智能制造、智慧工廠、工業(yè)4.0標準化體系

1、2022/9/7標準化體系智能制造、智慧工廠、工業(yè)4.0前提第1頁從德國工業(yè)4.0標準化路線圖得到啟示德國工業(yè)標準化機構(gòu)VDE、DKE等，在4月公布了德國工業(yè)4.0標準化路線圖1.0版，規(guī)劃了工業(yè)4.0所需要工業(yè)自動化技術(shù)和IT技術(shù)標準化工作。當前還在神話和細化。該路線圖認為，工業(yè)4.0所包括標準化目標有12個領(lǐng)域，主要有： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用案例（use case）、基礎(chǔ)、非功效性特征、技術(shù)系統(tǒng)和過程參考模型、儀表和控制功效參考模型、在工業(yè)4.0中人功效和作用參考模型、開發(fā)、工程化、標準庫、技術(shù)和處理方案。第2頁關(guān)于系統(tǒng)架構(gòu)鑒于系統(tǒng)架構(gòu)是標準化基礎(chǔ)基礎(chǔ)，必須首先開發(fā)整個架構(gòu)參考模型。迄今為止相關(guān)

2、工業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標準，如企業(yè)信息集成標準IEC 62264（ISA S95）和批量控制標準 IEC 61512（ISA S88）基本上只是系統(tǒng)功效分層架構(gòu)，能夠說僅僅是由技術(shù)驅(qū)動。按照工業(yè)4.0和智能制造所著主要求面向服務(wù)、自主自治、靈活適應(yīng)以及協(xié)同，其系統(tǒng)架構(gòu)尚需要在概念上加以擴展。 第3頁工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0和工業(yè)4.0基本單元第4頁構(gòu)建工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型標準作為參考架構(gòu)模型應(yīng)簡單而且便于管理借助此架構(gòu)模型，可對現(xiàn)有標準進行識別借助此架構(gòu)模型，可對標準缺口和不足進行識別和填補借助此架構(gòu)模型，可對標準重合進行識別，并選擇適宜處理方案使所涵蓋標準數(shù)目盡可能少為使中小型企業(yè)也能快

3、速實現(xiàn)工業(yè)4.0，參考模型應(yīng)允許對標準部分實現(xiàn)，即模型應(yīng)便于識別標準分/子標準便于識別各部分和各層級相互關(guān)系便于定義高層級規(guī)則第5頁RAMI 4.0基本特征參考SGAM工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI 4.0基本特征參考歐洲智能電網(wǎng)協(xié)調(diào)組織定義智能電網(wǎng)架構(gòu)模型SGAM。這一架構(gòu)在全世界取得廣泛認可。可互操作性維度區(qū)域范圍第6頁工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI 4.0為利于參考架構(gòu)模型表示工業(yè)4.0空間，采取三維模型。縱軸分成多個層級，便于以不一樣視角（如數(shù)據(jù)映射、功效描述、通信行為、硬件/資產(chǎn)、或業(yè)務(wù)流程）表示。這里借用IT行業(yè)將復(fù)雜項目劃分為若干個能夠管理部分思維。左面橫軸表示產(chǎn)品生命周期及其所

4、包含價值鏈。這么便可在參考架構(gòu)模型中表示整個生命周期內(nèi)相關(guān)性（比如連續(xù)數(shù)據(jù)采集之間相關(guān)性）。右面橫軸表示工廠功效性和響應(yīng)性，即工廠功效分層結(jié)構(gòu)。第7頁工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI 4.0)Source: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 der Plattform Industrie 4.0 RAMI4.0工業(yè)4.0基本單元（component）模型第8頁RAMI 4.0縱軸為便于將物理系統(tǒng)按其功效特征分層進行虛擬映射，按照IT和通信技術(shù)慣用方法，將縱軸自上而下劃分為6個層級：經(jīng)營業(yè)務(wù)功效性信息通信集成資產(chǎn)第9頁RAMI 4.0縱軸 資產(chǎn)層和集成層資產(chǎn)層處

5、于最底層，連同其上層集成層一起被用來對各種資產(chǎn)進行數(shù)字化虛擬表示。用資產(chǎn)層來來表示物理部件/硬件/軟件/文件等實體，物理部件如直線運動軸、金屬部件、電路圖、技術(shù)文件、歷史統(tǒng)計等等。人也作為資產(chǎn)層一部份，經(jīng)過集成層與虛擬世界相鏈接。資產(chǎn)與集成層鏈接是無源（passive）連接。集成層是以計算機能夠處理方式提供資產(chǎn)信息，對技術(shù)過程進行計算機輔助控制。在集成層生成來自資產(chǎn)事件。集成層包含與IT系統(tǒng)相鏈接元件，如RFID讀入設(shè)備、HMI、傳感器等。與人互動也發(fā)生在集成層，比如經(jīng)過HMI。第10頁RAMI 4.0縱軸 通信層和信息層通信層用來處理通信協(xié)議，以及數(shù)據(jù)和文件傳輸。在指向信息層方向上采取統(tǒng)一數(shù)

6、據(jù)格式，使通信實現(xiàn)標準化；并為集成層控制提供服務(wù)。信息層容納相關(guān)數(shù)據(jù)，為事件處理形成處理環(huán)境，執(zhí)行與事件相關(guān)規(guī)則，并對這些規(guī)則進行正式描述。在信息層中必須將表示模型數(shù)據(jù)連續(xù)保持，確保數(shù)據(jù)完整性，進行不一樣數(shù)據(jù)一致性集成，并得到高一層數(shù)據(jù)，即由數(shù)據(jù)得到信息，由信息上升為知識。信息層還要經(jīng)過服務(wù)接口提供結(jié)構(gòu) 化數(shù)據(jù)；還要接收事件，并把它 們轉(zhuǎn)換為將在功效層使用相匹配 數(shù)據(jù)。第11頁RAMI 4.0縱軸 功效層和業(yè)務(wù)層功效層處理各種必須功效，由它進行功效正式描述，而且是各種橫向集成平臺，負擔為支持業(yè)務(wù)過程運行期和建模環(huán)境服務(wù)，以及負擔各種應(yīng)用和技術(shù)功效性運行期環(huán)境。在功效層內(nèi)生成規(guī)則和決議邏輯。而規(guī)

7、則和決議邏輯執(zhí)行則在較低層級（信息層或集成層）執(zhí)行，這取決于應(yīng)用案例。遠程存取和橫向集成僅僅在功效層進行，這是為了確保在處理過程中信息和條件完整性。業(yè)務(wù)層要確保價值鏈中功效完整性，并映射業(yè)務(wù)模型及其產(chǎn)生全部流程。因為業(yè)務(wù)層沒有詳細系統(tǒng)，即使像ERP這么系統(tǒng)其位置應(yīng)該在功效層。業(yè)務(wù)層要對系統(tǒng)必須恪守規(guī)則建模。 還要對功效層各種服務(wù)語義協(xié)調(diào)； 將不一樣業(yè)務(wù)過程鏈接；以及接收讓 業(yè)務(wù)過程進行事件。第12頁RAMI 4.0生命周期和價值鏈橫軸工業(yè)4.0為整個產(chǎn)品、機械裝備和工廠生命周期改進提供了巨大潛力。為了使這些關(guān)系可視化和標準化，參考模型第二個軸需要表示生命周期及其相關(guān)價值鏈。基本參考IEC 62

8、890（即ISA 105）生命周期管理國際標準。不過將它劃分為兩個階段：設(shè)計開發(fā)和樣機研發(fā)階段（type）和實際實現(xiàn)階段（instance）。第13頁RAMI 4.0生命周期和價值鏈橫軸在type階段，從初始構(gòu)想到初樣開發(fā)，再到樣機試制、測試和驗證以至試用，最終該型號產(chǎn)品得以定型，能夠轉(zhuǎn)至批量工業(yè)生產(chǎn)。在instance階段，產(chǎn)品以工業(yè)生產(chǎn)方式和規(guī)模進行制造。每一個制造出來產(chǎn)品表示這種型號產(chǎn)品一個實現(xiàn)，含有其唯一生產(chǎn)串號。向用戶提供是該型號產(chǎn)品實現(xiàn)。從銷售階段起，對產(chǎn)品改進要求將返回制造廠，可對該產(chǎn)品技術(shù)文件給予修正。由此造成產(chǎn)生新型號產(chǎn)品，用于制造廠造出新實現(xiàn)。第14頁RAMI 4.0生命周

9、期和價值鏈橫軸在工業(yè)4.0中，價值鏈數(shù)字化和鏈接蘊藏巨大改進潛力。在此連接中，各種功效鏈接跨度含有決定性主要意義。物流數(shù)據(jù)可用于裝配過程，企業(yè)內(nèi)或工廠內(nèi)物流則依據(jù)未交貨訂單對物流進行調(diào)度。采購部門可實時查看庫存，同時可在任意時間點了解哪些零部件供貨商及時共取得情況。而客戶能夠知道訂購定產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中完成進度。把采購、訂貨計劃、裝配、物流、維護、供貨商和客戶等各個方面都鏈接在一起，會產(chǎn)生巨大改進潛力。由此生命周期必須與其所包含增值過程緊密結(jié)合在一起，而不再以相互隔離方式只看到一個工廠生產(chǎn)情況，而是把全部相關(guān)工廠和合作搭檔，從制造工程到零部件供給商一直到客戶全部緊密鏈連在一起。第15頁RAMI

10、4.0第三軸功效分層參考架構(gòu)模型第三個軸描述在工業(yè)4.0各種環(huán)境下功效分類多層級。按照IEC 62264（即ISA S95）和IEC 61512（即ISA S88）企業(yè)信息集成國際標準功效層級劃分。不過，依據(jù)工業(yè)4.0概念，在最底層增加了“產(chǎn)品”層，在最頂層增加了“跨企業(yè)連接”層。企 業(yè)跨企業(yè)連接工 廠車間/工段現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn) 品第16頁工業(yè)4.0基本單元（component）模型工業(yè)4.0基本單元是一個描述信息物理系統(tǒng)CPS詳細特征模型。CPS是一個在生產(chǎn)環(huán)境中真實物理對象，經(jīng)過與其虛擬對象和過程聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)。在生產(chǎn)環(huán)境中，從生產(chǎn)系統(tǒng)和機械裝備到裝備中各類模塊，只要滿足了這些特征，不論是硬件基本

11、單元還是軟件基本單元，都具備和符合了工業(yè)4.0要求能力。非工業(yè)4.0基本單元工業(yè)4.0基本單元舉例符合I4.0聯(lián)網(wǎng)通信第17頁工業(yè)4.0基本單元中管理殼（Administration Shell）工業(yè)4.0基本單元能夠是硬件單元，也能夠是軟件單元。成為工業(yè)4.0基本單元一個先決條件是：它必須在整個生命周期內(nèi)采集全部相關(guān)數(shù)據(jù)，存放在有該基本單元所承載含有信息安全電子容器內(nèi)，并由它把這些數(shù)據(jù)提供給企業(yè)參加價值鏈過程。在工業(yè)4.0基本單元模型中，這個電子容器就稱之為“管理殼”。還有一個先決條件是：基本單元真實對象必須含有通信能力，以及對應(yīng)數(shù)據(jù)和功效。這么，在生產(chǎn)環(huán)境中硬件單元和軟件單元之間都能進行符

12、合工業(yè)4.0要求通信。管理殼管理殼第18頁管理殼作用分析（1/2）在生產(chǎn)環(huán)境中硬件單元（如一臺機械裝備）或軟件單元，其全部相關(guān)數(shù)據(jù)都包含該單元虛擬映射。這種虛擬映射存放在管理殼內(nèi)。這使得網(wǎng)絡(luò)化制造完全有了實施可能性。I4.0基本單元管理殼存放了大量數(shù)據(jù)和信息，包含由制造商提供CAD數(shù)據(jù)、電路接線圖、手冊等等。系統(tǒng)集成商、工廠和裝備操作人員又增加了與其它硬/軟件連接信息和維護信息。 I4.0平臺要求了數(shù)據(jù)信息安全辦法，確保數(shù)據(jù)可用性、可信性和完整性。管理殼還提供一定功效，包含項目標規(guī)劃、組態(tài)、運行、維護和復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯功效等等。服務(wù) 數(shù)據(jù)和功效不但在基本單元內(nèi)可用，而且也可在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、甚至云端使用

13、。這么做優(yōu)點是信息只要存貯一次，同時又能夠經(jīng)過IT服務(wù)向任意用戶或任意應(yīng)用實例透明提供。第19頁管理殼作用分析（2/2）采取符合I4.0通信協(xié)議和管理殼概念實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境中各個基本單元橫向集成和縱向集成?？傉f來，全部信息都能在工程技術(shù)、工業(yè)工程以及操作運行和維護無縫利用。為了使工業(yè)4.0取得成功，關(guān)鍵問題是管理殼中不但要存貯機械裝備信息，還要存貯其特定零部件信息。舉例來說，一些機械質(zhì)量往往取決于伺服軸性能，因而伺服軸特征必須為集中地維護系統(tǒng)所統(tǒng)計。一樣在自動化系統(tǒng)中，有些部件（如端子排）本身是沒有數(shù)據(jù)接口，不過它存放在管理殼中信息應(yīng)該是段子連接到哪里，為何這么連接，什么時候連接等等。這么每個零部

14、件就成為網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)中智能零部件。第20頁業(yè)務(wù)層功效層信息層通信層集成層資產(chǎn)層RAMI 4.0 資產(chǎn)層開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)物理現(xiàn)實工件傳感器 / 執(zhí)行期PLC 功效塊軟件電纜控制器動力機械裝置機械裝置工具、夾具生產(chǎn)輔助裝置工廠第21頁業(yè)務(wù)層功效層信息層通信層集成層資產(chǎn)層RAMI 4.0 集成層數(shù)字式數(shù)據(jù)提供起源串行通信現(xiàn)場總線PROFINET, SERCOS, EIP, .USB條形碼 / QR碼NFC,藍牙, .各種資產(chǎn)HMI 人員、資產(chǎn)和產(chǎn)品/生產(chǎn)過程交互I開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第22頁業(yè)務(wù)層功效層信息層通信層集成層資產(chǎn)層供信息層用通

15、信標準化對集成層進行控制基于IP通信供資產(chǎn)層各類資產(chǎn)之間符合工業(yè)4.0要求通信RAMI 4.0 通信層開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第23頁業(yè)務(wù)層功效層信息層通信層集成層資產(chǎn)層RAMI 4.0 信息層Development MaintenanceUsage MaintenanceUsage ProductionTypeInstance工業(yè)4.0兼容性數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)壓縮傳感器數(shù)據(jù)函數(shù)普通過程數(shù)據(jù)開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第24頁業(yè)務(wù)層功效層信息層通信層集成層資產(chǎn)層RAMI 4.0 功效層Development MaintenanceUsage Maint

16、enanceUsage ProductionTypeInstance工業(yè)4.0對資產(chǎn)兼容性存取對功效性實體實施統(tǒng)一基本服務(wù)，比如各類機床， 能源利用效率最大化開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第25頁業(yè)務(wù)層功效層信息層通信層集成層資產(chǎn)層RAMI 4.0 業(yè)務(wù)層Development MaintenanceUsage MaintenanceUsage ProductionTypeInstance業(yè)務(wù)過程映射協(xié)調(diào)功效層各類服務(wù)開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第26頁工業(yè)4.0已經(jīng)討論過標準IEC/ISOISO/IEC 2700 x信息安全IEC 61360 Rul

17、es for PropertiesIEC 61387 Sensors PropertiesIEC 62683 Switch Gears PropertiesIEC 62832 Digital FactoryIEC 62443 Security in Automation 供IIoT用時間敏感通信技術(shù)機械工程STEP + APxxx服務(wù)IEC 62541 OPC-UA及其搭檔工程數(shù)據(jù)Automation MLIEC 62714及其它PropertiesIEC 61987 SensorsIEC 62683 Switch Gears30 Segments with prISO/IECJTC1IEEE

18、ProSTEPe.V.eCIsse.VAutomationMLe.V.OPC 基金會PLC 技術(shù)IEC 61131通信規(guī)約PLCopen第27頁28業(yè)務(wù)層功效層信息層通信層集成層資產(chǎn)層RAMI 4.0 中PLCopen 技術(shù) -OPC UA 信息模型和通信功效塊 維護使用 生產(chǎn)實例化實現(xiàn)客戶端功效塊和調(diào)用方法IEC 611313軟件模型 客戶端/服務(wù)端架構(gòu) 用數(shù)字式數(shù)據(jù)集成客戶端/服務(wù)端運行時配方, OEE & 產(chǎn)品跟蹤第28頁跨企業(yè)連接企業(yè)工作單元（工廠）車間/生產(chǎn)線控制設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品RAMI 4.0 中PLCopen Technologies -PLCopen 編程導(dǎo)則開發(fā) 維護/使用維

19、護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第29頁RAMI 4.0中PLCopen Technologies -PLCopen XML 由數(shù)字式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制程序工作單元（工廠）車間/生產(chǎn)線控制設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品Development MaintenanceUsage MaintenanceUsageTypeInstance開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第30頁跨企業(yè)連接企業(yè)工作單元（工廠）車間/生產(chǎn)線控制設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品RAMI 4.0 中PLCopen Technologies -PLCopen 編程導(dǎo)則開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第31頁跨企業(yè)連接企業(yè)工作單

20、元（工廠）車間/生產(chǎn)線控制設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品RAMI 4.0中PLCopen 技術(shù) 資產(chǎn)層，信息層，功效層Development MaintenanceUsage MaintenanceUsage ProductionTypeInstance開發(fā) 維護/使用維護/使用 生產(chǎn)樣機開發(fā)實例化實現(xiàn)第32頁關(guān)于應(yīng)用案例（use case）為了說明特定領(lǐng)域或特定行業(yè)開發(fā)和標準化需要，可在現(xiàn)有系統(tǒng)范圍基礎(chǔ)上經(jīng)過“應(yīng)用案例”來識別其中含有在工業(yè)4.0發(fā)展階段或智能制造對該行業(yè)或領(lǐng)域特征要求。對所識別應(yīng)用案例實質(zhì)性和代表性取得一致意見，含有決定性主要意義?；谶@個理由，在到達協(xié)商一致標準化過程中應(yīng)該開發(fā)、發(fā)掘和

21、公布“應(yīng)用案例”。use case這個專用名詞最早出現(xiàn)于軟件工程學科，在通用建模語言UML中將其譯為“用例”或“用況”。在軟件工程中，用例是一個在開發(fā)新系統(tǒng)或者軟件改造時捕捉潛在需求技術(shù)。每個用例提供了一個或多個場景，該場景揭示了系統(tǒng)是怎樣同最終用戶或其它系統(tǒng)交互，從而取得一個明確業(yè)務(wù)目標。在制訂智能制造標準化體系時，借鑒這一概念是十分有益。第33頁關(guān)于應(yīng)用案例（use case）工業(yè)自動化一個重要特征就是，經(jīng)過努力使自動化部件達到商業(yè)意義上質(zhì)量，以致盡可能多覆蓋和滿足各類工業(yè)要求。要達到這一點，一方面要求平衡不一樣工業(yè)門類對自動化部件要求差異性，其次又必須經(jīng)過調(diào)整或改變參數(shù)等措施滿足客戶差異性要求。在硬件上，客戶既希望這些自動化部件盡量具備軍工產(chǎn)品質(zhì)量魯棒性，又希望價格盡量便宜到消費品水平。顯然，在開發(fā)階段要使這二者統(tǒng)一起來，通常是困難。第34頁關(guān)于應(yīng)用案例（use case）在智能制造、智慧工廠、工業(yè)4.0中，集成是一大關(guān)鍵。在其發(fā)展探索過程中，先在實踐中采取合理綜合集成應(yīng)用現(xiàn)有標準等方法，事實證實是可行可信路徑。在制訂標按時，重視應(yīng)用案例目標就是要從應(yīng)用案例個案中發(fā)掘出共性關(guān)鍵標