智能制造、智慧工厂、工业4.0标准化体系

1、2022/9/7标准化体系智能制造、智慧工厂、工业4.0前提第1页从德国工业4.0标准化路线图得到启示德国工业标准化机构VDE、DKE等，在4月公布了德国工业4.0标准化路线图1.0版，规划了工业4.0所需要工业自动化技术和IT技术标准化工作。当前还在神话和细化。该路线图认为，工业4.0所包括标准化目标有12个领域，主要有： 系统结构、应用案例（use case）、基础、非功效性特征、技术系统和过程参考模型、仪表和控制功效参考模型、在工业4.0中人功效和作用参考模型、开发、工程化、标准库、技术和处理方案。第2页关于系统架构鉴于系统架构是标准化基础基础，必须首先开发整个架构参考模型。迄今为止相关

2、工业系统结构标准，如企业信息集成标准IEC 62264（ISA S95）和批量控制标准 IEC 61512（ISA S88）基本上只是系统功效分层架构，能够说仅仅是由技术驱动。按照工业4.0和智能制造所着主要求面向服务、自主自治、灵活适应以及协同，其系统架构尚需要在概念上加以扩展。 第3页工业4.0参考架构模型RAMI4.0和工业4.0基本单元第4页构建工业4.0参考架构模型标准作为参考架构模型应简单而且便于管理借助此架构模型，可对现有标准进行识别借助此架构模型，可对标准缺口和不足进行识别和填补借助此架构模型，可对标准重合进行识别，并选择适宜处理方案使所涵盖标准数目尽可能少为使中小型企业也能快

3、速实现工业4.0，参考模型应允许对标准部分实现，即模型应便于识别标准分/子标准便于识别各部分和各层级相互关系便于定义高层级规则第5页RAMI 4.0基本特征参考SGAM工业4.0参考架构模型RAMI 4.0基本特征参考欧洲智能电网协调组织定义智能电网架构模型SGAM。这一架构在全世界取得广泛认可。可互操作性维度区域范围第6页工业4.0参考架构模型RAMI 4.0为利于参考架构模型表示工业4.0空间，采取三维模型。纵轴分成多个层级，便于以不一样视角（如数据映射、功效描述、通信行为、硬件/资产、或业务流程）表示。这里借用IT行业将复杂项目划分为若干个能够管理部分思维。左面横轴表示产品生命周期及其所

4、包含价值链。这么便可在参考架构模型中表示整个生命周期内相关性（比如连续数据采集之间相关性）。右面横轴表示工厂功效性和响应性，即工厂功效分层结构。第7页工业4.0参考架构模型(RAMI 4.0)Source: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 der Plattform Industrie 4.0 RAMI4.0工业4.0基本单元（component）模型第8页RAMI 4.0纵轴为便于将物理系统按其功效特征分层进行虚拟映射，按照IT和通信技术惯用方法，将纵轴自上而下划分为6个层级：经营业务功效性信息通信集成资产第9页RAMI 4.0纵轴 资产层和集成层资产层处

5、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虚拟表示。用资产层来来表示物理部件/硬件/软件/文件等实体，物理部件如直线运动轴、金属部件、电路图、技术文件、历史统计等等。人也作为资产层一部份，经过集成层与虚拟世界相链接。资产与集成层链接是无源（passive）连接。集成层是以计算机能够处理方式提供资产信息，对技术过程进行计算机辅助控制。在集成层生成来自资产事件。集成层包含与IT系统相链接元件，如RFID读入设备、HMI、传感器等。与人互动也发生在集成层，比如经过HMI。第10页RAMI 4.0纵轴 通信层和信息层通信层用来处理通信协议，以及数据和文件传输。在指向信息层方向上采取统一数

6、据格式，使通信实现标准化；并为集成层控制提供服务。信息层容纳相关数据，为事件处理形成处理环境，执行与事件相关规则，并对这些规则进行正式描述。在信息层中必须将表示模型数据连续保持，确保数据完整性，进行不一样数据一致性集成，并得到高一层数据，即由数据得到信息，由信息上升为知识。信息层还要经过服务接口提供结构 化数据；还要接收事件，并把它 们转换为将在功效层使用相匹配 数据。第11页RAMI 4.0纵轴 功效层和业务层功效层处理各种必须功效，由它进行功效正式描述，而且是各种横向集成平台，负担为支持业务过程运行期和建模环境服务，以及负担各种应用和技术功效性运行期环境。在功效层内生成规则和决议逻辑。而规

7、则和决议逻辑执行则在较低层级（信息层或集成层）执行，这取决于应用案例。远程存取和横向集成仅仅在功效层进行，这是为了确保在处理过程中信息和条件完整性。业务层要确保价值链中功效完整性，并映射业务模型及其产生全部流程。因为业务层没有详细系统，即使像ERP这么系统其位置应该在功效层。业务层要对系统必须恪守规则建模。 还要对功效层各种服务语义协调； 将不一样业务过程链接；以及接收让 业务过程进行事件。第12页RAMI 4.0生命周期和价值链横轴工业4.0为整个产品、机械装备和工厂生命周期改进提供了巨大潜力。为了使这些关系可视化和标准化，参考模型第二个轴需要表示生命周期及其相关价值链。基本参考IEC 62

8、890（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）。第13页RAMI 4.0生命周期和价值链横轴在type阶段，从初始构想到初样开发，再到样机试制、测试和验证以至试用，最终该型号产品得以定型，能够转至批量工业生产。在instance阶段，产品以工业生产方式和规模进行制造。每一个制造出来产品表示这种型号产品一个实现，含有其唯一生产串号。向用户提供是该型号产品实现。从销售阶段起，对产品改进要求将返回制造厂，可对该产品技术文件给予修正。由此造成产生新型号产品，用于制造厂造出新实现。第14页RAMI 4.0生命周

9、期和价值链横轴在工业4.0中，价值链数字化和链接蕴藏巨大改进潜力。在此连接中，各种功效链接跨度含有决定性主要意义。物流数据可用于装配过程，企业内或工厂内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供货商及时共取得情况。而客户能够知道订购定产品在生产过程中完成进度。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，会产生巨大改进潜力。由此生命周期必须与其所包含增值过程紧密结合在一起，而不再以相互隔离方式只看到一个工厂生产情况，而是把全部相关工厂和合作搭档，从制造工程到零部件供给商一直到客户全部紧密链连在一起。第15页RAMI

10、4.0第三轴功效分层参考架构模型第三个轴描述在工业4.0各种环境下功效分类多层级。按照IEC 62264（即ISA S95）和IEC 61512（即ISA S88）企业信息集成国际标准功效层级划分。不过，依据工业4.0概念，在最底层增加了“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 品第16页工业4.0基本单元（component）模型工业4.0基本单元是一个描述信息物理系统CPS详细特征模型。CPS是一个在生产环境中真实物理对象，经过与其虚拟对象和过程联网通信系统。在生产环境中，从生产系统和机械装备到装备中各类模块，只要满足了这些特征，不论是硬件基本

11、单元还是软件基本单元，都具备和符合了工业4.0要求能力。非工业4.0基本单元工业4.0基本单元举例符合I4.0联网通信第17页工业4.0基本单元中管理壳（Administration Shell）工业4.0基本单元能够是硬件单元，也能够是软件单元。成为工业4.0基本单元一个先决条件是：它必须在整个生命周期内采集全部相关数据，存放在有该基本单元所承载含有信息安全电子容器内，并由它把这些数据提供给企业参加价值链过程。在工业4.0基本单元模型中，这个电子容器就称之为“管理壳”。还有一个先决条件是：基本单元真实对象必须含有通信能力，以及对应数据和功效。这么，在生产环境中硬件单元和软件单元之间都能进行符

12、合工业4.0要求通信。管理壳管理壳第18页管理壳作用分析（1/2）在生产环境中硬件单元（如一台机械装备）或软件单元，其全部相关数据都包含该单元虚拟映射。这种虚拟映射存放在管理壳内。这使得网络化制造完全有了实施可能性。I4.0基本单元管理壳存放了大量数据和信息，包含由制造商提供CAD数据、电路接线图、手册等等。系统集成商、工厂和装备操作人员又增加了与其它硬/软件连接信息和维护信息。 I4.0平台要求了数据信息安全办法，确保数据可用性、可信性和完整性。管理壳还提供一定功效，包含项目标规划、组态、运行、维护和复杂业务逻辑功效等等。服务 数据和功效不但在基本单元内可用，而且也可在企业网络、甚至云端使用

13、。这么做优点是信息只要存贮一次，同时又能够经过IT服务向任意用户或任意应用实例透明提供。第19页管理壳作用分析（2/2）采取符合I4.0通信协议和管理壳概念实现生产环境中各个基本单元横向集成和纵向集成。总说来，全部信息都能在工程技术、工业工程以及操作运行和维护无缝利用。为了使工业4.0取得成功，关键问题是管理壳中不但要存贮机械装备信息，还要存贮其特定零部件信息。举例来说，一些机械质量往往取决于伺服轴性能，因而伺服轴特征必须为集中地维护系统所统计。一样在自动化系统中，有些部件（如端子排）本身是没有数据接口，不过它存放在管理壳中信息应该是段子连接到哪里，为何这么连接，什么时候连接等等。这么每个零部

14、件就成为网络化生产中智能零部件。第20页业务层功效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 生产样机开发实例化实现物理现实工件传感器 / 执行期PLC 功效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第21页业务层功效层信息层通信层集成层资产层RAMI 4.0 集成层数字式数据提供起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HMI 人员、资产和产品/生产过程交互I开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现第22页业务层功效层信息层通信层集成层资产层供信息层用通

15、信标准化对集成层进行控制基于IP通信供资产层各类资产之间符合工业4.0要求通信RAMI 4.0 通信层开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现第23页业务层功效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兼容性数据表示数据压缩传感器数据函数普通过程数据开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现第24页业务层功效层信息层通信层集成层资产层RAMI 4.0 功效层Development MaintenanceUsage Maint

16、enanceUsage ProductionTypeInstance工业4.0对资产兼容性存取对功效性实体实施统一基本服务，比如各类机床， 能源利用效率最大化开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现第25页业务层功效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效层各类服务开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现第26页工业4.0已经讨论过标准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用时间敏感通信技术机械工程STEP + APxxx服务IEC 62541 OPC-UA及其搭档工程数据Automation MLIEC 62714及其它PropertiesIEC 61987 SensorsIEC 62683 Switch Gears30 Segments with prISO/IECJTC1IEEE

18、ProSTEPe.V.eCIsse.VAutomationMLe.V.OPC 基金会PLC 技术IEC 61131通信规约PLCopen第27页28业务层功效层信息层通信层集成层资产层RAMI 4.0 中PLCopen 技术 -OPC UA 信息模型和通信功效块 维护使用 生产实例化实现客户端功效块和调用方法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 & 产品跟踪第28页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PLCopen Technologies -PLCopen 编程导则开发 维护/使用维

19、护/使用 生产样机开发实例化实现第29页RAMI 4.0中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Development MaintenanceUsage MaintenanceUsageTypeInstance开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现第30页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第31页跨企业连接企业工作单

20、元（工厂）车间/生产线控制设备现场设备产品RAMI 4.0中PLCopen 技术 资产层，信息层，功效层Development MaintenanceUsage MaintenanceUsage ProductionTypeInstance开发 维护/使用维护/使用 生产样机开发实例化实现第32页关于应用案例（use case）为了说明特定领域或特定行业开发和标准化需要，可在现有系统范围基础上经过“应用案例”来识别其中含有在工业4.0发展阶段或智能制造对该行业或领域特征要求。对所识别应用案例实质性和代表性取得一致意见，含有决定性主要意义。基于这个理由，在到达协商一致标准化过程中应该开发、发掘和

21、公布“应用案例”。use 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，用例是一个在开发新系统或者软件改造时捕捉潜在需求技术。每个用例提供了一个或多个场景，该场景揭示了系统是怎样同最终用户或其它系统交互，从而取得一个明确业务目标。在制订智能制造标准化体系时，借鉴这一概念是十分有益。第33页关于应用案例（use case）工业自动化一个重要特征就是，经过努力使自动化部件达到商业意义上质量，以致尽可能多覆盖和满足各类工业要求。要达到这一点，一方面要求平衡不一样工业门类对自动化部件要求差异性，其次又必须经过调整或改变参数等措施满足客户差异性要求。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鲁棒性，又希望价格尽量便宜到消费品水平。显然，在开发阶段要使这二者统一起来，通常是困难。第34页关于应用案例（use case）在智能制造、智慧工厂、工业4.0中，集成是一大关键。在其发展探索过程中，先在实践中采取合理综合集成应用现有标准等方法，事实证实是可行可信路径。在制订标按时，重视应用案例目标就是要从应用案例个案中发掘出共性关键标