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工業4.0的數字馬甲 | 智能工廠的奧秘

來源:智能制造門戶網   作者:趙敏 劉法旺  頻道:    發布時間:2017-04-10

德國正在工業4.0的路上走的越來越深入。除了明火執仗的工廠解決方案之外,在另外一條隱秘的小路上走的同樣深入——這次是地下作業。德國人為工業4.0的資產,穿上了一個數字馬甲:管理殼(administraion shell)。

工業4.0組件與管理殼

20154月,德國率先提出工業4.0的頂層架構RAMI模型,這個模型甚至先于美國工業互聯網聯盟IIC提出的工業互聯網參考框架IIRA

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1 20154 1.0版本 ZVEI

這個RAMI模型給出了德國工業的整體框架體系的思考。而在微觀的基礎上,德國同時提出了“工業4.0組件”的概念,區分了“工業4.0組件”和“非工業4.0組件”。

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2 非工業4.0組件,20154

在很久一段時間,非工業4.0組件是我們所熟悉的“物”,包括設備,元器件,甚至是一個軟件程序。這是一個“黑暗的世界”,它通過既定的執行機構或者特定的連接,實現對外的溝通。而這一切,都通過一個叫做“管理殼”進行。對每一個“物”增加了一個“管理殼”,工業4.0 組件就變得開始能夠對外進行有效地交流。“智能體”出現了,無論是一臺智能機床,或者是一個智能傳感器,它都封裝了自己的各種信息。

數字馬甲:管理殼的定義

在工業領域,人們習慣用模型化的方法來提出產品需求、描述產品功能/生產流程、描述和控制各種技術形式(軟、硬、網、機、電、磁、液、氣等)的生產工具。

然而,如何對既定的設備資產,進行更好的探索。本文的研究者試圖這里給“管理殼”下一個嘗試性的定義。

工業4.0組件的管理殼是一種遵循各種相關標準,對組件的資產特性及技術功能,進行數字化描述的一種殼式管理軟件。管理殼基本構成為“清單+組件管理器”。這是一個自我描述式的數字化“資產說明書”,有了可用的管理殼來查詢、讀取,資產由此而變得可管理、可操作。

“清單”用來表示組件內容目錄,如功能、信息、通信等業務活動的層次范圍;“組件管理器”來管理組件范圍內的相關資產。管理殼清晰界定該組件所在的層次、價值流、級別,確認了所需的數據、功能與安全要求,規避了因為不按標準建設組件系統而在未來可能發生的信息失控問題。

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3 管理殼,ZVEI2016.11

可以把管理殼形象地理解為是一種給所有企業資產穿上了“數字化馬甲”,可讓那些原先不好管理、不能管理的資產,都有了唯一的標識。。

以某個“數字化工廠(DF)”中的零部件——電機軸為例,如圖2所示,如果將電機軸的管理殼結構從左至右展開,可以看到在整個DF的視圖的“清單”中有總資產和管理殼的標識,通過API而映射為DF的“標頭(header)”,“標頭”中的特性列表保證了DF的有形資產與管理殼在各自工作環境中的識別與認證,保證了在恰當的時間引用部分資產與視圖的能力。

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4 管理殼的結構,德國ZVEI201611

管理殼“標頭”之下是“主體(body)”。“組件管理器”負責管理“主體”的各子模型。子模性包含了資產特性的層次、系統級別,可以針對不同的資產引用各種數據與功能(上圖中白色幾何元素)。這些被引用的數據主要運行在信息層。

通過管理殼的確定,所有的資產,所有的對應模型,都可在全生命周期中被管理平臺識別、交互、實施、驗證、維護,能夠實現數字化的虛擬產品開發和自動測試,以適應和響應現代制造系統內外部的高度的不確定性(部門協調、客戶需求、供應鏈變化等),優化制造資源配置,力爭真正實現工業升級。

這意味著借助于管理殼,我們終于可以用數字模型和語言,來體現業務、功能、信息、交流綜合、資產的整體價值,包括這些內容來自哪里。這使得設備相連,可以真正實現整個時間線上的價值流的自由流動,成為實體世界與虛擬世界的無縫連接。

管理殼的價值

管理殼中的諸項內容都盡量做到遵從標準,為未來的系統擴展和萬物互聯打好基礎。圖3簡介了管理殼及子模塊的特性需要符合的標準與規范。

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5 管理殼需要符合的標準

有了這些基本的規范與標準示例,管理殼之間,就可以開始進行數據與信息的交換。在圖4中,管理殼之間的“連線”,可以比喻成某種形式上的“類數據總線”,因為所有資產之間的數據檢索、查詢與交換所形成的數據流,都是通過“類數據總線”進行。

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6 管理殼的互聯性,ZVEI2016.11

當原有的那些物理實體的各種資產,都有了一個機器可讀、語義相通、適用于生產系統所有生命周期階段的管理殼,那么人、機、物萬物互聯網的時代就真正來到了。

遵從各種標準來構建管理殼及所屬的子模塊,對企業來說是非常必要的。只要堅持按照相應的標準、規范持續地做下去,那么任何一個企業的工業4.0系統的建設結果,未來都具有以下三大益處。

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7 管理殼的價值

☆ 以高度模塊化的方式來構建和擴展自身的系統,所有的系統擴展都以類似于樂高積木的方式搭接而成;

☆ 基于標準的協議與接口與其他國內外合作伙伴順暢交換數據,而無需為此單獨開發特定的數據轉換工具;

☆ 所有的有管理殼的資產之間,都可以實現信息的互通、互操作。

管理殼與CPS

如果為了簡單描述,不妨略帶武斷地說,CPS是工業4.0的使能技術,而管理殼則是CPS的一個標準化的界面。管理殼與CPS,二者是分工合作、完美協作,實現兩個最優:

資產最優管理:管理殼讓所有的系統組件之間、系統的系統(SoS)之間變得容易集成、容易打通。盡管管理殼的作用是以給系統和系統組件穿上具有唯一標識的“數字化馬甲”、促進互聯互通為主,并不負責深入到物理實體內部。

資源最優配置:打通二者的界限與隔閡,把知識和算法嵌入軟件,軟件嵌入芯片,芯片嵌入到物理實體之中,由此而最終讓系統行為在賽博的作用下變得精確可控,讓企業資源得到最優配置。

不固根基,難起高樓。德國工業4.0RAMI CPS體系出發,穩扎穩打地來構建工業4.0基礎組件,從而通向智能工廠的構建。而深入了解管理殼,則是理解智能生產最為基礎的必修課。

如果要實現CPS更為廣泛的應用,很難躲開對管理殼的深入研究和應用。

后記

德國在工業4.0組件和管理殼的研究,跟工業4.0實踐并線前行,一步一呼應,給我們留下了深刻的印象。中國智能制造要深入落地,此一刻,更需要這樣的屏息靜氣,探索背后理論模型和應用實踐的對接。

 


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