与工业控制系统的数据联合的制作方法

专利名称：与工业控制系统的数据联合的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及工业控制系统，尤其涉及可在组织模型和工业控制系统之间共享的数据分层结构上分布和操纵数据。
背景技术：
工业控制器是用于控制工业过程、制造设备和诸如数据收集或联网系统等其它工厂自动化的专用计算机。在工业控制系统核心处的是诸如可编程逻辑控制器(PLC)或基于PC的控制器等逻辑处理器。例如可编程逻辑控制器由系统设计者编程为经由用户设计的逻辑程序或用户程序来操作制造过程。用户程序存储在存储器中，并且一般由PLC以顺序方式执行，但是例如指令跳转、循环和中断例程也是常见的。与用户程序相关联的是向PLC操作和程序提供动态的多个存储元或变量。PLC的差异通常与它们所能处理的输入/输出(I/O)数、存储量、指令数和类型、以及PLC中央处理单元(CPU)的速度相关。
在比控制器更宏观的意义中商务已变得更为复杂，因为更高阶的商务系统或计算机常常需要与此类控制器交换数据。例如，工业自动化企业可能包括在不同地点的数个工厂。诸如效率和生产力的提高、以及成本的降低等现代驱动力需要制造商收集、分析和优化来自全球的制造场所的数据和度量。例如，一食品公司可能有位于全球各地的数个工厂生产某个品牌的食品。这些工厂在过去是独立的，只有最低限度的数据收集和与其它类似工厂的度量比较。在如今的联网世界里，制造商需要来自它们的工厂的实时数据以驱动优化和生产力。不幸的是，常规的控制系统体系结构的配备不允许企业的这些不同组件之间无缝的数据交换。

发明内容
以下给出简要的概述以提供对本文中所描述的一些方面的理解。此概述不是详尽的纵览，也并非试图标识关键性/决定性因素或是界定本文中所描述的各个方面的范围。其唯一的目的是以简化形式给出一些概念，以作为后面将给出的更为详细的描述的序言。
提供一种组织模型和寻址模式，它使数据能从组织的各个层、跨越组织边界来自动和有效地交换、和/或在较低等级的控制实体之间交换到组织的较高层。在一个方面，组织的分层结构模型被分布在组织的控制系统、和组织的诸如商务计算机等的其它组件上。该分层结构可被存储在控制器的例示中，而该实例也可由该控制器访问。这使外部应用能够经由控制器名字空间和/或经由诸如由分层结构工厂模型等组织分层结构来寻址控制器中的数据。分层结构的各个部分可在控制器中实现，而无需与中央系统连接。这实现了诸如外部设备制造商(OEM)等多个用户的分布式部署。
该组织分层结构还可包括其它组织单元、控制器范围的标签、带相关联程序范围标签的程序、外加指令、例程、操作人员界面屏幕、和/或诸如过程和帮助文件等用户定义信息。存储在控制器中的本地分层结构可经由“装配点”连接到系统分层结构。在将相应控制器与特定组织项目相关联的配置操作期间，“装配点”可与系统分层结构中的特定位置连接。
为实现前述及相关目的，结合以下描述和附图在本文中描述了某些示例性方面。这些方面指示可实施的各种方式，所有这些都旨在被涵盖于此。通过结合附图考虑以下详细描述即可明了其它优点和新颖特征。


图1是示出组织数据模型中的数据联合的示意框图。
图2是示出示例组织分层结构的图示。
图3是示出示例商务模型和在企业与多个控制系统上联合的分层结构数据表示的图示。
图4是示出控制器的平面和分层结构数据表示的图示。
图5是示出控制系统分层结构的一个装配点的图示。
图6是示出控制系统分层结构的多个装配点的图示。
图7是示出控制系统分层结构的多个装配点以及组合命名惯例的图示。
图8是示出用于处理模型数据结构的示例系统的图示。
图9是示出控制数据和企业联合过程的流程图。
图10示出可结合分层结构化数据模型使用的示例性分层结构。
图11示出可结合分层结构化数据模型使用的示例性分层结构。
图12示出分层结构的示例性组合。
图13示出分层结构的示例性组合。
具体实施例方式
分层结构系统的组织模型可被分布在企业的各个元上。这些元包括在较高等级的商务服务器上维护的系统表示、以及提供诸如可编程逻辑控制器和/或其它工业控制组件等系统的控制元的表示。在一个方面，提供了一种工业自动化系统。该系统包括用于例示组织分层结构的一部分的至少一个控制器。控制器中的通信组件与组织分层结构的至少一个其它部分交互，以便于企业各组件之间的数据交换和控制。
注意，如在本申请中所使用的，诸如“组件”、“分层结构”、“模型”等术语意指计算机相关实体，或者是应用在用于工业控制的自动化系统中的硬件、硬件与软件的组合、软件、或者是执行中的软件。例如，组件可以是，但不限于，在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行码、执行线程、程序和计算机。作为示例，在服务器上运行的应用程序和该服务器都可以是组件。一个或多个组件可驻留在进程和/或执行线程内，并且组件可本地化在一台计算机上、和/或分布在两台或多台计算机、工业控制器、和/或与其通信的模块之间。
首先参考图1，系统100示出组织数据模型中的数据联合概念。分层结构数据模型110被示为具有将数据存储在整个系统100上的多个位置处的各个节点和分支。该模型110可分布在网络114上以提供集合或联合的数据库。如图所示，企业120可具有一个或多个计算机或网络组件，它们通过网络114与诸如可编程逻辑控制器(PLC)130等一个或多个工业控制组件130通信。由此，在基本上企业120和/或PLC130的全部或部分上查看、管理和分布时，具有数据节点和分支的数据分层结构110可作为单个或集合的实体来管理。
系统100允许组合称为组织或分层结构数据模型110的组织信息，该模型110表示可基于例如S88或S95模型的工厂通用模型，并分布于例如企业120的计算机和工业控制器130当中。模型110可被视为组织模型——组织单元的树状分层结构和异类结构。例如，相应的组织单元可包括其它组织单元。组织单元可以是物理位置(例如，场所、区域)或逻辑分组节点或集合(例如，场所集合形式的企业)。组织分层结构或模型110中的节点可具有相关联的项，这些项表示工厂的生产和控制设备、标签、支持标签(例如，警告和事件以及AOI对象)、程序、设备阶段、I/O设备、以及其它应用相关实体。这些组织单元由此可构成用户系统的应用视图。
典型的系统100可将诸如企业节点和场所等分层结构的上层分配给计算机系统，而诸如区域、生产线、单元和机器等下层可被包含在多个工业控制器中，而这些工业控制器每个都可包括作为诸如区域或区域模型的一个或多个组织单元的成员的组件。诸如区域等组织单元可包含来自一个或多个控制器的组件。为方便数据与信息技术(IT)应用的结合，提供了用于定义IT空间中的各种数据结构、并将那些数据结构转换到控制器的方法、以及使用事务来连接控制器与结构的IT版本的方法。
在处理之前应注意，企业120可包括诸如服务器、客户机、通信模块、移动计算机、无线组件等能够通过网络114交互的各种计算机或网络组件。类似地，如本文中所使用的术语PLC可包括能在多个组件、系统和/或网络114上共享的功能。例如，一个或多个PLC130可通过网络114与各个网络设备通信和协作。这基本上可包括经由网络114通信的任何类型的控件、通信模块、计算机、I/O设备、人机接口(HMI)，其中网络114包括控制、自动化和/或公共网络。PLC130还可与诸如包括模拟、数字、可编程/智能I/O模块等输入/输出模块、其它可编程控制器、通信模块等各种其它设备通信或对其进行控制。
网络114可包括诸如因特网、内联网、以及诸如包括DeviceNet(设备网)和ControlNet(控制网)在内的控制和信息协议(CIP)等自动化网络之类的公共网络。其它网络包括以太网、DH/DH+、远程I/O、Fieldbus、Modbus、Profibus、无线网络、串行协议等等。此外，网络设备可包括各种可能性(硬件和/或软件组件)。这些包括诸如具有虚拟局域网(VLAN)能力的交换机、LAN、WAN、代理、网关、路由器、防火墙、虚拟专用网络(VPN)设备、服务器、客户机、计算机、配置工具、监控工具和/或其它设备。
除了各种硬件和/或软件组件之外，还可提供各种接口来操纵分层结构或组织数据模型110，其各种示例将在以下更加详细地示出。这可包括用于与模型110或分层结构的其它组件交互的图形用户界面(GUI)，这些其它组件有诸如任何类型的发送、检索、处理和/或操纵工厂或企业数据、接收、显示、格式化和/或传送数据、和/或便于企业120和/或PLC130的操作的应用。例如，此类界面还可与引擎、服务器、客户机、编辑器工具或web浏览器相关联，但是也可使用其它类型的应用程序。
GUI可包括具有一个或多个显示对象(未示出)的显示，这些显示对象用于操纵包括诸如可配置图标、按钮、滑块、输入框、选项、菜单、选项卡等具有多个可配置尺寸、形状、颜色、文本、数据和声音方面来便于对模型110的操作。此外，GUI还可包括多个其它输入或控件，用于调整和配置一个或多个方面。这可包括从鼠标、键盘、语音输入、网站、远程网络服务和/或诸如相机或视频输入等其它设备中接收用户命令以影响或修改GUI的操作。
在继续讨论之前，应注意图3-8是针对示例性分层结构和数据排列的。但是应当意识到，基本上任何分布在企业或商务上和/或在工业控制系统上共享的数据分层结构都落在本文中所构想的范围之内。
现在参见图2，示出了可结合本文中所描述的分层结构化数据模型使用的示例性分层结构200。例如，该数据模型可便于实现嵌套结构，由此减轻与使用平面名字空间的数据模型相关联的缺陷，尽管平面名字空间仍是可使用的。示例结构200包括企业层202，其中特定企业可在根据分层结构数据模型结构化的数据内表示。在企业层202之下可以是场所层204，从而企业内的特定工厂(场所)可在数据分组内表示。区域层206可存在于场所层204之下，它指定工厂内与数据相关的区域。生产线层208可位于区域层206之下，其中生产线层208指示与特定数据相关联的生产线。工作单元层210可存在于生产线层208之下，从而指示与特定数据相关联的工作单元。使用嵌套的分层结构数据模型，PLC可更好地知悉与其相关联的数据。此外，分层结构200可由该分层结构的所有者定制。例如，可在分层结构200内定义粒度更细的对象/层。
转到图3，示出了在企业和控制系统上联合的示例商务模型300和分层结构数据表示。在此示例中，企业310在模型300中被表示为处于组织的最高层。在此特定示例中，企业生产诸如薯片等货品。如可理解的，在模型300中可表示比企业310更高或更低的层。在企业层之下，在场所层314上表示了两个工厂(例如，一个工厂在达拉斯，而另一个在底特律)，但是可使用多于或少于所示的两个。在320，场所的区域包括此例中诸如切片、清洗、油炸和包装等的场所314的自动化制造过程。
从相应的区域层320可表示生产线层330，它包括设备(进一步细分为工作单元)、控制器、生产组件、段组件、以及诸如培训元、质量控制数据和维护数据等杂项组件。在控制层340，表示了执行顺序功能图表或梯形逻辑的逻辑处理器。由此，从高层企业视图310，来自控制视图340的数据被自顶向下地聚合和联合，其中数据模型示出了经由网络通信分布在远程或本地地理位置上、但仍表示为单个数据模型300的数据统一化视图。在生产和段层350，用于处理数据的组件包括可在诸如批处理器或服务器等机器上执行的工作次序元、材料管理器、设备定序器和产品定序器。
图4示出控制器的平面和分层结构数据表示400。在此方面，控制器数据表示可与上述分层结构企业元结合。在此，示出了两个视图。在410处的平面表示示出可启动和停止两个电机的程序引擎。同一数据结构410的分层结构视图420也可在控制器中表示。一般而言，组织分层结构的部分存储在控制器操作环境的运行时例示中，它可由控制器的通信层(例如，与TCP/IP或控制网络栈通过接口连接的控制器前景循环)访问。这将使在分层结构的其它层执行的外部应用程序能够经由410处的平面控制器名字空间和/或经由420处的组织分层结构在控制器中寻址数据。如可认识到的，分层结构的多个部分可在控制器中实现，而无需连接到中央系统。这允许诸如OEM和系统设计者等多个用户的分布式部署。该组织分层结构还可包括其它组织单元、控制器范围标签、带有相关联的程序范围标签的程序、外加指令、例程、操作人员界面、和/或诸如过程和帮助文件等用户定义信息。
图5-7示出控制系统分层结构的装配点示例。装配点表示在分布式数据分层结构中控制器负责维护该层装配点处或以下的数据的地方。该层以上的数据可被存储在诸如企业中的客户机或服务器计算机等企业组件中。如图5中所示，控制器中的本地分层结构经由510处的“装配点”连接到系统分层结构500。在将此控制器与特定分层结构项目相关联的配置操作期间，“装配点”510可与系统分层结构中的特定位置连接。并且注意，装配点510可位于分层结构500的不同部分处。图6示出支持610和620处的多个“装配点”的单个控制器600，这些“装配点”可被装配在系统分层结构的不同层处。在图7上，诸如区域700等组织单元可由来自710和720处的多个工业控制器的组件组成。应注意，可组合来自多个控制器的具有相同名称的组织单元。
图8示出用于处理模型数据结构的示例系统800。系统800包括企业计算机810、用于修改数据结构的应用程序820、配置组件830、以及一个或多个控制架840。一般而言，IT开发者可经由应用程序定义可在控制器840中使用的数据结构820。该定义可以是描述该数据结构、以及每个相应成员的意义的XML文件的形式。此XML描述还可与其它描述组合，这将形成一组系统结构。这些定义可存储在文件中，此文件在需要时可用配置软件830的单独副本分发给远程用户。然后控制工程师可创建这些系统结构的实例并填入数据，以允许将数据发送给IT应用程序820。这些系统结构可基于诸如S88和S95等工厂数据标准，但是也可应用其它标准。控制系统还可具有使控制器能够基于使用如这里所定义的系统数据结构的控制器中的指令来发起事务的机制。该组织结构或模型可提供一种指示控制器变量应为公有还是私有、以及如为公有它是否应被写入的方法。一般而言，只有被指定为公有的控制器标签子集才应出现在组织分层结构中。
图9示出组织模型和通信过程900。尽管为简单说明起见，该方法被示意并描述为一系列动作，但应理解并认识到，该方法不受诸动作的顺序所限，因为一些动作可按不同顺序发生和/或与来自本文中示出和描述的其它动作并发。例如，本领域技术人员将可理解并认识到，方法可被替换表示为诸如状态图中的一系列互相关的状态或事件。此外，不是所有示出的动作都是实现如本文中所描述的方法所必需的。
图9示出控制模型和通信过程900。前进至910，在控制器的域内定义了一个或多个数据结构。这包括存储控制器或是与控制器相关联的组件的运行时实例中的分层结构模型的多个部分。此类结构可用为各个组件和网络数据定义地址位置的控制器配置软件来配置。在920，将在910定义的相应数据结构与控制器或控制组件的通信层相关联。该层基本上可与包括工厂网络、诸如因特网等全球网络、无线网络等任何类型的网络通信。在930，存储在控制器上的组织分层结构的多个部分可在相应网络上与其它企业组件通信和交互。这可包括在分层结构或模型的不同节点和路径上通过网络交换来自企业各个部分的数据。在940，用于企业和控制系统的数据被聚合在特定节点或给定网络位置处。这可包括在与企业和控制分层结构的各个数据节点通信的网络计算机处聚合或收集、查看或收集数据，然后在显示界面处以分层结构形式呈现这些数据。
在950，经由分层结构组织模型在企业或组织上管理数据。这可包括在分层结构的较高层节点中查看组织的上层，其中这些层可符合前述的S88或S95标准。可定义基本上在从网络上的较低层控制和配置层、到企业的较高层数据节点的所有组织层之间交换数据的数据结构。相应节点可被调整为具有可变的安全等级，用于控制对从分层结构的不同部分可及的数据节点的人或机访问的类型。
现在转到图10，示出了可结合由可编程逻辑控制器用以便于使用分层结构化数据模型的模式使用的分层结构表示。此图中所示的分层结构与设备分层结构相关，这些设备分层结构可与过程分层结构结合以生成工厂的稳健表示(它被结合在模式中，以便于结合工业控制器使用)。第一分层结构1000示出给出不同过程的工厂内的设备表示。例如根据批处理的分层结构可包括企业、场所、区域、过程单元、单元、设备模块和控制模块的表示。相反，连续过程内的设备的分层结构表示可包括企业、区域、产品单元、连续单元、设备模块和控制模块的表示。更具体地，企业可表示整个公司，场所可表示特定工厂，区域可表示工厂的一部分，过程单元可包括用来完成过程的设备，单元可与过程单元内的机器单元相关，设备模块可包括过程单元的各部分的逻辑表示，而控制模块可包括诸如电机、阀门等基本元。此外，设备模块可包括设备模块，而控制模块可包括控制模块。由此，如从图中可看出的，可使用四个不同的分层结构表示来表示批过程、连续过程、离散过程和存货内的设备。
可使用第二分层结构1002，它表示前述分层结构表示中的每一个。分层结构1002可包括企业、场所、区域、工作中心、工作单元、设备模块和控制模块的表示。由此，可生成恰如其分地表示分层结构1000的通用表示。为术语一致起见，可将数据对象与指示其关联于何种类型的过程的元数据相关联。因此，可用与该过程内的正常使用相一致的形式向操作人员提供数据对象。例如，批处理操作人员可使用与连续过程操作人员不同的术语(如分层结构1000所示)。可使用元数据来允许此类数据根据其已知、常规使用的显示。由此，根据分层结构1002的模式的实现对于操作员将是无缝的。此外，在另一示例中，在控制器所使用的模式中仅可使用该表示的一部分。例如，可能需要在控制器内容纳设备模块和控制模块。在另一示例中，可能需要在控制器内包括表示工作中心和工作单元的数据对象(但不包括设备模块或控制模块)。要求保护的主题旨在包含在控制器内使用分层结构1002(或类似分层结构)的所有这些偏离。
现在参考图11，示出了可用来表示过程和设备的标准分层结构。特别地，分层结构1100表示存在于批处理内的过程。例如，过程可与诸如药剂的制造等高层过程相关。单元过程可更加具体，诸如通过特定单元来向搅拌器添加特定化学品等。单元操作可以更加具体，并且阶段可以更加具体(与低层机器的操作相关)。例如，阶段可与关于低层设备而存在的各种状态，诸如停止、启动和暂停电机，打开和关闭阀门等相关。与例如批处理中的设备的表示相关的分层结构1102被显示在分层结构1100附近。分层结构1102内的表示已参考图10进行了更详细的描述。
现在转到图12，示出了表示分层结构1100和1102(图11)的一种可能结合的分层结构1200。可将单元(诸如图10中所述的工作单元)与设备过程、设备单元过程、设备操作、和设备阶段相关联。由此，这些过程、操作和相可与特定工作单元相关联。设备模块可与一个或多个设备阶段相关联，并可在分层结构中的控制模块之上。短暂参看图13，示出了可结合设备控件使用的分层结构1300。该分层结构基本上与设备单元的单元部分内所描述的相类似。如上所述，图11-13中所示的分层结构可基于诸如ISA88、ISA95等标准或其它标准。但是构想了可用于建模整个工厂的任何合适表示。此外，这些图中所示的表示可被直接实现成控制器。例如，根据图11-13中所述的分层结构的任何部分的对象可与允许此类对象的创建的状态机一起存在于控制器内。
以上所描述的包括各个示例性方面。当然，为了描述这些方面，描述可设想的组件或方法的每一种组合是不可能的，但是本领域普通技术人员可认识到许多其它组合和变形是可能的。据此，本文中所描述的方面旨在包括落在所附权利要求书精神和范围内的所有这些变更、修改和变体。此外，就此详细描述或所附权利要求书中所使用术语“包括”的程度而言，该术语旨在像术语“包含”在权利要求中用作过渡词时所解释的那样成为包含性的。
权利要求
1.一种工业自动化系统，包括至少一个控制器，用于例示组织分层结构的一部分；以及所述控制器中的通信组件，用于与所述组织分层结构中的至少另一部分交互。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述组织分层结构具有一个或多个数据节点和分支，所述一个或多个数据节点和分支在基本上企业的全部或各部分上查看、管理或分布的同时被作为单个或集合的实体来管理。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括一个或多个组织单元。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述组织单元被包括在至少一个其它组织单元内。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述组织单元包括节点的物理位置或逻辑分组。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括构成系统的应用程序视图的图形用户界面(GUI)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述GUI结合控制系统数据与信息技术(IT)应用程序。
8.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储了用于控制组织数据模型的数据结构，所述数据结构包括第一数据字段，用于指定控制器数据结构；第二数据字段，用于指定企业数据结构；以及第三数据字段，用于以分层结构形式聚合所述控制器数据结构和所述企业数据结构。
9.如权利要求8所述的计算机可读介质，其特征在于，还包括企业字段、场所字段、区域字段、工作字段、设备字段、批字段、连续字段、离散字段和存货字段中的至少一个。
10.一种控制数据对象通信方法，包括在控制模块中定义数据结构；将所述数据结构分配给网络地址；以及经由所述网络地址将所述数据结构与分层结构数据模型相关联。
全文摘要
分层结构系统的组织模型可分布在企业的各个元上。这些元包括在较高层商务服务器上维护的系统的表示、以及提供诸如可编程逻辑控制器和/或其它工业控制组件等系统的控制元的表示。在一个方面，提供了一种工业自动化系统。该系统包括至少一个控制器，用于例示组织分层结构的一部分。控制器中的通信组件与该组织分层结构的至少一个其它部分交互，以便于企业各组件之间的数据交换和控制。
文档编号G06F17/30GK1952815SQ20061013175
公开日2007年4月25日 申请日期2006年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者S·昌德, S·C·布赖恩特, K·H·豪尔, G·W·胡德, J·J·贝尔, M·D·卡兰 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司