落地生根的工业4.0 | 德国工业4.0基本单元

发布时间：2017-09-26 作者：彭瑜来源：知识自动化

关键字：工业4.0 德国工业

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真的有工业4.0的落地的具体路径吗？我们看到了大量的解决方案，却很少能够看到从底层构建的案例。

第三类还可以把一些构成零部件看成是工业4.0基本单元，例如一个端子排：它不但是连通信号的接线，而且在整个机械装备的生命周期中还起着传输数据的作用。这种工业4.0基本单元的实现者往往是电气工程师或技术员。

第四类，也是非常有趣的是，软件也是生产系统中的重要资产，它们也是工业4.0基本单元。例如一个独立的规划或者工具性工程软件，甚至一个功能块库。其实现者可以是软件供应商，也可以是控制器应用程序的编程工程师等。

表1：实体资产向工业4.0单元转化

由图4可知，资产构成工业4.0基本单元（物理／非物理）的实体部分，管理壳构成工业4.0基本单元的虚拟部分，工业4.0的通信将各种基本单元加以连接。

图4：工业4.0基本单元的特性

图5：机械装置由各类IC4.0组成

任何一种机械装备其重要的部分原则上都是各类工业4.0基本单元组成。譬如图5中由端子排、伺服轴、机械装置和由这台机械装置加工出来的产品，如最常见的运动鞋。这些资产通过工业4.0的通信连接起来。机械装置则由在生产网络中的PLC进行控制。由此可以得出以下结论：工业4.0基本单元是网络化的基础元件，生产制造出来的产品的服务策略也因此建立了相互连接，因而即使没有实际的电子接口的元件也具有同等的权利，为建立业务价值的深度表达提供了可行的技术路径。

德国人如何构建基本单元

在以上顶层设计概念的基础上，就有可能为所有现有的工业资产提供数字化的实现。人们常说智能制造的基础是数字化，数字化的核心是建模。那么我们就来观察一下德国工业界是怎样进行这一过程的。

就像为地球上所有的大米粒都要编号一样，需要设计出全世界亿万数量级的工业资产的唯一标识及其链接方式，以便为今后对这些资产进行虚拟描述打好基础。

图6表述的就是这种统一的格式。标识符是URI，为每一种资产提供唯一的识别符，并与该资产对应的管理壳对应，该标识符既参照该资产的物理分类，又可链接该资产的管理壳，而管理壳的虚拟描述完全建立在其物理特性和相关数据之上。

图6 ：资产进入数字化世界

用标准化的唯一标识符识别分类项和相关知识，已经有了国际标准进行指导。

图7 ：按ISO29002-5分类资产和相关知识

而要真正实现工业4.0，需要在全世界范围内（注意：不仅仅在德国范围内）组织开发数量极大、类型众多的、标准化数字化的基本单元库。

进行这项涉及面极广的组织工程，首先要保护工程领域的核心功能性（例如气动工程、焊接等）；其次要造就具有最大化的灵活性，同时又能保护每个公司的信息网络；再次是为了采购、系统集成工程、维护等需要，必须持续地提高可互操作性和客户的利益。不过面对的现实却是如何使各个公司的标准、不同的数据格式和产品性能数据的集合实施合理的开放；为建立工业4.0基本单元的知识库，在各个公司的利益和公众利益之间取得平衡，‘两厢情愿’地淡化公司标准和查找性质集合。好在国际工业标准化组织已经建立了这方面的国际标准IEC61360/ISO13584，只要严格遵循这个标准，就能够有组织有规则地进行。

图8示出许多标准作为管理壳的领域／子模型的样板。例如管理壳可遵照IEC TR 62794和IEC 62832 数字工厂；标识可参照ISO 29005 或 URI唯一ID；通信可遵照IEC61784工业通信规约第二章以太网；能效依据ISO/IEC 20140-5；信息安全参照IEC 62443 网络和系统的信息安全等。

图8 ：管理壳的领域／子模型的样板标准

图9是管理壳、子模型、性质、复杂数据和功能的示范内容。从可视的角度看，一个经标识的资产其管理壳也是经标识的，都是显性化的知识，即表征这个资产的性质。而其数据和功能都是可通过APIs被语义化存取的。资产的运行时数据都遵照严格而统一的格式表达性质的集合（图示中子模型1是能效，子模型2是安全，子模型3是钻孔）。而有关数据和功能的运行时的数据则按照不同的互补的数据格式。

图9：资产对应的管理壳的内容

真实场景的示范

下面给出一个简单的场景描述以市场为导向的资产数字化的交互过程（见图10）。图中示出3个工业4.0基本单元（生产工作站），它们之间通过符合工业4.0的通信连接，并且还与假定的MES生产调度执行系统项连接。这3个工作站都有相同的子模型，但有不同的标识符和不同的性质数据。

图10：简单场景的举例

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