WO2025002531A1 - Choreografiertes technisches modul mit orchestrierungsfunktionalität - Google Patents

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WO2025002531A1
WO2025002531A1 PCT/EP2023/067336 EP2023067336W WO2025002531A1 WO 2025002531 A1 WO2025002531 A1 WO 2025002531A1 EP 2023067336 W EP2023067336 W EP 2023067336W WO 2025002531 A1 WO2025002531 A1 WO 2025002531A1
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technical
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technical module
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Andreas Stutz
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Program-control systems
    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/418—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM]
    • G05B19/4185—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM] characterised by the network communication
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/418—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM]
    • G05B19/41845—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM] characterised by system universality, reconfigurability, modularity
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/31—From computer integrated manufacturing till monitoring
    • G05B2219/31094—Data exchange between modules, cells, devices, processors

Definitions

  • the invention relates to a technical module comprising a plurality of technical objects, each of which is designed and provided to carry out a technical function,
  • control unit designed and intended to control the technical objects
  • a communication unit which is designed to exchange data with external communication partners, in particular other technical modules, via communication connections
  • the communication unit has a computer-implemented connection service which is designed to manage the communication connections of the technical module
  • the communication unit has a computer-implemented reading service which is designed to read data which is received from external communication partners via the communication connections of the technical module managed by the connection service
  • the invention also relates to a technical system comprising at least one technical module.
  • the invention also relates to a method for operating a technical module in a technical system.
  • the invention also relates to a computer program with a corn- computer-executable program code instructions and a computer-readable medium.
  • Modular systems enable system operators to significantly shorten the so-called "time to market” and to respond quickly to changing market conditions by converting the system with little effort.
  • system operators can build up a pool of modular units (e.g. process units) with which they can put together a specific system using what is known as orchestration. If the system is to be converted, individual modules are removed and replaced by others, for example more powerful modules.
  • the publication WO 2016/074730 A1 describes a method of creating a modular technical system using self-description information of the modules. This method is based on self-description information of the individual modules that is available online. However, in an orchestration process of a modular system, this information is usually not available (online), since the planning is done offline on the basis of static type description information such as the Module Type Package (MTP) (cf. draft of the standard "VDI/VDE/NAMUR 2658" published by the Association of German Engineers (VDI) on 4 January 2018).
  • MTP Module Type Package
  • the "unit operation" is implemented by the plant operator in the orchestration instance by orchestrating small-scale functions using purely procedural relationships, usually solved using step transition logic.
  • the orchestration in the orchestration instance also requires consideration of regulatory and locking relationships.
  • the orchestration instance has a data hub that reads values from a source and writes them to a sink. Between reading and writing, the orchestration instance has the option of inserting configurable conversions.
  • the orchestration of the small-scale functions and the realization of the regulatory and locking relationships place high performance and real-time demands on the orchestration instance.
  • the "unit operation” is implemented natively in a (control) program of a controller of the technical module.
  • a step transition logic is usually used. Regulatory and locking tasks can in this case be implemented within the controller of the technical module.
  • flexibility is limited with this solution, since the function at the level of a “unit operation” must be very specific for a certain application case.
  • the mechanical engineer who implements the technical module develops, manufactures, tests and (in some industries) sells with appropriate validation certificates, do not have the process knowledge to implement the "unit operation” in the technical module.
  • the Module Type Package (MTP) concept is a standardization activity that specifies runtime interfaces and semantic information models to enable a largely automated integration process of intelligent modules, so-called device assemblies, into a higher-level control system, the so-called orchestration layer.
  • the standard introduces an automation service concept using a central orchestration mechanism for linking several automation services.
  • the use of a choreography mechanism is already proposed as a solution for implementing cross-device and cross-module automation functions.
  • choreographies are ideal for assigning device assemblies, especially when it comes to controls that are closed across device assembly boundaries.
  • automation software for each device assembly involved in a choreography called choreography participant, must be expanded to include function blocks that correspond to a specific choreography pattern. This represented a limitation in some cases.
  • a choreography consists of at least two services that are designed to perform procedural, regulatory, circuit and parameter system variables can be exchanged via direct cross-communication.
  • System variables are service states, parameters, process values or status information from individual control elements that are provided via standardized interfaces.
  • the service In a choreography, the service is provided with the system variables of other services that are required for its own task, and with a configured set of rules that define how the service must react to changes in the system variables. In this way, it is defined how the behavior of a service is influenced by the system variables of its environment. Together, this forms the functional knowledge that a service must have in order to interact with the surrounding services.
  • the interaction of all services in a choreography thus implements a new associated automation function that can be accessed via a new service interface that maps the entire choreography.
  • This interface consists of the interface of a service (the so-called "leader”) and other services (the so-called “followers”) that are required for the associated functionality.
  • control unit designed and intended to control the technical objects
  • a communication unit which is designed to exchange data with external communication partners, in particular other technical modules, via communication connections
  • the communication unit has a computer-implemented connection service which is designed to manage the communication connections of the technical module
  • the communication unit has a computer-implemented reading service which is designed to read data which is received from external communication partners via the communication connections of the technical module managed by the communication unit
  • - a logic unit that can be configured during the runtime of the technical module and is designed to generate information necessary for the control unit to control the technical objects for operating the technical module in the technical system on the basis of choreography instructions received from an orchestration instance via the reading unit.
  • the technical module is characterized by the fact that the configurable logic unit is additionally is designed to generate instructions for a control unit of a further technical module for controlling technical objects for operating the further technical module in the technical system on the basis of the choreography instructions received from the orchestration instance via the reading unit, wherein the technical module has a computer-implemented writing service which is designed to transmit the instructions generated by the logic unit to the further technical module via the communication connections managed by the connection service, so that the technical module is designed as a further orchestration instance for the further technical module.
  • a “technical module” is understood to mean a self-contained technical unit that can be integrated into a (higher-level) orchestration instance of the technical system. Such a technical module can, for example, be a combination of several measuring points or a larger part of the technical system.
  • a technical module can include any combination of individual control elements, sensors or automation components.
  • software-technical representations of, for example, individual control elements can also be part of a technical module.
  • the technical module comprises a plurality of technical objects with the help of which a technical process can be carried out.
  • a technical object can be a boiler with which a liquid can be heated or a conveyor belt with which a medium or an object can be transported.
  • the technical module includes (at least) one control unit. This controls (and regulates, if necessary) the technical objects on the basis of rules and interconnections stored or that can be stored in the technical module. These can be partially specified by a manufacturer of the technical module and stored in the technical module.
  • the technical module is designed to carry out a complex technical function in the technical system, such as the controlled pumping of liquid, heating water and maintaining a certain temperature in a tank, carrying out a filtering function and the like.
  • the technical module can have, for example, valves, tanks, sensors and the like as technical objects.
  • the technical module also has a communication unit that is used to exchange data with external communication partners.
  • This communication unit can include a server, in particular an OPC UA server.
  • the communication unit can also include a publisher, in particular an OPC UA publisher.
  • Publish/subscribe is a widely used and well-known mechanism through which subscribers receive information from publishers in the form of messages.
  • the orchestration instance can be, for example, a control system for a technical system such as a process system.
  • the orchestration instance wants, for example, to have a specific product produced by the technical module (and possibly other technical modules). To do this, it has gained knowledge in advance about which technical function(s) (services) the technical module offers. This information has been communicated to the orchestration instance, for example, by importing a so-called MTP file (Module Type Package). It is particularly advantageous that one or more technical functions can be addressed by the control unit as a service that can be carried out in accordance with the VDI/VDE/NAMUR 2658 standard, which is valid at the time of the present patent application.
  • the standard mentioned is becoming increasingly popular, particularly in the context of modular production or manufacturing, which means that a suitably designed technical module can be particularly easily integrated into the automation of a technical system.
  • the orchestration instance creates choreography instructions in order to achieve the creation of the desired product. These choreography instructions are transmitted to the communication unit of the technical module (wirelessly or wired using suitable communication protocols).
  • the choreography instruction is converted by the configurable logic unit into information that the control unit of the technical module requires to operate the technical module in the technical system.
  • the choreography instruction also contains information about which other technical functions/services interact with the respective technical function/service of the technical module. These other technical functions/services can be contained in other technical modules that can be effectively connected to the technical module.
  • the logic unit can have computer-implemented function blocks that are configured according to the choreography instructions received. It is possible that the technical module already contains rules and interconnections for the individual technical objects, and that the configuration of the logic unit leads to a revised interconnection of the technical objects that are (only) valid for the execution of the instructed technical function(s). It can be provided that rules and interconnections already stored in the technical module, which have been created, for example, by the manufacturer of the technical module, cannot be changed due to the external instruction received.
  • a significant innovation compared to known technical modules is the special design of the configurable logic unit in the technical module.
  • “In the technical module” means that the logic unit is computer-implemented on computing/storage units that are physically part of the technical module.
  • the logic unit is designed to generate instructions based on the choreography instructions received from the orchestration instance, which can be transmitted to another technical module by a computer-implemented writing service of the technical module, which is also not yet known. These instructions represent orchestration instructions which the other technical module needs for its operation.
  • the (first) technical module is therefore designed in a particularly advantageous manner both as a participant in a choreography of the orchestration instance and, in relation to the other technical module, as another orchestration instance.
  • This design of the technical module according to the invention allows the signal propagation times between the individual technical modules and the higher-level orchestration instance such as the control system to be significantly reduced and the volume of communication to be kept to a minimum.
  • the main idea behind this is that the technical module is generally located much closer to the other technical module (which is connected to the first technical module). nic module) is known as the orchestration
  • the communication unit can be designed to exchange data with external communication partners via the communication connections based on the OPC UA specification that is valid at the time of this patent application, and the computer-implemented connection service can be designed to manage the OPC UA connections of the technical module in accordance with the PLCopen OPC UA specification that is valid at the time of this patent application, and the computer-implemented read service can be designed to read data that is received from external communication partners via the OPC UA communication connections of the technical module managed by the communication unit, and the computer-implemented write service can be designed to transmit the instructions generated by the logic unit to the other technical module via the OPC UA communication connections managed by the connection service.
  • the communication unit can have an archive in which information relating to communication with external communication partners can be stored, for example network addresses of the communication partners.
  • the previously formulated task is also solved by a technical system, in particular a manufacturing or process system, comprising at least one technical module as previously explained and at least one orchestration instance developed separately for the technical module.
  • the technical system can be a system from the process industry, such as a chemical, pharmaceutical, petrochemical or a system from the food and beverage industry. This also includes any technical system from the production industry, factories in which, for example, cars or goods of all kinds are produced. Wind turbines, solar systems or power plants for generating energy are also included in the term technical system.
  • the technical system preferably comprises a visualization system that is designed to visualize the choreography instructions used to control the technical objects of the technical module.
  • a visualization system that is designed to visualize the choreography instructions used to control the technical objects of the technical module.
  • the technical module can be integrated or choreographed more easily and efficiently into the technical system for carrying out a technical process.
  • the visualization system makes it possible to obtain an overview of the technical functions currently applicable or active in the technical module and to supplement these if necessary.
  • the visualization information required for the visualization can be transmitted to the visualization system in a format according to the aforementioned standard VDI / VDE / NAMUR 2658.
  • the higher-level control unit can be designed as a control system which includes an operator station server for the visualization and/or orchestration of the technical module.
  • an "operator station server” is understood to mean a server which centrally records and stores data from an operating and monitoring system as well as, as a rule, alarm and measured value archives from the control system of the technical system. makes it available to users.
  • the operator station server generally establishes a communication link to the automation systems of the technical plant and forwards data from the technical plant to so-called clients, which are used to operate and monitor the operation of the individual functional elements of the technical plant.
  • the operator station server can have client functions to access the data (archives, messages, tags, variables) of other operator station servers. This means that images of the operation of the technical plant on the operator station server can be combined with variables from other operator station servers (server-server communication).
  • the operator station server can be, but is not limited to, a SIMATIC PCS 7 Industrial Workstation Server from SIEMENS.
  • the technical system preferably comprises a further technical module in addition to the (first) technical module.
  • the further technical module is connected to the technical module via communication technology and is designed to control the technical objects of the further technical module based on the instructions generated by the logic unit of the technical module and transmitted to the further technical module.
  • the further technical module is not orchestrated or choreographed by the central orchestration instance, but by the (first) technical module, which acts as its own, additional orchestration instance.
  • the technical system may have a further technical module which is connected to the (first) technical module by means of communication technology and which is named according to the generic term of the technical module explained above, or according to the generic term and the characterizing part of the technical module explained above.
  • the further technical module can therefore at least be choreographed. However, it can also be designed in a similar way to the technical module according to the invention.
  • the previously formulated task is also solved by a method for operating a technical module in a technical plant, in particular a manufacturing or process plant, the technical module comprising:
  • a computer-implemented writing service comprising: a) integrating the technical module into the technical system, in the course of which a communication connection of the technical module to an orchestration instance of the technical system, in particular a control system of the technical system, is set up, b) transmitting a choreography instruction to the communication unit by the orchestration instance as an external communication partner of the technical module and forwarding it to the configurable logic unit of the technical module, c) generating necessary information on the basis of choreography instructions that are transmitted via the reading unit received from an orchestration instance for the control unit for controlling the technical objects for operating the technical module in the technical system, d) Based on the choreography instructions received from the orchestration instance via the reading unit, generating instructions for a control unit of another technical module for controlling technical objects for operating the other technical module in the technical system, e) Transmitting the instructions generated by the logic unit to the other technical module via the communication connections managed by the connection service by the writing service, f) Operating the technical module in the technical system.
  • method step b is carried out on the basis of a server, in particular an OPC UA server.
  • method step b is carried out on the basis of a publisher, in particular an OPC UA publisher.
  • the additional technical module is also operated on the basis of the (orchestration) instructions transmitted by the writing service of the technical module.
  • a further technical module is additionally operated, which is designed according to the generic term of the technical module according to the invention, or according to the generic term and the characterizing part of the technical module, wherein the further technical module is operated on the basis of choreography instructions which it receives from the orchestration instance.
  • the object is further achieved by a computer program with computer-executable program code instructions for implementing a previously described method, and by a computer-readable medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out a previously described method.
  • the figure shows a modular technical system 1.
  • the technical system 1 comprises a first technical module 2, a second technical module 3, a third technical module 4, a further technical module 5 and a control system 8 for the technical system.
  • the control system 8 has an operator station server 6, which is designed as an orchestration instance for the creation of a product in the technical system.
  • the operator station server 6 of the control system 8 has an operator station client 7, by means of which the technical system 1 with the technical modules 2, 3, 4, 5 can be orchestrated, operated and monitored.
  • the technical modules 2, 3, 4, 5 are designed for modular use in the technical system 1. For this purpose, they have a plurality of technical objects such as sensors and actuators, each of which is designed to perform technical functions.
  • a technical function can, for example, be a heating stirring, moving, measuring or the like.
  • the operator station server 6 is designed to communicate with the technical modules 2, 3, 4, 5 via an OPC UA connection and to exchange data.
  • the first technical module 2, the second technical module 3 and the third technical module 4 are each designed to provide a cumulation of technical functions/services to the control system 8 as an orchestrating instance as part of a choreography of their technical functions/services. In other words, this means that they are able to implement more complex choreography instructions 9 that they receive from the control system 8.
  • these choreography instructions 9 refer not only to the own technical functions provided by the first technical module 2, but also to the technical functions of the respective neighboring modules 3, 4. This is expressed by interaction double arrows 10a, 10b in FIG 1.
  • the second technical module 3 and the third technical module 4 are also able to process the choreography instructions 9 of the control system 8 and, together with the first technical module 2, to provide the cumulation of their technical functions as a "service package".
  • the further technical module 5 is not able to participate in the choreography and can only be orchestrated.
  • a detailed structure of the first technical module 2 can be seen in FIG 2.
  • a control unit 11 is implemented in the first technical module 2, which is designed and intended to control the technical objects of the technical module 2 on the basis of rules and interconnections of the individual objects.
  • the control unit 11 has access to a configurable logic unit. unit 12 of the first technical module 2.
  • the first technical module 2 has a communication unit 13, which has a computer-implemented connection service 14, a computer-implemented read service 15 and a computer-implemented write service 16.
  • the communication unit 14 can communicate with external communication partners such as the second technical module 3 or the further technical module 5 via an OPC UA interface 17.
  • a method for operating the technical modules 2, 3, 4, 5 in the technical system 1 is explained below: First, the technical modules 2, 3, 4, 5 are integrated into the technical system 1. In the process, logistical steps are carried out that are not explained in detail here (cables, power supply, placement, etc.). During the setup, a communication connection is also set up from the operator station server 6 to the technical modules 2, 3, 4. The additional technical module 5 is communicatively connected to the first technical module 2.
  • a choreography instruction is transmitted automatically or by manual input from an operator of the technical system from the operator station server 6 to the communication unit 14 of the first technical module 2 as well as to the second technical module 3 and to the third technical module 4.
  • the choreography instruction is a recipe.
  • the recipe contains one or more steps that are to be processed by the technical modules 2, 3, 4, 5.
  • the recipe also includes parameters that are relevant for processing the individual steps.
  • a recipe can include the following information:
  • the communication unit 14 of the first technical module 2 forwards the received choreography instruction to the configurable logic unit 12 of the first technical module 2.
  • the instruction can follow the formal structure according to the VID/VDE/NAMUR 2658 standard and address individual "services" that the first technical module 2 offers as a "service”.
  • the logic unit 12 generates the information required for operation on the basis of the choreography instructions 9 for the control unit 11 for controlling the technical objects for operating the first technical module 2 in the technical system.
  • Corresponding logic units of the second and third technical modules 3, 4 carry out analogous steps.
  • the choreography instructions 9 also include, as already explained, interactions between the technical modules 2, 3, 4.
  • the logic unit 12 of the first technical module 2 On the basis of the received choreography instructions 9, the logic unit 12 of the first technical module 2 also generates instructions 18 for a control unit of the further technical module 5 for controlling technical objects for operating the further technical module 5 in the technical system 1. These instructions 18 generated by the logic unit 12 are transmitted to the further technical module 5 by the writing service 16 via the OPC UA communication connections managed by the connection service 14. Based on these configurations, the technical modules 2, 3, 4, 5 are operated and the product required by the recipe is produced.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein technisches Modul (2), umfassend : - eine Mehrzahl von technischen Objekten, die jeweils zur Durchführung einer technischen Funktion ausgebildet und vorgesehen sind, - eine Steuereinheit (11), die zur Steuerung der technischen Objekte ausgebildet und vorgesehen ist, - eine Kommunikationseinheit (13), die zu einem Datenaustausch mit externen Kommunikationspartnern, insbesondere weiteren technischen Modulen (3, 4, 5), über Kommunikationsverbindungen ausgebildet ist, wobei die Kommunikationseinheit (13) einen computerimplementierten Verbindungsdienst (14) aufweist, der zur Verwaltung der Kommunikationsverbindungen des technischen Moduls (2) ausgebildet ist, und wobei die Kommunikationseinheit (13) einen computerimplementierten Lesedienst (15) aufweist, der zum Lesen von Daten ausgebildet ist, die über die von der Kommunikationseinheit (13) verwalteten Kommunikationsverbindungen des technischen Moduls (2) von externen Kommunikationspartnern empfangen werden, - eine zur Laufzeit des technischen Moduls ( 2 ) konfigurierbare Logikeinheit (12), die dazu ausgebildet ist, auf Basis von Choreografieanweisungen (9), die über die Leseeinheit (15) von einer Orchestrierungsinstanz (8) erhalten werden, für die Steuereinheit (11) zur Steuerung der technischen Objekte zum Betrieb des technischen Moduls (2) in einer technischen Anlage (1) notwendige Informationen zu erzeugen.

Description

Beschreibung
Choreograf iertes technisches Modul mit Orchestrierungsfunktionalität
Die Erfindung betrifft ein technisches Modul, umfassend, eine Mehrzahl von technischen Objekten, die jeweils zur Durchführung einer technischen Funktion ausgebildet und vorgesehen sind,
- eine Steuereinheit, die zur Steuerung der technischen Objekte ausgebildet und vorgesehen ist,
- eine Kommunikationseinheit, die zu einem Datenaustausch mit externen Kommunikationspartnern, insbesondere weiteren technischen Modulen, über Kommunikat ionsverbin- dungen ausgebildet ist, wobei die Kommunikationseinheit einen computerimplementierten Verbindungsdienst aufweist, der zur Verwaltung der Kommuni kationsverbindungen des technischen Moduls ausgebildet ist, und wobei die Kommunikationseinheit einen computerimplementierten Lesedienst aufweist, der zum Lesen von Daten ausgebildet ist, die über die von dem Verbindungsdienst verwalteten Kommuni kationsverbindungen des technischen Moduls von externen Kommunikationspartnern empfangen werden,
- eine zur Laufzeit des technischen Moduls konfigurierbare Logikeinheit, die dazu ausgebildet ist, auf Basis von Choreograf ieanweisungen, die über die Leseeinheit von einer Orchestrierungsinstanz erhalten werden, für die Steuereinheit zur Steuerung der technischen Objekte zum Betrieb des technischen Moduls in einer technischen Anlage notwendige Informationen zu erzeugen. Zudem betrifft die Erfindung eine technische Anlage, umfassend wenigstens ein technisches Modul. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines technischen Moduls in einer technischen Anlage. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit durch einen Corn- puter ausführbaren Programmcodeanweisungen und ein computerlesbares Medium.
Vor allem in der Pharmaindustrie und Spezialchemie bestehen hohe Anforderungen an Betreiber technischer Anlagen schnell auf geänderte Mar ktanf orderungen reagieren zu können. Modulare Anlagen ermöglichen es den Anlagenbetreibern, die sogenannte „Time- to-Market" erheblich zu verkürzen und durch einen aufwandsarmen Umbau der Anlage schnell auf geänderte Marktbedingungen reagieren zu können. Die Anlagenbetreiber können sich hierzu einen Pool an modularen Einheiten (z.B. Prozesseinheiten) aufbauen, mithilfe dessen sie eine konkrete Anlage mittels der sogenannten Orchestrierung zusammenstellen können. Soll die Anlage umgebaut werden, so werden einzelne Module entnommen und durch andere, zum Beispiel leistungsfähigere Module ersetzt.
Bei bislang bekannten Automatisierungssystemen wie „PCS 7" oder dem „TIA Portal" der Firma Siemens wird die Orchestrierung von Modulen auf klassische Konzepte der Automatisierungstechnik abgebildet. Dabei werden Kommunikationsverbindungen projektiert, Bedienbilder entwickelt und übergeordnete Ablauf Sequenzen mit Sprachen wie „S7- Graph" oder „SFC (Sequential Flow Chart)" erstellt. Dies ist aufwändig und aufgrund mangelnder einschlägiger Kenntnisse von Verfahrenstechnikern nur schwer durchführbar .
In der Druckschrift WO 2016/074730 Al wird eine Methode beschrieben, wie eine modulare technische Anlage mittels Selbstbeschreibungsinformationen der Module erstellt werden kann. Diese Methode basiert auf online verfügbaren Selbstbeschreibungsinformationen der einzelnen Module. Bei einem Orchestrierungsprozess einer modularen Anlage liegen diese Information jedoch im Regelfall nicht (online) vor, da die Planung offline auf Basis stati- scher Typbeschreibungsinformationen wie zum Beispiel dem Module Type Package (MTP) erfolgt (vgl. vom Verein Deutscher Ingenieure (VDI) veröffentlichter Entwurf der Norm „VDI/VDE/ NAMUR 2658" vom 4. Januar 2018) .
Generell stellen die Flexibilität und Adaptivität von Produktionssystemen einen Schlüssel faktor für zukünftige Produktionssysteme in volatilen Märkten dar. Sie lassen sich durch die Orchestrierung von intelligenten technischen Modulen (auch als „Equipment Assemblies oder „Package Units" bezeichnet) zu einer Anlage erzielen. Jedes technische Modul bietet dabei Funktionen an, die von einer übergeordneten Orchestrierungsinstanz (auch als „Orchestration Layer" bezeichnet) parametriert und in der richtigen Reihenfolge aufgerufen werden können. Je kleinteiliger die Funktionen sind, desto flexibler können daraus größere Funktionen orchestriert werden. Kleinteilige Funktionen erfordern jedoch einen höheren Aufwand für deren Koordination und Engineering. Bietet ein technisches Modul eher grobgr anul ar e Funktionen an, so sind diese für viele Anwendungsfälle zu spezifisch, wodurch wiederum die Flexibilität eingeschränkt ist.
In der Prozessindustrie steht in Anlehnung an die Norm ISA-88 bzw. die IEC 61512 ein prozedurales Modell zur Verfügung, das verschiedene Granulari tätsebenen für die einzelnen Funktionen beschreibt. Ausgehend von der höchsten Ebene einer „Procedure", allgemein auch als Rezept bezeichnet, folgen drei weitere Ebenen mit zunehmend kleinteiligeren Funktionen („Unit Procedure", „Operation", „Phase") . Je kleinteiliger die Funktionen werden, desto größer wird der Aufwand zur Koordination dieser Funktionen. Neben prozeduralen Zusammenhängen weisen dann auch regulatorische und verriegelnde Zusammenhänge eine größere Bedeutung auf . Zur Orchestrierung von Funktionen werden heute sowohl zentrale als auch dezentrale Orchestrierungsansätze genutzt. Beide Varianten arbeiten ausschließlich auf prozeduraler Ebene um kleinteilige Funktionen zu einer größeren Funktion („Procedure" oder „Unit Procedure") zusammenzuführen .
Bei einer zentralen Orchestrierung wird die „Unit Operation" vom Anlagenbetreiber in der Orchestrierungsinstanz durch die Orchestrierung kleinteiliger Funktionen mittels rein prozeduraler Zusammenhänge, meist gelöst über Schritt-Transitionslogik, implementiert. Die Orchestrierung in der Orchestrierungsinstanz erfordert in diesem Fall auch die Betrachtung regulatorischer und verriegelnder Zusammenhänge. Hierzu besitzt die Orchestrierungsinstanz eine Datendrehscheibe, die Werte von einer Quelle liest und an eine Senke schreibt. Zwischen dem Lesen und Schreiben besteht in der Orchestrierungsinstanz die Möglichkeit konfigurierbare Umrechnungen einzufügen. Neben dem Aufwand für die Implementierung der „Unit Operation" in der Orchestrierungsinstanz bringen die Orchestrierung der kleinteiligen Funktionen und die Realisierung der regulatorischen und verriegelnden Zusammenhänge hohe Performance- und Echt zei tanf orderun- gen an die Orchestrierungsinstanz mit sich.
Im Rahmen einer dezentralen Orchestrierung ist die „Unit Operation" nativ in einem ( St euer- ) Programm eines Controllers des technischen Moduls implementiert. Auch hier kommt in der Regel eine Schritt-Transitionslogik zum Einsatz. Regulatorische und verriegelnde Aufgaben können in diesem Fall innerhalb des Controllers des technischen Moduls realisiert werden. Bei dieser Lösung ist die Flexibilität jedoch eingeschränkt, da die Funktion auf der Ebene einer „Unit Operation" sehr spezifisch für einen gewissen Anwendungs f all sein muss. In vielen Fällen verfügt der Maschinenbauer, welcher das technische Modul entwickelt, herstellt, testet und (in manchen Industrien) mit entsprechenden Val idi erungs zert i f i kat en verkauft, gar nicht über das Prozesswissen, um die „Unit Operation" in dem technischen Modul zu realisieren.
Das Module Type Package (MTP ) -Konzept ist eine Standardisierungsaktivität, die Lauf zeit Schnitts teilen und Sem- antik-Inf ormat ionsmodel le spezifiziert, um einen weitestgehend automatisierten Integrationsprozess intelligenter Module, sogenannter Gerätebaugruppen, in ein übergeordnetes Steuerungs system, die sogenannte Orchestrierungsschicht, zu ermöglichen. Der Standard führt ein Automatisierungsdienstkonzept unter Verwendung eines zentralen Orchestrierungsmechanismus für die Verknüpfung mehrerer Automatisierungsdienstleistungen ein. Der Einsatz eines Choreographiemechanismus wird bereits als Lösung zur Implementierung geräte- und modulübergreifender Automat isierungs funkt ionen vor geschlagen .
Eine Evaluierung von Choreografien im Laborprozess in einer nach dem MTP-Konzept umgesetzten Anlage hat gezeigt, dass sich Choreografien hervorragend zur Zuordnung von Gerätebaugruppen eignet, insbesondere wenn es um Regelungen geht, die über Gerätebaugruppengrenzen hinweg geschlossen sind. Allerdings muss die Automatisierungssoftware für jede beteiligte Gerätebaugruppe in einer Choreografie, genannt Choreograf ieteilnehmer, entsprechend der Choreografie um Funktionsblöcke erweitert werden, welche einem bestimmten Choreograf iemus ter entsprechen. Dies stellte in einigen Fällen eine Einschränkung dar.
Das Ziel einer Choreografie von Automatisierungs- Services liegt darin, eine Zuordnung von miteinander agierenden Services zu neuen Automat i s i erungs funkt ionen . Eine Choreografie besteht aus mindestens zwei Services, die dazu ausgebildet sind, Verfahrens-, Regelungs-, Ver- schaltungs- und Parametersystemvariable über eine direkte Querkommunikat ion auszutauschen. Systemvariable sind dabei Dienstzustände, Parameter, Prozesswerte oder Statusinformationen von einzelnen Steuerelementen, die über standardisierte Schnittstellen bereitgestellt werden.
In einer Choreografie wird der Service mit den Systemvariablen anderer Services, die für die eigene Aufgabe erforderlich sind, und mit einem konfigurierten Regelwerk, definierend, wie der Service auf Änderungen der Systemvariablen reagieren muss, versehen. Auf diese Weise wird definiert, wie das Verhalten eines Services durch die Systemvariablen seiner Umgebung beeinflusst wird. Dies bildet zusammen das funktionale Wissen, das ein Service für das Zusammenspiel mit den umgebenden Services aufweisen muss. Das Zusammenspiel aller Services in einer Choreografie implementiert somit eine neue damit verbundene Automa ti s i erungs funkt ion , auf die über eine neue Service-Schnittstelle, die die gesamte Choreografie abbildet, zugegriffen werden kann. Diese Schnittstelle besteht aus der Schnittstelle eines Services (des sogenannten „Leaders") und anderen Services (den sogenannten „Followers") , die für die zugeordnete Funktionalität vonnöten sind.
In Versuchen wurde f e s t ge s t el 1 t , dass die Fähigkeit eines technischen Moduls, an solch einer Choreografie teilzunehmen, signifikant höhere Anforderungen an die Hardwareleistung des technischen Moduls als bei einer klassischen Orchestrierung mit sich bringt. Beispielsweise kann zusätzlich zu einem OPC UA Server auch ein OPC UA Client in dem technischen Modul notwendig sein, was die Anforderungen an Speicher- und Rechenkapazitäten des technischen Moduls erhöht. Es kann daher aus technischen und ökonomischen Gründen sinnvoll sein, nicht in allen technischen Modulen eine Fähigkeit zur Durchführung einer Choreografie wie zuvor erläutert vorzusehen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Integration eines technischen Moduls in eine technische Anlage und den Betrieb des technischen Moduls zu vereinfachen und effizienter zu gestalten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Technisches Modul, umfassend,
- eine Mehrzahl von technischen Objekten, die jeweils zur Durchführung einer technischen Funktion ausgebildet und vorgesehen sind,
- eine Steuereinheit, die zur Steuerung der technischen Objekte ausgebildet und vorgesehen ist,
- eine Kommunikationseinheit, die zu einem Datenaustausch mit externen Kommunikationspartnern, insbesondere weiteren technischen Modulen, über Kommunikat ionsverbin- dungen ausgebildet ist, wobei die Kommunikationseinheit einen computerimplementierten Verbindungsdienst aufweist, der zur Verwaltung der Kommuni kationsverbindungen des technischen Moduls ausgebildet ist, und wobei die Kommunikationseinheit einen computerimplementierten Lesedienst aufweist, der zum Lesen von Daten ausgebildet ist, die über die von der Kommunikationseinheit verwalteten Kommunikat ionsverbindungen des technischen Moduls von externen Kommunikationspartnern empfangen werden,
- eine zur Laufzeit des technischen Moduls konfigurierbare Logikeinheit, die dazu ausgebildet ist, auf Basis von Choreograf ieanweisungen, die über die Leseeinheit von einer Orchestrierungsinstanz erhalten werden, für die Steuereinheit zur Steuerung der technischen Objekte zum Betrieb des technischen Moduls in der technischen Anlage notwendige Informationen zu erzeugen.
Das technische Modul ist dadurch gekennzeichnet, dass die konfigurierbare Logikeinheit zusätzlich dazu ausge- bildet ist, auf Basis der Choreograf ieanweisungen, die über die Leseeinheit von der Orchestrierungsinstanz erhalten werden, Anweisungen für eine Steuereinheit eines weiteren technischen Moduls zur Steuerung von technischen Objekten zum Betrieb des weiteren technischen Moduls in der technischen Anlage zu erzeugen, wobei das technische Modul einen computerimplementierten Schreibdienst aufweist, der dazu ausgebildet ist, die von der Logikeinheit erzeugten Anweisungen über die von dem Verbindungsdienst verwalteten Kommuni kat ionsverbin- dungen an das weitere technische Modul zu übermitteln, so dass das technische Modul als eine weitere Orchestrierungsinstanz für das weitere technische Modul ausgebildet is t .
Unter einem „technischen Modul" wird vorliegend eine abgeschlossene technische Einheit verstanden, die in eine (übergeordnete) Orchestrierungsinstanz der technischen Anlage integrierbar ist. Ein solches technisches Modul kann zum Beispiel ein Zusammenschluss mehrerer Messstellen oder ein größerer Anlagenteil der technischen Anlage sein. Ein technisches Modul kann eine beliebige Kombination aus Einzelsteuerelementen, Sensoren oder Automatisierungskomponenten umfassen. Zudem können auch softwaretechnische Abbildungen von beispielsweise Einzelsteuerelementen Teil eines technischen Moduls sein.
Das technische Modul umfasst eine Mehrzahl von technischen Objekten, mit deren Hilfe ein technischer Prozess durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann ein technisches Objekt ein Heizkessel, mit dem eine Flüssigkeit erwärmt werden kann, oder ein Förderband sein, mit dem ein Medium oder ein Gegenstand befördert werden kann.
Das technische Modul umfasst zusätzlich zu den technischen Objekten, die zur Prozessdurchführung vorgesehen und ausgebildet sind, (wenigstens) eine Steuereinheit. Diese steuert (und regelt ggf . ) die technischen Objekte auf Basis von in dem technischen Modul hinterlegten bzw. hinterlegbaren Regeln und Verschaltungen. Diese können teilweise von einem Hersteller des technischen Moduls vorgegeben und in dem technischen Modul hinterlegt sein.
Das technische Modul ist dazu ausgebildet, in der technischen Anlage eine komplexe technische Funktion auszuführen, wie z.B. das kontrollierte Pumpen von Flüssigkeit, das Erhitzen von Wasser und das Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur in einem Tank, das Ausführen einer Filterf unkt ionali tat und dergleichen vorzunehmen. Zu diesem Zweck kann das technische Modul beispielsweise Ventile, Tanks, Sensoren und dergleichen als technische Objekte aufweisen.
Das technische Modul weist zudem eine Kommunikationseinheit auf, die zu einem Datenaustausch mit externen Kommunikationspartner dient. Diese Kommunikationseinheit kann einen Server, insbesondere einen OPC UA Server, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Kommunikationseinheit auch einen Publisher, insbesondere einen OPC UA Publisher, umfassen. Publish / Subscribe ist dabei ein weit verbreiteter und bekannter Mechanismus, über den Subskribenten von Publishern Informationen in Form von Nachrichten erhalten.
Die Orchestrierungsinstanz kann beispielsweise ein Leitsystem für eine technische Anlage wie eine Proessanlage sein. Die Orchestrierungsinstanz will beispielsweise ein bestimmtes Produkt durch das technische Modul (und ggf . weitere technische Module) erzeugen lassen. Hierzu hat es im Vorhinein Kenntnis darüber erlangt, welche technische Funktion (en) (engl. Services) das technische Modul anbietet. Diese Informationen sind der Orchestrierungsinstanz beispielsweise über den Import einer sogenannten MTP-Datei (Module Type Package) mitgeteilt worden. Be- sonders vorteilhaft sind die eine oder mehrere technische Funktionen durch die Steuereinheit als ein durchführbarer Service gemäß dem Standard VDI /VDE/NAMUR 2658, der zum Zeitpunkt der vorliegenden Patentanmeldung gültig ist, ansprechbar. Speziell im Kontext einer modularen Produktion oder Fertigung setzt sich der genannte Standard immer mehr durch, wodurch sich ein entsprechend ausgebildetes technisches Modul besonders einfach in einer Automatisierung einer technischen Anlage integrieren lässt .
Die Orchestrierungsinstanz erstellt, um die Erzeugung des gewünschten Produktes zu erreichen, Choreograf iean- weisungen. Diese Choreograf ieanweisungen werden an die Kommunikationseinheit des technischen Moduls übertragen (drahtlos oder draht gebunden unter Nutzung geeigneter Kommunikationsprotokolle) . Die Choreograf ieanweisung wird von der konfigurierbaren Logikeinheit in Informationen umgewandelt, die die Steuereinheit des technischen Moduls zum Betrieb des technischen Moduls in der technischen Anlage benötigt. Dabei sind in der Choreograf ieanweisung - in Abgrenzung zu „normalen" Orchestrierungsanweisungen - auch Informationen enthalten, welche weiteren technischen Funktionen / Services mit der jeweiligen technischen Funktion / dem jeweiligen Service des technischen Moduls interagieren. Diese weiteren technischen Funktionen / Services können in weiteren technischen Modulen enthalten sein, die mit dem technischen Modul in Wirkverbindung gebracht sein können.
Die Logikeinheit kann dabei computerimplementierte Funktionsblöcke aufweisen, die entsprechend der erhaltenen Choreograf ieanweisungen konfiguriert werden. Es ist möglich, dass in dem technischen Modul bereits Regeln und Verschaltungen für die einzelnen technischen Objekte hinterlegt sind, und dass die Konfiguration der Logikeinheit zu einer überarbeiteten Verschaltung der technischen Objekte führt, die (nur) für die Ausführung der angewiesenen technischen Funktion (en) gültig ist. Es kann vorgesehen sein, dass in dem technischen Modul bereits hinterlegte Regeln und Verschaltungen, welche beispielsweise von dem Hersteller des technischen Moduls erstellt worden sind, nicht aufgrund der empfangenen externen Anweisung geändert werden können.
Eine wesentliche Neuerung gegenüber bekannten technischen Modulen ist die besondere Ausgestaltung der konfigurierbaren Logikeinheit in dem technischen Modul. Dabei bedeutet „in dem technischen Modul", dass die Logikeinheit auf Rechen-/ Speichereinhei ten computerimplementiert ist, die physikalisch Teil des technischen Moduls sind.
Die Logikeinheit ist dazu ausgebildet, auf Basis der von der Orchestrierungsinstanz erhaltenen Choreograf ieanwei- sungen Anweisungen zu erzeugen, die von einem ebenfalls bislang nicht bekannten computerimplementierten Schreibdienst des technischen Moduls an ein weitere technisches Modul übertragen werden kann. Diese Anweisungen stellen Orchestrierungsanweisungen dar, welche das weitere technische Modul zu dessen Betrieb benötigt. Das (erste) technische Modul ist daher in besonders vorteilhafter Art und Weise sowohl als ein Teilnehmer einer Choreografie der Orchestrierungsinstanz als auch, gegenüber dem weiteren technischen Modul, eine weitere Orchestrierungsinstanz ausgebildet.
Durch diese Ausbildung des erfindungsgemäßen technischen Moduls lassen sich S i gnal lauf ze i t en zwischen den einzelnen technischen Modulen und der übergeordneten Orchestrierungsinstanz wie dem Leitsystem deutlich verringern und ein Kommunikationsaufkommen geringhalten. Dabei liegt vornehmlich der Gedanke zugrunde, dass das technische Modul in aller Regel räumlich deutlich näher an dem weiteren technischen Modul (welches mit dem ersten tech- nischen Modul interagiert) ist als die Orches trierungs-
Instanz .
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des technischen Moduls können somit die Nachteile des Standes der Technik überwunden und eine vorteilhafte Symbiose aus Choreografie und dezentraler Orchestrierung realisiert werden .
Die Kommunikationseinheit kann zum Datenaustausch mit externen Kommunikationspartner über die Kommunikationsverbindungen auf Basis der OPC UA Spezifikation, die zum Zeitpunkt dieser Patentanmeldung gültig ist, ausgebildet sein, und der computerimplementierte Verbindungsdienst kann zur Verwaltung der OPC UA Verbindungen des technischen Moduls gemäß der PLCopen OPC UA Spezifikation, die zum Zeitpunkt dieser Patentanmeldung gültig ist, ausgebildet sein, und der computerimplementierte Lesedienst kann zum Lesen von Daten ausgebildet sein, die über die von der Kommunikationseinheit verwalteten OPC UA Kommunikationsverbindungen des technischen Moduls von externen Kommunikationspartnern empfangen werden, und der computerimplementierte Schreibdienst kann dazu ausgebildet sein, die von der Logikeinheit erzeugten Anweisungen über die von dem Verbindungsdienst verwalteten OPC UA Kommuni kationsverbindungen an das weitere technische Modul zu übermitteln. Zudem kann die Kommunikationseinheit ein Archiv aufweisen, in dem Informationen bezüglich einer Kommunikation mit externen Kommunikationspartner hinterlegt werden kann, beispielsweise Netzwerkadressen der Kommunikationspartner.
Die zuvor formulierte Aufgabe wird zudem gelöst durch eine technische Anlage, insbesondere Fertigungs- oder Pro ze s s anlage , umfassend wenigstens ein technisches Modul wie zuvor erläutert und wenigstens eine, von dem technischen Modul separat ausgebildete, Orchestrierungsinstanz .
Bei der technischen Anlage kann es sich um eine Anlage aus der Prozessindustrie wie beispielsweise eine chemische, pharmazeutische, petrochemische oder eine Anlage aus der Nahrungs- und Genussmittelindustrie handeln. Hiermit umfasst sind auch jegliche technischen Anlagen aus der Produktionsindustrie, Werke, in denen z.B. Autos oder Güter aller Art produziert werden. Windräder, Solaranlagen oder Kraftwerke zur Energieerzeugung sind ebenso von dem Begriff der technischen Anlage umfasst.
Bevorzugt umfasst die technische Anlage ein Visualisierungssystem, das dazu ausgebildet ist, die zur Steuerung der technischen Objekte des technischen Moduls verwendeten Choreograf ieanweisungen zu visualisieren. Mithilfe einer solchen graphischen Darstellung kann das technische Modul einfacher und effizienter in die technische Anlage zur Durchführung eines technischen Prozesses integriert bzw. Choreograf iert werden. Es ist durch das Visualisierungssystem möglich, einen Überblick über die aktuell in dem technischen Modul geltenden bzw. aktiven technischen Funktionen zu erhalten und diese ggf . zu ergänzen. Die für die Visualisierung notwendigen Visualisierungsinformationen können dem Visualisierungssystem in einer Formatierung gemäß dem zuvor genannten Standard VDI /VDE /NAMUR 2658 übermittelt werden.
Die übergeordnete Steuerungseinheit kann als ein Leitsystem ausgebildet sein, welches für die Visualisierung und/oder die Orchestrierung des technischen Moduls einen Operator Station Server umfasst. Unter einem „Operator Station Server" wird dabei vorliegend ein Server verstanden, der zentral Daten eines Bedien- und Beobachtungssystems sowie in der Regel Alarm- und Messwertarchive des Leitsystems der technischen Anlage erfasst und Benutzern zur Verfügung stellt. Der Operator Station Server stellt in der Regel eine Kommuni kationsverbindung zu Automatisierungssystemen der technischen Anlage her und gibt Daten der technischen Anlage an sogenannte Clients weiter, die zur Bedienung und Beobachtung eines Betriebs der einzelnen Funktionselemente der technischen Anlage dienen. Der Operator Station Server kann über Client-Funktionen verfügen, um auf die Daten (Archive, Meldungen, Tags, Variablen) anderer Operator Station Server zuzugreifen. Dadurch sind Bilder eines Betriebs der technischen Anlage auf dem Operator Station Server mit Variablen anderer Operator Station Server (Server- Server-Kommunikation) kombinierbar. Bei dem Operator Station Server kann es sich, ohne sich darauf zu beschränken, um einen SIMATIC PCS 7 Industrial Workstation Server der Firma SIEMENS handeln.
Die technische Anlage umfasst bevorzugt zusätzlich zu dem (ersten) technischen Modul ein weiteres technisches Modul. Das weitere technische Modul ist mit dem technischen Modul kommunikationstechnisch verbunden und dazu ausgebildet, auf Basis der von der Logikeinheit des technischen Moduls erzeugten und an das weitere technische Modul übermittelten Anweisungen die technischen Objekte des weiteren technischen Moduls zu steuern. Das weitere technische Modul wird dabei nicht von der zentralen Orchestrierungsinstanz orchestriert oder choreo- grafiert, sondern von dem (ersten) technischen Modul, welches dabei als eine eigene, zusätzliche Orchestrierungsinstanz agiert.
Alternativ oder zusätzlich kann die technische Anlage ein weiteres technisches Modul aufweisen, welches kommunikationstechnisch mit dem (ersten) technischen Modul verbunden ist, und welches nach dem Oberbegriff des zuvor erläuterten technischen Moduls, oder nach dem Oberbegriff und dem kennzeichnenden Teil des zuvor erläuter- ten technischen Moduls ausgebildet ist. Das weitere technische Modul kann also mindestens Choreograf iert werden. Es kann aber auch vergleichbar mit dem erfindungsgemäßen technischen Modul ausgebildet sein.
Die zuvor formulierte Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines technischen Moduls in einer technischen Anlage, insbesondere Fertigungs- oder Pro ze s s anlage , das technische Modul umfassend:
- eine Mehrzahl von technischen Objekten, die jeweils zur Durchführung einer technischen Funktion ausgebildet und vorgesehen sind,
- eine Steuereinheit zur Steuerung der technischen Objekte,
- eine Kommunikationseinheit zu einem Datenaustausch mit externen Kommunikationspartnern, insbesondere weiteren technischen Modulen, über Kommuni kationsverbindungen,
- ein computerimplementierter Verbindungsdienst zur Verwaltung der Kommuni kationsverbindungen des technischen Moduls ,
- ein computerimplementierter Lesedienst,
- eine zur Laufzeit des technischen Moduls konfigurierbare Logikeinheit,
- ein computerimplementierter Schreibdienst, das Verfahren umfassend: a) Integrieren des technischen Moduls in die technische Anlage, wobei im Zuge dessen eine Kommuni kat ions - Verbindung des technischen Moduls zu einer Orchestrierungsinstanz der technischen Anlage, insbesondere einem Leitsystem der technischen Anlage, eingerichtet wird, b) Übertragen einer Choreograf ieanweisung an die Kommunikationseinheit durch die Orchestrierungsinstanz als externem Kommunikationspartner des technischen Moduls und Weiterleiten an die konfigurierbare Logikeinheit des technischen Moduls, c) Erzeugen von notwendigen Informationen auf Basis von Choreograf ieanweisungen, die über die Leseeinheit von einer Orchestrierungsinstanz erhalten werden für die Steuereinheit zur Steuerung der technischen Objekte zum Betrieb des technischen Moduls in der technischen Anlage , d) Auf Basis der Choreograf ieanweisungen, die über die Leseeinheit von der Orchestrierungsinstanz erhalten werden, Erzeugen von Anweisungen für eine Steuereinheit eines weiteren technischen Moduls zur Steuerung von technischen Objekten zum Betrieb des weiteren technischen Moduls in der technischen Anlage, e) Übermitteln der von der Logikeinheit erzeugten Anweisungen über die von dem Verbindungsdienst verwalteten Kommuni kationsverbindungen an das weitere technische Modul durch den Schreibdienst, f) Betreiben des technischen Moduls in der technischen An läge.
Bevorzugt erfolgt der Verfahrensschritt b dabei auf Basis eines Servers, insbesondere eines OPC UA Servers. Besonders bevorzugt erfolgt der Verfahrensschritt b auf Basis eines Publishers, insbesondere eines OPC UA Publishers .
Im Rahmen einer Weiterbildung des zuvor erläuterten Verfahrens wird zusätzlich das weitere technische Modul auf Basis der von dem Schreibdienst des technischen Moduls übermittelten ( Or ches t r ierungs- ) Anwei sungen betrieben.
Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich ein weiteres technisches Modul betrieben, welches nach dem Oberbegriff des erfindungsgemäßen technischen Moduls, oder nach dem Oberbegriff und dem kennzeichnenden Teil des technischen Moduls ausgebildet ist, wobei das weitere technische Modul auf Basis von Choreograf ieanweisungen betrieben wird, die es von der Orchestrierungsinstanz empfängt . Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung eines zuvor beschriebenen Verfahrens, und durch ein computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, ein zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
In der Figur ist eine modular aufgebaute technische Anlage 1 dargestellt. Die technische Anlage 1 umfasst ein erstes technisches Modul 2, ein zweites technisches Modul 3, ein drittes technisches Modul 4, ein weiters technisches Modul 5 und ein Leitsystem 8 für die technische Anlage .
Das Leitsystem 8 weist einen Operator Station Server 6 auf, der als Orchestrierungsinstanz für die Erzeugung eines Produktes in der technischen Anlage ausgebildet ist. Der Operator Station Server 6 des Leitsystems 8 weist einen Operator Station Client 7 auf, mittels dessen die technische Anlage 1 mit den technischen Modulen 2, 3, 4, 5 orchestriert sowie bedient und beobachtet werden kann.
Die technischen Module 2, 3, 4, 5 sind für einen modularen Einsatz in der technischen Anlage 1 ausgebildet. Zu diesem Zweck weisen sie eine Mehrzahl von technischen Objekten wie Sensoren und Aktoren auf, die jeweils zur Ausübung von technischen Funktionen ausgebildet sind. Eine technische Funktion kann beispielsweise ein Aufhei- zen, ein Rühren, ein Bewegen, ein Messen oder dergleichen darstellen.
Der Operator Station Server 6 ist dazu ausgebildet, mit den technischen Modulen 2, 3, 4, 5 über eine OPC UA Verbindung zu kommunizieren und Daten auszutauschen. Das erste technische Modul 2, das zweite technische Modul 3 und das dritte technische Modul 4 sind jeweils dazu ausgebildet, im Rahmen einer Choreografie ihrer technischen Funktionen / Services eine Kumulation von technischen Funktionen / Services dem Leitsystem 8 als orchestrierender Instanz bereitzustellen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass sie dazu in der Lage sind, komplexere Choreograf ieanweisungen 9, die sie von dem Leitsystem 8 empfangen, umzusetzen.
Diese Choreograf ieanweisungen 9 beziehen sich in diesem Beispiel nicht nur auf die eigenen technischen Funktionen, die das erste technische Modul 2 bereitstellt, sondern auch auf die technischen Funktionen der jeweiligen Nachbarmodule 3, 4. Dies wird durch Interaktionsdoppelpfeile 10a, 10b in FIG 1 ausgedrückt. Das zweite technische Modul 3 und das dritte technische Modul 4 sind ebenfalls dazu befähigt, die Choreograf ieanweisungen 9 des Leitsystems 8 zu verarbeiten und gemeinsam mit dem ersten technischen Modul 2 die Kumulation ihrer technischen Funktionen als ein „Servicepaket" bereitzustellen. Das weitere technische Modul 5 ist nicht dazu in der Lage, an der Choreografie teilzunehmen und kann nur orchestriert werden.
Ein detaillierter Aufbau des ersten technischen Moduls 2 ist FIG 2 zu entnehmen. In dem ersten technischen Modul 2 ist eine Steuereinheit 11 implementiert, die zur Steuerung der technischen Objekte des technischen Moduls 2 auf Basis von Regeln und Verschaltungen der einzelnen Objekte ausgebildet und vorgesehen ist. Die Steuereinheit 11 hat Zugriff auf eine konfigurierbare Logikein- heit 12 des ersten technischen Moduls 2. Zudem weist das erste technische Modul 2 eine Kommunikationseinheit 13 auf, die einen computerimplementierten Verbindungsdienst 14, einen computerimplementierten Lesedienst 15 und einen computerimplementierten Schreibdienst 16 aufweist. Über eine OPC UA Schnittstelle 17 kann die Kommunikationseinheit 14 mit externen Kommunikationspartnern wie dem zweiten technischen Modul 3 oder dem weiteren technischen Modul 5 kommunizieren.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben der technischen Module 2, 3, 4, 5 in der technischen Anlage 1 erläutert: Zunächst werden die technischen Module 2, 3, 4, 5 in die technische Anlage 1 integriert. Dabei werden hier nicht näher erläuterte logistische Schritte vorgenommen (Leitungen, Energieversorgung, Platzierung etc. ) . Im Zuge der Einrichtung wird auch eine Kommuni kat ions - Verbindung von dem Operator Station Server 6 zu den technischen Modulen 2, 3, 4 eingerichtet. Das weitere technische Modul 5 wird kommunikativ mit dem ersten technischen Modul 2 verbunden.
Automatisch oder durch eine manuelle Vorgabe eines Operators der technischen Anlage wird eine Choreograf iean- weisung von dem Operator Station Server 6 an die Kommunikationseinheit 14 des ersten technischen Moduls 2 sowie an das zweite technische Modul 3 und an das dritte technische Modul 4 übertragen. Dabei handelt es sich bei der Choreograf ieanweisung in diesem Fall um ein Rezept. Das Rezept beinhaltet einen oder mehrere Schritte, die von den technischen Modulen 2, 3, 4, 5 bearbeitet werden sollen. Dabei sind von dem Rezept auch Parameter umfasst, die für die Bearbeitung der einzelnen Schritte relevant sind. Zum Beispiel kann ein Rezept die folgenden Informationen umfassen:
- Fülle 100 Liter des Fluids A aus Zulauf 1 in einen Behälter X - Erhitze das Fluid auf eine Temperatur von 100 Grad Celsius
- Mische das erhitzte Fluid A mit 10 Liter eines Fluids B aus Zulauf 2
- Lasse das Gemisch aus Fluid A und Fluid B auf eine Temperatur von 30 Grad Celsius abkühlen
- Leite das abgekühlte Gemisch in einen Behälter Y.
Die Kommunikationseinheit 14 des ersten technischen Moduls 2 leitet die empfangene Choreograf ieanweisung an die konfigurierbare Logikeinheit 12 des ersten technischen Moduls 2 weiter. Die Anweisung kann dabei dem formalen Aufbau gemäß dem Standard VID/VDE/NAMUR 2658 folgen und einzelne „Services" adressieren, die das erste technische Modul 2 als „Dienstleistung" anbietet. Die Logikeinheit 12 erzeugt die für einen Betrieb notwendigen Informationen auf Basis der Choreograf ieanweisungen 9 für die Steuereinheit 11 zur Steuerung der technischen Objekte zum Betrieb des ersten technischen Moduls 2 in der technischen Anlage. Entsprechende Logikeinheiten des zweiten und dritten technischen Moduls 3, 4 führen analoge Schritte durch. Die Choreograf ieanweisungen 9 umfassen, wie bereits erläutert, auch Interaktionen der technischen Module 2, 3, 4 untereinander.
Auf Basis der empfangenen Choreograf ieanweisungen 9 erzeugt die Logikeinheit 12 des ersten technischen Moduls 2 darüber hinaus Anweisungen 18 für eine Steuereinheit des weiteren technischen Moduls 5 zur Steuerung von technischen Objekten zum Betrieb des weiteren technischen Moduls 5 in der technischen Anlage 1. Diese von der Logikeinheit 12 erzeugten Anweisungen 18 werden über die von dem Verbindungsdienst 14 verwalteten OPC UA Kommunikationsverbindungen durch den Schreibdienst 16 an das weitere technische Modul 5 übermittelt. Auf Basis dieser Konfigurationen werden die technischen Module 2, 3, 4, 5 betrieben und das durch das Rezept nachgefragte Produkt erzeugt. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutz- umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Technisches Modul (2) , umfassend:
- eine Mehrzahl von technischen Objekten, die jeweils zur Durchführung einer technischen Funktion ausgebildet und vorgesehen sind,
- eine Steuereinheit (11) , die zur Steuerung der technischen Objekte ausgebildet und vorgesehen ist,
- eine Kommunikationseinheit (13) , die zu einem Datenaustausch mit externen Kommunikationspartnern, insbesondere weiteren technischen Modulen (3, 4, 5) , über Kommunikationsverbindungen ausgebildet ist, wobei die Kommunikationseinheit (13) einen computerimplementierten Verbindungsdienst (14) aufweist, der zur Verwaltung der Kommunikat ionsverbindungen des technischen Moduls (2) ausgebildet ist, und wobei die Kommunikationseinheit (13) einen computerimplementierten Lesedienst (15) aufweist, der zum Lesen von Daten ausgebildet ist, die über die von dem Verbindungsdienst (14) verwalteten Kommunikat ionsverbindungen des technischen Moduls (2) von externen Kommunikationspartnern (3, 4, 5, 8) empfangen werden,
- eine zur Laufzeit des technischen Moduls (2) konfigurierbare Logikeinheit (12) , die dazu ausgebildet ist, auf Basis von Choreograf ieanweisungen (9) , die über die Leseeinheit (15) von einer Orchestrierungsinstanz (8) erhalten werden, für die Steuereinheit (11) zur Steuerung der technischen Objekte zum Betrieb des technischen Moduls (2) in einer technischen Anlage (1) notwendige Informationen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die konfigurierbare Logikeinheit (12) zusätzlich dazu ausgebildet ist, auf Basis der Choreograf ieanweisungen (9) , die über die Leseeinheit (15) von der Orchestrierungsinstanz (8) erhalten werden, Anweisungen (18) für eine Steuereinheit eines weiteren technischen Moduls (5) zur Steuerung von technischen Objekten zum Betrieb des weiteren technischen Moduls (5) in der technischen Anlage (1) zu erzeugen, wobei das technische Modul (2) einen computerimplementierten Schreibdienst (16) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die von der Logikeinheit (12) erzeugten Anweisungen (18) über die von dem Verbindungsdienst (14) verwalteten Kommunikat ionsverbindungen an das weitere technische Modul (5) zu übermitteln, so dass das technische Modul (2) als eine weitere Orchestrierungsinstanz für das weitere technische Modul (5) ausgebildet ist.
2. Technisches Modul (2) nach Anspruch 1, bei dem eine oder mehrere technische Funktionen durch die Steuereinheit (11) als ein durchführbarer Service gemäß dem Standard VDI /VDE/NAMUR 2658, der zum Zeitpunkt der vorliegenden Patentanmeldung gültig ist, ansprechbar sind.
3. Technisches Modul (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kommunikationseinheit (13) zum Datenaustausch mit externen Kommunikationspartnern (3, 4, 5) über die Kommuni kat ionsverbindungen auf Basis der OPC UA Spezifikation, die zum Zeitpunkt dieser Patentanmeldung gültig ist, ausgebildet ist, und bei dem der computerimplementierten Verbindungsdienst (14) zur Verwaltung der OPC UA Verbindungen des technischen Moduls (2) gemäß der PLCo- pen OPC UA Spezifikation, die zum Zeitpunkt dieser Patentanmeldung gültig ist, ausgebildet ist, und bei dem der computerimplementierte Lesedienst (15) zum Lesen von Daten ausgebildet ist, die über die von dem Verbindungsdienst (14) verwalteten OPC UA Kommunikat ionsverbindungen des technischen Moduls (2) von externen Kommunikationspartnern (3, 4, 5, 8) empfangen werden, und bei dem der computerimplementierte Schreibdienst (16) dazu ausgebildet ist, die von der Logikeinheit (12) erzeugten Anweisungen (18) über die von dem Verbindungsdienst (14) verwalteten OPC UA Kommunikationsverbindungen an das weitere technische Modul (5) zu übermitteln.
4. Technische Anlage (1) , insbesondere Fertigungsoder Prozessanlage, umfassend wenigstens ein technisches Modul (5) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, und wenigstens eine, von dem technischen Modul (2) separat ausgebildete, Orchestrierungsinstanz (8) .
5. Technische Anlage (1) nach Anspruch 4, bei der die Orchestrierungsinstanz (8) als ein Leitsystem für die technische Anlage (1) ausgebildet ist, welches wenigstens einen Operator Station Server (6) umfasst, auf welchem ein Orchestrierungsdienst computerimplementiert ist .
6. Technische Anlage (1) nach Anspruch 4 oder 5, die dazu ausgebildet ist, die an das technische Modul (2) übermittelten Choreograf ieanweisungen (9) für einen Operator der technischen Anlage (1) zu visualisieren.
7. Technische Anlage (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, die zusätzlich das weitere technische Modul (5) umfasst, welches mit dem technischen Modul (2) kommunikationstechnisch verbunden und dazu ausgebildet ist, auf Basis der von der Logikeinheit (12) des technischen Moduls (2) erzeugten und an das weitere technische Modul (5) übermittelten Anweisungen (18) die technischen Objekte des weiteren technischen Moduls (5) zu steuern.
8. Technische Anlage (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, die zusätzlich ein weiteres technisches Modul (3, 4) aufweist, welches kommunikationstechnisch mit dem technischen Modul (2) verbunden ist, und welches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, oder nach dem Oberbegriff und dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ausgebildet ist.
9. Verfahren zum Betreiben eines technischen Moduls
(2) in einer technischen Anlage (1) , insbesondere Ferti- gungs- oder Pro ze s s anlage , das technische Modul (2) umfassend :
- eine Mehrzahl von technischen Objekten, die jeweils zur Durchführung einer technischen Funktion ausgebildet und vorgesehen sind,
- eine Steuereinheit (11) zur Steuerung der technischen Ob j ekte ,
- eine Kommunikationseinheit (13) zu einem Datenaustausch mit externen Kommunikationspartnern (3, 4, 5, 8) , insbesondere weiteren technischen Modulen (3, 4, 5) , über Kommunikat ionsverbindungen,
- ein computerimplementierter Verbindungsdienst (14) zur Verwaltung der Kommunikat ionsverbindungen des technischen Moduls (2) ,
- ein computerimplementierter Lesedienst (15) ,
- eine zur Laufzeit des technischen Moduls (2) konfigurierbare Logikeinheit (12) ,
- ein computerimplementierter Schreibdienst (16) , das Verfahren umfassend: a) Integrieren des technischen Moduls (2) in die technische Anlage (1) , wobei im Zuge dessen eine Kommunikationsverbindung des technischen Moduls (2) zu einer Orchestrierungsinstanz (8) der technischen Anlage, insbesondere einem Leitsystem der technischen Anlage, eingerichtet wird, b) Übertragen von Choreograf ieanweisungen (9) an die Kommunikationseinheit (13) durch die Orchestrierungsinstanz (8) als externem Kommunikationspartner des technischen Moduls (2) und Weiterleiten an die konfigurierbare Logikeinheit (12) des technischen Moduls (2) , c) Erzeugen von notwendigen Informationen auf Basis der Choreograf ieanweisungen (9) , die über die Leseeinheit (15) von der Orchestrierungsinstanz (8) erhalten werden, für die Steuereinheit (11) zur Steuerung der technischen Objekte zum Betrieb des technischen Moduls (2) in der technischen Anlage (1) , d) Auf Basis der Choreograf ieanweisungen (9) , die über die Leseeinheit (15) von der Orchestrierungsinstanz (8) erhalten werden, Erzeugen von Anweisungen (18) für eine Steuereinheit eines weiteren technischen Moduls (5) zur Steuerung von technischen Objekten zum Betrieb des weiteren technischen Moduls (5) in der technischen Anlage (1) , e) Übermitteln der von der Logikeinheit (12) erzeugten Anweisungen (18) über die von dem Verbindungsdienst (14) verwalteten Kommuni kationsverbindungen an das weitere technische Modul (5) durch den Schreibdienst (16) , f) Betreiben des technischen Moduls (5) in der technischen Anlage (1) .
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zusätzlich das weitere technische Modul (5) auf Basis der von dem Schreibdienst (16) des technischen Moduls (2) übermittelten Anweisungen (18) betrieben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem zusätzlich ein weiteres technisches Modul (3, 4) betrieben wird, welches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, oder nach dem Oberbegriff und dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ausgebildet ist, wobei das weitere technische Modul (3, 4) auf Basis von Choreograf ieanweisungen (9) betrieben wird, die es von der Orchestrierungsinstanz (8) empfängt.
12. Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
13. Computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 auszuführen .
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