蜂窝网络中的软件定义制造的制作方法

1.本公开涉及工业自动化，并且特别地，涉及蜂窝网络中的软件定义制造（sdm）。


背景技术：

2.工业4.0是用来描述制造技术中的自动化和数据交换的当前趋势的术语。这种所谓的第四次工业革命有潜力大幅提升生产力，降低成本，并提高产品质量。从本质上来说，工业4.0旨在在过程的每个步骤中实现对生产的精细控制，从而提高质量。它还有助于减少并甚至消除停机时间，因为可利用由制造设备（诸如工业机器人）提供的数据来安排维护或预测故障。
3.尽管工业4.0涵盖了一定范围的目标和期望的结果，但是目前还没有定义可如何组织和操作工业系统以实现这些目标的参考体系结构。
4.国际电工委员会（iec）已经发布了与自动化制造系统相关的各种标准。例如，iec 61131-3是对于可编程逻辑控制器（plc）的开放国际标准iec 61131的第三部分。2013年2月发布了现行（第三）版本，并且它详细说明了plc内的控制程序的基本软件体系结构和编程语言。它定义了如下三种图形和两种文本编程语言标准：梯形图（ld）；功能块图（fbd）；结构化文本；顺序功能图（sfc）；以及指令列表（il），已弃用（deprecated）。
5.iec 61499最初于2005年发布，并且它解决了工业过程测量和控制系统的功能块的主题。该规范定义了分布式控制系统的通用模型，并基于iec 61131标准。
6.尽管iec标准提供了可用于工业系统的自动化控制的功能块，但是它们并没有解决实现工业4.0的概念所需的系统性能要求。


技术实现要素：

7.本发明的面提供了一种系统，该系统包括：至少一个接入节点，配置成向以及从位于部署在制造设施内的蜂窝通信网络的至少两个小区内的工业装置无线地传送和接收信号；以及计算机系统，计算机系统包括接口，其经连接以便向以及从接入节点传送和接收信号；和处理电路，处理电路配置成：定义制造过程实例mpi，其标识执行预定制造过程所必需的制造操作；将工业装置中的一个或多个分配给mpi，每个分配的工业装置配置成执行标识的制造操作中的至少一个；以及实现配置成控制分配给mpi的工业装置中的每个工业装置以便协作地执行预定制造过程的控制器。
8.还公开了基站、通信系统以及在通信系统中进行的方法的实施例。
附图说明
9.并入在本说明书中并形成本说明书的一部分的附图说明了本公开的若干个方面，并且与本描述一起用于解释本公开的原理。
10.图1a和图1b是示出可在本发明的实施例中使用的计算装置的框图；图2是示出虚拟化的框图；图3是示出制造框架的框图；图4是根据本发明的实施例的示出示例蜂窝通信网络的框图；图5是示出在图4的蜂窝通信网络的服务器中实现的示例控制器的框图；图6是示出图5的实现中的示例分组流的框图；图7是根据本发明的实施例的示出示例软件定义制造参考体系结构的框图；图8是示出部署在工业设施中的图4的接入网络的框图；图9是根据本发明的实施例的描述示例过程的流程图；图10是示出在图9的示例过程中创建制造过程实例的框图；图11是示出用于创建mpi的示例过程的消息流程图；图12是示出切换期间的调度器的示例操作的框图；图13是示出将工业装置从第一mpi切换到第二mpi的示例过程的消息流程图；图14是示出mpi的示例状态的框图；图15是示出示例sdm功能块和接口的框图；图16是示出示例装配线的图；图17是示出图7的控制器的示例功能子块的框图；图18是示出示例mutex用例的框图；图19是示出在图18的示例用例中用于锁定和解锁mutex的示例过程的消息流程图；图20是示出粗和细clgc的示例并行配置的框图；图21是示出粗和细clgc的示例串行配置的框图；图22是示出自动驾驶车辆的线路的图；图23是示出作为流线建模的自动驾驶车辆的电发动机的控制的框图；图24是示出控制自动驾驶车辆的转向伺服以便遵循作为流线建模的路径的框图；图25是示出装配线的图；图26是示出图25的装配线的每个工业装置臂中的伺服的控制的框图；图27是示出用于增加图25的装配线的生产能力的sdm操作的示例的框图；图28是示出用于替换图25的装配线的工业装置的sdm操作的示例的框图；图29是示出用于在工厂内重新部署制造过程的sdm操作的示例的框图；以及图30是根据本发明的实施例示出连接到iot云的两个sdm的示例的框图。
具体实施方式
11.下文阐述的实施例表示使得本领域技术人员能够实践实施例并说明实践实施例的最佳模式的信息。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并将认识到本文中未特别提及的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开的范
围。
12.本公开中可使用以下缩写和术语中的至少一些缩写和术语。
13.无线电节点：如本文中所使用，“无线电节点”是无线电接入节点或无线装置。
14.无线电接入节点：如本文中所使用，“无线电接入节点”或“无线电网络节点”是蜂窝通信网络的无线电接入网络中进行操作以便无线地传送和/或接收信号的任何节点。无线电接入节点的一些示例包括但不限于：基站（例如，第三代合作伙伴计划（3gpp）第五代（5g）新空口（nr）网络中的nr基站（gnb）或3gpp长期演进（lte）网络中的增强或演进node b（enb）），大功率或宏基站，低功率基站（例如，微基站、微微基站、家用enb等），和中继节点。
15.核心网络节点：如本文中所使用，“核心网络节点”是核心网络中的任何类型的节点。核心网络节点的一些示例包括例如移动管理实体（mme）、分组数据网络网关（p-gw）、服务能力公开功能（scef）等。
16.无线装置：如本文中所使用，“无线装置”是通过向（和/或从）无线电接入节点无线地传送（和/或接收）信号而有权访问蜂窝通信网络（即，由蜂窝通信网络服务）的任何类型的装置。无线装置的一些示例包括但不限于3gpp网络中的用户设备装置（ue）和机器型通信（mtc）装置。
17.网络节点：如本文中所使用，“网络节点”是作为蜂窝通信网络/系统的核心网络或无线电接入网络的一部分的任何节点。
18.小区：如本文中使用，“小区”是可供无线装置用于与无线电接入节点（其可称为小区的服务节点或主机节点）交换无线电信号的无线电资源（诸如例如天线端口分配、时间和频率）的组合。然而，重要的是注意，可取代小区使用波束，特别是关于5g nr。因此，应认识到，本文中描述的技术同样适用于小区和波束两者。
19.注意，本公开中对各种技术标准（例如，诸如3gpp ts 38.211 v15.1.0（2018-03）和3gpp ts 38.214 v15.1.0（2018-03））的引用应当理解为指提交本技术的当前时间的（一个或多个）此类标准的（一个或多个）具体版本，并且也可指此类版本的适用副本和后继版本。
20.本文中的描述集中在3gpp蜂窝通信系统上，并且因此，经常使用3gpp术语或与3gpp术语类似的术语。然而，本文中公开的概念不限于3gpp系统。
21.图1a和图1b是示意性地示出包括可在本发明的实施例中使用的计算装置102的通信系统100的框图。
22.在图1a的示例中，通信系统100一般包括连接到一个或多个网络110和一个或多个无线电单元112的计算装置102。计算装置102包括一个或多个处理器104、存储器106、一个或多个网络接口108。处理器104可作为微处理器（
µ
p）、中央处理单元（cpu）、专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）等的任何合适的组合提供。类似地，存储器106可作为随
机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）和大容量存储技术（诸如磁盘或光盘存储设备等）的任何合适的组合提供。网络接口108启用计算装置102和诸如核心网络（未示出）、数据网络（未示出）或私有域网络（诸如数据中心）（未示出）之类的网络110之间的信令。
23.每个无线电单元112通常包括耦合到一个或多个天线118的至少一个传送器（tx）114和至少一个接收器（rx）116。在图1a的示例中，（一个或多个）无线电单元112示为位于计算装置102的外部并经由合适的物理连接（诸如铜缆线或光缆线）连接到计算装置102。在图1b的示例中，（一个或多个）无线电单元112示为经由网络110和网络接口108连接到计算装置102。仍在其它实施例中，（一个或多个）无线电单元112和可选的还有（一个或多个）天线118可以与计算装置102集成在一起。
24.一个或多个处理器104进行操作以便提供计算装置102的功能。通常，这些功能作为存储在例如存储器106中并由一个或多个处理器104执行的软件应用（app）120或模块实现。在一些实施例中，一个或多个软件应用或模块120可在由计算装置102的操作系统（未示出）维护的安全运行时间环境（rte）122中执行。
25.可认识到，特定实施例可排除在图1a和图1b中示出的一个或多个元件。例如，配置成实现无线电接入网络的无线装置的计算装置102可并入一个或多个处理器104、存储器106和一个或多个无线电单元112，但是可排除网络接口108。相反，例如，配置成实现核心网络中的服务器的计算装置102可包括一个或多个处理器104、存储器106和一个或多个网络接口108，但是可排除无线电单元112。另一方面，配置成实现无线电接入网络的基站的计算装置102将通常包括一个或多个处理器104、存储器106以及无线电单元112和网络接口108两者。
26.图2是示意性地示出可在本发明的实施例中使用的系统虚拟化的示例体系结构200的框图。设想，计算系统可在物理上使用互连在一起并执行适当的软件以执行其预期功能的一个或多个计算装置（其中任何一个或所有计算装置都可根据上文参考图1描述的系统100构造）来实现。本领域普通技术人员将认识到，有许多合适的可以用于该目的硬件和软件组合，所述组合要么在本领域中已知，要么可能会在未来被开发出来。由于这个原因，本文中不包括示出物理硬件组件和连接的图。
27.如在图2中可见，示出的体系结构200一般包括托管基础设施202、虚拟化层204和应用平台服务层206。托管基础设施202包括由在其上实现体系结构200的基础设施所提供的物理硬件资源。这些物理硬件资源可包括上文参考图1描述的处理器104、存储器106、网络接口108和无线电单元112中的任何一个或全部，并且还可包括业务转发和路由硬件208。虚拟化层204向应用平台服务层206呈现硬件资源202的抽象。这个抽象的具体细节将取决于由应用平台服务层206托管的应用120的要求。因此，例如，可为提供业务转发功能的app 120呈现简化业务转发策略的实现的硬件资源202（例如，（一个或多个）处理器104、存储器106和业务转发硬件208）的抽象。类似地，可以为提供数据存储功能的应用呈现有助于数据的存储和检索（例如，使用轻量目录访问协议-ldap）的硬件资源202（例如，（一个或多个）处理器104和存储器106）的抽象。
28.应用平台206提供托管应用的能力。在一些实施例中，应用平台206通过提供基础设施即服务（iaas）设施来支持应用120的灵活且高效的多租户运行时间和托管环境。在操作中，应用平台206可以为由平台206托管的每个应用120提供安全和资源“沙盒”。每个“沙
盒”可作为可包括适当的操作系统和对（虚拟化的）硬件资源202的受控访问的虚拟机（vm）映像210来实现。备选地，每个“沙盒”可作为可包括适当的虚拟存储器以及对主机操作系统和（虚拟化的）硬件资源202的受控访问的容器211来实现。应用平台206还可以向在应用平台206上托管的应用120提供一组中间件应用服务和基础设施服务，如下文将更详细地描述的。
29.来自供应商、服务提供商和第三方的应用120可以在相应的虚拟机210中部署和执行。应用120和应用平台206的服务之间的通信可以根据本领域中已知的面向服务的体系结构（soa）的原理便利地进行设计。
30.通信服务212可允许应用120与应用平台206通信（例如，通过预定义的应用编程接口（api）），并且允许应用120彼此通信（例如，通过服务特定的api）。
31.服务注册表214可提供服务器200上可用的服务的可见性。另外，服务注册表214可呈现服务可用性（例如，服务的状态）以及相关的接口和版本。应用120可利用它来发现和定位它们所需服务的端点并发布它们自己的（一个或多个）服务端点以供其它应用使用。
32.网络信息服务（nis）216可以为应用120提供例如与网络服务实例或一个或多个协议数据单元（pdu）会话有关的低级网络信息。
33.业务卸载功能（tof）服务218可以优先化排序业务，以及向和从应用120路由选择的基于策略的数据流。
34.图3示出了示例制造框架以及框架的每个层的相应的时延容限。在这方面，术语“时延”是指传送消息的时间和接收消息的时间之间的延迟。该消息可以是命令、请求、确认或响应。如在图3中可见，规划和管理功能可以相对高的时延操作，而控制功能则需要显著较低的时延。
35.应注意，常规的工业自动化标准并没有明确区分粗控制和细控制等级。这反映了常规的系统体系结构，其中工业装置控制器与工业装置本身共置，并且直接控制所有工业装置的各种臂、工具、传感器和致动器。在这种体系结构中，相关的时延容限与工业装置控制器有关，因为工业装置的各种组件的时延对系统的其余部分是不可见的。
36.另一方面，本公开设想，可在本发明的实施例中使用5g nr的超可靠低时延通信（urllc）能力。在此类情况下，粗等级控制和细等级控制及其相关联的时延容限之间的区别是有用的。
37.本文档将粗控制和细控制定义为：
•
细控制用于控制特定的装置（例如，诸如工业装置臂中的伺服或自动驾驶车辆中的电发动机之类的致动器）。因此，细控制对通常时间关键的特定的过程变量进行操作。细控制一般非常快速，这暗示要求通信信道（例如，控制器和特定装置之间）具有超低时延（例如，小于或等于1 ms）。
38.•
粗控制可控制对于制造过程重要但不是那么时间关键的多于一个过程变量或一些环境度量。粗控制通常要求通信信道具有相对低的时延（例如，小于或等于10 ms），但是在一些情况下，取决于控制计划中所考虑的变量或环境度量，也可要求通信信道具有超低时延。
39.通常，工业设施由来自不同供应商的工业装置（诸如工业机器人和其它设备）组成。规划、管理和控制的过程被视为是单独的任务。每个供应商通常提供他自己的专有管理
解决方案，其可或者可不与其它供应商的管理解决方案交互。技术人员通常为给定的过程决定每个工业装置的角色，并然后必须为每个装置开发和安装适当的脚本。在一些情况下，这需要技术人员去到每个装置以对它进行编程。由于工业运营商通常具有多个工具，所以很难管理端到端操作。
40.制造业中的一些工业装置依赖于称为机器人操作系统（ros）的开源标准。ros首先是在斯坦福大学开发的，并且是开源框架，它拥有已在业界普及的已建立的开发人员社区。然而，ros不支持大多数工业装置所需的实时能力。因此，称为ros-工业（ros-industrial）的ros变体（它为工业装置提供实时支持和其它所需的能力）正变得越来越普及。ros-工业是开源解决方案，它包含工业硬件的库、工具和驱动器。它得到了ros-工业联盟的支持和指导。
41.本文中公开了提供用于控制和管理工业装置的集成系统的系统和方法。根据本发明的实施例，一种系统包括：至少一个接入节点，配置成向以及从位于部署在工业设施内的蜂窝通信网络的至少两个小区内的工业装置无线地传送和接收信号；以及计算机系统，计算机系统包括：接口，其经连接以便向以及从接入节点传送和接收信号；和处理电路，处理电路配置成：定义制造过程实例mpi，其标识执行预定工业过程所必需的工业操作；将工业装置中的一个或多个分配给mpi，每个分配的工业装置配置成执行标识的工业操作中的至少一个；并实现配置成控制分配给mpi的工业装置中的每个工业装置以便协作地执行预定的工业过程的一个或多个控制器。
42.为了本公开的目的，工业设施是用于工业目的（诸如制造、储存或运输）的任何区域（它可由一个或多个建筑物和/或场址组成）。工业设施的示例包括（但不限于）工厂、仓库、运营中心、堆货场、铁路站场、港口设施等。
43.为了本公开的目的，制造过程是指得到定义的结果的一个或多个操作的序列。例如，在工厂中，制造过程可包括为了将原料（例如，原材料）转换成成品而需要执行的操作。在装配厂中，制造过程可包括按照定义的顺序组装多个零件以生产最终产品（诸如汽车）的操作。工业过程是更广泛的概念，它包括制造过程，但是也涵盖其它任务，诸如储存、转发和运输。例如，在铁路站场上下文中，工业过程可以指将船运货箱从铁路车厢中移开、临时将船运货箱存放在堆货场中并且随后将船运货箱放置在运输拖车上所需的操作的序列。
44.为了本公开的目的，工业操作是工业过程中的离散操作。在许多情况下，工业操作将由特定的机器或装置并在特定的时间执行。因此，在一些实施例中，工业过程中的不同工业操作由对应的不同机器和/或在不同的时间执行。
45.为了本公开的目的，工业装置是指配置成执行一个或多个工业操作并且也能够与根据本公开的计算机系统通信的任何机器或设备。工业装置的示例包括（但不限于）工业机器人、自动驾驶车辆、自动导航车辆（agv）、传感器、致动器和控制器（例如，其可与诸如铣床或冲压机的其它机器相关联）。
46.图4示出了根据本公开的实施例的蜂窝通信网络400的一个示例。在本文中描述的实施例中，蜂窝通信网络400可符合lte、4g和5g nr标准或其后续版本中的一个或多个标准。在示出的示例中，蜂窝通信网络400包括无线电接入网络（ran）402，ran 402包括在对应的小区408a和408b内控制与工业装置406a
…
406h的无线电通信的接入节点404a和404b。每个小区408可通过地理环境、频率、无线电接入技术（rat）、调制方案和接入节点标识符中的
任何合适的组合来定义。在一些实施例中，小区408可称为制造小区（mc）。
47.接入节点404a和404b可以是能够在接入节点404的相应覆盖区域内与一个或多个工业装置406建立（一个或多个）无线电连接并且进一步配置成在工业装置406和核心网络410之间转发信令业务的任何类型的网络接入装置。
48.接入节点404的重要特征是，它配置有配置成向以及从工业装置406发送和接收无线电信号的无线电接口以及配置成与核心网络410交换电子和/或光学信号的网络接口两者。接入节点404的示例包括：演进node b（enb）和gnb系统（在例如3gpp标准中已知）；wifi接入点（从例如ieee 802.11标准可知）等。在一些上下文中，可将接入节点404称为接入点（ap），而不管它支持的无线电接入技术（rat）。
49.工业装置406可以是配置有能够向以及从接入节点404发送和接收信号的无线电和/或有线通信电路的任何类型的工业设备或机械。工业装置406的示例包括工业机器人、传感器、致动器、机器控制器、移动计算机、物联网（iot）装置、自动驾驶车辆控制器、agv控制器等。在一些上下文中，工业装置406可称为用户设备（ue）或移动装置。
50.在一些实施例中，小区408a和408b可彼此重叠。例如，特定小区408a可以是覆盖公共地理区域并具有公共rat和调制方案但使用各自不同的频率和/或接入点（ap）标识符的多个小区中的一个小区。在此类情况下，位于由两个或更多个重叠小区408覆盖的区域内的工业装置406可以向以及从每个对应的接入节点404发送和接收无线电信号。
51.在示出的示例中，ran 402连接到核心网络（cn）410，cn 410又可称为演进核心网络（ecn）或演进分组核心（epc）。cn 410包括（或等效地连接到）配置成提供联网服务（诸如例如在3gpp ts 23.501 v15.2.0（2018-06）“5g系统的系统体系结构”及其后继版本中描述的网络功能（nf））以作为工业装置406的控制和监督服务的一个或多个服务器412。cn 410还可包括配置成将cn 410连接到分组数据网络（dn）416（诸如例如互联网）的一个或多个网关（gw）节点414。网关节点414可称为分组网关（pgw）和/或服务网关（sgw）。dn 416可提供通信服务以支持服务器412和一个或多个应用服务器（as）418之间的端到端通信。在一些上下文中，应用服务器（as）418又可称为主机服务器。
52.应当认识到，cn 410和dn 416之间的分离可以是纯逻辑的，以便简化对它们相应角色的理解。特别地，cn 410主要专注于提供工业装置接入、控制和监督功能并支持特定工业设施内的无线装置移动。另一方面，dn 416主要专注于提供跨越多个工业设施的端到端通信和管理功能。然而，将认识到，如果需要，则cn 410和dn 416两者都可以在公共物理基础设施上实现。
53.在常规技术中，工业过程在提供一组严格定义的资源（诸如工业装置406）的工业设施中进行，以便执行预定义的任务，从而实现确定的目标。例如，在汽车装配线上，几个工业装置406可以协作组装汽车。对装配线进行优化，以便高效地构建汽车的特定模型。不幸地，取舍是，该过程是严格的，因为它不能轻易地改变来生产不同类型或模型的汽车。要进行更改，必须执行一些修改，诸如修改工业装置406编程和工具、重新调整一些机械以适应新汽车的新规格、创建或删除新任务等。
54.相比之下，工业4.0要求将制造过程模块化的敏捷工业，并且因此，它可以容易地根据需求适应变化，易于配置和定制，并且及时生产。
55.在本描述中，术语“软件定义制造（sdm）”一般描述用于实现工业4.0的目标的参考
体系结构和方法。软件定义制造（sdm）的示例特性和好处可包括：
•ꢀ
敏捷规划：工业设施可具有多于一个工业过程，并且可以容易地添加新的过程或修改现有的过程。
56.•ꢀ
最小人工干预的控制：工业过程的控制和监督应当是自动化的。人工干预专注于规划和监督审查。
57.•ꢀ
控制专注于效率和质量保证（qa）。闭环增益控制（clgc）（有时又称为闭环控制（clc））被广泛用作保证效率和qa相匹配的过程。
58.•ꢀ
监督包括自我修复能力，这需要通过工业装置406进行维护。焦点还基于预防性维护。
59.•ꢀ
机械是通用的，并且动态地分配给制造过程：减少了对过程使用静态分配的机械。例如，如果需求需要，可将工业装置406臂重新分配给不同的制造过程。
60.•ꢀ
在线制造：零件的制造优选在订单发生时开始。
61.•ꢀ
制造过程由软件定义，这意味着，在计算机中创建过程定义，它包含过程所使用的资源的规格、期望的输出是什么、质量保证（qa）参数、控制定义等。这个制造过程可利用设施的资源（例如，工业装置406）和计划中的任务进一步实例化，以便经由智能制造框架生产期望的输出。
62.在一些实施例中，可使用上文参考图2描述的虚拟化的原理来实现sdm。例如，过程和装置控制与监督功能可使用虚拟化的硬件资源202作为在虚拟机210内或容器211内执行的应用120实现，在工业过程的情况下，除了计算、数据存储和通信资源之外，虚拟化的硬件资源202还可包括工业装置406和工业设施的其它资源。
63.为了实现成功的sdm实现，具有高精度的自动化闭环增益控制是重要的。
64.clgc在工业装置406自动化中是有用的，特别是在智能制造中，因为它是制造过程中（特别是实时中）控制工业装置406操作的关键机制。在一些上下文中，术语“控制器”实际上是指clgc控制器，因为它是制造中最常见和最常使用的控制类型。这种类型的clgc控制器的示例可以是比例积分微分（pid）控制器，它通常与在工业设施中所使用的可编程逻辑装置（plc）集成以用于控制制造过程。
65.clgc基于来自具有高度可预测的时间精度的过程输出的瞬时或极低时延反馈信号。这允许对工业装置406操作（诸如工业装置406臂的运动操作）执行精密控制。等时实时通信使得能够以非常低的时延集成支持实时闭环控制。这些应用对于涉及工业装置406、自动驾驶车辆和传感器的自动化制造过程的效率和质量保证是至关重要的。
66.clgc包含称为控制器的功能块。该控制器进行操作以便通过周期性地读取从过程的输出导出的反馈信号并在需要时应用校正而通过可变增益过程（vgp）来控制制造（或其它工业）过程。在感应输出以产生反馈信号和对vgp应用校正以调整制造过程之间的时间应当尽可能小。大的延迟可会使从反馈信号计算的校正失效，从而导致例如生产线的损坏并造成安全问题。校正间隔也应当相同，以避免大的抖动，从而保持在控制器中执行的clgc算法的精度和稳定性。
67.因此，制造过程中的clgc控制是等时任务，它需要实时执行以及clgc控制器和测量反馈的信号的仪表之间的紧密时隙的通信。通常，clgc循环时间可由以下任一部分组成：
•ꢀ
从clgc控制器到一组仪表的周期性下行链路事务，在此之后是到clgc控制器的
具有测量值的上行链路响应；或
•ꢀ
从clgc控制器到一组vgp的周期性下行链路事务，在此之后是由vgp给clgc控制器的上行链路响应。
68.在对本文中呈现的这些算法的描述中，采用了以下定义：
•ꢀ
是时间t时的操纵变量，
•ꢀ
是时间t时的控制器增益，
•ꢀ
是时间t时的过程变量，
•ꢀ
是时间t时的受控变量，
•ꢀ
是时间t时的设定点，
•ꢀ
是积分时间常数，
•ꢀ
是微分时间常数，
•ꢀ
是时间t时的误差，并且
•ꢀ
定义为误差为零时的控制器的输出，即，它是由于环境传感器引起的补偿。
69.本公开中所使用的最常见的clgc算法是on/off（开/关）控制器、比例控制器和积分控制器。参见例如：1）w. svrcek, d. mahoney和b. young,
ꢀ“
a real-time approach to process control,
”ꢀ
john wiley & sons, p.93-113, isbn: 9781119993872, 2014., 第3和4章；以及2）s. mitsi, k. d. bouzakis, g. mansour和d. sagris, "off-line programming of an industrial device 406 for manufacturing," international journal of advanced manufacturing technology, no. 26, p. 262-267, 2005。下面将对这些控制器中的每个控制器进行描述。
70.在on/off控制器中，通过下式来定义：该控制器的实现可基于从仪表发送到控制器的通知来使用异步通信。当时，发送通知on（开），并且当时，发送通知off（关）。
71.在比例控制器中，通过下式定义：在积分控制器中，通过下式定义：其中，定义为积分前的控制器输出、时间零时的初始状况或当控制器切换为自动时的状况。
72.另外，这些控制器的各种组合可包括：比例加积分（pi）控制器，其中通过下式定义：
比例加微分控制器，其中通过下式定义：比例积分微分（pid），其中通过下式定义：图5示出了在4g/5g核心网络410的服务器412中实现clgc控制器500的示例实施例。clgc控制器500可向工业装置406触发周期性消息，以便从一组仪表获得测量值或为工业装置406上的vgp指派增益值。可预期clgc控制器500接收带有反馈数据的响应消息。由于消息交换是等时的，所以数据流也是具有高的可预测性的等时的。
73.在备选实施例中，控制器500可以与接入节点404而不是服务器412共置。
74.图6示出了在4g/5g网络上使用tcp/ip堆栈实现的clgc控制器的示例分组流。虚线指示该流经过网络中的若干个节点。该流起源于clgc控制器ue，并且一路向上到工业装置406。为了到达工业装置406，通过它的tcp/ip和4g/5g堆栈向下发送来自控制器ue的tcp/ip分组。在4g/5g phy中，经由以太网将tcp/ip分组发送到服务网关（sgw，在图5中没有示出）。sgw将ip分组（经由以太网）转发到接入节点404。在sgw内，tcp/ip分组一路向下通过tcp/ip和4g/5g堆栈，并通过空中接口将它发送到工业装置406。工业装置406从它的空中接口接收分组，并将它发送到vgp、仪表或传感器目的地。
75.以下描述分为四个小节：参考模型的描述，流程图，制造过程实例的详细解释，和用例示例。
76.如上文所描述，本文中引入了术语“软件定义制造（sdm）”以便指用于实现工业4.0的目标的参考体系结构和方法。图7示出了根据本发明的实施例的示例软件定义制造参考体系结构700。下文将公开用例，以便示出这个提议的模型可如何解决实际的工业问题。为了便于理解，以下描述将专注于基于制造上下文的示例。因此，所使用的术语专门与制造有关。但是，将认识到，相同的技术同样可应用于除了制造以外的工业设施和过程。
77.如图7所示，参考体系结构700包括管理和规划层702、监督和控制层704以及现场层706，现场层706由工业设施的物理资源（诸如工业装置406、装卸码头、存储区和工作区）组成。规划、监督和控制层702和704可作为如上文参考图1a和图1b所描述的一个或多个计算机系统来实现，并且可构成上文所描述的核心网络410的部分或全部。在示出的示例中，规划层702包括物联网（iot）云708、规划器710和数据库712，而监督和控制层704包括调度器714、监督器716、控制器718、互斥（mutex）服务器720、ptp服务器722和位置服务器724。
78.在一些实施例中，现场层706可包括物理资源和虚拟化层，虚拟化层进行操作以便以与上文参考图2描述的方式直接类似的方式向较上层呈现虚拟化的资源。例如，管理和规划层702以及监督和控制层704的功能和服务可作为在由应用平台206托管的虚拟机210或
容器211中执行并利用由虚拟化层204呈现给应用平台206的工业设施的虚拟化资源的应用120来实现。
79.该参考体系结构700是抽象的分层结构，它定义了三个抽象层：
•ꢀ
管理和规划：这个层是sdm的规划和管理应用。
80.•ꢀ
监督和控制：这个层负责每个制造过程实例（mpi）中的监督和控制。
81.•ꢀ
现场：这是mpi和工业装置406控制层本身的工业装置406通信。
82.图7的示例参考模型具有白框，其指示在常规系统（例如，ros工业和/或iec标准）中具有配对物的功能。然而，本描述发明描述了对其常规功能性的增强，并用新的功能块和新的交互来补充传统功能块，以便同时满足工业4.0、ros 工业和iec的要求。
83.图8示出了诸如制造车间的工业设施800，其中部署了包括一组四个相邻小区408的无线电接入网络402。如上所述，每个小区408可通过地理环境、频率、无线电接入技术（rat）、调制方案和接入节点标识符的任何合适的组合来定义。如果需要，可使用常规的切换技术（例如，基于信号强度或无线电信号覆盖）来处置从一个小区408移动到另一个小区的移动装置（诸如自动驾驶车辆和agv）。备选地，可在工业设施800内定义相邻小区408之间的固定“地理”边界，并且由工业设施800内的移动装置的位置（和/或速度和方向）来触发移动装置从一个小区到另一个小区的切换。
84.图8还示出了工业设施800内的一组制造过程实例（mpi）802。如下文将更详细地描述，mpi是标识执行预定的工业过程所必需的工业操作以及配置成执行那些工业操作的一个或多个工业装置或制造过程（mp）的逻辑构造。在一些实施例中，分配给给定mpi 802的所有工业装置位于公共小区408内。例如，图8示出了mpi 408a涵盖小区408a内的所有工业装置406的实施例以及将小区408b内的工业装置406分配给两个不同的mpi 802b和802c的另一个实施例。这些安排是有益的，因为在每种情况下，给定mpi 802a
…
802c的所有工业装置406都连接到单个接入节点404，这有助于满足细控制功能的时延要求（见图3）。
85.图8还示出了mpi 802d涵盖位于两个不同小区408c和408d中的工业装置406的备选实施例。在此类实施例中，所需的小区间分组流可使其更难满足细控制功能的低时延要求。然而，在可容忍较高的时延或者小区间分组流设法将对时延的影响最小化的情况下，mpi 802可跨越两个或更多个小区408。
86.返回参考图7：规划器710负责接受制造订单并将其分解成精细步骤。制造过程（mp）中的每个步骤以及mp作为整体是由资源和一个或多个计划（诸如例如运动计划、移动计划、任务计划、控制计划、监督计划和校准计划）的合集规定的逻辑集合。mp由规划器定义，并在一个或多个mpi中进行，这意味着，在一个或多个mpi中实例化mp以处理订单。
87.iot云708负责收集警报和设备状态，以便可以按需显示整合后的信息。
88.数据库712可进行如下细分：
•ꢀ
处理小区（或制造小区）数据库可包含处理小区定义。小区定义指定了给小区的分配的资源，诸如工业装置406和计算资源。
89.•ꢀ
制造过程数据库可存储为了处理制造订单及其计划（诸如控制计划、监督计划、运动计划和移动计划）而创建的（一个或多个）mp。
90.•ꢀ
校准数据库可包含工业装置和制造过程的校准表。
91.调度器714负责通过从规划器710接收的一个或多个处理计划通过以下步骤触发
制造过程定义的执行：
•ꢀ
创建、启动和停止制造过程实例。
92.•ꢀ
向制造过程实例分配资源。
93.•ꢀ
使移动装置在mpi之间切换。
94.ptp服务器722负责跨越sdm参考模型中的所有节点提供恒定时间参考。它确保所有实体都是时间同步的，以便可以正确地执行在计划合集中所描述的任务。可以由任何高精度的时间同步服务器来替代ptp服务器。
95.位置服务器724负责监测和跟踪工业设施内的工业装置406（并且特别是移动装置）的位置。
96.制造处理实例（mpi）可包括控制器718、监督器716和多个工业装置406，其中的至少一些工业装置406可以是移动装置。
97.监督器716是处置起源于框架内部的同步和异步事件或对其作出反应（例如，作为来自制造过程的控制器的警报、或由于监测到制造过程的确定的属性而引起的警报）的实体。
98.控制器718控制了对在其控制下的每个工业装置406的计划的执行。
99.图9是根据本发明的实施例描述示例过程的流程图。在以下小节中将进一步解释流程图中的一些步骤。
100.步骤906：调度器创建制造过程实例（mpi）。
101.订单的接收可触发规划器710创建mp，mp可引起一个或多个mpi。这如图10所示。响应于来自规划器710的向调度器发送制造过程规范以便创建一个或多个对应的mpi的请求，调度器714创建mpi。图11示出了用于创建mpi的示例消息序列。在创建mpi之前，调度器714可验证sdm资源池中有足够的物理资源来满足在mp中所指定的要求。如果有足够的资源可用，则创建mpi，并向其分配资源。
102.步骤908：调度器分配资源。资源的分配涉及分配工业装置以及分配通信信道。
103.步骤918：调度器714处置移动工业装置406切换到新的mpi。当工业装置406在不同的mpi之间移动时，进行移动工业装置406切换。如图12所示，作为调度器的一部分进行操作的切换引擎接收切换事件。在4g/5g信道上进行即将切换的工业装置406的实体表示的破坏和mpi分配，并更新相关的处理小区数据库以反映变化。图13示出了工业装置切换过程的示例消息序列。生成事件，并将它发送到处置该事件的调度器。调度器将该装置从向该装置分配的对应第一mpi的控制器和监督器中删除。然后，调度器将该装置添加到即将接收该装置的第二（目标）mpi的控制器和监督器。
104.如图13所示，通过从第一mpi中删除工业装置406并将其添加到第二mpi中来进行切换。如由图13所示的删除工业装置406并将其添加到新的mpi中暗示由第一mpi实现的工业过程不中断。否则，切换可能不成功，或者可采取一个或多个额外的动作，例如由监督器关闭第一mpi。
105.步骤914：调度器更新mpi状态。图14示出了制造过程实例（mpi）的示例状态。如果mpi未校准，则可能无法执行制造过程以处理订单。在一些实施例中，必须在运行制造过程之前校准mpi。
106.为了实现图9所示的流程图，说明交换的信息的类型是重要的。图15示出了示例
sdm功能块以及这些功能块之间的接口。如图15所示，mpi具有以下主要块：
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监督器716：通过接口e1从控制器接收监督控制事件。因此，它可经由接口e1向控制器718请求修复动作，和/或通过接口w1向iot云发布事件日志。修复动作和事件在监督计划中描述。可选地，如在监督计划中所描述，监督器可监测订单的输出的质量保证（qa）度量。
107.•ꢀ
控制器718：如在控制计划中所描述，它执行分配给mpi的工业装置406的粗控制和细控制。对于装置的粗控制它使用接口c1，并对于装置的细控制它使用接口f1。它还从规划器中获取运动计划，并通过到装置的接口m1执行它。
108.•ꢀ
工业装置406：它通过接口m1从控制器718获取运动或移动命令，并在通过接口c1和f1从控制器718控制它时执行命令。另外，当工业装置406被启动并连接到控制器时，它通过接口d1向控制器发送它的能力，并通过控制器将它的能力进一步转发给规划器。
109.共享的功能块是一种块，其实例与不同的mpi共享或与不同mpi通信。它们是：
•ꢀ
iot云：它保存通过接口w1从监督器收集的事件日志的数据库，并生成智能制造健康报告。
110.•ꢀ
具有数据库的规划器：生成控制、校准、移动和运动计划，通过接口p1将所述计划发送到调度器。它还生成监督计划，并通过接口e1将其发送给监督。然而，为了生成这些计划，规划器必须提前从调度器（通过接口p1）知道资源可用性，每当发现新的工业装置406（连接到控制器）时，借助于控制器通过接口d1发送所述资源可用性。
111.•ꢀ
ptp服务器：它通过接口t1保存控制器和工业装置406之间的时间同步。
112.•ꢀ
位置服务器：它保存映射和位置参考，并为诸如自动驾驶车辆和agv的移动工业装置406实现位置服务。
113.•ꢀ
mutex区域：它是保持所有mutex在流线任务之间协作的系统区域。
114.•ꢀ
调度器：它通过协调地创建mpi功能块（调度器、控制器和监督器）来创建新的mpi实例。它还切换移动工业装置406的规程。图12示出了调度器的功能块。
115.•ꢀ
mpi分配器：它负责mpi创建和破坏。
116.•ꢀ
资源分配器：它负责向每个mpi分配资源。
117.•ꢀ
切换引擎：它负责切换管理。
118.sdm框架可包含以下两种类型的通信接口：
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尽力而为（或非实时）接口：不需要等时实时传输（诸如协商工业装置406能力（经由tcp）和mpi的sdm管理）的接口。尽力而为接口可包含l1、d1、s1和p1接口中的任何一个或多个接口。
119.•ꢀ
等时实时：诸如运动控制、路径控制和clgc控制之类的等时实时传输的接口。等时实时接口可包含c1、f1、m1、t1、a1和e1接口中的任何一个或多个接口。
120.图15还示出了sdm框架的示例接口，它们可包括：
•ꢀ
控制接口（c1，f1）：f1是可选接口，因为高度专业化的工业装置406可实现细控制，而不是使用由控制器提供的控制。在这些接口中使用的协议是粗和细控制协议（cfcp）。
121.•ꢀ
发现接口（d1）：控制器使用这些接口来发现工业装置406的能力。d1接口还用于将工业装置406能力从控制器718转发到规划器710。
122.•ꢀ
运动/路径命令接口（m1）：控制器使用m1接口来将运动或路径命令发送到工业
装置406。
123.•ꢀ
规划接口（p1）：规划器通过接口p1将计划文件发送到其它功能块。计划文件可以是例如控制计划、运动计划或任务计划。
124.•ꢀ
w1：它是与iot云通信的接口，一般是运行基于tcp/ip接口的协议（诸如mqtt协议或rest）的接口。
125.•ꢀ
时间参考接口（t1）：通过t1接口，sdm功能块可使它们的时钟保持同步并执行irt通信。
126.•ꢀ
监督事件（e1）：规划器、控制器和ptp服务器使用这些接口来将事件发送给监督器。
127.•ꢀ
网络mutex接口（a1）：a1接口用于创建、销毁、锁定和解锁由控制任务使用的网络mutex。
128.•ꢀ
位置接口（l1）：这些接口用于传输位置信息，诸如移动工业装置406的空间坐标。
129.•ꢀ
调度器接口（s1）：调度器使用s1接口来为mpi创建功能块。
130.以下段落将更详细地描述制造过程实例。
131.sdm在mpi中执行制造过程（mp）。mpi将处理小区（pc）耦合到mp。唯一的mp可在多个mpi中运行。每个mpi与不同的pc相关联，并为mp规范中的订单生成指定输出的副本。
132.图16示出了汽车装配线以作为mpi的示例实现。mpi可具有进行协作以满足订单的若干个工业装置406。
133.每个mpi由包括控制器、监督器和工业装置在内的功能块组成，其指令来自规划器和调度器。
134.规划器负责接受制造订单，并生成用计划规定的制造过程。制造过程的规划可涉及以下类型的规划中的一个或多个：
•ꢀ
tmp计划：包括任务计划、运动计划和路径计划
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移动计划
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控制计划
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监督计划
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校准计划为了达到像在零件中钻孔、将零件从传送带移动到自动驾驶车辆的制造步骤的目标，诸如工业装置406臂之类的工业装置406需要能够结合低级运动规划执行高级任务规划。需要任务规划以确定长期策略，诸如是否停止传送带以抓取零件放入到自动驾驶车辆中。为了计算工业装置406应当执行的实际移动，需要运动规划。
135.工业装置406现场在传统上将任务规划和运动规划分开来对待。然而，这种分离可能会有问题。相反，提出任务-运动规划（tmp）以用于将任务规划和运动规划紧密耦合，从而产生可以由真实的工业装置406实际执行以将其从初始状态带到最终状态的步骤序列。
136.sdm的实施例可支持以下方法中的任一个或两个：
•ꢀ
分离的任务和运动计划。
137.•ꢀ
包含紧密耦合的任务和运动规划的tmp计划。
138.移动计划描述移动工业装置406如何在mpi内行进和/或在外部行进以跨到另一个
mpi。移动工业装置406所遵循的路径可包括在其运行期间将工业装置406添加和移除到不同处理小区（诸如mc或mpi）。因此，移动计划可包括以下任一个或两个：
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蜂窝计划：包括到蜂窝小区的工业装置406连接的安全性和配置参数以及蜂窝切换参数。
139.•ꢀ
路径描述：它描述工业装置406将遵循的路线。它可包括获取感兴趣的区域/制造中心的地图、工业装置406的最佳路径的计划以及在遇到新障碍时优化路径的参数。
140.控制计划包含流线的每个细控制和粗控制计划的配置。
141.监督计划包含以下至少其中之一的规范：
•ꢀ
事件处置：控制器可生成诸如警报之类的事件。这些警报由mpi监督器处置，这可包括事件过滤、将事件转发到iot云或请求控制器执行诸如关闭整个mpi的动作。
142.•ꢀ
质量保证（qa）：订单可描述规划器可在监督计划中包含的期望的qa参数。监督器可以监测这些参数，这可在通过mpi制造订单期间生成显示差异的事件。
143.校准计划涉及对制造工厂的工业装置406中的各种传感器执行初始校准，以便帮助为粗控制器和细控制器获得精确的传感器和仪表值。
144.调度器714可负责以下中的一个或多个：
•ꢀ
创建、启动和停止制造过程实例
•ꢀ
向制造过程实例分配资源
•ꢀ
使移动工业装置406在分配给相同的制造过程实例（mpi）的制造小区（mc）之间进行内切换（intra-handover）
•ꢀ
使移动工业装置406在分配给不同的制造过程实例（mpi）的制造小区（mc）之间进行间切换（inter-handover）控制器718控制计划的执行，计划可包括运动、校准和控制计划。
145.控制器的示例功能子块如图17所示，并且如下文所描述：
•ꢀ
控制引擎：对于时间参考的每个节拍（tick），它接收测量，计算新的增益值以补偿在测量中检测到的误差。新的增益值是根据如之前所描述为工业装置406（粗控制）或为工业装置406中的致动器（细控制）实现闭环增益控制类型的算法来计算的。
146.•ꢀ
内插器：一般用表格来定义校准数据。在这种情况下，测量值很少在校准表中具有对应的行。因此，将校准表和测量数据发送到内插器。内插器执行预定义的内插函数以计算控制引擎的补偿值。
147.•ꢀ
cfcp接口：它从网络获取cfcp消息，并使该内容对于控制引擎可用，并且反之亦然。
148.•ꢀ
本地时间单元（ltu）：ltu向启动新的控制交互的cfcp接口和控制引擎发信号通知同步时间节拍。
149.•ꢀ
ptp客户端：精密时间协议（ptp）客户端为ltu提供同步时间参考。
150.•ꢀ
校准数据库：它包含用于查找与即将由内插器使用的测量值对应的校准值的校准数据。校准值和测量值之间的比较产生误差，控制引擎使用所述误差来生成增益值以校正致动器。
151.•ꢀ
控制计划高速缓存：它包含由规划器发送到控制引擎的每个闭环增益控制的控制计划。
152.如上文所描述，监督器716将起源于框架内部的同步和异步事件作为来自制造过程的控制器的警报或由于监测到制造过程的确定的属性而引起的警报来处置或反应。
153.由规划器710发送给监督器716的每个监督计划都会触发新的动作，所述动作可包括启动代理以用于监测qa参数、添加事件过滤器、添加事件转发器、创建脚本以执行动作来处置事件。
154.上述描述讨论了根据本发明的实施例的用于实现sdm的高级体系结构、功能块和接口。以下描述提供了可如何使用它们来解决工业4.0挑战的上下文。sdm可支持当前解决方案不支持的制造小区和制造过程中的变化的以下用例。
155.工业装置406协作的用例：如本文中所定义的工业装置406之间的协作应对工业装置406协作的若干特征，特别是由于遵循运动计划的工业装置406和遵循路径计划的工业装置406的组合引起的特征。
156.流线：流线对工业装置406为了实现给定目标而执行的活动流进行建模，诸如：
•ꢀ
工业装置406臂执行运动计划的步骤以制造零件。这种流线称为运动控制流线。
157.•ꢀ
将移动工业装置406从路径计划中的起始位置移动到结束位置。这种流线称为路径控制流线。
158.任务：任务是周期性或非周期性执行的一组计算规程。任务的示例是linux线程和linux进程。在并发操作系统中，保证实时任务在到期时间之前启动。流线可包含以下实时任务中的任何一个或多个：
•ꢀ
细clgc任务：对细控制器执行clgc算法的循环的任务。clgc算法或循环的每次迭代都具有要完成的到期时间。因此，在实时操作系统中必须作为实时任务来实现细clgc任务。
159.•ꢀ
粗clgc任务：对负责粗控制的操作的粗控制器执行clgc算法实现的循环的任务。clgc算法或循环的每次迭代都具有要完成的到期时间。因此，在实时操作系统中必须作为实时任务来实现粗clgc任务。
160.•ꢀ
运动控制：执行运动计划的一个或多个步骤的任务。运动的每个移动都可具有要完成的到期时间。因此，在实时操作系统中可作为实时任务来实现运动控制任务。运动的每个移动都可具有要完成的到期时间。因此，在实时操作系统中可作为实时任务来实现运动控制任务。
161.•ꢀ
路径控制：执行路径计划的一个或多个步骤的任务。路径的每个移动都可具有要完成的到期时间。因此，在实时操作系统中可作为实时任务来实现路径控制任务。路径的每个移动都可具有要完成的到期时间。因此，在实时操作系统中可作为实时任务来实现路径控制任务。
162.•ꢀ
任务id：唯一的任务id可与创建任务时的任务相关联。mutex服务器或mutex客户端可使用这个任务id来标识mutex的当前所有者。
163.mutex：有时，工业装置406需要排他地访问共享资源，诸如工业装置406臂的制造零件或自动驾驶车辆的车间的入口走廊。这些类型的访问需要进行协调，以使得工业装置406不会彼此干扰或产生冲突。这种排他访问可以在tmp或移动计划中隐式地编程。然而，这些计划很难在复杂的制造过程中完成，一些是由算法在概率上保证被发现，并且一些是使用离线编程进行原型设计[4]。
[0164]
对于没有找到计划或针对冲突提供额外保护的情况，sdm提供互斥对象或mutex。当使用受到mutex保护的资源时，工业装置406需要在访问该资源之前拥有mutex。这保证了在任何给定时间只有一个控制器718或一个工业装置406可以访问资源，并且因此有助于防止冲突。想要在另一个工业装置406正在访问资源时访问该资源的工业装置406将在mutex队列中等待。一旦工业装置406完成它的访问，它便释放mutex，并且mutex队列中的下一个工业装置406就可以访问了。
[0165]
sdm中定义的控制任务通常是实时的。因此，必须使用具有低时延、低抖动和高可靠性的等时实时通信来实现网络mutex。这些要求是时间敏感网络（tsn）的典型要求。
[0166]
mutex具有关联到它们的mutex id和所有者：
•ꢀ
mutex id：mutex id用于在除了mutex创建之外的每个mutex操作中标识mutex。
[0167]
•ꢀ
所有者：mutex具有与mutex相关联的活动所有者，其是排他地访问受到任务所保护的资源的任务的id。
[0168]
每个制造过程实例（mpi）具有到mutex服务器720或可在其中创建、维护和销毁mutex的mutex区域的接口。流线任务可通过命名服务来访问该区域中的mutex。
[0169]
由于流线中的任务可在不同的网络装置中运行，所以可通过网络协议来创建、访问和销毁mutex。网络协议可具有以下同步消息：
•ꢀ
创建：它创建mutex并返回它的mutex id。mutex id可用来通过sdm的命名服务来搜索。
[0170]
•ꢀ
锁定：任务可使用它来请求排他mutex。在消息确认之后，任务便拥有了mutex。mutex排他访问只对mutex的所有者任务可用。
[0171]
•ꢀ
解锁：任务可使用它来释放排他mutex。在消息确认之后，任务便不再拥有mutex。mutex得到释放，以便任何其它任务可以获取排他访问。
[0172]
•ꢀ
销毁：任务可使用它来请求破坏mutex。在消息确认之后，mutex便不再可用。
[0173]
mutex协议优选地应当使用具有非常低的时延和可靠性的通信的实时等时协议。
[0174]
图18示出了使用两个mutex来保护对mpi中的制造零件的访问以及对自动驾驶车辆的访问的示例。在该示例中，流线1的tmp计划定义了两个运动控制任务。第一运动控制任务控制对零件进行一些制造任务的工业装置406臂1。第二运动控制任务控制抓取零件并将其放入到自动驾驶车辆内部的第二工业装置406臂。一旦零件位于自动驾驶车辆内部，自动驾驶车辆就会将其送到目的地，这通过在路径计划中定义的路径控制任务进行。图19示出了由所有三个任务进行以便协调从开始制造零件到将其运输到目的地的整个制造过程的锁定和解锁操作的示例序列。
[0175]
通过工业装置406控制进行自适应调整的用例控制类型。控制计划可定义细控制或粗控制（参见背景技术部分中的定义）。
[0176]
控制计划规范与生成。如果需要，可使用iec 61131-3编程语言中的任何语言来编写控制计划。生成控制计划的过程可通过自动化过程来完成，所述过程从小区处理数据库中获取订单和资源规范，并使用例如结构化文本来生成控制计划。控制计划可作为由规划器定义的制造过程的一部分制定。
[0177]
控制功能块。细控制和粗控制是闭环控制的实现。它们以使得它们与测量和增益的不同时间粒度一起工作以调整如上文所描述的一个或多个变量的方式集成。图20示出了
粗/细clgc的并行配置。在该配置中，细clgc彼此独立。一个循环的行为不会影响其它循环的行为。图21示出了粗/细clgc的示例串行配置。在串行配置中，clgc循环是级联的。因此，任何clgc循环的行为都会影响其它clgc循环的行为。
[0178]
在这两种配置中，功能块是：
•ꢀ
可变增益处理器（vgp）（）：可变增益处理器是对制造过程和控制过程输出的致动器进行建模的块。vgp块接受两个信号，即，第一vgp的输入信号或其它vgp的以及应用函数的校正信号（）。结果是输出信号。
[0179]
•ꢀ
细控制器（）：它是计算即将应用到的vgp 的校正（）的功能块。
[0180]
•ꢀ
求和器（）：求和器是将仪表的输出与预定义的期望值进行比较的装置。差值称作误差信号。
[0181]
•ꢀ
仪表（）：仪表是给定测量信号测量输出信号的装置。
[0182]
•ꢀ
粗控制器（）：它是用于粗控制的控制器。它从求和器接受误差。
[0183]
•ꢀ
传感器（）：传感器连接到控制器。
[0184]
功能块交换以下信号：
•ꢀ
输入信号（）：输入信号，其被应用到工业装置406中的vgp，这导致属性改变。
[0185]
•ꢀ
输出信号（）：它是从vgp的动作产生的值。
[0186]
•ꢀ
测量的输出信号（）：它是对输出信号测量的值。
[0187]
•ꢀ
目标值（）和（）：它是的期望值或设定点。粗控制器具有对应的目标值。
[0188]
•ꢀ
误差信号（）：它是差值。
[0189]
•ꢀ
细控制的校正信号（）：它是从控制器产生的的输入。
[0190]
•ꢀ
传感器信号（）：它是从环境传感器测量的信号。
[0191]
•ꢀ
粗控制的校正信号（）：它是从粗控制器产生的的输入。
[0192]
对于如图21所示的闭环增益控制，以下关系是有效的：, 对于 和和其中是连接到的传感器的数量，并且。
[0193]
, 对于
ꢀꢀ
其中是连接到的传感器的数量。
[0194]
细控制在细控制器（）中进行。每个控制器独立于其它控制器，并生成由
给定的控制信号，其中是连接到的传感器的数量。
[0195]
通常是工业装置特定的功能，但是工业装置控制器可基于任何控制功能供应细控制器，诸如之前定义的控制器类型之一。例如，通过进行以下映射来定义比例加积分（pi）控制器：其中：是对由传感器感测的环境参数进行补偿的函数。
[0196]
例如，vgp可控制自动驾驶汽车的后轮速度以使其保持恒定。对应的仪表可感测到速度已经偏离并且汽车将不得不加速。对应的可在加速度增加方面给出初始修正。然而，安装在车轮上的牵引力传感器可以感测到地面的光滑。对应的函数可负反馈，以避免由给予的全速增加。的其它示例可对温度，频率和湿度的控制进行建模。
[0197]
在工业装置406中实现的细控制器。当在由工业装置控制器通过cfcp协议控制的工业装置406中实现细控制器时，工业装置控制器向细控制器发送闭环增益控制能力请求消息，细控制器以能力的确认做出应答，即，通过受到工业装置控制器控制的工业装置406中的细控制器分配能力。
[0198]
在工业装置控制器中实现的细控制器。可在工业装置控制器中实现细控制器，以便控制在工业装置406处实现的vgp，该vgp具有来自靠近工业装置406和环境传感器的仪表的反馈信号。工业装置控制器处的细控制器可分别通过vpg、仪表和传感器的cfcp能力协商消息来发现vgp、仪表和传感器特性的能力。
[0199]
粗控制。在粗控制器（）中进行粗控制。一般的控制功能组合来自m个传感器的所有误差和数据以生成控制向量。该向量中的每个元素都是与一起应用于细控制器的控制值。因此，是由封闭控制增益循环控制器的组成，每个控制器生成信号。此类单独的控制器可来自上文定义的控制器类型之一。例如，全局控制可由使用以下映射的一系列n个积分控制器组成：其中：：这是粗误差阈值与误差之间的差值。是对由全局控制器块
中的传感器感测的环境参数进行补偿的函数。
[0200]
粗和细控制协议（cfcp）。粗和细控制协议（cfcp）可以是对等的客户端/服务器协议。它可作为应用层传输协议，所述应用层传输协议专门设计用于将分组数据从由clgc控制器控制的装置传输到clgc控制器/将分组数据从clgc控制器传输到由clgc控制器控制的装置：
•ꢀ
vgp：可变增益处理器：从clgc控制器接收命令并修改制造过程的一些属性以调整它的输出的装置。
[0201]
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仪表：专门的传感器，它负责采集制造过程输出的样本以反馈给clgc控制器。
[0202]
•ꢀ
传感器：对制造过程（不是输出）或围绕它的环境的一些属性进行采样并反馈给clgc控制器的专门的传感器。
[0203]
cfcp的要求可包括以下任何一个或多个：
•ꢀ
用于实时传输的小分组：用于同步实时和等时实时传输的cfcp分组应当非常小，以适应少数4g/5g资源块，而无需在若干个4g/5g时隙上生成（参见资源块分配机制）。
[0204]
•ꢀ
复制分组的选项：由于irt传输的可靠性要求非常高，所以复制分组是可用于提高网络的可靠性的技术。这可通过cfcp层自动进行，或者通过clgc控制器来激活。
[0205]
•ꢀ
支持在装置和控制器之间的能力协商。
[0206]
•ꢀ
对于支持网络不可知。
[0207]
对于实时传输，cfcp分组优选地应当使用平均两个4g资源块。
[0208]
用于非实时传输的cfcp分组：这些分组用于能力协商和关联协商。cfcp分组的大小没有限制。
[0209]
用于同步实时传输的cfcp分组：这些分组用于同步实时传输。这些分组优选地应当适应平均两个lte资源块。
[0210]
用于等时实时传输的cfcp分组：这些分组用于等时实时传输。这些分组优选地应当适应平均两个lte资源块。
[0211]
细控制和粗控制示例示例1：图22示出了用于运输从制造过程中制造的零件的自动驾驶车辆406的生产线。自动驾驶车辆406一辆接一辆。尽管使自动驾驶车辆之间的距离差保持尽可能小，但是它们间隔了可变距离（d）。
[0212]
每辆自动驾驶车辆406具有两个电发动机。图23示出了作为流线建模的自动驾驶车辆406的这些发动机的控制。两个发动机由命令每个发动机旋转的细clgc控制器（c1和c2）控制。这两个控制器的反馈信号来自转速计或编码器（m1和m2）。自动驾驶车辆之间的距离由粗clgc控制器（g）控制。g的反馈信号来自每辆自动驾驶车辆中的接近度传感器（s）之一。
[0213]
假设i指示发动机（对于第一发动机i=1，并且对于第二发动机i=2），图23中的标签具有以下定义：
•ꢀ
：发动机i的致动器（pwm控制器）。
[0214]
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：发动机i的转速计。
[0215]
•ꢀ
：发动机i的细clgc控制器。
[0216]
•ꢀ
：这辆自动驾驶车辆和下一辆自动驾驶车辆之间的接近度传感器。
[0217]
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：发动机i的电流。
[0218]
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：发动机i的目标速度。
[0219]
•ꢀ
：发动机i的测量速度（从mi导出）和目标速度（ti）之间的误差差值。
[0220]
•ꢀ
：发动机i的旋转。
[0221]
•ꢀ
：发动机i的旋转值。
[0222]
•ꢀ
：发动机i的pwm脉冲的增加。
[0223]
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：由于接近度传感器引起的补偿。
[0224]
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：速度警报。
[0225]
•ꢀ
：来自传感器s的接近度值。
[0226]
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：粗clgc控制器。
[0227]
•ꢀ
：监督器在不能校正误差的情况下，监督器（h）从粗控制器接收事件（速度警报）。
[0228]
流线1：clgc计划：控制器c1是由下式定义的pid控制器：两个前轮可借助于它们的轮子伺服来转动。它们由遵循路径计划的路径控制器控制。图24示出了作为流线建模的该路径控制。两个细控制器（c1和c2）控制车轮的角度，并且粗控制（g）控制自动驾驶车辆的角度。这些控制器从仪表（m1和m2）接收反馈信号，其利用固定的参考（诸如车道的中间边界（道路的黄线）或道路的路边线）测量该角度。
[0229]
假设i指示轮子（对于第一轮子i=1，并且对于第二轮子i=2），图24中的标签具有以下定义：
•ꢀ
：轮子伺服i的致动器（pwm控制器）。
[0230]
•ꢀ
：轮子i的角度读取器。
[0231]
•ꢀ
：轮子i的细clgc控制器。
[0232]
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：这辆自动驾驶车辆和参考线之间的角度的传感器。
[0233]
•ꢀ
：轮子伺服i的电流。
[0234]
•ꢀ
：轮子i的目标角度。
[0235]
•ꢀ
：轮子i的角度。
[0236]
•ꢀ
：轮子i的角度。
[0237]
•ꢀ
：轮子伺服i的pwm脉冲的增加。
[0238]
•ꢀ
：由于自动驾驶车辆的角度传感器（s）引起的补偿。
[0239]
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：角度警报。
[0240]
•ꢀ
：自动驾驶车辆的角度。
[0241]
•ꢀ
：粗clgc控制器。
[0242]
•ꢀ
：监督器。
[0243]
监督计划：示例2该示例示出了按顺序级联流线的情况。流线的输出是下一个流线的输入，除非它是序列中的最后一个流线。最后一个流线的输出就是流线序列的输出。
[0244]
图25示出了装配线的示例。装配线包含四个工业装置406臂。工业装置406臂沿线放置，以便在经过工业装置406的零件中执行一些制造任务。每个工业装置406具有确定的任务到期时间。在到期时间之后，下一个工业装置406可在生产的制造零件上开始它的任务。为了维持工业装置406之间的最有效的时间对准，图26所示的流线为每个工业装置406臂中的伺服的控制建模。流线包含：四个级联的细控制回路，每个细控制回路控制伺服的速度；以及一个粗控制回路，它在一定的速度阈值之后对这些速度进行粗控制。
[0245]
假设i指示伺服（对于第一轮子i=1，并且对于第二轮子i=2），图26中的标签具有以下定义：
•ꢀ
：伺服i的致动器（pwm控制器）。
[0246]
•ꢀ
：伺服i的转速计。
[0247]
•ꢀ
：伺服i的细clgc控制器。
[0248]
•ꢀ
：伺服i的电流。
[0249]
•ꢀ
：伺服i的旋转目标。
[0250]
•ꢀ
：伺服i的输出旋转。
[0251]
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：伺服i的测量旋转。
[0252]
•ꢀ
：对伺服i的pwm脉冲的调整。
[0253]
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：由于粗控制对伺服i的补偿。
[0254]
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：工业装置406控制的时间校准的警报。
[0255]
•ꢀ
：粗clgc控制器。
[0256]
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：监督器。
[0257]
具有工业装置监督的自我修复和质量保证的用例监督是具有最大响应时间的控制。监督控制允许比clgc更长的时间间隔，以便采取动作来校正在细和粗clgc期间检测到并且无法通过改变来自vgp的增益来校正的问题。
[0258]
自我修复：监督的特征在于自我修复属性，其是对遵循异常制造条件的mpi中的某个缺陷或问题进行校正的监督属性。监督功能块监测细和粗clgc的控制功能。另外，监督还可监测mpi中的环境传感器的属性，并且如果不满足预定的条件，则它可能会向iot云708提起警报或执行自我修复操作。
[0259]
控制稳定性：它告知输出多么频繁地偏离目标值。
[0260]
控制收敛：它是pv收敛到ps（或非常接近ps）的平均时间。
[0261]
在这些属性中的一些属性偏离可接受的间隔的情况下，监督器触发自我修复动作，其将在控制功能块外部应用一些预定义的校正，诸如：重新校准：停止流线并应用工业装置406特定的重新校准序列或对自动驾驶车辆的工厂车间进行重新测图。
[0262]
切换：可以用处于良好工作状态中的另一个工业装置406来取代流线中有缺陷的工业装置406。在流线中执行从有缺陷的工业装置406到新的工业装置406的任务切换。
[0263]
重选路线：为自动驾驶车辆确定（强制）一条新路线。
[0264]
维护服务：工业装置406可周期地或按需进行维护服务，诸如更换臂工业装置406中的工具或用新电池更换传感器或工业装置406电池。
[0265]
质量保证的监测：制造过程可指定触发这些参数的监督监测器的实例化的质量保证控制参数。取决于监督计划，如果不满足这些参数，则这些监测器可触发事件。
[0266]
通过及时校准进行质量保证。在执行制造过程之前，mpi验证处理小区的状态，以确定是否需要任何校准。如果pc需要校准，则mpi移动到未校准状态，并且可在维护窗口期间启动处理小区的校准规程。发现正在制造任何有缺陷的产品要付出高昂的代价，而暂停任何正在进行的制造过程也要付出非常高昂的代价，因为任何计划外的中断都会对经济产生影响。换句话说，可在停工期间制造的产品价值无法实现。
[0267]
校准计划校准计划可包含以下任何一个或多个：
•ꢀ
每个工业装置406的推荐的校准周期性。
[0268]
•ꢀ
通过细和粗控制任务触发校准的过程变量和环境变量的阈值。
[0269]
•ꢀ
预期的校准时间。
[0270]
•ꢀ
可选地，用于在得到工业装置406支持时执行自动校准的校准脚本。否则，可进行手动校准。
[0271]
•ꢀ
校准的校准参考，诸如：
•ꢀ
用于对诸如时间对准、位置对准之类的某个过程和环境变量进行校准的参考部分。
[0272]
•ꢀ
用于校准位置传感器的位置参考的标签。
[0273]
•ꢀ
通过对自动工业装置406进行测图来对工业设施进行重新测图。
[0274]
生产放缩的用例生产放缩：它是在制造过程中通过软件接口增加或减少订单生产。图27示出了增加生产能力的订单的示例。sdm上的这个动作可由sdm规划器触发，或者由人操作人员通过sdm软件界面触发。
[0275]
对工业装置406更换的故障恢复的用例工业装置406更换：它是如图28所示更换有缺陷的工业装置406的维护动作。该动作可通过sdm监督来自动触发，或者由人操作人员通过sdm的软件界面来触发。
[0276]
工业装置406重新定位的订单调适的用例生产重新定位：它是将制造过程物理重新定位到工厂中的新区域。图29中示出了
该用例。该动作可通过sdm监督自动触发，由sdm规划器触发，或者由人操作人员通过sdm的软件界面触发。
[0277]
图30示出了软件定义制造的示例基于云的部署。iot云呈现使用云技术实现的信息网络。iot云实现若干服务，诸如制造订单分派、sdm健康报告、sdm管理。规划器负责生成制造过程定义，每个流线包括流线的制造过程及其相关的计划（控制计划、监督计划、运动计划、运输计划）。规划器还保留具有物理资源定义的集中式数据库。调度器可位于云中，并且它将指令分派给控制器和监督器。
[0278]
如果部署中不需要实时响应和闭环控制，则控制器和监督器也可驻留在云中。对于本讨论而言，我们假设，它们是边缘计算，并且驻留在驻地上。调度器负责实例化小区以便使用流线定义和集中式资源数据库来生成订单。调度器在处理小区中分配工业装置406和任何其它物理资源。它还操作处理（开始、暂停、停止）。
[0279]
尽管各图中的过程可显示了由本公开的某些实施例执行的操作的特定顺序，但是应了解，此类顺序是代表性的，并且备选实施例可以按不同的顺序执行操作、合并某些操作、重叠某些操作等。
[0280]
本领域技术人员将认识到对本公开的实施例的改进和修改。所有此类改进和修改都视为在本文中公开的概念的范围内。