從圖中可看出的，可使用四個不同的分層結構表示來表示批過程、連續過程、離散過程和存貨內的設備。
可使用第二分層結構1002，它表示前述分層結構表示中的每一個。分層結構1002可包括企業、場所、區域、工作中心、工作單元、設備模塊和控制模塊的表示。由此，可生成恰如其分地表示分層結構1000的通用表示。為術語一致起見，可將數據對象與指示其關聯于何種類型的過程的元數據相關聯。因此，可用與該過程內的正常使用相一致的形式向操作人員提供數據對象。例如，批處理操作人員可使用與連續過程操作人員不同的術語(如分層結構1000所示)。可使用元數據來允許此類數據根據其已知、常規使用的顯示。由此，根據分層結構1002的模式的實現對于操作員將是無縫的。此外，在另一示例中，在控制器所使用的模式中僅可使用該表示的一部分。例如，可能需要在控制器內容納設備模塊和控制模塊。在另一示例中，可能需要在控制器內包括表示工作中心和工作單元的數據對象(但不包括設備模塊或控制模塊)。要求保護的主題旨在包含在控制器內使用分層結構1002(或類似分層結構)的所有這些偏離。
現在參考圖11，示出了可用來表示過程和設備的標準分層結構。特別地，分層結構1100表示存在于批處理內的過程。例如，過程可與諸如藥劑的制造等高層過程相關。單元過程可更加具體，諸如通過特定單元來向攪拌器添加特定化學品等。單元操作可以更加具體，并且階段可以更加具體(與低層機器的操作相關)。例如，階段可與關于低層設備而存在的各種狀態，諸如停止、啟動和暫停電機，打開和關閉閥門等相關。與例如批處理中的設備的表示相關的分層結構1102被顯示在分層結構1100附近。分層結構1102內的表示已參考圖10進行了更詳細的描述。
現在轉到圖12，示出了表示分層結構1100和1102(圖11)的一種可能結合的分層結構1200。可將單元(諸如圖10中所述的工作單元)與設備過程、設備單元過程、設備操作、和設備階段相關聯。由此，這些過程、操作和相可與特定工作單元相關聯。設備模塊可與一個或多個設備階段相關聯，并可在分層結構中的控制模塊之上。短暫參看圖13，示出了可結合設備控件使用的分層結構1300。該分層結構基本上與設備單元的單元部分內所描述的相類似。如上所述，圖11-13中所示的分層結構可基于諸如ISA88、ISA95等標準或其它標準。但是構想了可用于建模整個工廠的任何合適表示。此外，這些圖中所示的表示可被直接實現成控制器。例如，根據圖11-13中所述的分層結構的任何部分的對象可與允許此類對象的創建的狀態機一起存在于控制器內。
以上所描述的包括各個示例性方面。當然，為了描述這些方面，描述可設想的組件或方法的每一種組合是不可能的，但是本領域普通技術人員可認識到許多其它組合和變形是可能的。據此，本文中所描述的方面旨在包括落在所附權利要求書精神和范圍內的所有這些變更、修改和變體。此外，就此詳細描述或所附權利要求書中所使用術語“包括”的程度而言，該術語旨在像術語“包含”在權利要求中用作過渡詞時所解釋的那樣成為包含性的。
權利要求
1.一種工業自動化系統，包括至少一個控制器，用于例示組織分層結構的一部分；以及所述控制器中的通信組件，用于與所述組織分層結構中的至少另一部分交互。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述組織分層結構具有一個或多個數據節點和分支，所述一個或多個數據節點和分支在基本上企業的全部或各部分上查看、管理或分布的同時被作為單個或集合的實體來管理。
3.如權利要求2所述的系統，其特征在于，還包括一個或多個組織單元。
4.如權利要求3所述的系統，其特征在于，所述組織單元被包括在至少一個其它組織單元內。
5.如權利要求4所述的系統，其特征在于，所述組織單元包括節點的物理位置或邏輯分組。
6.如權利要求5所述的系統，其特征在于，還包括構成系統的應用程序視圖的圖形用戶界面(GUI)。
7.如權利要求6所述的系統，其特征在于，所述GUI結合控制系統數據與信息技術(IT)應用程序。
8.一種計算機可讀介質，所述計算機可讀介質上存儲了用于控制組織數據模型的數據結構，所述數據結構包括第一數據字段，用于指定控制器數據結構；第二數據字段，用于指定企業數據結構；以及第三數據字段，用于以分層結構形式聚合所述控制器數據結構和所述企業數據結構。
9.如權利要求8所述的計算機可讀介質，其特征在于，還包括企業字段、場所字段、區域字段、工作字段、設備字段、批字段、連續字段、離散字段和存貨字段中的至少一個。
10.一種控制數據對象通信方法，包括在控制模塊中定義數據結構；將所述數據結構分配給網絡地址；以及經由所述網絡地址將所述數據結構與分層結構數據模型相關聯。
全文摘要
分層結構系統的組織模型可分布在企業的各個元上。這些元包括在較高層商務服務器上維護的系統的表示、以及提供諸如可編程邏輯控制器和/或其它工業控制組件等系統的控制元的表示。在一個方面，提供了一種工業自動化系統。該系統包括至少一個控制器，用于例示組織分層結構的一部分。控制器中的通信組件與該組織分層結構的至少一個其它部分交互，以便于企業各組件之間的數據交換和控制。
文檔編號G06F17/30GK1952815SQ20061013175
公開日2007年4月25日 申請日期2006年9月30日 優先權日2005年9月30日
發明者S·昌德, S·C·布賴恩特, K·H·豪爾, G·W·胡德, J·J·貝爾, M·D·卡蘭 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司