1、智能制造、智慧工厂、工业4.0都必须标准化体系先行报告人：彭瑜 上海工业自动化仪表研究院PLCopen中国组织2015年11月7日 科技自动化与智慧工厂从德国工业4.0标准化路线图得到的启示p德国工业标准化机构VDE、DKE等，在2014年4月发布了德国工业4.0标准化的路线图1.0版，规划了工业4.0所需要的工业自动化技术和IT技术的标准化工作。目前还在神话和细化。p该路线图认为，工业4.0所涉及的标准化目标有12个领域，主要有：系统结构、应用案例（use case）、基础、非功能性特性、技术系统和过程的参考模型、仪表和控制功能的参考模型、在工业4.0中人的功能和作用的参考模型、开发、工程化2、标准库、技术和解决方案。关于系统架构p鉴于系统架构是标准化的基础的基础，必须首先开发整个架构的参考模型。p迄今为止的的有关工业系统结构的标准，如企业信息集成的标准IEC 62264（ISA S95）和批量控制标准 IEC 61512（ISA S88）基本上只是系统功能分层的架构，可以说仅仅是由技术驱动的。p按照工业4.0和智能制造所着重要求的面向服务、自主自治、灵活的适应以及协同，其系统架构尚需要在概念上加以扩展。工业4.0的参考架构模型RAMI4.0和工业4.0的基本单元构建工业4.0参考架构模型的原则p作为参考的架构模型应简单而且便于管理p借助此架构模型，可对现有标准进行识别p借助此架构3、模型，可对标准的缺口和不足进行识别和弥补p借助此架构模型，可对标准的重叠进行识别，并选择适宜的解决方案p使所涵盖的标准数目尽可能少p为使中小型企业也能迅速实现工业4.0，参考模型应允许对标准的部分实现，即模型应便于识别标准的分/子标准p便于识别各部分和各层级的相互关系p便于定义高层级的规则RAMI 4.0的基本特性参照SGAMp工业4.0的参考架构模型RAMI 4.0的基本特性参照欧洲智能电网协调组织2014年定义的智能电网架构模型SGAM。这一架构在全世界获得广泛认可。可互操作性维度区域范畴工业4.0的参考架构模型RAMI 4.0p为利于参考架构模型表达工业4.0的空间，采用三维模型。p纵轴4、分成多个层级，便于以不同的视角（如数据映射、功能描述、通信行为、硬件/资产、或业务流程）表达。这里借用IT行业将复杂项目划分为若干个可以管理的部分的思维。p左面的横轴表达产品生命周期及其所包含的价值链。这样便可在参考架构模型中表示整个生命周期内的相关性（例如持续的数据采集之间相关性）。p右面的横轴表达工厂的功能性和响应性，即工厂功能的分层结构。工业4.0的参考架构模型(RAMI 4.0)Source:Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 der Plattform Industrie 4.0 RAMI4.0工业4.0的基本单元（component）模型RAMI 45、.0的纵轴p为便于将物理系统按其功能特性分层进行虚拟映射，按照IT和通信技术常用的方法，将纵轴自上而下划分为6个层级：n经营业务n功能性n信息n通信n集成n资产RAMI 4.0的纵轴 资产层和集成层p资产层处于最底层，连同其上层集成层一起被用来对各种资产进行数字化的虚拟表达。p用资产层来来表达物理部件/硬件/软件/文件等实体，物理部件如直线运动的轴、金属部件、电路图、技术文件、历史记录等等。人也作为资产层的一部份，通过集成层与虚拟世界相链接。资产与集成层的链接是无源（passive）连接。p集成层是以计算机能够处理的方式提供资产的信息，对技术过程进行计算机辅助的控制。p在集成层生成来自资产的事6、件。p集成层包含与IT系统相链接的元件，如RFID读入设备、HMI、传感器等。p与人的互动也发生在集成层，例如通过HMI。RAMI 4.0的纵轴 通信层和信息层p通信层用来处理通信协议，以及数据和文件的传输。在指向信息层的方向上采用统一的数据格式，使通信实现标准化；并为集成层的控制提供服务。p信息层容纳相关的数据，为事件的处理形成处理的环境，执行与事件相关的规则，并对这些规则进行正式的描述。p在信息层中必须将表达模型的数据持续保持，确保数据的完整性，进行不同数据的一致性的集成，并得到高一层的数据，即由数据得到信息，由信息上升为知识。p信息层还要通过服务接口提供结构 化的数据；还要接收事件，并把7、它 们转换为将在功能层使用的相匹配 的数据。RAMI 4.0的纵轴 功能层和业务层p功能层处理各种必须的功能，由它进行功能的正式描述，并且是各种横向集成的平台，承担为支持业务过程的运行期和建模环境的服务，以及承担各种应用和技术功能性的运行期环境。p在功能层内生成规则和决策逻辑。而规则和决策逻辑的执行则在较低的层级（信息层或集成层）执行，这取决于应用案例。p远程存取和横向集成仅仅在功能层进行，这是为了保证在处理过程中信息和条件的完整性。p业务层要保证价值链中功能的完整性，并映射业务模型及其产生的全部流程。由于业务层没有具体的系统，即使像ERP这样的系统其位置应该在功能层。p业务层要对系统必须遵守8、的规则建模。还要对功能层的各种服务语义协调；将不同的业务过程链接；以及接收让 业务过程进行的事件。RAMI 4.0的生命周期和价值链横轴p工业4.0为整个产品、机械装备和工厂的生命周期的改善提供了巨大的潜力。为了使这些关系可视化和标准化，参考模型的第二个轴需要表达生命周期及其相关的价值链。p基本参照IEC 62890（即ISA 105）生命周期管理国际标准。不过将它划分为两个阶段：设计开发和样机研发阶段（type）和实际实现阶段（instance）。RAMI 4.0的生命周期和价值链横轴p在type阶段，从初始的设想到初样的开发，再到样机的试制、测试和验证以至试用，最后该型号产品得以定型，可以9、转至批量工业生产。p在instance阶段，产品以工业生产的方式和规模进行制造。每一个制造出来的产品表示这种型号产品的一种实现，具有其唯一的生产串号。向用户提供的是该型号产品的实现。从销售阶段起，对产品改善的要求将返回制造厂，可对该产品的技术文件予以修正。由此导致产生新型号的产品，用于制造厂造出新的实现。RAMI 4.0的生命周期和价值链横轴p在工业4.0中，价值链的数字化和链接蕴藏巨大的改善潜力。在此连接中，各种功能的链接跨度具有决定性的重要意义。p物流数据可用于装配过程，企业内或工厂内的物流则依据未交货订单对物流进行调度。采购部门可实时查看库存，同时可在任意时间点了解哪些零部件的供货商及时10、共获得情况。而客户可以知道订购定的产品在生产过程中完成的的进度。p把采购、订货计划、装配、物流、维护、供货商和客户等各个方面都链接在一起，会产生巨大的改善潜力。由此生命周期必须与其所包括的增值过程紧密结合在一起，而不再以相互隔离的方式只看到一个工厂生产的情况，而是把所有相关的工厂和合作伙伴，从制造工程到零部件供应商一直到客户全部紧密链连在一起。RAMI 4.0的第三轴功能分层p参考架构模型的第三个轴描述在工业4.0的各种环境下功能分类的多层级。p按照IEC 62264（即ISA S95）和IEC 61512（即ISA S88）企业信息集成国际标准的功能层级划分。p不过，根据工业4.0的概念，在11、最底层增加了“产品”层，在最顶层增加了“跨企业连接”层。企 业跨企业连接工 厂车间/工段现场设备产 品工业4.0的基本单元（component）模型p工业4.0基本单元是一个描述信息物理系统CPS详细特性的模型。pCPS是一种在生产环境中的真实物理对象，通过与其虚拟对象和过程联网通信的系统。p在生产环境中，从生产系统和机械装备到装备中的各类模块，只要满足了这些特性，不管是硬件基本单元还是软件基本单元，都具备和符合了工业4.0要求的能力。非工业4.0基本单元工业4.0基本单元举例符合I4.0的联网通信工业4.0基本单元中的管理壳（Administration Shell）p工业4.0的基本单元可12、以是硬件单元，也可以是软件单元。p成为工业4.0基本单元的一个先决条件是：它必须在整个生命周期内采集所有相关数据，存放在有该基本单元所承载的具有信息安全的电子容器内，并由它把这些数据提供给企业参与价值链的过程。p在工业4.0的基本单元的模型中，这个电子容器就称之为“管理壳”。p还有一个先决条件是：基本单元的真实对象必须具有通信能力，以及相应的数据和功能。这样，在生产环境中的硬件单元和软件单元之间都能进行符合工业4.0要求的通信。管 理 壳管 理 壳管理壳的作用分析（1/2）p在生产环境中的硬件单元（如一台机械装备）或软件单元，其所有的相关数据都包括该单元的虚拟映射。这种虚拟映射存放在管理壳内。13、这使得网络化制造完全有了实施的可能性。pI4.0基本单元的管理壳存放了大量数据和信息，包括由制造商提供的CAD数据、电路接线图、手册等等。系统集成商、工厂和装备的操作人员又增加了与其它硬/软件连接的信息和维护信息。I4.0的平台规定了数据信息安全的措施，确保数据的可用性、可信性和完整性。p管理壳还提供一定的功能，包括项目的规划、组态、运行、维护和复杂的业务逻辑功能等等。p服务 数据和功能不但在基本单元内可用，而且也可在企业的网络、甚至云端使用。这样做优点是信息只要存贮一次，同时又可以通过IT服务向任意用户或任意应用实例透明提供。管理壳的作用分析（2/2）p采用符合I4.0的通信协议和管理壳的概14、念实现生产环境中各个基本单元的横向集成和纵向集成。p总的说来，所有的信息都能在工程技术、工业工程以及操作运行和维护无缝的运用。p为了使工业4.0获得成功，关键的问题是管理壳中不但要存贮机械装备的信息，还要存贮其特定的零部件的信息。举例来说，某些机械的质量往往取决于伺服轴的性能，因而伺服轴的特性必须为集中地维护系统所记录。同样在自动化系统中，有些部件（如端子排）本身是没有数据接口的，但是它存放在管理壳中的信息应该是段子连接到哪里，为什么这样连接，什么时候连接的等等。这样每个零部件就成为网络化生产中的智能零部件。业务层功能层信息层通信层集成层资产层RAMI 4.0 资产层开发 维护/使用维护/使用15、 生产样机开发实例化实现物理现实工件传感器/执行期PLC 功能块软件电缆控制器动力机械装置机械装置工具、夹具生产辅助装置工厂业务层功能层信息层通信层集成层资产层RAMI 4.0 集成层数字式数据的提供来源串行通信现场总线PROFINET,SERCOS,EIP,.USB条形码/QR码NFC,蓝牙,.各种资产的HMI 人员、资产和产品/生产过程的交互I开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现业务层功能层信息层通信层集成层资产层供信息层用的通信标准化对集成层进行控制基于IP的通信供资产层各类资产之间的符合工业4.0要求的通信RAMI 4.0 通信层开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实16、例化实现业务层功能层信息层通信层集成层资产层RAMI 4.0 信息层Development MaintenanceUsage MaintenanceUsage ProductionTypeInstance工业4.0兼容性的数据表达数据压缩传感器数据函数一般过程数据开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现业务层功能层信息层通信层集成层资产层RAMI 4.0 功能层Development MaintenanceUsage MaintenanceUsage ProductionTypeInstance工业4.0对资产的兼容性存取对功能性实体实施统一的基本服务，例如各类机床，能源利用效率最大17、化开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现业务层功能层信息层通信层集成层资产层RAMI 4.0 业务层Development MaintenanceUsage MaintenanceUsage ProductionTypeInstance业务过程映射协调功能层的各类服务开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现工业4.0已经讨论过的标准IEC/ISOISO/IEC 2700 x信息安全IEC 61360 Rules for PropertiesIEC 61387 Sensors PropertiesIEC 62683 Switch Gears PropertiesIEC 6218、832 Digital FactoryIEC 62443 Security in Automation 供IIoT用的时间敏感通信技术机械工程STEP+APxxx服务IEC 62541 OPC-UA及其伙伴工程数据Automation MLIEC 62714及其它PropertiesIEC 61987 SensorsIEC 62683 Switch Gears30 Segments with prISO/IECJTC1IEEEProSTEPe.V.eCIsse.VAutomationMLe.V.OPC 基金会PLC 技术IEC 61131通信规约PLCopen业务层功能层信息层通信层集成层资产19、层RAMI 4.0 中的PLCopen 技术-OPC UA 信息模型和通信功能块 维护使用 生产实例化实现客户端功能块和调用方法IEC 611313软件模型 客户端/服务端架构 用数字式数据集成客户端/服务端运行时配方,OEE&产品跟踪跨企业连接企业工作单元（工厂）车间/生产线控制设备现场设备产品RAMI 4.0 中的PLCopen Technologies -PLCopen 编程导则开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现RAMI 4.0中的PLCopen Technologies -PLCopen XML 由数字式数据转换为控制程序工作单元（工厂）车间/生产线控制设备现场设备产品20、Development MaintenanceUsage MaintenanceUsageTypeInstance开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现跨企业连接企业工作单元（工厂）车间/生产线控制设备现场设备产品RAMI 4.0 中的PLCopen Technologies -PLCopen 编程导则开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现跨企业连接企业工作单元（工厂）车间/生产线控制设备现场设备产品RAMI 4.0中的PLCopen 技术 资产层，信息层，功能层Development MaintenanceUsage MaintenanceUsage Producti21、onTypeInstance开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现关于应用案例（use case）p为了说明特定领域或特定行业开发和标准化的需要，可在现有系统范围的基础上通过“应用案例”来辨认其中具有在工业4.0发展阶段或智能制造对该行业或领域的特征要求。对所辨认的应用案例的实质性和代表性取得一致意见，具有决定性的重要意义。基于这个理由，在达到协商一致的标准化过程中应该开发、发掘和公布“应用案例”。puse case这个专用名词最早出现于软件工程学科，在通用建模语言UML中将其译为“用例”或“用况”。在软件工程中，用例是一种在开发新系统或者软件改造时捕获潜在需求的技术。每个用例提供22、了一个或多个场景，该场景揭示了系统是如何同最终用户或其它系统交互的，从而获得一个明确的业务目标。在制定智能制造标准化体系时，借鉴这一概念是十分有益的。关于应用案例（use case）p工业自动化一个重要的特征就是，通过努力使自动化的部件达到商业意义上的质量，以致尽可能多的覆盖和满足各类工业的要求。p要达到这一点，一方面要求平衡不同工业门类对自动化部件要求的差异性，另一方面又必须通过调整或改变参数等措施满足客户的差异性要求。在硬件上，客户既希望这些自动化部件尽量具备军工产品质量的鲁棒性，又希望价格尽量便宜到消费品的水平。p显然，在开发阶段要使这二者统一起来，通常是困难的。关于应用案例（use c23、ase）p在智能制造、智慧工厂、工业4.0中，集成是一大关键。在其发展探索的过程中，先在实践中采用合理综合集成应用现有标准等方法，事实证明是可行可信的途径。p在制定标准时，重视应用案例的目的就是要从应用案例的个案中发掘出共性的核心标准内容，同时又不失于可满足个性需求的适应性方法。p借鉴自动化工业在长期实践中运用的开发硬件的思路和路径，在选择应用案例的时候，应该尽可能考虑选择具有典型的通用意义，同时又能作为实现特定技术和和特定产品的基础的案例。关于基础p智能制造标准化体系语境下的基础包括三个方面：名词术语核心模型建模和描述方法。p术语可以在IEC 60050系列标准基础上扩展和补充。p核心模型描24、述重要的基本概念，这些基本概念具有被普遍认同和接受，而且被看做是稳定、不可改变，以及从技术的角度来看，是长期处于各方面都可以认同的中性状态。在过去一个相当长的时间内由于制定标准的方向不同而被忽略或不重视。关于基础p一个更为重要的基础是通用的建模和描述方法。p尽管有许多来自应用范畴和信息科学的建模方法和语言规则，但他们在不少情形下满足不了要求。p特别是针对已经涌现出来的无处不在的接口问题、产品特性的形式化描述的解决方案和掌控版本变化的解决方案。关于非功能特性p一般来说，功能特性的要求是在系统设计的计划中详细描述的，而非功能特性的实现是在系统架构中加以描述。p在系统工程、需求工程和软件工程中，非功能性是指功能需求之外的特性，包括可互操作性可靠性可重用性可变性可测试性效率等。关于非功能特性p以可互操作性为例，处于同一层级的设备或软件之间的可互操作属于信号互操作；而处于上下层级的互操作，在工业4.0或智能制造的框架中则是语义互操作，即信息以无歧义的显性方式进行互操作。p非功能特性已经成为标准化的一个重要方面，这涉及非功能特性的定义、确定其边界、为一致的分类而约定定量的限制，以及为保证这些限制能得到实际维持而规定的方法等内容。p这不仅是必要的，而且也是将非功能特性应用于智能制造和工业4.0时需要系统的、成体系的予以全盘考虑的目标。