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工业控制

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【工业线路板生产厂家】没有信息模型 就没有工业数码化转型
2021-05-21
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  为何说信息板型是工业数码化转型的一个关键基础?又为何在国内商议工业数码化转型很少有人提及信息板型呢?这是本文着意研究讨论的两个问题。

  信息板型的基本概念

  为了弄清信息板型的概念、涵义和应用,上网搜索了多时,也没有发觉真正把信息板型的概念论述得明白的资料,倒是上海工业半自动化仪表研讨院的原总工范铠,在十积年前为中国半自动化学会仪表装置专委会举行的一次学术会展写的论文《公司半自动化信息板型》中,用了一定篇幅商议了信息板型的概念,我以为是把问题讲清楚了。令人惋惜这篇论文一直没有正式在专业电视台上刊发过。在写这篇文章中我认为合适而使用了他的见地和基本描写。

  曾有人对板型下过一个意义广泛的定义:板型是为一定目标对局部事实世界而做的抽象简化描写。用算术方程描写的是算术板型,用一组抽象信息描写事情就是信息板型。这处,事情涵盖事实世界的客观对象,也涵盖对客观主体的行径树立信息板型。例如乐谱、拳谱都是客观主体的行径,也可以视为信息板型,由此可见信息板型自古就存在,只是如今显得更为关紧了,由于信息板型为信息的交换和数值的交换供给了管用率的基础。为此需求一个更严紧的定义。

  并非对事情的恣意描写都可以是信息板型。鉴于板型包括规范、典范的意思,所以定义:信息板型是用一组简化的信息,按一决定则对事情所做的抽象描写。这个定义有三个要领,即1)描写的形式是“信息”;2)按一决定则施行描写;3)所做的描写务必是“抽象”的。对同一个事情可以有多种不一样的形式或规则树立信息板型,也就是说树立信息板型的办法存在一定的恣意性,但我们寻求的是用存在广泛接纳的办法,也就是合格的办法来树立信息板型,否则达不到经过树立信息板型来管用交换信息和数值、成功实现可互操作的目的。同时我们还应当注意到,用于描写事情的信息量越大,这个事情便会被描写得越精细周密越真实;但认为合适而使用了不合适信息,还是信息过多却未被利用,那末这些个无用信息只能被视为“噪声”。

  在半自动化领域中树立的板型至少要满意能观性和能控性。从能观性讲,建模规则所牵涉到到的属性务必是可以取得的;从能控性讲,建模所用到的规则、属性务必是有限的,与应用水准相当。因为信息的搜集、贮存、传道输送和处置都要占用资源,超过限量的信息将会造成资源的耗费,甚至于造成系统的败绩。普通而言按一决定则来描写信息板型,意味着信息板型是面向某种聚齐、某种分类法的,例如OPCUA的信息板型和它的组成一套信息板型,流程半自动化设施的信息板型PA-DIM,等等。

  信息板型之所以变成半自动化领域的研讨重点,是由于离去了信息板型和算术板型,计算机没有办法对信息板型所表现的对象施行处置,网络也难于管用的施展效用。尤其是2015年德国提出工业4.0的远景计划以及近些年来显露出来的工业互联网大热往后,一点在前十几年研发的相关半自动化信息板型的标准着手有了用武之地。以往积年来积累了很多成熟的经济的技术和产品,例如很多的半自动化仪表、伺服电机及其驱动系统、PLC及其内装的应用手续等等,都可能在更大更广泛的系统中作为一个器件(基本单元)来处置。假如我们期望随着信息技术的进展能够充分利用他们与IT领域交互,能够让由信息、物理实体合成一体构成的CPS真正施展效用,就务必为全部工业技术和产品树立信息板型,否则谈啥子数码化转型、数码双生体完全就是空谈,根本没有办法落到地上扎根。

  因为制作过程的复杂性,一统的信息板型还难于成功实现,因为这个制作过程的信息板型是分层级的。第1层是制作对象、制作工具的描写板型,例如:机械制图、电路图、以及半自动扮装备的描写语言EDDL、FDT、FDI、OPC UA等。还有ISO、IEC正在构建的LoPs( Lists of properties )。针对不一样领域有很多LoPs标准,在过程半自动化领域是IEC 61987。第二层是制作机器或过程的操作描写语言,例如:IEC 61804 FB、IEC 61499 FB、IEC 61131-3,以及各种操算数儿字控制机床、机器人等专用板型工具。第三层是制作厂房流程的管理和调度板型。例如:各种出产线、AGV车操作和调度,以及各局部同步协调的板型和语言。

  额外,信息板型不止只是对出产对象的描写,更关键的是要在工程化的实行中改换为可执行的行径。从这个角度看,信息板型是对系统施行工程化组态的关键,端由在于:信息板型的数值述说方式可用图形化加以表现和配备布置,譬如PLC/Matlab的功能块,SCADA/PLC的组态界面;并且信息板型的数值款式可被PLC Runtime里的软件加载并解析,因此将用户的工程配备布置,转化为具体的机器指令。

  从工业4.0基本单元资产管理壳的视角看信息板型

  工业4.0基本单元(Industry4.0 Components)是描写信息物理系统CPS周密特别的性质的板型。CPS是一种在出产背景中的真实物理对象,经过与其虚拟对象和过程施行联网通信的系统。在出产背景中,从出产系统和机械装备到装备中的各类板块,只要满意了上面所说的这些个特别的性质,无论是硬件基本单元仍然软件基本单元,无论是具备智能特别的性质的仍然没有智能特别的性质,都具有和合乎工业4.0要求的有经验。

  变成工业4.0基本单元有2个先决条件:1)它务必在整个儿性命周期内搜集全部有关数值,储存安放在有该基本单元所承载的具备信息安全的电子器皿内,并由它把这些个数值提提供公司参加价值链的过程。在工业4.0基本单元的板型中,这个电子器皿称之为“资产管理壳”,略称管理壳。2)基本单元的物理对象务必具备通信有经验,以及相应的数值和功能。这么,在出产背景中的硬件单元和软件单元之间都能施行合乎工业4.0要求的通信。

  资产构成工业4.0基本单元(物理的/非物理的)的实体局部,管理壳构成工业4.0基本单元的虚拟局部,工业4.0的通信将各种基本单元加以连署。其实管理壳是连署工业4.0与资产的接口,是储存安放资产的全部数值与信息的贮存器,它同时仍然作为工业4.0标准化的通信网络的接口,它具备把无源的资产(如软件、文档)集成到工业4.0的网络的有经验,它还能够用来把现存的设施升班搬迁至工业4.0的大背景中。

  对资产管理壳结构的要求是:1)务必满意全部的工业类型:制作工业、流程工业和混合(同时存在制作和流程)出产;2)价值链包括物流、采集购买、出产、产品回收处置和服务;3)升值网络涵盖合作火伴和应有尽有的参加者;4)信息安全(按可信性、完整性、可用性要求);5)在RAMI4.0 Layer维度服务于各个层次;6)在RAMI4.0的IEC2890维度使用于要求、概念、预设、调整、运行、升班;7)在RAMI4.0的Hierarchy Layers维度服务于所定义的层次跨度。

  资产管理壳其实是按一决定则构成的元信息板型(见图1)。它由标识局部、多少子板型(信息板型)构成。而子板型又涵盖其标识、技术数值、运行数值日文档等局部。例如“能效”子板型就有节能板型、总计的节能数目、潜伏的节能百分率等。为了将资产完整地融入IT的领域,工业4.0的解决方案要求构成资产的各个方面都要加以连署,那里面涵盖机械设施及其器件,所供应的材料、零件配件和产品,各种技术文档如图纸、接线图,合约,订单等。

  之所以在顶层预设中要专门严紧预设资产管理壳作为关键的基础环节,基于以下因素:资产管理壳是工业4.0对应其物理实体的数码双生体的成功实现;它给予OT设施具备跨企业的互操作性;无论是智能产品仍然非智能产品,都可以利用资产管理壳;它遮盖了产品、设施、机械装置及其组成一套设施的全性命周期;它还给予价值链集成的有经验;同时仍然自主系统和人工智能AI的数码基础。

图1  资产管理壳元信息板型的结构

  图1  资产管理壳元信息板型的结构


  为了推广信息板型的应用,德国已经在开始研发信息板型使用服务的软件包,例如菲尼克斯企业下属的软件企业(即以原来以基于IEC 61131-3的PLC工程平台MultiProg称著的KW企业为主要班底),就正在研发测试起名称为“资产管理壳软件包的考求者”AASX Package Explorer。

  图2是说话时的这一年德国工业4.0路线图宣布的一张系统图,论述具备资产管理壳的工业4.0基本单元(I4.0-Component with AAS)是成功实现跨企业OT设施的互操作性基础。由不一样的企业制作的OT设施,只要相应树立一个合乎工业4.0要求的资产管理壳,将在其全性命周期的各个阶段都可以经过基础架构服务(IaaS)、平台架构服务(PaaS)和软件服务(SaaS)形成跨企业设施的互操作性有经验。

图2  工业4.0成功实现跨企业OT设施互操作性的办法

  图2  工业4.0成功实现跨企业OT设施互操作性的办法


  综上所述可见,资产管理壳是能够各个方面包括出产系统、机械装备、构成出产系统和机械装备到的各类器件和板块的的信息器皿,这些个信息需求反映从预设、制作、运行等各个阶段的技术数值和状况,还需求经过网络化的手眼与系统中的其他管理壳形成互操作。这么一种复杂的跨时间、跨地域、跨行业、跨专业的综合板型,除开认为合适而使用由多个子信息板型构成的元信息板型,到现在为止没有其他更加合宜的建模办法。

  从OPC UA的视角看信息板型

  OPC UA的架构由三局部组成(见图3):底层是相关通信的局部,具体认为合适而使用哪种通信协议不受限止,每一种具体用例都是所选用通信协议的照射,可以是有线的,也可以是无线的;到现在为止用的最多的是以太网。半中腰局部是OPC UA的元信息板型和对此信息板型的存取。最上局部是供应商专用的扩展,也就是组成一套的信息板型,如机器人组成一套信息板型、CNC数字控制机床的组成一套信息板型、风电机械的组成一套信息板型,等等。 

图3  OPC UA的架构

  图3  OPC UA的架构


  OPC UA是一个为成功实现工业互操作性的框架,其数值板型基于供给具备句法定义的信息,况且可以以恣意的通信办法(涵盖各种现代的工业协议、以太网、移动通信和无线通信)施行通信。设施和机械制作商用面向对象的信息描写它们的系统,也定义与IT安全地集成的存取权。像机械制作厂商这么的数值供给者可以持有对其数值的扼制,并以有目的和可控的形式来分发数值。它们不不过大数值的参加者,并且还可以经过对它们数值的剖析达到增长速率和性能的目标,因此萌生更大的制作和出产好处。OPC UA的目的是经过树立一种可在整个儿半自动化系统中运用的公共的信息板型的建模办法,达到无缝互操作性的成功实现。数码化的的实际关键在于数值的涵义和描写,OPC UA为信息板型的树立供给一种框架和标准。如今的实际事情状况是每个设施和机械的制作商其实也都供给信息板型,数值和接口也是可以运用的。不过假如不一样的制作商出产相同的产品,因为没有遵照标准,这些个接口和数值就没可能有互操作性。反过来,假如它们在协商完全一样的基础上制定标准信息板型,那末就能供给一样的数值和服务。将这些个设施集成起来不止更便捷,甚至于可以做到即插即用的解决方案。

  这就是OPC基金会及其火伴一块儿来联手开创标准的信息板型(组成一套的规范)的目的。表1是多少组成一套信息板型规范的一览表。

  第1个全世界OPC UA机器视物感觉组成一套规范AutoID的研发,最早是由VDME提出,近年来进展变成由多国相关机器视物感觉标准的机构施行国际紧急协作的产物,这些个机构涵盖美国的半自动化成像协会AIA、中国机器视物感觉产业联盟CMVU、欧罗巴洲的机器视物感觉协会EMVA和德国的机械设施制作商联手会VDME,以及东洋的工业成像协会JIIA。像这么一种联手研发OPC UA组成一套规范的办法可以大大减损在机器视物感觉信息板型的层叠,在国际上形成协调完全一样的组成一套规范,因此达到在世界范围内大大减低成功实现真正互操作性的壁垒,使最后用户和供应商都能从其中取得好处。

  可以肯定地说智能设施和装置应当同时支持多个组成一套的信息板型,例如智能型注塑机除开支持专门的注塑机的功能性信息板型,还要支持能量物质数值的信息板型,支持与MES系统接口的信息板型。假如PLC中服载了某种机械装置能充分了解的信息板型,同时用标准化的数值和经过标准化的软件接口直接而迅速地与外界(HMI、MES等等)沟通,这将大大减损工程量。可以预见,从今以后大致相似这些个行业专用的信息板型和多种行业都可通用的信息板型都能研发出来,其关紧性和可用性将会迅疾提高。这对于智能制作和成功实现工业4.0都具备重大意义。

  还有一个跨领域的信息板型问题。有的细分行业例如半自动辨别AutoID行业,其产品的应用面包括非常大的范围,从燃料天然煤气行业、流程工业到失散制作业,机器人等都会用到半自动辨别的产品,于是AutoID行业所树立的信息板型是不是都能够在其他行业领域应用,就衍变变成怎么样树立跨领域的信息板型。还有像资产管理、能量物质管理、固件升班等等都是跨行业跨领域的应用。为理解决这一类跨领域的信息板型的复杂建模,在OPC基金会内里树立了一个跨领域协调组。有可能采取的办法是为了成功实现互操作性,先检查核对各有关规范之间存在的的相仿点,以尽有可能地使层叠的局部最小化。而后思索问题将牵涉到整个的局面:胸怀~的数值转移到较高层次的可供一般使用的数值库房。这么的目标是避免每一个组成一套信息板型办公组自行定义具备相同应用的数值类型。这个跨领域协调组的办公正在开展,能否发生效力仍然一个挑战,要等待于在未来的实践中检查验看。

  在一个工业信息物理系统CPS中,物理过程和信息过程互相对应又互动。这两类事情自然产生的具备异构特别的性质,为了你我整合就需求一个合宜的半中腰环节,挑选信息板型作为这个环节成功实现互操作性,既合乎思维规律推理,又有实际证明支持。同时,信息板型有众多子领域分支,譬如PLCOpen实际上是一种主要用于描写扼制思维规律编程的领域板型;AutomationML用于描写制作工艺流程布局、几何结构、机械运动学和运动计划,也就是对出产系统描写建模的领域板型;FDI用于描写在场总线协议解析有关的板型。这些个子领域板型你我割裂,需求有一种能将他们集成,并拼接在一块儿的板型,这也是使用OPC UA的信息板型办法,认为合适而使用分层级的手眼,解决为复杂对象树立信息板型的一种管用路径。


  表1  多少OPC UA组成一套信息板型规范一览表

表1  多少OPC UA组成一套信息板型规范一览表


  信息板型是工业公司成功实现数码化转型的基础

  在网络化的出产中全部的出产环节和参加者,从预设、制作、集成到运用运营各个阶段,一直居于一种动态的开放生活习性系统当中,这种在散布式结构中施行大规模复杂的协同,其基础就是需求成功实现互相之间无缝地交换信息和知识,还是说只有结果功实现互操作能力达到高速率地交换信息和知识。在现代的出产制作大背景中,构建大规模的分工和协同整体体系其必须具备的条件是产品的板块化和标准化,保证各出产环节的顺利通畅运转是表现出来产品板块化和标准化的属性——互操作性。而真正成功实现互操作性的前提是按标准化的形式树立各有关环节合格的信息板型。

  由此我们可以得出以下判断:随着工业公司数码化转型的开始工作和开展,应当充分意识信息板型是工业公司成功实现数码化转型的基础环节,给与足够的看得起。

  然而,假如对国内的有关事情状况施行理解和剖析,你会发如今热议数码双生的时刻许多人只谈机理板型和数值板型,不管是学术界仍然工业界对信息板型是何物,有啥子用法,更别说何在用,仿佛好象没有提到每日安排上来,使人感受在工业发达国度商议并积极研发信息板型这个工业数码化转型的热点,在国内却被打入冷宫,弃之无须或弃之不提。国内主导建模的学术界主要关心注视机理建模和数值建模,不关心注视信息板型的树立;而公司建模以解决具体问题为主,基本不会对事关公司出产系统的一揽子建模解决方案的顶层预设投入精神力。实际上,在机理建模和数值建模以外,还有功能性/组合建模(functional/compositional modeling),信息板型就归属这一类建模。实际上,从一定的意义上讲,机理板型和数值板型的取得和部署都依靠于信息板型,信息板型借助“量纲”的效用,假如数值没有量纲,这些个数值的运用范围遭受非常大限止。

  显然,个别的信息板型没有应用价值,而系统的、事关整个的局面:胸怀~的信息板型的顶层预设和实行需求政府主管部门指导,行业协会、标准化团体树立规则和规范,不过这些个仿佛好象并没有引动足够的看得起,更不必论及提到它们的商讨公事每日安排。由此可见,国内到现在为止好似还没有研发信息板型的生土和动因,还处于懵懵然的状况。与德国、美国对信息板型所投入的精神力和所获得的发展对比,就晓得人烟彻底体现工业数码化转型是以实就实,尽管要真正取得广泛应用或许还要很多年往后,不过事关长远之计至少是几十年大计的问题,就务必从如今做起,有赖积累和逐渐进展方可得到。


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