用于在生产中使用的设备和用于建立生产交互的方法与流程

本发明涉及用于在生产中使用的设备、用于建立生产交互的网络控制器和方法。

背景技术：

生产网络包括若干生产设备或模块，例如输送带（conveyerbelt）或磨削机（millingmachine），它们提供例如输送或磨削的生产服务的。一旦设立生产网络，改变生产网络就是劳动密集的。因此，在工业自动化的环境中，已经介绍所谓的网络物理生产系统（cyberphysicalproductionsystem）（cpps），其包括提供到通信网络的接口的网络物理生产模块（cppm）。

然而，不得不协调在生产网络和通信网络之间的通信。

本发明的一个目的是提供促进网络物理生产、特别是生产线的设立的可能性，以及特别是提供协调通信使得可以灵活地适配生产网络的可能性。

技术实现要素：

这是通过在独立权利要求中公开的事物来解决的。有利的实施例是从属权利要求的主题。

本发明涉及可以在生产中使用的设备。

设备提供例如输送的至少一个生产服务，因为设备是输送带。替代地，其可连接到提供生产服务的设备，例如作为可以被添加到现有的生产设备用于提供必要的接口的模块。后面的选项允许现有的设备的“升级”，因此可以节省成本。

通过第一或“物理的”接口与至少一个其他生产设备交换与至少一个物理性质相关的数据。

通过第二或“网络物理”接口与至少一个其他生产设备交换与至少一个生产服务性质相关的数据；通过第三或“通信”接口可以建立通信链接。

这具有如下优点：可以提供具有必要的服务的质量（qos）的通信，例如通过经由物理接口提供生产设备的类型并且通过网络物理接口提供用于使用具有规定的最大延迟和具有规定的最大误码率的生产设备通信的信息。

根据有利的实施例对接口中的至少两个进行组合。这可以促进新生产设备的集成。

本发明进一步涉及相应的方法，其中通过在第一生产设备和第二生产设备之间建立用于生产设备的至少一个物理性质的交换的物理链接来建立在第一生产设备和第二生产设备之间的生产交互；在第一生产设备和第二生产设备之间建立用于至少一个生产服务性质的交换的网络物理链接；

从一个或多个生产服务性质导出至少一个通信性质并且请求在第一生产设备和第二生产设备之间的、具有导出的至少一个通信性质的通信链接。

提供的技术方案特别地具有优点以促进网络-物理生产系统的操作。尤其可以支持插入和自动化（plug&automate）行为。

特别地仅基于每个生产设备或cppm的通信需要的本地知识和它们彼此交互的方式，可以自动地完成用于复杂的生产系统的网络要求的提取。

附图说明

根据随后的描述和从属权利要求，结合附图，本发明的其他的实施例、特征以及优点将变得清楚，附图示出了：

图1具有网络-物理端口和链接或网络物理生产系统的生产网络；

图2在坐标系统中的网络物理生产系统（cpps）；

图3生产网络的视图；

图4在生产网络中提供的服务的视图，以及

图5用于交换与在生产网络中提供的服务相关的数据的通信网络的视图。

在图1中描绘了生产设备pd1、pd2、pd3、pd4、pd5、pd6。将任何生产设备定位在例如生产大厅（productionhall）的定义的区域中，生产或生产的部分在其中发生，针对第一生产设备pd1通过坐标（x,y,z）的集合来指示它。

在第一步骤中，通过使用物理接口pp建立在两个生产设备之间的第一连接。通过该连接或链接，确定其他的生产设备的物理性质，例如生产设备的本地位置（localposition）。

网络物理生产系统cpps的实际的或物理布局是已知的，通过坐标系统确定每个生产设备或网络物理生产模块cppm的确切位置。

第一生产设备pd1由抓握机器人（grippingrobot）构成，所述抓握机器人将工件（workpiece）从由第五生产设备pd5构成的输送带放到由第二生产设备pd2构成的磨削机。然后通过例如在3维的正交系统中的抓握设备的机器人的明确定义的点来描述抓握机器人的本地位置。

替代地，可以通过极坐标来描述抓握机器人的本地位置。在只有2或1维是必要的情况下，例如输送带沿着线完全在相同的高度处输送工件，可以通过二或一维坐标描述位置。在只有到邻近的生产设备的距离是重要的情况下，可以通过生产设备之间的距离来描述本地位置。

在任何两个生产设备或网络物理生产模块cppm之间的、之后可以关于设想的服务来确定的邻近关系仅当两者物理地彼此接近并且生产功能可以从其邻居赶上（overtake）工件或换言之“物理生产接口”存在时存在。这允许实际的或物理的交互。在本申请中描述的其他接口，物理接口、网络物理接口和通信接口所有都涉及数据交换。

替代地或附加地作为另一个物理性质，可以确定是否为生产供应能量或/和操作供应（operatingsupply）或/和是否校准生产设备。需要知道的生产设备彼此的哪些物理性质，即对于生产设备而言需要哪些物理性质取决于例如生产的种类、生产设备的类型等。

经由物理接口可以建立绕线（wirebound）或/和无线连接。

如果其他生产设备的要求的物理性质对发起生产设备的链接是已知的，则跨网络物理接口cp确定网络物理性质，即可以由生产设备提供哪个生产服务或哪些生产服务。通过连接相应的网络物理端口来优选地完成在生产设备或cppm之间的该关联。

替代地或附加地，可单独地从物理性质或与经由网络物理接口提供的信息组合地导出一个或多个生产服务性质。

根据一个实施例，网络物理端口的连接仅在物理的链接的建立或插入过程期间发生。

替代地或附加地，关联还在之后的阶段发生。

作为网络物理性质或生产服务性质，确定生产设备的能力，例如第一生产设备pd1形成抓握机器人，所述抓握机器人可以在某个范围内输送具有预定义的尺寸或在可能的尺寸的范围内或/和重量的工件，以及第五生产设备pd5形成输送带，所述输送带可以以某个速度从起始位置向结束位置输送工件。

可以替代地或附加地确定的其他的生产服务性质是关于例如在第一生产模块pd1和第五生产设备pd5之间的要求的实际的或物理的交互的信息，所述信息为抓握机器人将工件放在输送带上的预定义的位置或区域或范围上。

要被确定的重要的服务性质是对于预期的生产方面而言要求与哪个设备的哪个通信。

例如关于输送t，要求到邻近的输送带的通信，也参见图4。对于供应sup/存储sto功能，需要在例如第一输送带的入口的点和例如最后的输送带的退出点之间的通信。

此类通信性质包括最大允许的延迟、抖动、要求的带宽、重要性和与其关联的优先级或连接的可靠性。

根据一个实施例还可以固定通信的路由，即通过哪个网络节点来交换数据，例如经由第一网络节点n1和第三网络节点n3或经由第一网络节点n1和第二网络节点n2交换数据。

对于不同类型的服务或/和工作负载的不同级别，通信性质可以是不同的。

除了例如输送或磨削的一个或多个生产服务之外，生产设备可以提供诸如面向it的服务之类的非生产服务，例如用于生产材料或消耗品的订购或生产系统的集中维护。

当确定了用于生产设备的要求的通信性质时，则生产设备向通信网络发送通信服务请求，例如经由通信接口np或网络端口向网络控制器发送通信服务请求。可以预定义哪个生产设备发送通信服务请求或在生产设备之间进行协商或还可以两者都发送通信请求。对于后者，在请求之间矛盾的情况下，控制器基于例如设备中的排序列表或/和情况依赖地决定如何将优先级赋予请求或是否不得不向设备澄清矛盾。

根据另一个实施例，跨物理接口pp、网络物理接口cp和通信接口np通信的功能可以在可以被连接到或附接到生产设备的分离的模块或设备中。因此，对已经现有的生产设备的升级是可能的，其可以节省成本。

在图2中，将网络物理生产系统cpps定义为定位在坐标系统cs中的生产单元或生产设备的图。图的节点是生产设备或cppm。网络物理链接cpl表示其网络物理端口cp已经连接到彼此，即端口用作接口，的两个cppm之间的关联。该关联在该实施例中仅在cppm的插入过程期间发生。

每个cppm至少提供生产服务，在前置和后置条件（pre-andpostcondition）的列表中定义了所述生产服务对外部服务的依赖性。这些条件包括在给定的网络物理端口处cppm可以与其直接邻居协作的方式。

插入操作的前置条件，即建立物理链接的先决条件，除了其他之外，包括在两个cppm之间的物理邻近。相应的网络物理端口cp定义输入或输出，即实际的物理生产接口，其中工件可以被移交（handover）到或通过邻近的cppm移交，例如通过抓握机器人gr移交到第一输送带cb1。从该步骤中设立了生产网络，其指示可以正确地将工件从一个cppm移交到下一个cppm。

后置条件可以包括是否正确地指派服务，使得生产可以开始。

一旦cppm插入在一起，即将cppm定位在一起使得它们可以在彼此之中物理地传递工件，这被称作实际的“物理生产接口”。还实际地或物理地将cppm插入到公共网络，其中它们可以经由物理接口pp以有限的方式进行通信并且交换初始的信息，所述初始的信息包括它们的物理性质（例如它们可以与之交换工件的cppm的物理的端口和id）。意识到彼此的存在和它们的传递工件的可能性的直接邻近的cppm据称在它们之间具有网络-物理链接cpl，其中信息被交换，每个cppm声明它的提供的生产服务。这些服务沿着生产线互相连接到邻近的cppm。存在将两个生产服务关联在一起的两种方式：

1）可以沿着在生产网络内的路由（route）构建生产服务的串接（concatenation）。此处路由意味着在该路由内关联的每个cppm之间存在有效的网络-生产链接。

2）仅当沿着生产网络存在连接两个cppm的路由时，可以将不是沿着生产网络的直接邻居的两个生产服务组成在一起。这还意味着沿着路由的cppm应在其间提供简单的输送服务。

根据其他的实施例，非生产服务由一个或多个cppm托管。它们还在不要求生产网络路由或不间断的（uninterrupted）端到端路径的情况下连接到彼此。将这种服务网格揉和（meshup）描述为服务覆盖（overlay）。覆盖网络是连接托管在物理的节点上的逻辑端点的逻辑网络。覆盖链接仅指示通过给定的覆盖节点哪些逻辑节点是已知的以及它们的主机的标识符或id是已知的。覆盖端点不知道其间（即物理的网络）的设备的id。覆盖网络的示例是连接dns（动态域名服务器）服务器基础设施的全局网络。每个dns知道至少另一个根dns服务器（如果本地dns服务器不知道给定的url的ip地址，则其进一步向可能知道给定的url的ip地址的根服务器转发请求）。在该情况下，dns服务器应用是逻辑端点，而到其已知的dns服务器的逻辑连接是覆盖链接。端点仅知道它们的主机的网络id和它们的对等端点的那些。它们不在意其间的中间物理节点。将所有dns服务器连接到根服务器的全局dns网络包括世界范围因特网网络之上的覆盖网络。在自动化系统的情况下，生产系统包括沿着生产线连接在一起的物理排序的（ordered）cppm。在这些物理的设备之间还存在物理通信网络或基底（substrate）。然而，逻辑端点是沿着生产网络连接到彼此的被提供的服务。因此，生产服务正在形成沿着在cppm之间的网络物理链接cpl的逻辑结构的彼此并行的若干覆盖网络。覆盖存在于连接物理cppm的路由器和交换机的物理通信网络之上并且独立于物理网络的拓扑。

在图2中，将制造执行系统（mes）服务绘制为使用在cppm之间的过度（overly）链接ol的覆盖服务，其不要求找到生产路径，如上所述的那样。mes由在用于供应的第一输送带cb1和通向存储的第二供应器者带cb2之间的信息的交换形成。该逻辑连接不要求沿着生产线的网络物理路径，在该情况下其还将包括其他的cppm，即要知道的第一抓握机器人gr1、磨削台ms、第二抓握机器人gr2和涂料（painting）台ps。

因此，仅要求的连接性是经由通信网络的，其中联网路径需要存在于组成的服务实例的托管的cppm之间。

替代地或附加地，可以在其他个别的cppm或诸如在云中的服务器或应用或存储设施之类的其他装备之间安装mes服务。

在图3中，生产服务“输送”t由输送专门化模块组成，其中一个用于供应sup的输送带cb和一个通向存储sto的输送带cb。将其布局定义为若干cppm的串接，为每个提供输送服务。

当沿着生产网络的两个直接邻居已经完成物理地关联它们的网络物理端口或经由网络物理接口cp被关联时，这意味着该两个直接邻居能够物理地交换工件。现在满足了插入阶段的第一前置条件。现在存在沿着生产系统的第一链接和跳（hop）。

鉴于在退出端口处存在可以处理工件的输送类型的cppm，每个模块提供从一个输入端口沿着给定的轨迹（trajectory）到退出端口的输送t服务。用于cppm与其直接邻居协作的内部规则是由每个cppm单独地提供的服务描述的部分。通过硬编码（hardcoding），即通过将它们存储在非可擦除的存储器中，协商可能被简化并且因此更快地实现。

提供诸如存储sto、磨削m或打印p之类的其他服务。使服务的存在依赖于方向，因此反映生产网络物理拓扑，例如在cppm的左方向上或向右是否存在存储。替代地或附加地可以通过3维坐标描述方向，这取决于物理生产网络如何设立。在图3中，对于用于供应sup的输送带cb，例如磨削仅在向右侧的方向上或在该方向上打开的网络物理端口处是可用的。

在完成物理连接性之后优选地建立在两种生产服务之间的网络连接性。

为了发生这个，数据交换网络需要存在于两个托管cppm之间以便它们经由网络物理接口cp协商它们的网络端口。这意味着两个邻近的服务现在可以基于它们的服务描述来定义需要在它们之间发生的数据交换。

在图3的输送t服务组成的示例中，服务选出主驱动器或充当主机（master）的输送带cb，其向其他服务实例或cppm发布其速度和旋转模式（rotationpattern）。

输送t服务交互要求具有针对组合的服务的正确运转定义的保证的低抖动的低延迟通信，组合的服务即从入口点到退出点的输送，例如供应sup到存储sto的输送。

服务描述的部分，针对每个服务交互分别地描述在本地通信接口np处的预期的网络容量。可以将数据传递尺寸设计（dimension）为比特管道（bit-pipe），即针对在服务端点之间的连接分配最大带宽限制。

例如，服务输送可以包括两个数据交互，也就是

（1）协调工件处理，其要求到每个直接邻近的cppm的500kbps连接；

（2）协调速度交互，其要求来自协调主服务的附加的200kbps乘以（time）被协调的cppm的数量。此外，网络路径不得不以10msec的延迟限制和2msec的最大抖动递送数据。

其他非功能（nonfunctional），即不涉及提供的服务的正确运转，提供的要求可以与诸如应用服务的可靠性级别、重要性级别之类的预期的qos要求相关联。在以下表格中列出可能的通信属性的列表。

一旦完成服务网格揉和，其中服务实例被托管的所有cppm是已知的，并且还定义了针对在任何两个服务端点之间的数据交换的交互和关联。可以将得到的对资源或要求的通信服务的需求描述为连接服务实例的覆盖网络，其中每个覆盖链接的要求的网络容量是已知的。如果这两个服务需要彼此交换数据，则链接直接地存在于该两个服务之间。链接的容量合计来自在那两个服务实例之间的所有交互的所有要求。这被称为通信服务请求，其定义覆盖链接，每个覆盖链接根据出现在该逻辑链接上的所有交互的组合来设计尺寸。针对生产服务，如上所述的生产网络的布局和交互描述导致在每个覆盖链接上的要求的总和。

通信覆盖和其链接、成员cppm以及链接容量被认为是通信服务请求。通过该通信服务请求，可以从网络请求必要的通信资源。

可以将请求发送到例如控制器的网络配置器，其可以访问网络元素并且定义每联网元素和每链接的转发条目（forwardingentry），以保证每个覆盖链接的连接性要求和qos容量。通信网络具有搜索合适路由并且保留必要的带宽的机制，以便满足在以下表格中列出的通信服务要求。

在图4中，示出了在图3中描绘的生产网络的服务组成视图。生产链接存在于作为生产设备的相应的输送带之间并且被以实线描绘。用虚线描绘的针对供应sup到存储stomes服务的相应的通信服务请求其特征在于针对该服务指派中等重要性的覆盖拓扑。

相比之下，对于用实线描绘的输送服务，通过覆盖拓扑来设计通信服务请求，要求高重要性和高可靠性的低延迟通信），只要生产路径存在就仅要求此。

在图5中，描绘了用于生产网络的通信网络的视图。在该示例中，对应于图4的不同服务的链接采取了不同的路由，即跨不同的网络节点，这取决于针对服务的数据交换的要求。

可以通过名称和id来指定通信服务，所述名称和id可以从在单个覆盖中连接的生产服务名称来推断，例如可以将连接service_transportation@cppm1、service_transportation@cppm3、service_transportation@cppm4的覆盖称为service_transport）。

可以通过任何服务实例来请求通信服务的创建。根据优选的实施例，通过协调主服务来请求其。鉴于生产网络连接性是正确地建立的，添加到生产网络的每个cppm可以加入该生产服务。

新cppm然后可以连接到逻辑网络。“joinservice_transport（加入service_transport）”命令可以在存在之间的路由的建立之后沿着生产网络发送到新cppm。

一旦用户有意地（例如软件更新、重新编程等）或者因为cppm物理地断开或生产路由已经断裂卸下服务，就发送“leaveservice_transport（离开service_transport）”。如果cppm完全地隔离于生产系统的其余部分，则可以发送“removefromallserviceoverlays（从所有服务覆盖移除）”命令。

根据描述的示例，网络连接性总是存在于cppm和通信服务的配置器之间以便发送此类命令。如果网络配置器不能到达cppm，则更新cppm是不可到达的的生产网络，向剩余的cppm发送“suspendcppmfromservice_transport（从service_transport挂起cppm）”来通知它们生产网络已经改变。仍然活跃的cppm挂起（suspend）到错失的cppm的通信，以及适配它们的生产网络视图。

在本发明中介绍的在网络和生产网络之间的依赖性还影响创建、更新和改变通信服务的所有阶段。一建立在至少两个cppm之间的第一生产服务网格揉和，就可以通过第一发起cppm发送“createcommunicationservice（创建通信服务）”命令。该命令先于通过向后连接的其他cppm发送的“join（加入）”命令。仅当维持存在于服务之间的生产路径时，在物理网络内的建立的通信服务才是正确的。

诸如mes过程之类的非生产相关的服务可能创建服务网格揉和而没有沿着生产网络的直接路径。

因此，此处不要求以上的对生产网络的依赖性。网络配置器仅要求两个cppm被物理连接到通信网络用于要被执行的“create（创建）”、“join（加入）”或“leave（离开）”通信服务命令。

作为示例性实施例，以下表格定义了哪些通信服务要求可以是通信服务请求的部分以及在参数方面描述该要求的方式。

因此本发明的一个优点是在网络物理生产模块（cppm）之间存在具有正确的网络qos且不具有明确的配置的连接性的提供。

使用通信本体论（ontology）以描述qos要求可以来自何处（例如可以在每个服务实例的服务描述中将带宽、延迟、可靠性进行硬编码）也是可能的。在针对网络参数的插入阶段期间要在服务之间采用的实际值的协商取决于在生产覆盖（或服务网格揉和）中的服务实例的动态数量、连接它们的覆盖链接的布局。

cppm应能够发现可以彼此相关联的彼此的服务（即，存在在关联的cppm之间的网络物理链接或其间的覆盖路径）。该约束是用于请求在关联的cppm之间的通信服务的先决条件（pre-requisite）。

中断生产网络也具有关于自动地更新通信服务的直接的含义。本发明覆盖如本文介绍的那样的如何从生产网络的知识和本地服务描述自动地生成请求的通信服务。

此外，系统范围的策略也可以基于服务属性，诸如定义将在插入阶段协商的所有生产相关的服务分类为“高度地重要的”和要求“高可靠性”通信服务的服务规则。在拥塞或竞争有限的网络资源的情况下，非生产相关的服务接收剩余的网络容量并且被视为较低优先级。

虽然已经根据优选的实施例描述本发明，但是对本领域技术人员来说明显的是在实施例之间的完全地或在一个或多个方面中的修改或组合在所有实施例中是可能的。