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技术 | RAMI4.0 工业4.0参考体系

巨型集合体

工业4.0概念包含了由集中式控制,向分散式增强型控制的基本模式转变,从而建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中,传统的行业界限将消失,并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变,产业链分工将被重组。

大大小小基于数字化重组的产业链分工,意味着工业4.0作为一个超复杂的巨系统正在形成。各种机器、产品、零部件、人员、原材料,各种研发工具、测试验证平台、虚拟产品,各种工厂、生产管理、运营管理流程,各级供应商以及成千上万的客户,都将是这一个系统的重要组成部分。

一个前所未闻的工业领域的巨型集合体在形成。

为了解决复杂系统的组成问题,就必须引入体系架构。这就是工业4.0参考架构模型RAMI诞生的基本原因。这是系统工程论中最典型的思维模式。

术语定义

RAMI4.0(Reference Architecture Model Industrie 4.0)即工业4.0参考架构模型,是从产品生命周期/价值链、层级和架构等级三个维度,分别对工业4.0进行多角度描述的一个框架模型。它代表了德国对工业4.0所进行的全局式的思考。有了这个模型,各个企业尤其是中小企业,就可以在整个体系中,寻找到自己的位置。

也就是说,在对工业4.0的讨论中需要考虑不同的对象和主体。其对象既包括工业领域不同标准下的工艺、流程和自动化;也包括信息领域方面,信息、通信和互联网技术等。为了达到对标准、实例、规范等工业4.0内容的共同理解,需要制定统一的框架模型作为参考,对其中的关系和细节进行具体分析。

整体的骨架

在德国工业4.0的工作组的努力和各种妥协之下,2015年3月,德国正式提出了工业4.0的参考架构模型(RAMI4.0)。

RAMI4.0的第一个维度,是在IEC 62264企业系统层级架构的标准基础之上(该标准是基于普度大学的ISA-95模型,界定了企业控制系统、管理系统等各层级的集成化标准),补充了产品或工件的内容,并由个体工厂拓展至“连接世界”,从而体现工业4.0针对产品服务和企业协同的要求。


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图1 工业4.0参考架构模型图


第二个维度是信息物理系统的核心功能,以各层级的功能来进行体现。具体来看,资产层是指机器、设备、零部件及人等生产环节的每个单元;集成层是指对一些传感器和控制实体等;通信层是指的是专业的网络架构等;信息层是指对数据的处理与分析过程;功能层是企业运营管理的集成化平台;商业业务层是指各类商业模式、业务流程、任务下发等,体现的是制造企业的各类业务活动。


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图2 RAMI功能层的作用


第三个维度是价值链,即以产品全生命周期视角出发,描述了以零部件、机器和工厂为典型代表的工业要素从虚拟原型到实物的全过程。具体体现为三个方面:一是基于IEC 62890标准,将其划分为模拟原型和实物制造两个阶段。二是突出零部件、机器和工厂等各类工业生产部分都要有虚拟和现实两个过程,体现了全要素“数字孪生”特征。三是在价值链构建过程中,工业生产要素之间依托数字系统紧密联系,实现工业生产环节的末端链接。此处我们以机器设备为例,虚拟阶段就是一个数字模型的建立包含了建模与仿真。在实物阶段主要就是实现最终的末端制造。

目前公布的RAMI4.0已经覆盖有关工业网络通信、信息数据、价值链、企业分层等领域。对现有标准的采用将有助于提升参考架构的通用性,从而能够更广泛地指导不同行业企业开展工业4.0实践。

小公司怎么参与

RAMI4.0对于德国产业界来说,是继“工业发展的四个阶段划分”观点之后,又一个新的成果,是对工业4.0理念进一步的明确和阐述。其意义主要体现在三个方面。

一是有助于凝聚产业界共识,加快推动大企业实施工业4.0战略。工业4.0参考架构模型RAMI4.0实际上是为德国国内企业明确了一个通用的工业4.0概念,能够对企业部署新的基础设施、应用新的技术、形成新的标准指明方向。

作为工业4.0的主要推动机构,德国“工业4.0平台”以RAMI4.0架构所界定的各项功能为目标,正在积极推进信息技术、制造技术、激光感应技术等跨界技术的集成试验。目前已搭建测试床32个,形成应用案例237个,部分研究成果已在德国的大企业中进行实施。

二是有助于聚合中小企业,提升中小企业参与积极性。德国大约有330多万中小企业,他们是德国经济的支柱和推动力量,这些中小企业虽然规模不大,但都是在某一个制造领域的领先者。对于工业4.0,大部分中小型企业仍持观望态度,都在等待合适的市场框架形成。根据德国联邦贸易与投资署专家此前的研究显示,2011年德国工业4.0概念提出之后,参与的企业主要是特定产业领域中的大企业和大机构,如博世、西门子等,但中小型企业的参与度却始终很低。

RAMI4.0明确了新的标准和技术框架,使得中小企业有机会参与未来工业体系建设过程中,从而提升中小企业的参与度,加快推进工业4.0战略在德国整个产业界中的落实。

联合的走向

基于参考架构的深化合作,是当前美德两大制造强国对接的重要标志。2016年3月2日,美国IIC和德国工业4.0在瑞士苏黎世共同宣布正式开展合作。

2016年4月的汉诺威工业博览会,德国工业4.0和美国工业互联网联盟两大组织的核心成员共同发表了主题演讲,希望发挥两大平台的综合优势,简化技术选择,提升互操作性,加速全球标准化。而德国总理默克尔也欣然表态,“我很高兴看到工业4.0平台正在与美国工业互联网联盟基于参考架构开展标准化方面的合作,这将加速工业4.0的实现,而当我们开始了标准化的工作,我们就站在了非常有利的位置上。”


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图3 美国IIC和德国工业4.0参考架构对应关系


而在2016年6月的工业互联网联盟会议上,博世公司作为工业4.0和工业互联网联盟连接的主要主体,宣布了两大联盟正在以博世力士乐在洪堡(Homburg)的工厂为依托,共建首个 “智能制造设备维护(smart manufacturing facility operation)” 测试床。该测试床主要目的是实现生产计划排产的优化,降低峰值能源消耗,其实现架构也基于IIRA的三层架构来实现。目前,这一测试床已成为美德两大阵营深化合作的试验田。

中国的阵地

2015年12月30日,工信部和国标委联合发布了《国家智能制造标准体系建设指南》(2015年版),同时包含了我国的智能制造系统架构,从生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建。


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图 4 智能制造系统架构


智能制造系统架构通过三个维度展示了智能制造的全貌。为更好的解读和理解系统架构,以可编程逻辑控制器(PLC)、工业机器人和工业互联网为例,分别从点、线、面三个方面诠释各自在系统架构中所处的位置。


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图 5 PLC在智能制造系统架构中的位置


PLC位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的控制层级,以及智能功能的系统集成,如图5所示。


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图 6 工业机器人在智能制造系统架构中的位置


工业机器人位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的设备层级和控制层级,以及智能功能的资源要素,如图6所示。


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图 7 工业互联网在智能制造系统架构中的位置


工业互联网位于智能制造系统架构生命周期的所有环节、系统层级的设备、控制、工厂、企业和协同五个层级,以及智能功能的互联互通。

目前,在中德智能制造/工业4.0标准化工作组,我国已与德方开展智能制造系统架构与德国工业4.0参考模型架构的互认工作。阶段性成果如图8所示。


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图 8 中国智能制造系统架构与RAMI互认阶段性成果


小记

RAMI4.0既有系统工程的思维,又有大量的标准嵌入其中。这个颤颤巍巍的架构,目前所受到的关注度,相比于其他工业4.0概念,一直算是不温不火。实际上,一旦发展得当,它会扶摇直上,形成最为巨大的生态体系。

或者不妨武断地说,RAMI4.0是德国面向未来的一个巨型制造体系的骨骼。


文章来源:知识自动化


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点击次数:  更新时间:2016-09-07 15:00:50  【打印此页】  【关闭