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AVA：面向组件的抽象层，用于虚拟即插即用自动化系统工程

摘要

自动化系统工程中流行的系统和软件模型由IEC 61131规范定义。迄今为止，这是我们知道如何表达低级逻辑和操纵电气硬件信号的最佳方式。然而，指数级的技术增长,继续提高人们对自动化系统应该能够做什么的期望。满足不断增长的需求和管理爆炸式增长的复杂性，需要对高级描述、结构化和通信的系统支持，而原始方法并不是为了提供这些而构建的。这项工作建议引入一个抽象层，一个组件容器基础设施，在自动化和镜像网络物理系统，世界的标准系统和软件模型之上定义，其中独立的组件相互连接，通过使用彼此的功能来实现系统的目的。该概念以特定于领域的建模语言的形式实现，应用经典的双级模型驱动软件工程（MDSE）方法。通过根据所提出的方法，设计不同的工业用例，表明定义的抽象和机制能够表达不同领域中软件设计的细微差别，并且可以将自动化系统工程的工作流程简化为虚拟的即插即用流程。

关键字：自动化域语言；架构模式；框架

1. 引言

事实上，即使在推出五十年后的今天，大多数工厂的核心也基本上具有相同的配置，这是对可编程逻辑控制器（PLC）概念在自动化系统工程中的确定性，核心作用和显着适用性的最佳致敬。然而，对生产系统灵活性的需求不断增加，最终将经典方法带到了其能力的基本极限。新一代自动化系统应适用于异构和分布式环境，可扩展，容错，并基于模块化和开放式架构^[1]。对此类技术的必要性和潜在优势的认识引发了全球倡议，如先进制造（美国），电子工厂（JPN），智能制造（CHN）和工业4.0（GER），所有这些都被一个适应性强，完全连接和高效的工厂的概念所吸引，称为未来工厂（FoF）^[2]。

工业4.0计划采用三个特征作为实现FoF目标的关键--水平整合，垂直整合和统一工程^[2]。关注这些方面导致将工厂视为由组件组成的网络物理生产系统（CPPS），这些组件以网络管理外壳的形式提供数字表示，智能服务和可互操作的接口，从而在自动化系统工程所涉及的所有领域以及所有参与参与者之间实现自由，畅通无阻和透明的通信和信息流^{[2]，[3]，[4]}.因此，符合工业4.0范例的自动化应用程序可以定义为交互自动化组件的组合，这些组件通过其内部行为和彼此之间以及与外部参与者的通信，实现所需应用程序的目标。在这种情况下，自动化组件可以被视为网络物理系统（CPS）组件的逻辑方面，它们在自动化领域的投影（'影子'）。应用程序主要通过安装（实例化、连接和配置）自动化组件来创建，这些组件在自己的生命周期内维护，并实现用于模拟、测试和调试的辅助功能。与其他领域的信息交换应能够自动生成应用程序，例如管道和仪表图（Pamp;ID），电路图或仪器仪表和控制图和列表。用户界面和文档也可以准备就绪，而无需额外的努力。

应用工业4.0范式的原则有望降低系统复杂性，优化开发过程，更好地了解系统操作，并为实现（虚拟）插头和生产场景^[5]奠定坚实的基础。以这种方式实现系统需要支持处理更高的抽象级别，特别是在复杂，大规模应用程序的情况下^[6]。然而，自动化系统工程的通用标准和方法仅为低级抽象^{[1]、[7]、[8]}和健壮但原始的通信机制提供设计和重用支持。工厂结构的变化和类似应用中组件的重用通常由手动管理，从而导致额外的成本，包括规划、实施（通常使用复制和改编方法）、组件变体的测试、调试和维修、组件互连和上级功能。此外，这些任务通常被委派给缺乏经验和对更高层次的概念和关注点有所了解的技术人员，导致软件架构^[6]的连续衰败和仅配备基本自动化功能的原型应用程序实现不佳。尽管如此，考虑到其经过验证的能力、广泛的分布、劳动力专业知识以及高昂的投资成本和已安装系统的长寿命，传统方法可以而且不应该简单地绕过或取代。需要根据现代技术能力和对自动化系统的当代要求开发的解决方案和方法，这些解决方案和方法还集成了传统系统的久经考验的方法和专有技术，以促进工厂自动化系统朝着新范式的方向逐步迁移^[2]。

一个可能的解决方案是引入一个特定的抽象级别^[6]，[9]，以接管标准解决方案的设计角色，并提供有关自动化应用程序的一般观点。在组件通过使用彼此的功能连接到跨应用程序的场景中，组件间通信的路径和机制起着至关重要的作用。因此，CPS 组件的功能方面、它们的连接和运行时通信可能是作为这种抽象基础的正确选择。为自动化组件定义的虚拟表示将提供透明的通信机制，可以封装不同的组件变体或上级功能，并在组件级别实现生命周期管理。组件的实现可以与实际的应用程序开发正交进行，并且根据所选的部署环境，使用通用自动化语言（例如IEC 61131或IEC 61499）或通用语言（例如Java或C / C ）。引入的抽象层可以优化自动化工程工作流程，并将其转换为'虚拟即插即用'流程，通过实例化、互连和预定义构建块的配置来创建完整的应用程序。除了最大限度地提高重用率和最小化工程时间外，复杂场景的实施也变得可行，从而使最终解决方案的整体质量得到提高。这样的架构需要：

R1：跨自动化领域实现自动化工作流程合理化和简化应用工程（虚拟即插即用）

R2：在组件级别启用生命周期管理

R3：能够封装业务逻辑的不同变体

R4：扩展和集成传统自动化技术和工具

R5：软件工程中必要的技能下降

除了研究、分析和识别自动化标准技术的关键弱点外，这项工作的主要贡献还包括：

bull;识别纠正传统自动化技术不足所需的软件工程原理和特征

bull;基于已确定的原则设计通用自动化专用抽象层，作为传统自动化技术的扩展

bull;核心概念的概念验证实施和工业验证

第2节概述了流行的自动化系统和软件工程规范，相关的软件工程范式和相关方法，并提出了新方法的必要性。AVA 是一种新颖的面向组件的方法，基于组件间通信的高度泛化和对组件概念的类型-实例对偶性的考虑，在第3节中介绍。第4节介绍了 Eclipse 建模框架 （EMF） 中的概念证明实现。这项工作以第5节中关于该方法的潜力的讨论结束。

2. 最先进的技术

软件工程的核心方法和原则在自动化领域的直接应用是有限的，因为供应商通过选择在其平台中使用的特定软件技术来确定自动化系统和软件设计和实现的规则。大多数可用平台的基本规范是IEC 61131规范，至少可以部分移植和重用低级工件。然而，没有这样的标准涵盖更高层次的设计概念和抽象，这就是为什么它们在实践中很少被明确对待的原因。在这种情况下，最相关的软件工程学科是基于组件的软件工程（CBSE）和模型驱动的软件工程（MDSE），前者关注组合单元和可配置性，后者建议引入额外的抽象层作为管理系统复杂性的手段。在以下各节中，将讨论核心自动化的相关部分和一般软件方法、标准和原则，然后详细概述相关方法。本章最后简要评价和阐述了采取新办法的必要性。

2.1. 自动化系统和软件工程的标准

IEC 61131规范具有同质化的PLC系统系统和软件模型，设备要求，通信和编程语言^[10]，形成了一种强大，可靠，快速，简单和直观的自动化系统工程方法^[11]，并已成为该领域的事实标准。IEC 61131 软件模型的核心结构元素是功能块 （FB）。FB封装数据（一组变量，输入，输出和进出参数，可用作与其他块的连接）和算法（每次执行FB实例时运行代码片段）^[12]。它可能代表一些小问题的解决方案（例如，计算输入的移动平均线），或者可以代表复杂子系统或系统（例如生物质炉）的控制。缺乏对高度分散的自动化场景和进程间通信的透明支持是对IEC 61131规范^[1]的最大批评点。此外，FB概念最初是作为集成电路的表示和软件实现而开发的，这使得它本质上接近实现水平，这一事实也反映在其接口的性质中 - 它们不支持复杂的直接对象间通信的概念。缺乏适当的高级概念导致系统和需求规范与其实现之间的抽象差距，最终必须由应用程序开发人员弥合，使得最终的软件高度依

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