参考结构架构模型促进工业4.0的标准化

作者:Thomas Schulz 文章来源:MM《现代制造》 点击数:308 发布时间:2018-10-26
工业4.0里的共同使用性的前提条件是全球通用的技术规范和标准。为此,为描述系统环境,人们研发出了工业4.0参考结构架构模型。本文是首个关于工业4.0 标准化这个研究主题的结构性的概述。
参考结构架构模型促进工业4.0的标准化

一个数字化的网络化生产和工业需要规范和标准,这样,各个具体组件便能相互工作
一个数字化的网络化生产和工业需要规范和标准,这样,各个具体组件便能相互工作

我们的世界现正处在数字化变革中,这将关系到所有的工业领域,并使其发生改变。工业4.0的概念就是工业第四次革命。工业4.0的基本前提条件之一是工业物体相互互动以及基于云的平台的企业应用集成。这个关于数字世界的新思想需要一个有着与现实世界进行虚拟交际可能性的连贯、统一的网络化。

相互作用的组件间的共同使用是成功合作的前提。为此,既要有对进行交换数据的共同理解,又要约定交互规则的规范和标准。对于全球行动和外向型的德国工业来说,确定全球通用的标准体系的技术要求则具有尤为重要的意义。这样做的目标是逐步将所有统一的技术功能和应用的可能性在国际标准的重要规定中加以确定。

工业4.0参考结构架构模型(RAMI 4.0)和工业4.0组件组成了工业4.0的核心基石共同成为基于新业务模式的网络化产品研发和服务的基础。

图1 工业4.0组件是技术资产和工业4.0组件管理壳之间的必要连接
图1 工业4.0组件是技术资产和工业4.0组件管理壳之间的必要连接

参考结构架构是必要的

目前,在广泛的工业应用领域已经存在着各种不同的软件工具、局部的模型和自主行动的技术解决方法。为了完备的集成水平和垂直的价值链,并确保工艺链顺畅的数据流,基于世界公认的规范和总标准的体系统环境的广泛描述是必须的。由此便产生了未来议题的总任务之一,也就是研发工业4.0应用的参考结构架构模型。

为此,工业4.0平台成员们于2015年9月首次创立了“DIN SPEC 91345工业4.0参考结构架构模型”项目。工业4.0参考结构架构模型(RAMI 4.0)通过对生产技术资产的研发和在生产中的利用及维护乃至取自市场的整个技术解决方案空间的合理完整的描述,来确保其在应用中的共同使用性。

图2 德国工业标准 DIN SPEC 91345中定义的三维工业4.0参考结构架构模型 (RAMI 4.0)
图2 德国工业标准 DIN SPEC 91345中定义的三维工业4.0参考结构架构模型 (RAMI 4.0)

工业4.0参考结构架构模型(RAMI 4.0)基本想法之一是在一个共同的模型里集合各种不同的观点。这不仅有益于系统的途径定位,同时对在各个不同的企业和各种不同的行业成功实施工业4.0 是必要的。

该结构架构描述了系统的结构, 这包括系统的元素类型、它的结构、相互交互类型以及它的环境。 还要定义基本的工作方案设计或特性,并由此与组件和互动一起共同组成一个重要技术系统的研发、构造和分布编排的框架。

工业4.0参考结构架构模型(RAMI 4.0)是一个用于描述工业4.0空间的三维参考结构架构模型。在该工业4.0空间的三维参考结构架构模型中可对应用以及相关的技术规定在产品生命周期、功能的等级和架构等级中进行三轴定位。这样,沿着这些确定的轴便能够清楚的确定所有重要的信息和工业4.0系统的结构,并且能够将其透明的展示出来。

RAMI 4.0的结构

右边的水平轴上显示的是架构的分级。它是应用的功能分类编排以技术资产的模型形式体现。 产品、生产运行设备被具体划分为在一个工厂内各种不同的功能以及工厂外相互联网的组件。

左边的水平轴上显示的是生命周期的时间轴。一个技术资产的特点在生命周期的不同阶段是各不相同的。一个应用实例与一个有着专门功能要求的专门应用类型的复制是不具有可比性的。随着一个产品生产的开始,在申报应用实例时便将功能特点指派给数字类型。

在垂直的轴上显示的是一个技术资产的功能等级。为了实施一个虚拟的代表,集成层面位于该资产层的上方。它确保了对物理资产特性的信息系统的数据存取。在通信层则是包括国际网络传输协议,以便进行数据传输,这是集成层和信息层之间的连接部分。信息层的内容包括了对所有必要功能数据的描述和技术资产的服务以及公共语言方面的内容,这样传送的数据便有了来源和目的地。功能层包含所有合乎程序描述的功能,业务层则显示的是重要的业务流程。

工业4.0参考结构架构模型(RAMI 4.0)借助于一个三维的层次模型来描述一个技术对象的主要元素。参考结构架构模型的应用如下:

● 生产场景的资产分类编排,

● 参考架构内部的定位,

● 断定关联和专门的挑战,

● 通过分类实现简化,

● 现有工艺技术的分类编排,

● 重要规范和标准的本土化,

● 通过共同的术语进行通信

借助于一个建筑业市场便能够很好的说明工业4.0参考结构架构模型(RAMI 4.0)的运行模式。该建筑业市场专营本地生产的建筑材料,并将这些建筑分类成各种不同的产品组,如工具和钉子,涂料和壁纸,木料和建筑材料。这些产品分门别类被放置在各个不同的通道里和货架上。顾客根据所需情况从通道的具体货架里提取所需的产品并将这些产品放在他的货物筐内。技术资产的分类和所需的标准在具体的工业4.0应用中起着与三个轴类似的功能。

工业4.0的组件

另一个重要的要素是工业4.0组件模型的通用描述, 这是一个网宇、实体与系统专业化的展示与描述,如何从一个现实的技术资产中通过虚拟的工业4.0组件管理壳使其变成一个世界范围内定义精确、可识别并具有通信能力的工业4.0组件。

图3 带有部分模型的工业4.0组件管理壳的示意图
图3 带有部分模型的工业4.0组件管理壳的示意图

工业4.0组件管理壳是一个在工业4.0系统里的资产的虚拟数字化的和主动的表示。它和它的对象能够在若干资产中一个资产里作为嵌入式的系统包含在其中,或是分布在一个或是多个高一级的IT系统里。由此,它便有一个表现和工业4.0组件管理员,该表现是一个可找到工业4.0组件管理壳的所有信息、数据和功能的内容目录。反之,工业4.0组件管理员则组织寻址和标识,并确保与工业4.0组件的各种 IT技术服务的连接。

一个工业4.0组件包括逻辑视图的一个或多个东西和一个工业4.0组件管理壳。这个概念规定,必须是逻辑包括一个这样的组件或是其他多个组件,作为一个单位行动,并能够在逻辑上不考虑上级系统。由此,其他的工业4.0组件(例如机器的结构件)便能逻辑的归入一个工业4.0组件(如一整部机器),这样便服从于一个(临时的)嵌套结构。

一个工业4.0组件的状态总是由一个与工业4.0相一致的通信的其他成员获取的。工业4.0组件管理壳是工业4.0通信和技术资产之间的接口,并且追随着一个定义的状态模型。它在网络里是可明确进行识别的,且它的物理东西借助于明确的识别标记进行识别。

工业4.0组件管理壳

工业4.0组件管理壳是技术资产对所有信息的数据储存器。这些信息多数是由生产厂家预备好的。由服务商或机器、设备和工厂的操作人员进行进一步补充的重要信息。除此之外,工业4.0组件管理壳还有预备补充的功能(例如,规划、设计、组态、操作或维护)。这样,工业4.0组件管理壳便起着一个产品生命周期数据库的作用。

工业4.0组件管理壳至少要有组件管理器以及用于管理的结构,并且要由头和主体构成。 头拥有工业4.0系统里技术资产的识别和标识信息,还拥有该技术资产的管理和应用信息。而主体则含有组件管理器,该组件管理器用其各种不同域的特征和功能来管理部分模型。在此,每个部分模型有结构化的特征,这些部分模型的结构化特征又以各种不同数据格式发挥着当前的功能。 基本特征是提供给技术资产使用不可缺少的特征。

图4 多个技术资产的显示,例如,工业4.0组件管理壳里的一个存储器程序化控制装置(SPS)的显示
图4 多个技术资产的显示,例如,工业4.0组件管理壳里的一个存储器程序化控制装置(SPS)的显示

部分模型的目标是使不同类型和不同生产厂家的部件、结构组合件、机器和设备进行联网,以确保在价值链中的共同使用性。在此,部分模型含有借助于工业4.0参考结构架构模型 (RAMI 4.0)定义的在工业4.0组件管理壳的垂直轴上定位的技术资产的数理逻辑学描述。 在这里,部分模型的任务是描述正在利用的特征,连同它们的结构以及它们联网的数据和功能对象。

特征必须基于工业4.0参考结构架构模型的预定参数进行内容方面的加工处理和最终的改编。对所有工业4.0组件管理壳有约束力且标准化的特征均被称为基本特征。除此之外,具体的单个技术资产既能定义为准备好的责任功能,又能定义为可选择利用的特征。在此,工业4.0组件管理壳应能从各种不同的特征量和域中接收特征并能对其进行相互区分。具体的单个特征必须是借助于语言表达方式的不同而相互独立的,并且是能够维护的。

这种通过工业4.0的标准化方法为用户提供了利用新的技术系统进行跨行业和跨部门研发的可能性。在此,工业4.0组件管理壳的构成必须能够使得在各种不同的部分模型和特征之间实现一个适用的显示。由此,现有的特征便也能够在各种不同的域里进行使用。

内容与互动

工业4.0系统应用方案的特点是在企业或商业的实际运行中参与组件始终保持着高度灵活性、适用性和自主性。各个具体的工业4.0组件管理壳之间的有效且可靠的合作最终使各个价值链在一个这样的系统里实现协调一致。为此,需要一种共同的、基于互动样式的语言。 这种语言由词汇和为此定义的语法组成,语言的内容和作用必须依靠数理逻辑学进行明确的描述。

工业4.0组件交换对其性能产生影响的信息,信息元素是互动必要的基本存在和各种不同的域存在的一个部分。这些存在的内容已经记录在工业4.0组件的表现里。在工业4.0系统里,存在是为人们所共知且明确的。

为了实施处理和利用部分模型里的与应用相关联的功能,重点优先的技术条件是互动。互动被视为至少是两个系统状态过渡的联想。在此,一个系统(发送器)发出的信息表现为第二个系统(接受器)输入的信息值。但是,该描述并不说明哪些工业4.0组件必须提供哪些互动。但是,该描述确定了,当应该提供相应的应用功能时,互动是如何进行是确定的。