[发明专利]将人工智能(AI)集成到自动化中的可编程逻辑控制器(PLC)程序中功能块的AI伴侣

说明书

一种系统和方法为可编程逻辑控制器(PLC)程序中的每个功能块提供人工智能(AI)伴侣以将AI集成到自动化系统中。多个功能块和系统功能块被分组为逻辑组。控制问题从顶层被分解为逻辑分区，作为被编程为PLC程序中的功能块的多个功能。每个功能块和整个PLC程序与关联的AI伴侣集成。AI伴侣的运行时系统提供新的运行时能力。提供了一种实现AI伴侣的方法。还提供了一种控制自动化过程的方法。

技术领域

本发明的各方面主要涉及在不改变现有程序的情况下为可编程逻辑控制器(PLC)程序中的每个功能块启用人工智能(AI)伴侣的系统和方法。人工智能和传统自动化在编程层级被结合在一起。

背景技术

自动化系统用于以系统方式控制机器和其它部件的操作。典型的自动化系统通常包括来自多个供应商的设备。每件设备可以使用供应商专用编程语言、运行时环境和协议。传统的自动化编程范例没有被设计成利用人工智能(AI)。功能块中的算法是编码的，而不是学习的。在可编程逻辑控制器(PLC)中提供的大量数据也可以用于AI，这可以最终改善PLC性能。

当今的自动化程序在符合IEC61131-3的工程环境(例如SIMATIC TIA门户)中编码，并在工业可编程逻辑控制器(例如SIMATIC S7-1500 CPU)中执行。为电气工程师创建了IEC61131-3语言，例如梯形图、语句列表(STL)和结构化控制语言(SCL)。功能被封装在FB(功能块)或SFB(系统功能块)中。每个块具有输入端口和输出端口。功能块可以连线在一起以组成更大的程序。梯形图编程是为在软件编程方面受过很少或没有训练的电工设计的，以遵循每个梯级的逻辑流程，就像可以使用电气控制原理图一样。PLC于20世纪60年代创建，IEC61131于20世纪80年代创建。

如果没有不断增加的计算能力和无处不在的数据，AI(和机器学习)在21世纪的兴起是不可能的。AI非常擅长发现数据中的模式，通常比人类更快更好。通常，需要大量数据集作为输入来对AI算法进行广泛训练。一旦经过训练，就可以创建经过训练的模型并将其部署到系统上。在执行期间，可以将新数据集馈送到模型中，推断将在运行时发生，并且结果是期望的输出。

最近，工业参与者正在将AI技术的进步应用到传统的工业控制器中。一个例子在于西门子刚刚发布了一款用于S7-1500 PLC和ET200-MP I/O系统的SIMATIC S7-1500 TMNPU(神经处理单元)模块。NPU I/O模块包含英特尔Movidius Myriad X视觉处理单元，可实现神经网络的高效处理。作为传统PLC的集成模块，骨干通信总线可用于在NPU和PLC之间交换数据(例如神经网络处理的结果)。

然而，这种当前的进步只是在自动化中接触AI动力的表面。PLC的硬件(GPU、硬件加速器等)插件为训练和执行复杂的AI模型提供了必要的处理能力。由NPU支持的其它支持AI的功能(例如添加摄像头和视觉处理)也是PLC程序中执行的自动化功能的分离插件。AI仍然没有直接帮助在PLC程序中执行的传统自动化功能。

换句话说，AI和PLC程序仅松散地耦连，而没有紧密地集成。PLC程序在自动化方面不具有AI的真正优点。

因此，需要在自动化中更好地集成AI。

发明内容

简而言之，本发明的各方面涉及被设计成利用人工智能(AI)的自动化编程范例。功能块中的算法被编码和学习。可编程逻辑控制器(PLC)中的大量数据用于AI，这提高了PLC性能。功能被封装在FB(功能块)或SFB(系统功能块)中。每个块具有输入端口和输出端口。功能块可以连在一起以组成更大的程序。数据集作为输入用于训练AI算法。一旦经过训练，就创建经过训练的模型并将其部署到系统上。在执行期间，可以将新数据集馈送到模型中，在运行时推断，并且结果是期望的输出。AI直接协助PLC程序中执行的自动化功能。换句话说，AI和PLC程序是紧紧耦连和紧密集成的。PLC程序在自动化中利用AI的真正优点。