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CN100380382C - 用于工业自动化系统的工程方法和工程系统 - Google Patents

用于工业自动化系统的工程方法和工程系统 Download PDF

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CN100380382C
CN100380382C CNB038042517A CN03804251A CN100380382C CN 100380382 C CN100380382 C CN 100380382C CN B038042517 A CNB038042517 A CN B038042517A CN 03804251 A CN03804251 A CN 03804251A CN 100380382 C CN100380382 C CN 100380382C
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Abstract

一种工程方法和工程系统(ES，RTS/ES)，用于基于至少一个计算单元的工业自动化系统，特别是MES系统，该计算单元具有输入辅助装置、输出辅助装置以及至少一个显示装置(AZ1，AZ2)，其中，模型化的对象(K1-K4，K1′-K4′)包括设备结构以及设备部件并结合了元信息。该模型化的对象在工程中被构造成分层的树(OB1，OB2)并也可以相互横向联网或者分支。所述对象(K1-K4，K1′-K4′)在运行时在利用元信息条件下被加载到目标系统上用于实施，其中，在工程中模型化的设备的功能从树的结构和联网中确定。

Description

用于工业自动化系统的工程方法和工程系统
技术领域
本发明涉及一种工程方法以及一种工程系统，用于基于至少一个计算单元的工业自动化系统，特别是MES系统，该计算单元具有输入辅助装置、输出辅助装置以及至少一个显示装置。
本发明还涉及一种计算机程序、一种数据载体和一种数据处理装置。
背景技术
Dirk Kozian在Elektronik fuer die Automatisierung 11，17.11.1999中的文章“Software fuer die Automatisierung-Transparenz ueber die Ablaeufeschaffen”公开了，将所谓的制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)应用到制造和生产流程的自动化。该系统将自动化层(控制)与企业管理层的ERP系统(ERP：Enterprise Resource Planning，企业资源规划)集成在一起。制造执行系统是这样一些系统，其例如提供用于优化制造流程的信息，或者对制造流程进行协调或优化。一方面，制造执行系统必须为ERP系统的粗略计划数据补充针对设备的和当前的精细计划数据，并将其对应地传递至下属的自动化层；另一方面，它们还具有这样的任务，即，从自动化层接收对于制造重要的信息，对其整理并进一步报告到企业管理层。因此，除了其它之外，MES系统完成了企业管理层和自动化层之间的垂直综合。MES系统的典型单个任务有企业资产管理、维护管理、信息管理、规划、调度和追踪。这些任务分别由MES部件或者MES应用实施。
在上世纪80年代用于建立软件的经典的编程语言(例如Pascal或Fortran)中数据和函数是分离的。直到随着面向对象范例才将数据和函数综合为对象。在上世纪90年代期间为对象配置了单独和初始的元数据。元数据是关于其它信息的信息，例如关于现有对象本身的信息。这些元数据尽管在整个系统或者在整个上下文中存在，但是它们既不在一个对象中物理存放，又不包含关于用于工业设备的待实现的应用或者关于待实现的业务过程的知识。
可编程的自动化系统或者MES系统(即，用于控制和/或调节自动化过程或者设备的系统)通常包括一个所谓的运行时系统，用于自动化部件、机器或者系统的时间上的流程控制，以及所谓的工程系统，用于建立和编辑在运行时系统中实施的控制程序和设备函数。通常许多自动化系统或者MES系统标志的信息(例如自动化系统的组成部分、技术上的关联、业务过程特征，等等)仅仅在工程系统或者在外部的数据存储器中以及按同事的技术诀窍的形式可供使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，将在工程中建立的对象(设备部分、设备部件、自动化部件等)这样准备和配置，使得这些对象优选在随后的阶段(例如将设备或者自动化系统投入运行、运行、维护、变更或者修理)使用。
按照本发明，上述关于工程方法的技术问题是如下解决的：为对象分配元信息，其中，所述元信息包括关于对象本身以及关于过程的信息，使得可以从对象的元信息、结构和联网中导出对过程进行控制和调节的系统的功能；所述元信息还被分配给在运行时系统中的对象；在分析该元信息的条件下在运行时在运行时系统中置换对象。分配给对象的元信息例如描述对象包含哪些数据和函数，不过，元信息也可以包含用于实现和操作的描述或者包括用户文档或关于总流程、业务或制造过程的信息。在如HTML或XML的标记语言中元信息可以通过所谓的标签或者属性描述并分配给对象。也可以利用分层结构设置元信息。本发明的一个优点在于，不必为了使在工程中建立的设备特性运行而产生明确的代码。由树的结构和其联网为通过该树代表的设备确定了流程逻辑和流程顺序。在运行时可以手动或者自动改变的树的结构和树元素的联网确定，为函数提供哪些操作数以及是顺序还是并行执行函数。例如，在工业设备中通过树的结构和树元素的联网确定，为设备提供哪些输入量以及如何继续处理由该设备产生的输出值。在工程系统上由用户对该树和联网进行图形化的编辑。树的显示形式可以是不同的，并由用户自由选择的。树元素的联网或者分支可以通过在树中的分层结构进行。不过，树元素的联网或者分支也可以通过由用户编辑的引用或者至其它部分树元素的横向联网实现。用于建立树和建立联网的输入可以通过输入模板、拖放机制或者通过语音输入进行。
为各对象分配了其实现，即其编码和元信息。通过在运行时由预制的对象组成工程中建立的应用(例如根据其元信息自动地进行)，可以放弃用于产生对待通过该工程建立的应用的代码的明显编译阶段。编译流程以及产生流程可能持续得非常长。因为运行时系统总是被直接增量地修改而不再需要明显的编译流程以及产生流程，由此使建立设备特性、测试和投入运行的时间最小。
另一个基本的优点在于，统一地对待程序和数据。数据是没有函数的对象树、而程序是具有函数的对象树。所有在运行时系统中现存的、用于数据和程序的综合、联网、确定版本、存储、传输等的机制只需要实现一次，而不用对于数据和程序各实现一次。这也简化了软件开发者、运行者和管理者的处理，因为他们只需对这些机制熟悉一次。
另一个优点在于，可以非常容易地进行改动。可以随时将部分树引入、变更或者去除而不需要改动整个树结构。因为可以更快地对改变的市场需求做出反应，由此企业的灵活性得到提高。这点尤其是在将通过工程建立的应用用于自动化系统、制造设备或者MES系统的控制时特别重要。
对象之间的联网、分支或者引用可以按不同的粒度进行。这样，例如联网可以通过指明物理地址(通过指针)实现，由此可以(例如在过程的流程内部)得到高的效率。其它的联网机制例如是电子消息(如电子邮件)、电话或者传真。根据作为基础的应用的不同要求可以由用户选择对应的联网机制。
现存设备或者自动化系统表现为高的复杂性。引起寿命造价上升的复杂性，在于单个设备部件或者自动化部件(例如执行器和传感器)，也在于部件为了一个总方案的共同作用。如果关于部件共同作用的知识通过元信息与部件或者对象结合，则可以由此得到巨大的竞争优势，因为由此可以降低自动化部件和设备部件的寿命造价。在对象中存在元信息可以自动地支持人员直到自动地实施下列功能：投入运行、运行、维护、变更或者修理。
本发明用于工程方法的第一优选结构在于，对象是运行时对象。运行时对象是在系统运行时执行系统逻辑的对象。这种运行时对象的例子有：设备和设备部件、控制、任务、职能、功能元件、标签、文档、报警、图像、显示等等。由此保证了工程信息和运行时系统之间的一致性。由此可以容易地并较少出现错误地进行变动。
本发明用于工程方法的另一个优选结构在于，将对象在运行时自动地组合为用于自动化的方案的自动化系统。该组合在使用为运行时对象分配的元信息的条件下实现。由此一个设备的工程可以独立于作为基础的目标系统实现。根据与对象耦合的元信息(对象可以具有从复杂的设备部分到小的设备部件的不同粒度)，在运行时对象自动地组合成一个可以运行的整体设备。由此，变动也可以在非常晚的阶段还容易地进行。
本发明用于工程方法的另一个优选结构在于，在运行时可以置换对象和/或联网机制和/或对象或联网机制的实现。通过在运行时可以将对象置换为其它对象、例如具有扩展功能的对象，或者置换对象的实现(例如新的实现没有错误或者具有更好的性能)或引用机制和联网机制，明显地减少了变动时的周转时间。由此提高了对于设备用户和运营商的灵活性以及企业的灵活性。对于元信息的处理不使用通常的编译器，而是使用所谓的增量编译器或者一种仅仅在置换的时刻才在对象局部起作用的解释器。对于新使用的对象，如果需要则产生增量代码，而增量编译器/解释器在运行时将新使用的对象(以及引用机制和/或联网机制和/或对象新的实现)再次引入到树中，而不需考虑树的其它(未涉及的)部分。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，自动地从对象的描述、分层树的结构和树中对象的联网中导出自动化系统的函数。由此，不必为了运行在工程中建模的设备或者设备功能而产生明确的代码。由树的结构和其联网为通过该树代表的设备确定了流程逻辑和流程顺序。树的结构和树元素的联网确定，为函数提供哪些操作数以及是顺序还是者并行执行函数。例如，在工业设备中通过树的结构和树元素的联网确定，为设备提供哪些输入量以及如何继续处理由该设备产生的输出值。在工程环境中由用户对该树和联网进行图形化的编辑。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，将对象静态和/或动态地联网。联网(以及分支或引用)可以静态地通过树的手动建立实现，不过也可以根据当前信息(例如设备状态)或者元信息自动地建立。由此提高了对于用户的灵活性。可以通过不同的机制和实现建立联网：例如指向对象的指针、至对象的电子邮件或者通过OPC协议(OPC表示对于过程控制的OLE)的联网。尤其是在工业环境中经常使用OPC协议。其它可以用于联网或连接的技术或者实现例如是MSMQ(Mircrosoft消息队列)、HTTP(超文本传送协议)或者SOAP(简单对象传送协议)。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，对象在物理上包含元信息。由此在建立设备或者设备特性时支持了本地化原理，即，所有对于一个对象重要的信息(也包括元信息)也在物理上存在于对象上。这些信息的访问由此变得容易。通过对象(如设备部分或者设备部件)在物理上包含元信息，根据在对象中具有哪些元信息(类型和规模)，也可以将一个对象本身单独用于设备的组织、重新组织或者重新配置。这点对于移动对象特别具有优点，例如对于软件代理，其为了例如在各计算机本地(如为一个维护系统)收集高性能的设备信息而在因特网中在计算机之间移动。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，在物理上包含元信息的对象是运行时对象。运行时对象在系统运行时执行系统的逻辑。运行时对象如果包含对于工程重要的或者在工程中建立的元信息，则保证数据和对象的一致性。也就是，保证了建立对象和执行对象之间的一致性。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，元信息描述了一个应用或者业务过程。如果元信息不仅包括关于对象本身的信息，而且包括关于整个设备、关于使用环境或者关于待实现的业务过程的信息，则由此简化了设备的配置直到可以自动进行配置。也可以在没有人员干预的条件下自动地进行重新配置(例如，在设备崩溃或者系统的部分出故障之后)。由此提高了企业的灵活性。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，每个对象包含关于应用或者业务过程的所有元信息。这意味着，在设备中每个设备对象(例如，在对象“阀门”或者对象“混合器”中，或者在非常小的标签中、在每个变量或在每个运算符中，即极其细小的粒度对象中)包含了设备或者业务过程的所有描述。通过这些信息将每个对象用于设备或者业务过程的重新组织，或者用于设备或者业务过程的自身组织。这点例如在系统的大部分出现故障的系统故障中特别具有优势。系统可以从最小的还起作用的部分自己完全重新产生。维护工程师不必费事地忙于获得并阅读文档。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，在出现故障的情况下自动化系统自己重新配置。在出现故障的情况下自动化系统在利用被干扰或者被破坏的对象本身的元信息、拷贝、复制品或者克隆的条件下重新配置或者修复。如果在设备中每个设备对象(例如，在对象“阀门”或者对象“混合器”中，或者在非常小的标签中、在每个变量或在每个运算符中，即极其细小的粒度对象中)包含了设备或者业务过程的所有描述，则可以将这些信息用于系统或者业务过程的自动重新组织，即应用的自身恢复。不再要求用户的干预，而且停机时间变为最小。维护工程师不必费事地忙于获得并阅读文档。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，可以按不同的视角将树表示在显示装置上。树的表示可以是不同的，例如通过类似于静态浏览器的标记或者按工作流或流程图(流程图、活动图)或者例如按框图电路(例如电流运行图)或者设备图。由此提供了对于用户的灵活性，因为用户可以选择一个与其知识状态相当的标记或者可视化。也可以在表示形式之间进行转换。
本发明用于工程方法的另一个优选的结构在于，将对象在显示装置上通过拖放机制进行联网。对象之间的联网也可以通过输入模板或者编辑过程进行。不过，如果通过鼠标(或者光笔)在显示装置上通过拖放机制进行连接，则可以提高在工程过程中用户的效率。由此给出了费用的优势。
按照本发明，上述关于工程系统的技术问题是如下解决的：所述工程系统具有用于为对象分配元信息的装置，其中，所述元信息包括关于对象本身以及关于过程的信息，使得可以从对象的元信息、结构和联网中导出对过程进行控制和调节的系统的功能；所述元信息还被分配给在运行时系统中的对象；将所述工程系统构造用于，在分析该元信息的条件下在运行时在运行时系统中置换对象。分配给对象的元信息例如描述对象包含哪些数据和函数，不过，元信息也可以包含用于实现和操作的描述或者包括用户文档或关于总流程、业务或制造过程的信息。在如HTML或XML的标记语言中元信息可以通过所谓的标签或者属性描述并分配给对象。也可以利用分层结构设置元信息。本发明的一个优点在于，不必为了运行在工程中建立的设备特性而产生明确的代码。由树的结构和其联网为通过该树代表的设备确定了流程逻辑和流程顺序。在运行时可以手动或者自动改变的树的结构和树元素的联网确定，为函数提供哪些操作数以及是顺序还是并行执行函数。例如，在工业设备中通过树的结构和树元素的联网确定，为设备提供哪些输入量以及如何继续处理由该设备产生的输出值。在工程系统上由用户对该树和联网进行图形化的编辑。树的表示形式可以是不同的，并由用户自由选择。树元素的联网或者分支可以通过树中的分层结构进行。不过，树元素的联网或者分支也可以通过由用户编辑的引用或至其它部分树的横向联网实现。用于建立树和建立联网的输入可以通过输入模板、拖放机制或者通过语音输入进行。
为各对象分配了其实现，即其编码和元信息。由此，通过在运行时由预制的对象组合成工程中建立的应用(例如根据其元信息自动地进行)，可以放弃用于产生对待通过该工程建立的应用的代码的明显的编译阶段。编译流程以及产生流程可能持续得非常长。因为运行时系统总是被直接增量地修改而不再需要明显的编译流程以及产生流程，由此使建立设备特性、测试和投入运行的时间最小。
另一个基本的优点在于，统一地对待程序和数据。数据是没有函数的对象树、而程序是具有函数的对象树。所有在运行时系统中现存的、用于数据和程序的综合、联网、确定版本、存储、传输等的机制只需要实现一次，而不用对于数据和程序各实现一次。这也简化了软件开发者、运行者和管理者的处理，因为他们只需对这些机制熟悉一次。
另一个优点在于，可以非常容易地进行改动。可以随时将部分树引入、变更或者去除而不需要改动整个树结构。因为可以更快地对改变的市场需求做出反应，由此企业的灵活性得到提高。这点尤其是在将通过工程建立的应用用于自动化系统、制造设备或者MES系统的控制时特别重要。
对象之间的联网、分支或者引用可以按不同的粒度进行。这样，例如联网可以通过指明物理地址(通过指针)实现，由此可以(例如在过程的流程内部)得到高的效率。其它的联网机制例如是电子消息(如电子邮件)、电话或者传真。根据作为基础的应用的不同要求可以由用户选择对应的联网机制。
现存设备或者自动化系统表现为高的复杂性。引起寿命造价上升的复杂性，在于单个设备部件或者自动化部件(例如执行器和传感器)，也在于部件为了一个总的方案的共同作用。如果关于部件共同作用的知识通过元信息与部件或者对象结合，则可以由此得到巨大的竞争优势，因为由此可以降低自动化部件和设备部件的寿命造价。在对象中存在元信息可以自动地支持人员直到自动地实施下列功能：投入运行、运行、维护、变更或者修理。
本发明用于工程系统的第一优选的结构在于，对象是运行时对象。运行时对象是在系统运行时执行系统逻辑的对象。这种运行时对象的例子有：设备和设备部件、控制、任务、职能、功能元件、标签、文档、报警、图像、显示等等。由此保证了工程信息和运行时系统之间的一致性。由此可以容易地并较少出现错误地进行变动。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，将对象在运行时自动地组合为用于自动化方案的自动化系统。该组合在使用为运行时对象分配的元信息的条件下实现。由此一个设备的工程可以独立于作为基础的目标系统实现。根据与对象耦合的元信息(对象可以具有从复杂的设备部分到小的设备部件的不同粒度)，在运行时对象自动地组合成一个可以运行的整体设备。由此，改动也可以在非常晚的阶段还容易地进行。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，在运行时可以置换对象和/或联网机制和/或对象或联网机制的实现。通过在运行时可以将对象置换为其它对象、例如具有扩展功能的对象，或者置换对象的实现(例如新的实现没有错误或者具有更好的性能)或参考机制和联网机制，明显地减少了在改动时的周转时间。由此提高了对于设备用户和运营商的灵活性以及企业的灵活性。对于元信息的处理不使用通常的编译器，而是使用所谓的增量编译器或者一种仅仅在置换时刻在对象局部起作用的解释器。对于新使用的对象，如果需要则产生增量代码，而增量编译器/解释器在运行时将新使用的对象(以及参考机制和/或联网机制和/或对象新的实现)再次引入到树中，而不需考虑树的其它(未涉及的)部分。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，可以自动地从分层树的结构中导出自动化系统的函数。由此，不必为了运行在工程中建模的设备或者设备功能而产生明确的代码。由树的结构和其联网为通过该树代表的设备确定了流程逻辑和流程顺序。树的结构和树元素的联网确定，为函数提供哪些操作数以及是顺序还是并行执行函数。例如，在工业设备中通过树的结构和树元素的联网确定，为设备提供哪些输入量以及如何继续处理由该设备产生的输出值。在工程环境中由用户对该树和联网进行图形化的编辑。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，将对象静态和/或动态地联网。联网(以及分支或引用)可以在树的手动建立时静态地实现，不过也可以根据当前信息(例如设备状态)或者元信息自动地建立。由此提高了对于用户的灵活性。可以通过不同的机制和实现建立联网：例如指向对象的指针、至对象的电子邮件或者通过OPC协议(OPC表示对于过程控制的OLE)的联网。尤其是在工业环境中经常使用OPC协议。其它可以用于联网或连接的技术或者实现例如是MSMQ(Microsoft消息队列)、HTTP(超文本传送协议)或者SOAP(简单对象传送协议)。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，对象在物理上包含元信息。由此在设备建模过程中支持了本地化原理，即，所有对于一个对象重要的信息(也包括元信息)也在物理上存在于对象(在工程中由对象表示设备部分)上。这些信息的访问由此变得容易。通过对象在物理上包含元信息，根据在对象中具有哪些元信息(类型和规模)，也可以将一个对象本身单独用于设备的组织、重新组织或者重新配置。这点对于移动对象特别具有优点，例如对于软件代理，其为了例如在各计算机本地(如为一个维护系统)收集高性能的设备信息而在因特网中在计算机之间移动。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，在物理上包含元信息的对象是运行时对象。运行期对象在系统运行时执行系统的逻辑。运行时对象如果包含对于工程重要的或者在工程中建立的元信息，则保证数据和对象的一致性。也就是，保证了建立对象和执行对象之间的一致性。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，元信息描述了一个应用或者业务过程。如果元信息不仅包括关于对象本身的信息，而且包括关于整个设备、关于使用环境或者关于待实现的业务过程的信息，则由此简化了设备的配置直到可以自动进行一个配置。也可以在没有人员干预的条件下自动地进行重新配置(例如，在设备崩溃或者系统的部分出故障之后)。由此提高了企业的灵活性。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，每个对象包含关于应用或者业务过程所有元信息。这意味着，在设备中每个设备对象(例如，在对象“阀门”或者对象“混合器”中，或者在非常小的标签中、在每个变量或在每个运算符中，即极其细小的粒度对象中)包含了设备或者业务过程的所有描述。通过这些信息可以将每个对象用于设备或者业务过程的重新组织，或者用于设备或者业务过程的自身组织。这点例如在系统的大部分出现故障的系统故障中特别具有优势。系统可以从最小的还起作用的部分自己完全重新产生。维护工程师不必费事地忙于获得并阅读文档。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，在出现故障的情况下自动化系统可以自己重新配置。在出现故障的情况下自动化系统在利用被干扰或者被破坏的对象本身的元信息、拷贝、复制品或者克隆的条件下重新配置或者修复。如果在设备中每个设备对象(例如，在对象“阀门”或者对象“混合器”中，或者在非常小的标签中、在每个变量或在每个运算符中，即极其细小的粒度对象中)包含了设备或者业务过程的所有描述，则可以将这些信息用于系统或者业务过程的自动重新组织，即应用的自身恢复。不再要求用户的干预，而且停机时间变为最小。维护工程师不必费事地忙于获得并阅读文档。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，可以按不同的视角将树表示在显示装置上。树的表示可以是不同的，例如通过类似于静态浏览器的标记或者按工作流或者流程图(流程图、活动图)或者例如按框图电路(例如电流运行图)或者设备图。由此提供了对于用户的灵活性，因为用户可以选择一个与其知识状态相当的标记或者可视化。也可以在表示形式之间进行转换。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，将对象在显示装置上通过拖放机制进行联网。对象之间的联网也可以通过输入模板或者编辑过程进行。不过，如果通过鼠标(或者光笔)在显示装置上通过拖放机制进行连接，则可以提高在工程过程中用户的效率。由此给出了费用的优势。
本发明用于工程系统的另一个优选的结构在于，将工程系统集成到运行时系统中，其中通过视图访问可以选择的功能。由此将传统的工程系统简化为可以用来直接观察和改变运行示系统的表示和编辑器。这种结构原理以及体系的优点是，除了可以更为简单地改动运行时系统之外，还保证系统和数据的一致性。
本发明的另一个优选的结构在于，通过计算机程序实现本发明的系统和本发明的方法。由此可以简单地进行可能的修改以及适应。
本发明的另一个优选的结构在于，将用于本发明方法的计算机程序存储在一个数据载体上。由此可以针对逻辑和分配容易地处理该方法。数据载体例如是常见的计算机程序产品，例如磁盘或者CD。
本发明的另一个优选的结构在于，将用于本发明方法的计算机程序安装在一个数据处理装置上。由此提高了性能。
附图说明
本发明的其它优点和细节借助于附图由下面对优选实施方式的描述给出。只要在不同的附图中描述相同的功能，则用相同的参考符号表示。图中，
图1表示具有三个控制层的“企业金字塔”的原理概貌图，
图2表示一个具有工程系统、运行时系统和待控制的技术过程的示意图，
图3表示一个对象的示意图，
图4表示一个在工程中建立的设备的树结构，
图5表示树的一种表示形式，
图6表示树的另一种表示形式，以及
图7表示一个具有运行时系统和待控制的技术过程的示意图，其中，将工程系统的功能集成在该运行时系统中。
具体实施方式
按照图1的表示用原理简图示出了三个控制层，如通常在制造或者生产企业中出现的那样。通过该金字塔的形式表明了，沿向上的方向信息变得密集。最上面的层是ERP层(企业资源规划)。在该企业管理层通常执行在企业中的企业经济和运营的任务(例如财务、运营、人员、报告)。不过，在该层上还执行对制造设备干预的后勤任务(例如，订货管理和材料管理)。系统SAPR/3是一个企业管理层极其常用的ERP系统。
金字塔的最底层是自动化层(控制)。在该层上通常将存储可编程控制器(SPS)与可视化系统和过程管理系统结合起来使用。制造和/或生产装置的传动器、执行器和传感器直接地与该层的系统连接。
ERP层和自动化层之间的连接环节由MES层构成。由此，MES层的应用负责ERP层和自动化层之间的垂直综合。MES应用必须一方面为ERP系统的粗略计划数据补充上针对制造设备的精细计划数据，并将其传递至自动化层的系统；另一方面，MES应用还具有这样的任务，即，取得自动化层的对于制造重要的信息，对其整理并进一步报告到ERP(企业管理层)，以及对制造中的流程进行优化。
典型的MES应用有质量管理(QM)、维护管理(MM)、性能分析(PA)、过程管理、劳力管理、资产管理等等。在图1中分别用三个点表示在一个层上可以存在其它元素(应用，系统等)。
MES系统或者ERP系统通常包括：一个所谓的运行时系统，用于对有关部件(部分组件、模块、任务、操作系统的过程等)进行时间流程控制，以及一个所谓的工程系统，用于建立和编辑在运行时系统中设置的程序。
按照图2的表示示出了一个具有工程系统ES、运行时系统RTS和待控制的技术过程TP1的示意图。控制的运行时系统RTS(或者自动化系统或MES系统的运行时系统RTS)和技术过程TP1之间的连接通过输入/输出EA1双向地实现。控制的编程和由此对运行时系统RTS的特性的确定在工程系统ES中完成。工程系统ES包含用于机器或者控制技术过程(如工业设备)的配置、规划和编程的工具。在输入系统中建立的程序通过信息路径I传送到目标系统的运行时系统RTS。针对其硬件结构，一个工程系统ES通常由一个计算机系统构成，该计算机系统具有图形显示屏(例如显示器)、输入辅助装置(例如键盘和鼠标)、处理器、工作存储器和次级存储器、一个用于取得计算机可读介质(例如磁盘、CD)的装置以及用于与其它系统(例如用于技术过程的其它计算机系统、控制器)或者介质(例如因特网)进行数据交换的连接单元。目前工程系统ES具有用于建立设备或控制器的面向对象的模型的编辑和图形工具。这些工具支持的一种典型的建模方法例如是具有多种不同图表形式的UML(Unified ModellingLanguage，统一建模语言)，该语言允许以不同的观点设计设备。由此在工程阶段产生这样的优点，即从可视的编程中可以得知：对于制造者和终端用户生产率提高、以及容易修改、容易排除故障。还支持对于控制器或者设备的诊断和模拟。
现代的工程系统ES还可以访问配置管理工具和变动管理工具。
目前，现代的工程系统ES尤其支持面向对象的范例，如建立对象、建立类、建立上层类以及建立继承关系。通过适当的编辑器、模板输入或者通过拖放机制将对象与元信息结合，将对象构造为分层的树并相互联网。为了例如控制一个技术过程TP1，必须将借助于工程系统ES建立的控制特性或者设备特性最后在一个目标系统或一台目标计算机上实施。该目标系统通常由一个到多个具有处理器和存储器装置的计算单元以及一个运行时系统RTS组成。借助于工程系统ES建立的控制程序或者设备特性通过信息路径I加载到运行时系统RTS上。通过输入/输出连接EA1控制作为基础的技术过程TP1，该技术过程例如用于自动化任务或者MES任务。从运行时系统RTS到技术过程TP1，通过EA连接EA1对例如执行器施加影响，从技术过程TP1到运行时系统RTS，通过EA连接EA 1提供例如传感器数据，这些数据然后在应用中进一步处理。也可以将一个运行时系统RTS分布到多个计算单元中。
如果在工程中用于设备描述或者对于制造或者装配任务的对象(设备部分、设备部件、机器，阀门等)与元信息结合(例如通过引用)，或者物理上包含元信息(例如在一个自身的存储器中)，则可以从中获得关于运行、维护、变更或者修理的巨大优点。元信息例如可以是关于对象本身的信息，如谁使用一个对象？与哪些其它对象综合？不过，元信息也可以包含关于一个应用、待实现的业务过程或者整个设备的知识。这种知识方式在工程中是现成的(在说明书、技术数据或者其它设备附件中)，只需作为元信息加入到对象中。为此，标记语言XML(扩展标记语言)尤其适用于描述元信息并与对象结合。
本发明的工程系统以及本发明的工程方法适用于所有类型的工程：化学工程、生产工程、设备工程、工业工程，以及软件工程。有意义的是将过程计划、项目管理、质量管理以及生产控制的函数与工程结合。功能强大的工程系统ES必须通过对应的工具支持综合或者支持这些函数。特别是通过将一次建立或者建模的设备对象在工程中再次使用的可能性缩短了运行时间。
按照图3的表示示出了一个具有对象界面OI的对象的示意图。这种对象可以在所有类型的工程(化学工程、生产工程、设备工程、工业工程、软件工程)中应用。一个对象一般是一个领域中的一个事物或者元素。在面向对象的软件开发中对象是现实世界(例如订购合同)或者假想世界(例如法律上或者自然人或者组织)的事物(例如，机器人、汽车、机器)、人(例如，顾客、同事、专利律师)或者概念的单独的样本。一个对象具有一个确切定义的状态并以预定的特性对其环境做出反应。此外，每个对象具有一个对象标识，该标识区别于所有其它对象并允许调用特定的对象。一个对象可以认识一个或者多个对象。在相互认识的对象之间存在连接或者分支以及联网。一个对象的状态通过其数据或者属性值和与其它对象的各连接确定。一个对象的特性通过其方法或者操作的集合定义。在面向对象中通过一个类描述对象的类型。从该类型描述中可以产生具体化身或者实例，用来表示一个具体编程语言上的对象。借助于对象图表可以图形地表示对象及其连接。用于对象图表的编辑器是工程系统(ES，见图2)的一部分。UML(Unified Modelling Language，统一建模语言)提供了一系列用于图形表示面向对象概念的(业务过程图、状态图、活动图、协作图、序列图、类图等)符号。这些图表可以由用户在一个工程系统(ES，见图2)中编辑和处理。
图3的左边部分示出了一个对象通常包含的信息或者元素。数据是如计数值一样简单的东西或者是如配方、订单或者文档一样复杂的结构。方法(经常也称为操作)代表在算法意义上可以执行的行为。方法集合确定对象类或者由该类实例化的对象的特性。类似于客户机-服务器的结构，一个对象的方法可以由其它对象使用或者调用。另外，对象可以包含实现其方法所需的所谓子对象。通过子对象确定了对象的结构上的构成。
在图3的表示中在右侧用阴影示出了所谓的容器(container)。通过该容器实现了保持元信息的机制和访问该元信息的机制。该容器建立了一个围绕对象的封闭层，而且所有对于对象的访问只能够通过接口OI进行。通过接口OI访问对象的方法和数据以及对象的元信息。由此，在对数据、方法或者元信息的访问中用户可以不考虑数据方法和元信息的实现。所有对于对象的访问通过接口OI进行。这使得对象的可以再次使用性以及可交换性非常容易。由此，在一个例如软件系统的复杂系统中也可以总是按同样的方式方法访问对象。特别是，所谓的容器能以对所有对象类型(例如业务对象、设备对象)统一的方式提供基本功能，例如数据联网、数据存储、数据可视化。在容器中示意地显示了一个可以类似于人类细胞的DNA结构的双螺旋。由此表明，一个对象包含了部分或者整个元信息，即，也包含了例如投入业务过程的结构信息和逻辑。由此，可以从一个对象中组织或者重新组织整个系统或者整个应用。由此可以使系统的停机时间最小，并极其有效地执行维护工作。
通过使用标记语言可以非常灵巧和简单地将元信息耦合或者设置在对象或者系统上。尤其是XML(扩展标记语言)提供了容易地归纳元信息并将其耦合到对象上的可能性。例如，元信息可以按XML作为元素(通过一个开始标签和一个结束标签包围)或者作为属性(直接综合到开始标签中)存放。
容器提供的基本功能包括例如追踪函数，例如谁使用了一个对象和使用了多长时间。如已经提到的，容器包含对象的元信息、自身描述信息。由此也可以引入测量或者安全机制。
按照图4的表示示出了一个设备的树结构或者一个自动化方案的结构。在此，对象作为双圆表示。内圆示意地表示如图3所公开的、对象的结构。其中对象的左侧还是表示了数据方法和子对象，右侧阴影部分代表了所谓的容器，该容器包括元信息并为对象提供基本信息。该容器为对象建立一个封闭层。对于对象的访问只能够通过由容器提供的对象接口OI进行。基本功能例如有数据联网、数据存储和数据可视化。通过容器将这些功能按统一的方式提供给所有其它对象。
围绕对象的外圆表示，这些对象最终嵌入系统的基本结构中。该基本结构的一个要素是联网。联网或者分支可以非常精细粒度地例如通过存储器指针实现。不过，也可以通过因特网、通过电子邮件或者通过电话连接实行。
在图4中的表示中，用在对象之间粗的连接线表示对象横向相互连接。这种横向的连接在工业领域中可以是例如通过OPC(过程控制的OLE)的连接。这样一种连接或者基本服务也可以通过消息队列机制实现。对于基本服务或者基本功能的访问通过容器提供，并且对于在一个树中的对象是相同的，即不管是涉及B&B设备(操作和观察设备)还是存储可编程控制器(SPS)。因此改变基本服务的实现是非常简单的，因为特征保持不变。即，一个对象的外圆表示了可以通过容器使用的基本服务或者基本功能的集合。一次性实现的基本服务可以由所有对象按相同的方式使用。
按照图4的表示示出了一个设备结构，其中对象构造为分层树。待实现的设备或者控制任务包括一个具有数据库DB的B&B设备，其中，该B&B设备由一个存储可编程控制器(SPS)控制。该SPS通过输入/输出函数访问执行器和传感器。操作和观察设备的结果由对象“执行”继续处理。用于该继续处理而在对象“执行”中进行的算法通过悬在对象“执行”下面的部分树表示。其中，利用函数F处理一个值X1，函数F得到值X2作为输入值。在该执行部分实施之后，进行通过对象“后处理1”和“后处理2”表示的其它后处理。在此，可以是例如压缩或者显示功能。在图4中示出了“后处理1”的后处理的结果由对象“进一步处理”进行另一个处理的步骤。一个按照这种方式描述的设备自然可以是一个设置在上的、具有其它按这种方式方法描述的设备的域的部分，在图4中通过对象“域”表示。
除了通过树结构预定的分层结构之外，对象也可以横向或者水平相互联网、反射或者分支。这在图4中通过粗线示出。这种分支可以通过输入模板建立模型或通过拖放机制建立。
一个设备或者控制器实现的功能由树对象的结构、分层和联网给出。根据一个作为基础的遍历算法对树元素、即对象进行处理和实施。对于一个设备或者控制器的应用的实施可以与人的神经系统的工作方式进行类比，其中单个的神经元通过神经突和神经键相互连接并相互交换其活动，其中，一个刺激触发一个通过身体的脉冲链，并且根据神经元的不同联网实施这种脉冲链。在本发明的工程系统中，也是通过对象的结构和联网(该对象可以与人体中的神经元类比)产生一个激励，例如在图4中如果一个SPS的传感器传递一个结果而该结果由B&B设备采集并随后启动一个执行，该执行又触发“后处理1”和“后处理2”来进行进一步的处理，其中“后处理1”在进一步处理之后还启动一个进一步处理。按照这种方式方法所建立的设备或者控制器具有特别优选的特性。这样，应用所必需的对象直到运行时才组成，由此，这些应用的可改变性和灵活性是非常高的。在变动时对象不必首先被编译。如果在系统中新引入的、替代另一个对象的对象具有和被替代对象相同的接口、相同的特性，并且仅仅在实现中例如通过更好的性能改变，则可以非常容易的集成该新对象。
按照图5的表示示出了树的一种表示形式。该树代表了一个设备或者设备的一部分或者应该利用该设备的组成部分实现的方案。在图5中示出了一个作为具有两个显示屏区域BB 1和BB2的显示设备AZ1。显示设备AZ1例如可以是一台监视器或者显示器。显示设备AZ1通常是工程系统(ES，见图2)部件的部件。借助于显示设备和例如键盘或者鼠标的输入辅助装置可以在显示屏上产生对象、作为树分层地构造、相互联网或者分支，不过也可以设置元信息或者其它信息。可以设想显示设备AZ1包含其它的显示屏区域，用于表示树或者用于实现输入(例如菜单功能)。一个利用模型化的对象来实现任务的具体解决方案在运行时由树的对象组成。对于对象的处理，不仅对象结构而且对象的联网都是重要的。如果一个用户(例如系统综合者或者维护工程师)希望进行改动，则其需要一个符合其对应要求和需要的树的表示。如在图5左侧显示屏区域BB 1中示出的树的表示中，示出具有树元素K1，K2，K3，K4的树OB 1，而且是按照类似于浏览器的符号示出。如在显示屏区域BB2中示出的树的表示对应于例如用于电路图的符号。在显示屏区域BB2中示出的元素K1′和K2′通过分别用线相互连接的输入变量(x1，x2)和输出变量(r1，r2)表示为树结构。按照这种电路图形式的表示对于电工程师是有兴趣的，因为电工程师按电路图思考。通过输入辅助装置，可以改变一个树的表示并且分别为用户组选择最实际的表示。用户组例如是维护工程师、系统综合者、开发者，或者市场和销售人员。
按照图6的表示示出了另一种可能性，即如何将一个树(包括在工程中建立的设备部件)在工程系统(ES，见图2)的显示设备AZ2上表示。图6的左侧部分按照类似于浏览器的结构示出了具有一个对象树OB2的显示屏区域BB 1′。图6的右侧部分示出了显示屏区域BB2′，其中，将一种对于表示业务流程特别具有优势的符号用于表示树。在企业的会计和管理中的人按照这种业务过程流程思考。在建立树时的用户友好性和效率通过这样的可能性得到提高，即，可以在不同的表示形式之间进行转换。由此，用户可以不考虑树的内部表示或者实现。在建立树或者改变树时不必重新编程，而是可以对所有的进行计划。这点对于建立应用时的效率是优选的，该应用例如用于MES任务的解决方案(任务展开等)或者用于自动化任务的解决方案。
按照图7的表示示出了一个具有扩展的运行时系统RTS/ES和一个待控制的技术过程TP2的示意图，其中，将工程系统的功能集成在该扩展的运行时系统RTS/ES中。通过视图访问各自所需的功能。在图7中示出了对于工程的视图(ES视图)、对于操作的视图(操作者视图)和对于维护的视图(维护视图)。通过三个点说明了可以存在其它视图。扩展的运行时系统RTS/ES包含用于开发和改动运行时系统的基本设施。对于待控制的技术过程TP2的连接通过输入/输出连接EA2实现。
本发明的基本作用是，常规工程系统(ES，见图2)的功能大部分被运行时系统RTS/ES覆盖。元数据大部分是在开发中无论如何要积累的数据。因此，运行时系统和工程系统可以相互融合而不必作为单独的部件构造。一个可以改变的系统在运行时包含许多现在仅仅在开发环境中存在的要素(建立模型、可视化、编译等)。传统的工程系统减少为可用于直接观察和改变运行时期系统的表示和编辑器。
这种结构原理以及这种结构的优点，除了可以简单地改变运行时系统之外，还有系统的一致性。所有包含或者引用元数据的部件都自我描述。部件的组成给出了整个系统的描述。也就是说，随着系统的一直改变(例如插入或者拔出部件)视图(工程视图)总是可以显示当前的系统。UML图表、业务过程图、电路图、设备图总是当前的。
总之，本发明涉及一种工程方法和工程系统，用于基于至少一个计算单元的工业自动化系统，特别是MES系统，该计算单元具有输入辅助装置、输出辅助装置以及至少一个显示装置，其中，模型化的对象包括设备结构以及设备部件并结合了元信息。该模型化的对象在工程中被构造成分层的树并也可以相互横向联网或者分支。所述对象在运行时在利用元信息条件下被加载到目标系统上用于实施，其中，在工程中模型化的设备的功能从树的结构和联网中确定。
上述本发明的方法以及系统可以作为计算机程序按公知的语言实现。这种实现的计算机程序可以按同样公知的方式通过电子数据路径被存储和传送。

Claims (14)

1.一种工程方法，用于对自动化过程进行控制和调节的系统，其包括通过对分别代表了自动化方案的各部分任务的对象(K1-K4，K1′-K4′)进行模型化、分层构造和联网来对过程进行面向对象的建模，其中，所述对象(K1-K4，K1′-K4′)可以在运行时系统上执行，其特征在于：
为对象(K1-K4，K1′-K4′)分配元信息，其中，所述元信息包括关于对象(K1-K4，K1′-K4′)本身以及关于过程的信息，使得可以从对象(K1-K4，K1′-K4′)的元信息、结构和联网中导出对过程进行控制和调节的系统的功能，
所述元信息还被分配给在运行时系统中的对象(K1-K4，K1′-K4′)，
在分析该元信息的条件下在运行时在运行时系统中置换对象(K1-K4，K1′-K4′)。
2.根据权利要求1所述的工程方法，其特征在于，在一个设备中的自动化过程中，也将该设备模型化，并且所述元信息也包括关于该设备的信息。
3.根据权利要求1所述的工程方法，其特征在于，所述对象(K1-K4，K1′-K4′)物理上包括分配给其的元信息。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的工程方法，其特征在于，将所述对象(K1-K4，K1′-K4′)通过引用与所述元信息组合。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的工程方法，其特征在于，为每个对象(K1-K4，K1′-K4′)分别分配关于过程的所有元信息。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的工程方法，其特征在于，将所述工程方法集成到运行时系统中。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的工程方法，其特征在于，递增的、仅仅在改变、引入或置换的时刻对象局部地激活编译器或解释器，其在分析所述元信息的条件下递增地产生用于在运行时系统中在运行时待改变、待引入或待置换的对象(K1-K4，K1′-K4′)的代码。
8.一种工程系统，用于对自动化过程进行控制和调节的系统，其包括用于通过对分别代表了自动化方案的各部分任务的对象(K1-K4，K1′-K4′)进行模型化、分层构造和联网来对过程进行面向对象的建模的装置，其中，所述对象(K1-K4，K1′-K4′)可以在运行时系统上执行，其特征在于：
所述工程系统具有用于为对象(K1-K4，K1′-K4′)分配元信息的装置，其中，所述元信息包括关于对象(K1-K4，K1′-K4′)本身以及关于过程的信息，使得可以从对象(K1-K4，K1′-K4′)的元信息、结构和联网中导出对过程进行控制和调节的系统的功能，
所述元信息还被分配给在运行时系统中的对象(K1-K4，K1′-K4′)，
将所述工程系统构造用于，在分析该元信息的条件下在运行时在运行时系统中置换对象(K1-K4，K1′-K4′)。
9.根据权利要求8所述的工程系统，其特征在于，在一个设备中的自动化过程中，也将该设备模型化，并且所述元信息也包括关于该设备的信息。
10.根据权利要求8所述的工程系统，其特征在于，所述对象(K1-K4，K1′-K4′)物理上包括分配给其的元信息。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的工程系统，其特征在于，将所述对象(K1-K4，K1′-K4′)通过引用与所述元信息组合。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的工程系统，其特征在于，为每个对象(K1-K4，K1′-K4′)分别分配关于过程的所有元信息。
13.根据权利要求8至10中任一项所述的工程系统，其特征在于，将所述工程系统集成到运行时系统中。
14.根据权利要求8至10中任一项所述的工程系统，其特征在于，递增的、仅仅在改变、引入或置换的时刻对象局部激活的编译器或解释器，其在分析所述元信息的条件下递增地产生用于在运行时系统中在运行时待改变、待引入或待置换的对象(K1-K4，K1′-K4′)的代码。
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