具有至少一个现场设备和至少一个控制单元的自动化系统的制作方法

本发明涉及一种具有至少一个现场设备和至少一个控制单元的自动化系统以及一种用于运行这样的自动化系统的方法。

背景技术：

用于制造或加工工件的机器，例如工具机器或幅面加工机器大多具有多个不同的机器构件或设备（操纵器、马达、调节器、执行器、控制单元，等等），所述机器构件或设备可以借助网络如以太网相互联网。用于自动地运行这样的机器或自动地执行由所述机器执行的制造工艺或加工工艺的自动化解决方案大多根据所谓的自动化金字塔来划分。根据一种这样的自动化解决方案或自动化金字塔，将所述系统划分成不同的层面；或者系统的不同构件和由这些构件执行的功能定义自动化金字塔的不同的层面。

这些层面中的一个层面是所谓的现场层面，在所述现场层面中尤其进行实际的制造工艺或加工工艺。现场层面在此描述机械的、电的、液压的、气动的或类似的机器构件，例如发电机、马达、驱动器。此外，现场层面包括现场设备，所述现场设备直接集成在生产设施的这些构件中并且被需要用于控制或调节生产设施的这些构件。现场层面在此尤其包括现场设备、诸如传感器、执行器、驱动器、探测器、键控器和开关。

现场层面的这些现场设备可以与在现场层面的上一级的所谓的控制层面中的控制装置连接，例如与存储器可编程的控制装置连接。现场层面的传感器可以将所检测的数据转发到所述控制装置上或者控制装置可以向现场层面的执行器传送控制信号。控制层面的控制装置也可以例如具有人机接口并且例如用于测量数据的可视化。

控制层面的控制装置又与所谓的操作或导向层面的上一级控制单元处于连接中，所述操作或导向层面位于控制层面的上一级。该导向层面尤其描述自动化系统的最上层面，整个设施的组织、规划、管控在该最上层面中进行。

现今，机器的各个层面的不断增加的联网起着越来越重要的作用，然而这在自动化金字塔中仅仅有条件地可能。

技术实现要素：

根据本发明，提出具有独立权利要求的特征的一种具有至少一个现场设备和至少一个控制单元的自动化系统以及一种用于运行这样的自动化系统的方法。优选的构型是从属权利要求的以及以下描述的主题。根据本发明自动化系统的和根据本发明的方法的优点和优选的构型由以下描述以类似的方式和方法得出。

自动化系统被设置用于提供应用接口，通过所述应用接口能够执行用于管理所述至少一个现场设备的管理数据从所述至少一个控制单元到所述至少一个现场设备上的数据传输。

符合目的地，至少一个现场设备以及至少一个控制单元是用于制造或加工工件的机器——例如工具机器或幅面加工机器的构件或设备。符合目的地，自动化系统能够实现这些机器的自动化运行或相应的制造或加工工艺的自动化执行。

至少一个现场设备尤其是一种根据传统的自动化金字塔可以分配给现场层面或控制层面的设备。至少一个控制单元尤其是根据传统的自动化金字塔符合目的地可以分配给位于控制层面上一级的层面、尤其是导向层面的设备。

为了运行自动化系统，在该上下文中区分管理数据和所谓的现场数据。管理数据尤其是用于管理、尤其用于配置、调节、检查和/或维护现场设备或现场设备的功能的数据。在该上下文中，尤其以下数据理解为管理数据：所述数据指示现场设备实施确定的功能，和/或，借助所述数据可以确保或检查现场设备的更安全的运行。例如，管理数据可以是可实施的程序代码或者是这样的程序代码的一部分，通过其实施，指示现场设备来履行确定的功能。也可以考虑，通过所述管理数据配置、参数化、检查和/或修改这样的可实施的程序代码。在该上下文中，管理数据尤其也称作管控数据并且管理数据的数据传输符合目的地在所谓的管控通信的过程中实现，在所述管控通信的过程中，上一级的控制单元访问现场设备，以便管理现场设备或其功能。

在该上下文中以下数据称为现场数据：尤其在实施现场设备的或机器的功能期间产生和交换所述数据。符合目的地，现场数据描述在所实施的功能期间现场设备的或机器的当前状态。符合目的地，现场数据由现场设备通过测量技术来检测和/或通过计算来确定和/或相互交换。尤其，传感器数据可以视为这样的现场数据、即尤其物理参量的借助传感器通过测量技术检测的当前值。用于现场设备的和因此机器的控制或调节的实际值和/或额定值在该上下文中符合目的地也可以理解为现场数据。符合目的地，现场数据也称作运行数据，并且现场数据的交换尤其在所谓的运行数据通信的过程中实现。因此，运行数据通信尤其面向由现场设备执行的过程，而管控通信符合目的地涉及设备与机器拓扑。

对于现场数据的交换或传送，尤其需要有实时能力的通信。为此目的，尤其使用有实时能力的通信信道，符合目的地，有实时能力的现场总线、运动总线和/或自动化总线，例如sercos2、sercosiii、ethercat、profinetirt、以太网/ip、profibus等等。与此不同，符合目的地，对于管理数据的传送不需要实时能力的通信。应用接口因此尤其是不具有实时能力的接口，该接口可以通过不复杂的和耗费少的方式在自动化系统中实现。

在当前的自动化系统中，因此进行管控与运行数据通信的分离。管控或管理数据和运行或现场数据在自动化系统中分别通过不同的方式来交换。通过本发明，因此提供机器的一种自动化解决方案，所述自动化解决方案尤其与传统的自动化金字塔不同并且相对于传统的自动化金字塔具有明显的优点，如随后描述的那样。

根据传统的自动化金字塔，现场或控制层面的现场设备与导向层面的控制单元的联网大多不是容易地可能或仅仅有条件地可能。在传统的自动化金字塔中，在金字塔的一个层面上的通信称作水平集成并且在该层面的构件之间进行。垂直集成表示在不同层面的构件之间的信息流。根据传统的自动化金字塔位于现场层面和导向层面之间的控制层面通常负责导向层面和现场层面之间的通信并且因此尤其负责垂直集成。在控制层面内也可以进行水平通信，例如在各个控制装置或控制设备之间。

然而，在此，控制层面与其说将导向层面与现场层面相互连接，还不如说是将它们相互分离。控制层面的设备仅仅能够实现导向层面的设备对现场层面的现场设备的强烈受限的访问。因此不可能或至少几乎不可能的是，灵活地并且自发地视导向层面的设备的当前需求而定地访问现场层面的任意现场设备。控制层面的控制装置通常仅仅可以与现场层面的这样的现场设备和导向层面的这样的控制单元通过以下那样的方式和方法来交互，如根据它们的先验确定的编程来设置的那样。据此，控制设备仅仅能够将来自现场层面的受限量的数据和信息向导向层面转发。

根据传统的自动化金字塔或自动化解决方案，垂直的集成通常限制于：在机器的持续运行中，将现场设备的现场数据“向上”传送给导向层面的控制单元。在此大多没有设置或仅仅以非常受限的程度设置从导向层面的上一级控制单元到现场设备上的数据传输。尤其通常不设置在机器的持续运行中管理数据的数据传输和因此机器的或现场设备的管理。在传统的自动化解决方案中，大多在机器的开始运行之前进行管理，事后的管理或配置大多仅仅借助巨大的耗费才可能。

导向层面的设备对现场层面的现场设备的灵活访问在传统的自动化解决方案中来自经验地大多与巨大的耗费关联，因为对此大多需要在控制层面内的设备的事后的（手动的）匹配（例如sps-编程的事后匹配）。因此，在传统的自动化金字塔中仅仅存在极其受限的垂直集成、即在现场层面的现场设备和导向层面的设备之间的集成的或通信的极其受限的可能性。

通过类似的方式，在根据传统的自动化金字塔的现场层面的现场设备之间的水平集成也仅仅能够借助大的耗费来实现，如果这些现场设备不直接连接或如果没有先验地设置这些现场设备通过控制层面的控制装置的相应的通信。

与此不同，本发明能够实现现场和控制层面的现场设备和导向层面的控制单元的简单和有效的联网，尤其通过管控与运行数据通信的分离来实现。通过本发明，符合目的地不需要的是，将控制层面的设备用于现场层面的现场设备和导向层面的控制单元之间的数据传输和因此用于垂直集成，而是通过应用接口可以在管控通信的过程中在无中间连接的设备的情况下实现现场和/或控制层面的设备和导向层面的设备之间的直接数据传输。

通过经由应用接口的管控通信，能够在无大的耗费的情况下实现现场和/或控制层面的现场设备的的灵活的和自发的管理并且可以符合目的地在任何时刻执行所述管理。导向层面的控制单元尤其可以灵活地访问任意的现场设备并且因此尤其能够执行在机器的持续运行中机器的或现场设备的管理。

此外符合目的地，自动化系统通过应用接口允许现场设备或控制单元彼此间的通信，使得通过耗费少的方式不仅能够实现水平集成而且能够实现垂直集成。因此，尤其可以实现机器的各个设备的联网，而没有传统的自动化金字塔的严格的层面结构。符合目的地因此能够实现，灵活地和自发地，视导向层面的设备的当前需求而定地访问现场层面的任意的现场设备和/或控制层面的任意的控制单元。

有利地，所述应用接口作为在所述至少一个现场设备上和/或在与所述至少一个现场设备连接的计算单元上的可实施的计算机程序来提供。因此符合目的地，应用接口作为软件接口实现并且尤其通过软件构件或服务程序来实现。所述软件构件或可实施的计算机程序可以直接集成到现场设备，例如sps、驱动器、io耦合器中或者在单独的硬件上运行（网关）并且承担下属的现场设备的管控。通过这样的网关或这样的与至少一个现场设备连接的计算单元，符合目的地能够实现：事后将应用接口引入机器中并且相应地加装现有的机器。即使现场设备不具有足够的资源来实施相应的软件构件，与至少一个现场设备连接的计算单元的应用也是有利的，以便实现应用接口。

优选地，所述至少一个控制单元构造为外部的计算单元，符合目的地构造为服务器、和/或构造为远程的分布式计算单元系统、尤其构造为所谓的云端。例如，至少一个控制单元也可以用作传统的pc或智能设备，尤其便携式手提设备，例如触摸屏手提设备，如智能手机或平板pc。符合目的地，至少一个控制单元作为导向层面的一部分使用，该导向层面尤其表征企业的企业治理，所述企业治理使相应的机器运行并且尤其不仅特殊地包括生产过程的规划而且一般性地包括整个企业的资源（资金、运行工具或人员）的管控和组织。符合目的地，至少一个控制单元在特殊的（方法）技术的生产过程的进程和组织的过程中使用。

优选地，所述至少一个现场设备构造为传感器和/或执行器和/或驱动器和/或探测器和/或键控器和/或开关和/或控制装置。符合目的地，构造为控制装置的现场设备下属于导向层面的至少一个控制单元并且尤其可以分配给控制层面并且可以例如构造为存储器可编程的控制装置（sps）、cnc-控制装置（computerizednumericalcontrol：计算机数控）、nc-控制装置（数控）、运动逻辑控制装置（mc-motioncontrol：运动控制）和/或嵌入式微控制系统（embeddedmicrocontrollersystem）。这样的现场设备尤其能够发送和接收以测量信号或测量数据和/或控制/调节信号形式的现场数据，借助所述现场数据能够实现机器的或相应的生产过程的调节或控制。

现场设备和控制单元可以在空间上相互靠近地布置并且例如可以布置在相同的建筑物中或者也可以在空间上相互远离。在最后一种情况中，现场设备可以例如布置在以下建筑物中：机器位于所述建筑物中并且在所述建筑物中执行相应的生产过程。导向层面的控制单元可以例如布置在与该建筑物远离的管理建筑物中。

符合目的地，至少一个现场设备以及至少一个控制单元是机器的构件或设备，所述机器尤其可以构造为工具机器，诸如焊接系统、螺栓系统、线锯或铣机或者构造为幅面加工机器，诸如印刷机、报纸印刷机、凹版印刷机、丝网印刷机、连线型柔版印刷机或包装机。该机器也可以构造为用于制造汽车或用于制造汽车的构件（例如内燃机或控制设备）的（传送带）设施。尤其借助该机器制造、加工或输送工件或产品。

根据一种优选的实施方式，由所提供的应用接口检查，是否应进行管理数据的数据传输。如果这是这种情况，则执行数据传输。在此符合目的地，应用接口、尤其相应的实施的计算机程序自主地从自身建立至至少一个控制单元的连接并且在所述至少一个控制单元处问询，是否应进行数据传输。尤其对于应用接口在此使用经加密的网络协议，例如https、websockets。

有利地，通过用于管理至少一个现场设备的数据传输来执行所述至少一个现场设备的配置，例如至少一个现场设备的生产配置或数据提供的配置。符合目的地，可以为此目的配置被实施用于实施现场设备的功能的软件。尤其因此能够实现，事后通过管理该软件来配置数据提供。

优选地，通过用于管理至少一个现场设备的数据传输，可实施的程序代码、尤其应用程序从至少一个控制单元加载到所述至少一个现场设备上。尤其可以通过该可实施的程序代码来实现现场设备的新的或经修改的功能。尤其可以事后在机器运行期间实现完全新的程序代码和现场设备的完全新的功能。

有利地，通过用于管理至少一个现场设备的数据传输来执行所述至少一个现场设备的更新、尤其安全更新。符合目的地，因此可以通过简单的方式修改或取代已经存在的程序代码。

优选地，通过用于管理至少一个现场设备的数据传输来执行所述至少一个现场设备的参数化。因此，符合目的地，多个现场设备的参数化可以在中央由上一级的控制单元执行而不是在每个现场设备自身上本地执行。

优选地，通过用于管理至少一个现场设备的数据传输来执行所述至少一个现场设备的监视，尤其状态监视、设备监视和/或机器监视。尤其因此可以检查，现场设备或机器是否正确地运转并且描述机器的当前状态的测量值是否位于允许的公差区间的范围内。

优选地，通过用于管理至少一个现场设备的数据传输来执行所述至少一个现场设备的维护、尤其预防性维护。因此，可以通过耗费少的方式从远程执行机器的自动维护，尤其没有雇员的手动干预。

优选地，通过用于管理至少一个现场设备的数据传输来使所述至少一个现场设备开始运行。因此，符合目的地，可以从远程实现自动的开始运行，而没有雇员的手动干预。符合目的地，通过数据传输也可以使至少一个现场设备停止运行，例如以便接着通过另外的数据传输进行维护。接着，通过另外的数据传输可以使现场设备又开始运行。

有利地，通过用于管理至少一个现场设备的数据传输来执行所述至少一个现场设备的许可和/或所述至少一个现场设备的功能性的许可。例如也可以在成功地执行的维护之后延长相应的许可证。

优选地，根据用于保护机密性、完整性和可用性的it-安全机制来执行管理数据的数据传输。这样的it-安全机制尤其涉及组织、例如企业和企业的财富相对于威胁的保护以及经济损失的防止。尤其可以通过相应的it-安全机制来限制对管理数据的访问并且仅仅允许经授权的用户或程序。通过it-安全机制因此有利地确保保护目的，机密性、可用性和完整性。机密性（“confidentiality”）在此尤其可以理解为，仅仅允许由经授权的用户读取或修改（管理）数据。这尤其不仅在对所存储的数据访问时，而且在数据传输期间适用。通过完整性（“integrity”）尤其实现，不允许未被察觉地改动数据，并且所有改动尤其是可理解的。通过可用性（“availability”）尤其防止系统失效，因为确保在协定的时间范围对（管理）数据的访问。例如，作为这样的it-安全机制可以使用加密机制、签名和/或防火墙，创建安全备份，等等。

根据本发明的计算单元尤其在编程技术上被设置用于执行根据本发明的方法。尤其可以在该计算单元上实施相应的计算机程序，以便提供应用接口。在此，计算单元可以与至少一个现场设备连接或者自身可以构造为现场设备之一，例如构造为sps、驱动器、io-耦合器，等等。

所述方法以计算机程序形式的实现也是有利的，因为这引起特别低的成本，尤其当进行实施的控制设备还用于另外的任务并且因此原本存在的时候。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁的、光学的和电的存储器，诸如硬盘、闪存、eeprom、dvd，等等。通过计算机网络（因特网、内联网，等等）下载程序也是可能的。

本发明的另外的优点和构型由说明书和附图得出。

易于理解的是，先前提到的和接下来还要阐述的特征不仅可以以分别说明的组合而且可以以其他组合或单独地应用，而不离开本发明的范围。

附图说明

本发明根据附图中的实施例示意性地示出并且在下面在参考附图的情况下详细地描述。

图1示意性地示出根据现有技术的机器的传统的自动化系统；

图2示意性地示出机器的根据本发明的自动化系统的一种优选的构型，该自动化系统被设置用于执行根据本发明的方法的一种优选的实施方式。

具体实施方式

在图1中示意性地示出并且以100表示根据现有技术的机器的传统的自动化系统。

机器例如构造为幅面加工机器，借助所述幅面加工机器，在生产过程的过程中可以制造工件。为了自动化地运行机器或者为了自动化地执行生产过程，设置根据自动化金字塔的传统的自动化解决方案100，根据自动化金字塔，将机器划分成不同的层面。不同的机器构件在此定义自动化金字塔的不同的层面。

在这些层面中的最下层面、所谓的现场层面中，设有伺服技术的现场设备110。例如设置伺服马达111至115形式的执行器以及传感器116作为这样的现场设备110。例如，可以借助伺服马达111至115将传送带置于运动中并且控制机器臂，所述机器臂加工和/或输送在传送带上输送的工件。

除了伺服技术的现场设备110之外，在现场层面中还设有用于输入和/或输出或者用于驱动放大的另外的现场设备120。伺服马达111至115在此分别与驱动放大器121至155连接。传感器116与io-耦合器126连接。

在位于现场层面上一级的控制层面中设有控制装置130，所述控制装置被设置用于控制现场层面的现场设备110、120。为此目的，控制层面的控制装置130与现场层面的现场设备110、120交换现场数据，例如传感器数据、实际值和额定值。这些现场数据或运行数据在现场设备110、120的功能实施期间被产生和交换。

为了确保机器100的精确的控制或调节，对于这些现场数据的交换（所谓的运行数据通信），尤其需要实时能力的通信。因此，对于运行数据通信设置有实时能力的通信信道101，例如现场总线，如sercos、profibus、profinet，等等。

在所示出的例子中，现场设备111至113或121至123通过第一现场总线与sps131连接，并且现场设备114至116或124至126通过第二现场总线与sps132连接。此外，控制装置131和132通过另外的现场总线相互连接。

例如，可以在控制层面中设置另外的控制装置133，所述另外的控制装置用作例如用于对测量数据进行可视化的人机接口使用。

自动化金字塔的最上层面是位于控制层面上一级的导向层面，整个机器的组织、规划、管控在该导向层面中运行。导向层面尤其表征企业的企业治理，所述企业治理使机器运行并且尤其可以不仅特殊地包括生产过程的规划而且一般性地包括整个企业的资源（资金、运行工具或人员）的管控和组织。在本示例中，作为该导向层面中的控制单元140示出pc141以及服务器142，其例如通过以太网连接102与控制层面的控制装置131、132连接。

在自动化金字塔的一个层面上的通信称作水平集成并且在该层面的构件之间进行。在不同层面的构件之间的通信称作垂直集成。在根据传统的自动化金字塔的这样的自动化解决方案100中，水平集成和垂直集成大多仅仅非常受限地可能。

在自动化解决方案100中，控制层面的控制装置130负责现场层面的现场设备110、120与导向层面的控制单元140的通信。在此，控制层面的控制装置130通常可以仅仅根据其先验确定的编程来以确定的方式和方法与确定的现场设备交互。导向层面的控制单元140对现场层面的任意现场设备110、120的灵活的自发的访问在此大多不可能。

此外，现场层面的现场设备110或120相互的水平集成也几乎不可能，因为先验地仅仅设置现场设备120与相应的控制装置131或132的通信。

本发明因此提出一种自动化系统，所述自动化系统能够实现现场和控制层面的现场设备110、120、130和导向层面的控制单元140的简单的和有效的联网并且通过耗费少的方式不仅能够实现水平集成而且能够实现垂直集成。

机器的根据本发明的自动化系统的一种优选的构型在图2中示意性地示出并且以200表示。在图1和2中的相同的附图标记在此表示相同的或起相同作用的元件。

自动化系统200被设置用于提供现场和控制层面的现场设备110、120、130和导向层面的控制单元140之间的应用接口201。该应用接口201尤其构造为软件接口并且例如通过可实施的计算机程序来提供，所述计算机程序在计算单元210（网关）上实施。该计算单元210与现场和控制层面的现场设备110、120、130并且与导向层面的控制单元140分别通过一个（不是强制性有实时能力的）通信连接220、230或240连接。

通过该应用接口201可以由导向层面的控制单元140执行用于管理现场设备110、120、130的管理数据的数据传输。在该上下文中，尤其以下数据可以理解为这样的管理数据：所述数据指示现场设备110、120、130实施确定的功能，和/或，借助所述数据可以确保或检查现场设备的更安全的运行。管理数据尤其也称作管控数据。管理数据的数据传输符合目的地在所谓的管控通信的过程中实现，在所述管控通信的过程中，控制单元140能够访问现场设备110、120、130，以便管理这些现场设备或其功能。

因此，尤其进行管控与运行数据通信的分离。符合目的地，运行数据通信在此可以与参考图1的以上描述类似地借助在控制层面的控制装置130和现场层面的现场设备110、120之间的有实时能力的通信信道101来实现。符合目的地，管控数据通信不通过控制层面的控制装置130来实现，而是借助应用接口201来实现。

为此目的，自动化系统200、尤其计算单元210被设置用于执行根据本发明的方法的一种优选的实施方式。在此，由应用接口201或由计算单元210在预给定的时间区间内检查，是否应该进行从控制单元140之一到现场设备110、120、130之一上的数据传输。如果这是这种情况，则相应地执行数据传输。

例如，可以在管控通信的过程中由pc141执行伺服马达111至115的维护。为此目的，由pc141首先通过管理数据的第一数据传输来使伺服马达111至115停止运行。接着，通过管理数据的第二数据传输来执行检查或维护。接着，通过第三数据传输使伺服马达111至115又开始运行。