工业现场设备替换系统的制作方法

1.本发明涉及工业现场设备替换系统、工业现场设备替换的方法和计算机程序元素。


背景技术：

2.工业工厂的体系结构目前从控制器-中心的架构(其中每个现场设备直接连接到控制器)被改变到网络-中心的架构(其中许多控制器和其他设备订阅设备)。
3.这种以网络-中心的架构比以控制器-中心的架构更灵活、更具可扩展性。但是，更换故障的现场设备的过程变得更为复杂，或在网络-中心的架构内，更换某一设备寿命接近的设备可能构成困难。
4.当在控制器-中心架构中替换设备时，此设备提供的值可以被临时替换为控制器侧的仿真值。
5.然而，在网络-中心的架构中，当设备在更复杂数据流依赖性下运行时(比如从移动app或云服务)，设备更换更加复杂。目前，整个工厂部分必须手动停止，这导致长时间的减产或停产。
6.此外，更换现场设备意味着维护工程师很大的努力，以：
7.建立与设备的连接，以便下载设备的当前的配置，因为它可能已经使用本地hmi被更改；
8.物理地断开和移除待更换的设备；
9.检查新设备的放置；
10.连接设备的电缆；
11.建立与网络的连接；
12.上传设备的配置。
13.总的来说，更换是一个繁琐且容易出错的，需要大量的人工工作，并可能导致产量减少或停产的过程。
14.存在解决这些问题的需求。


技术实现要素：

15.因此，改进工业现场设备更换的技术具有优势。
16.本发明的目的通过独立权利要求的主题被解决，其中进一步的实施例并入从属权利要求。
17.在第一方面中，提供了一种现场设备更换系统，包括输入单元；和处理单元；输入单元被配置为接收将待更换特定设备的身份信息，其中，特定设备在多个设备的网络中，并且其中输入单元被配置向处理单元提供特定设备的身份信息。在特定设备更换之前，处理单元被配置确定将多数设备中要被特定设备的更换所影响的一个或多个另外设备。确定包括特定设备的身份信息的使用。在特定设备的更换之前，处理单元被配置为将一个或多个
另外设备的操作模式从正常模式改变到安全模式，使得当特定设备不可用时，一个或多个的另外设备不会被影响(即，使得如果待替换的设备不再提供数据，则他们将不会发布错误消息)。
18.在一个示例中，在特定设备已经被替换设备更换后，处理单元被配置将设备配置传送给替换设备。
19.在一个示例中，在更换特定设备之前，处理单元被配置为从特定设备接收设备配置并且被配置为存储特定设备的设备配置。在特定设备已经被替换设备更换后，被传送给替换设备的设备配置包括特定设备的设备配置。
20.在一个示例中，处理器单元被配置为从服务器选择设备配置。选择包括特定设备的身份信息的使用。在特定设备已经被替换设备更换后，被传送给替换设备的设备配置包括从服务器选择的设备配置。
21.需要注意的是，服务器可以指硬件设备，但服务器也可以指托管在物理服务器上的数字存储库，或者作为其他基础设施组件的一部分提供的服务。因此，“服务器”是一般意义上的意思，可以是任何用于存储/取回设备配置数据的数字存储库，并且实际上可以在云端中。
22.在一个示例中，在所述特定设备已经被所述替换设备替换之后，所述处理单元被配置为将所述一个或多个另外设备的操作模式从安全模式改变为正常模式。
23.在一个示例中，在特定设备被替换设备更换之前，处理单元被配置为接收从特定设备到一个或多个另外设备的一个或多个信号。在特定设备已经被替换设备更换后，处理单元被配置为将由替换设备输出的一个或多个新信号和从特定设备到一个或多个另外设备的一个或多个信号进行比较。处理单元被配置为：基于确定由所述替换设备输出的一个或多个新信号匹配从所述特定设备到所述一个或多个另外设备的一个或多个信号，将一个或多个另外设备的操作模式从安全模式改变到正常模式。
24.在一个示例中，一个或多个另外设备的操作的安全操作模式包括将一个或多个另外设备设置为一个或多个仿真模式。
25.在第二方面，提供了一种工厂现场设备更换系统，包括：输入单元；和一个处理单元。
26.输入单元被配置为接收待更换的特定设备的身份信息。特定设备在多个设备的网络中。输入单元被配置为提供特定设备的身份信息给处理单元。在特定设备被更换以前，处理单元被配置为选择特定设备将要被实施的仿真。选择包括特定设备身份信息的使用。
27.在一个示例中，在特定设备已经被替换设备更换后，处理单元被配置传送设备配置给替换设备。
28.在一个示例中，被传送给替换设备的设备配置是在特定设备仿真中使用的设备配置。
29.在一个示例中，在更换特定设备之前，处理单元被配置为从特定设备接收设备配置。特定设备的仿真被配置使用从特定设备接收的设备配置。
30.在一个示例中，处理单元被配置为从服务器选择设备配置。选择包括特定设备的身份信息的使用。特定设备的仿真被配置为使用从服务器选择的设备配置。
31.同样，这里“服务器”是一般意义上的意思，可以是任何用于存储/取回设备配置数
据的数字存储库，并且实际上可以在云端中。
32.在一个示例中，处理单元被配置为从存储在注册表的多个仿真选择特定设备的仿真。
33.在一个示例中，处理单元被配置为运行特定设备的仿真。
34.在一个示例中，处理单元被配置为指令另外处理单元运行特定设备的仿真。
35.在一个示例中，处理单元或另外处理单元被配置为发送至少一个仿真值给多个设备中的一个或多个。
36.在第三方面，提供了一种工业现场设备更换方法，包括：
37.接收待更换特定设备的身份信息，其中特定设备在多个设备的网络中；
38.在更换特定设备之前，确定多个设备中的将要被特定设备更换所影响的一个或多个另外设备，其中确定包括使用特定设备的身份信息；并且
39.在更换特定设备之前，一个或多个另外设备的操作模式从正常模式改变到安全模式，使得当特定设备不可用时，一个或多个另外设备不受影响。
40.在第四方面中，提供了一种工业现场设备更换方法，包括：
41.接收待更换特定设备的身份信息，其中特定设备在多个设备的网络中；和
42.在更换特定设备之前，选择要实现的特定设备的仿真，其中该选择包括使用特定设备的身份信息。
43.在第五方面中，提供了一种计算机程序元素，用于控制根据第一方面所述的系统，在所述计算机程序元素由处理器执行时被配置执行根据第三方面所述的方法。
44.在第六方面，提供了一种计算机程序元素，用于控制根据第二方面所述的系统，在所述计算机程序元素由处理器执行时被配置执行根据第四方面所述的方法。
45.参考下文描述的实施例，上述方面和实施例将变得显而易见，并被阐明。
附图说明
46.将参考以下附图在下文中描述示例性实施例：
47.图1示出了设备更换系统(或服务)的示例；和
48.图2示出了图1的两个设备更换系统(或服务)的详细工作流程的示例。
具体实施方式
49.图1和图2涉及工业设备更换的系统方法。
50.工业现场设备更换系统的示例包括：输入单元；和处理单元。
51.输入单元被配置为接收待替换的特定设备的身份信息。特定设备位于多个设备的网络中。输入单元被配置为提供特定设备的身份信息给处理单元。在更换特定设备之前，处理单元被配置为确定多数设备中的将要被特定设备的更换所影响的一个或多个另外设备。确定多个设备中的将要被特定设备的更换所影响的一个或多个另外设备包括特定设备的身份信息的使用。在特定设备的更换之前，处理单元被配置为将一个或多个设备的操作模式从正常模式改变到安全模式，使得在特定设备不可用时，一个或多个另外设备不被影响。
52.处理单元也可以被认为用作为输出单元，它可以根据需要发送数据和值。这将在下面作更详细地解释。
53.根据示例，在特定设备已经被替换设备更换后，处理单元被配置为传送设备配置给替换设备。
54.根据示例，在特定设备的替换之前，处理单元被配置为接收来自特定设备的设备配置并且被配置为存储特定设备的设备配置。在特定设备已经被替换设备更换后，被传送给替换设备的设备配置包括特定设备的设备配置。
55.根据示例，处理单元被配置为从服务器选择设备配置。选择包括特定设备的身份信息的使用。在特定设备已经被替换设备更换后，被传送给替换设备的设备配置包括从服务器选择的设备配置。
56.根据示例，在特定设备被替换设备更换之后，处理单元被配置为将一个或多个另外设备从安全模式改变为安全模式。
57.根据示例，在特定设备的更换之前，处理单元被配置为接收从特定设备到一个或多个另外设备的一个或多个信号。在特定设备已经被替换设备更换后，处理单元被配置为将由替换设备输出的一个或多个信号输出与从特定设备到一个或多个另外设备的一个或多个信号进行比较。基于确定由替换设备输出的一个或多个新信号输出匹配从特定设备到一个或多个另外设备的一个或多个信号，处理单元被配置为将一个或多个另外设备的操作模式从安全模式改变到正常模式。
58.根据示例，一个或多个另外设备的操作的安全操作模式包括一个或多个另外设备被设置为一个或多个仿真模式。
59.工业现场设备更换系统的示例包括：输入单元；和处理单元。
60.输入单元被配置为接收待替换特定设备的身份信息。特定设备位于多个设备的网络中。输入单元被配置为提供特定设备的身份信息给处理单元，在特定设备被更换以前，处理单元被配置为选择将要被实现的特定设备的仿真。将要被实现的特定设备的仿真的选择，包括特定设备身份信息的使用。
61.同样，处理单元也可以被认为用作输出单元，它可以根据需要发送信息和值。
62.根据示例，在特定设备已经被替换设备更换之后，处理单元被配置为将设置配置传送到替换设备。
63.根据示例，被传送给替换设备的设备配置是在特定设备的仿真中使用的设备配置。
64.根据示例，在特定设备更换之前，处理单元被配置为接收来自特定设备的设备配置。特定设备的仿真被配置为使用从特定设备接收的设备配置。
65.根据示例，处理单元被配置为从服务器选择设备配置。选择包括特定设备的身份信息的使用。特定设备的仿真被配置为使用从服务器选择的设备配置。
66.根据示例，处理单元被配置为从存储在注册表(registry)的多个仿真中选择特定设备的仿真。
67.根据示例，处理单元被配置为运行特定设备的仿真。
68.根据示例，处理单元被配置为指令另外处理单元运行特定设备的仿真。
69.根据示例，处理单元或另外处理单元被配置为发送至少一个仿真值给多个设备中的一个或多个。
70.由此，结果是仿真的输出值被发送到设备，在其他情况下通过将被替换的设备接
收值，因此，将不会因未收到将被替换的设备本应接收到的值而出现任何错误指示。
71.工业现场设备更换方法的一个示例包括：
72.接收待更换特定设备的身份信息，其中该特定设备在多个设备的网络中；
73.在特定设备更换之前，确定多个设备中将被特定设备更换所影响的一个或多个另外设备，其中确定包括特定设备的身份信息的使用；和
74.在特定设备更换之前，将一个或多个另外设备的操作模式，从正常模式改变到安全模式，使得一个或多个另外设备在特定设备不可用时不被影响。
75.在示例中，方法包括在特定设备已经被替换设备更换后，传送设备配置信息给替换设备。
76.在示例中，方法包括在特定设备的更换之前，接收来自特定设备的设备配置和存储特定设备的设备配置。在特定设备已经被替换设备更换后，被传送给替换设备的设备配置包括特定设备的设备配置。
77.在示例中，方法包括从服务器选择设备配置。选择包括使用特定设备的身份信息。在特定设备已经被替换设备更换后，被传送给替换设备的设备配置包括从服务器选择的设备配置。
78.在示例中，方法包括：在特定设备已经被替换设备更换后，一个或多个另外设备的操作模式从安全模式改变到正常模式。
79.在示例中，方法包括：在特定设备的更换之前，接收从特定设备到一个或多个另外设备的一个或多个信号。在特定设备已经被替换设备更换后，方法包括将由替换设备的一个或多个新信号输出与从特定设备到一个或多个另外设备的一个或多个信号进行比较。基于确定由替换设备的一个或多个信号输出匹配从特定设备到一个或多个另外设备的一个或多个信号，将一个或多个另外设备的操作模式从安全模式改变到正常模式。
80.在示例中，其中一个或多个另外设备的安全操作模式包括一个或多个设备被设置为一个或多个仿真。
81.工业现场设备更换的方法的一个示例包括：
82.接收待更换设备的身份信息，其中特定设备在多个设备中的网络中；和
83.在特定设备的更换之前，选择将要被实现的特定设备的仿真，其中选择包括使用特定设备的身份信息。
84.在示例中，方法包括在特定设备已经被替换设备更换后，传送设备配置给替换设备。
85.在示例中，其中被传送给替换设备的设备配置是在特定设备仿真中使用的设备配置。
86.在示例中，方法包括在特定设备的更换之前，接收来自特定设备的设备配置。特定设备的仿真被配置使用从特定设备接收的设备配置。
87.在示例中，方法包括从服务器选择设备配置。选择包括使用特定设备的身份信息。特定设备的仿真被配置为使用从服务器选择的设备配置。
88.在示例中，方法包括从存储在注册表的多个仿真中选择特定设备的仿真。
89.在示例中，方法包括运行特定设备的仿真。
90.在示例中，方法包括从特定设备的仿真发送至少一个仿真值到多个设备中的一个
或多个。
91.计算机程序元素可以被使用以控制上述示例性系统之一，其在处理器运行时被配置为执行上述方法之一。
92.在示例中，提供了一种存储程序元素的计算机可读介质。
93.因此，以前更换故障现场设备或只是在设备使用寿命将近时更换现场设备(例如在工厂中)，将需要停止部分生产过程，这可能导致长时间的停产。此外，以前这样的生产过程是一个复杂和容易出错的过程，在大部分情况下由维护工程师手动完成。然而，设备替换系统或服务(drs)(可以表现为软件)，可以自动执行许多以往必须手动完成设备的更换步骤。它要么识别受更换所影响的设备，并且从而对受影响的设备进行更细粒度的禁用，要么在更换期间移交给仿真设备，允许(例如，以减产的方式)继续生产(至少对应非关键设备)。一个好处是，工业工厂维护的情况下的生产停工被降低，限制工厂需要被禁用的部分是有限的，并且维护工程师的手动工作负荷被减少。
94.因此，新的技术以最佳方式支持工程师。它考虑了受影响的设备，并允许即将到来的伴随网络-中心架构的技术变化，比如，通过opc ua发布/订阅的通信和数字化映射的集成。
95.现在详细描述现场设备更换的系统和方法(例如drs)的具体实施例，再次参考图1和图2。
96.为了改善设备更换场景，开发了设备更换系统或服务(drs)，它使用专门编写的软件，drs可自动执行之前必须手动完成的许多设备更换步骤。特别是，它考虑了更换设备所影响的设备。
97.drs支持两种可选的工作模式：
98.a)存储设备配置，在更换过程中检测受影响的设备并将其设置为仿真模式，之后恢复设备配置；和
99.b)集成设备的基于软件的仿真模型，包括待更换的设备的配置和历史值，这使其能够临时接管设备的任务，而不会对受影响的设备产生任何影响。
100.维修工程师可以决定这两个选项，例如，基于受影响的设备的预期数量。
101.如果潜在的许多设备都受到影响，选项b)可能更合适，因为它可以使这些设备的后果最小化。然而，选项b)可能需要综合仿真模型，其中来自不同生命周期阶段的信息可用，并且具有允许无缝接管的通信模型，例如通过ip多播发布或订阅。
102.drs减少了工业工厂在维护情况下的生产停机时间，因为它允许细粒度关闭受影响的设备(至少对于更换非关键设备而言)，或者完全没有必要关闭。它还通常可以通过减少设备更换的人工工作而支持维护工程师。
103.处理的实施的原理(检测受影响的设备，恢复设备配置，超过将被仿真替换的设备)详细描述如下。
104.如图1和图2的流程图所示，低干扰设备更换过程开始于维护工程师通过drs的用户界面宣布更换设备。
105.对于选项1，drs随即检测受更换所影响的设备并将其显示给工程师。这是通过igmp查询完成。如果工程师根据列表同意更换，drs存储设备配置并将受影响的设备发送到仿真模式或其他模式，以确保设备不可用时不会造成危害。在设备(物理上)被替换后，旧设
备的配置被传送给新设备并且新设备的信号匹配。信号自动匹配工作基于来自设备的信号参考与控制器中编码的信号的比较。如果工程师确认找到的匹配项，则受影响的设备将设置为正常模式并完成更换过程。
106.对于选项2，在注册表中查找仿真设备，并且在更换真实设备之前，drs管理仿真设备的切换。使用还存储配置参数的基于软件的设备仿真模型可以有助于在虚拟委任仿真中测试替换。使用这样的“数字化映射”，可以根据存储在云端或iot边缘所运行的数字化映射中工程阶段已知的数据，获取设备的配置。当用仿真模式替换真实设备时，即数字化映射，运行时，值的发布会从真实设备无缝传送到仿真设备，并在更换后从仿真设备返回到新的替换设备。其他步骤(即加载设备配置和重新匹配信号)，工作和选项1类似。
107.处理单元的功能，并参照以下示例性操作结合图1所示而理解。作为输出单元的处理单元可以用于：
108.情况a)将信息发送到其他连接的设备，以将它们设置为安全操作模式并重置该模式。
109.情况b)将仿真过程值连续发送到其他受影响的设备。情况b)的输出路径如图1所示(如数字化映射和控制器之间的箭头)
110.对于情况b)过程值可以通过发布/订阅被发送给其他设备，同时对于情况a)设置其他设备为安全模式也能通过客户端/服务端完成(opc-ua情形下)。
111.下面提供了有关drs操作特性的具体细节。
112.检测受影响的设备：
113.检测受设备更换所影响的设备的一种机制是使用网络信息检测受另一设备更换所影响的设备集合。例如，设备可以基于opc ua udp使用ip多播发布信号。由此，这需要确定设备向其发布信号的多播组的全部成员。ip多播避免了在所有的接收器上建立集中视图。由此，drs依赖于互联网组管理协议(igmp)，实现了一种请求-响应机制，即igmp查询器从本地网络中的主机请求成员资格报告。订阅者用路由器和交换机使用的各自成员报告来回答，以动态配置多播转发/过滤。
114.因此，为了确定受影响的设备，drs实施了一个igmp监视器，在更换过程中监听子网内的全部igmp报告。
115.恢复设备配置：
116.drs自动下载设备的配置，存储它并将其传送给替换设备。对此，两种设备都使用相似的参数，或者参数集之间的适当映射可用。
117.如果待更换的设备仍在运行并且由于预计将来会开始出现故障(比如预测性维护的识别)而将被更换，则直接下载设备配置。
118.如果设备已经停止工作，则可以识别设备配置的替代来源，比如工程服务器。
119.移交给数据孪生：
120.为了实现选项2，如图1和图2所示，drs可以连接到部署在云端或iot边缘的数字化映射注册表。注册表管理生产工厂中各种现场设备的数字化映射(dt)，即仿真模型，并允许drs查找特定设备的数字化映射。
121.数字化映射不仅包含其对应设备的操作数据，还包括来自其生命周期中的所有数据，例如从工程服务器下载的工程数据。如果来自工程阶段的原始配置已被更改，则drs会
将当前设备的配置新备份上传到数字化映射。数字化映射注册表还与同样部署在云端或iot边缘的数字化映射运行时协作，在云端或iot边缘处执行仿真模型，即在这里执行现场设备的仿真。
122.当在更换物理设备期间使用仿真设备时，如果可以确保仿真足够充分，其他连接的设备不会被更换所影响，即对仅仿真发送数据的设备没有进一步的影响。这可以借助ip多播通过opc ua发布/订阅实现：设备及其数字化映射两者都运行相应的opc ua服务器，并且从真实设备的值发布到其数字化映射发布的值之间进行切换仅意味着新opc ua服务器开始在与旧opc ua服务器相同的多播组上发布。这些值的订阅者可以是任意数量的控制器。
123.为了同时快速安全地在真实设备与其数字化映射之间的切换，drs和数字化映射注册表已经在每个数字化映射的注册过程中管理了发布者和订阅者之间的证书交换。在更换完成后，drs还管理从替换设备的数字化映射回到新设备的切换。
124.通过利用数字化映射在其设备的不同生命周期阶段保留的各种数据，可以实现高质量的仿真，即适当且真实的仿真值。在切换过程中，旧设备的设备配置也可以通过数字化映射下载到替换设备。
125.总而言之，使用此选项，可以避免发现和处理受设备更换所影响的设备，同时仍然可以执行对整个生产工厂最小干扰的更换。
126.尽管在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为时说明性的或示例性的而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和从属权利要求，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变化。