德國工業(yè)4.0的規(guī)劃正在參考架構(gòu)模型RAMI4.0和I4.0基本單元等頂層設(shè)計(jì)的理念引導(dǎo)下踏實(shí)推進(jìn)，落地生根。目前I4.0基本單元的開發(fā)已經(jīng)從大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)開發(fā)發(fā)展到由相關(guān)的行業(yè)協(xié)會牽頭的實(shí)施開發(fā)，逐步形成了一套不斷完善的開發(fā)體系。

圖1：工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0和物理－數(shù)字化架構(gòu)及遞階關(guān)系

圖1清晰表達(dá)RAMI4.0和物理－數(shù)字化架構(gòu)及通信遞階關(guān)系。把物理實(shí)體（包括硬件、軟件、工程文件等）通過數(shù)字化演化為能在虛擬世界完整表達(dá)、通信、推理、判斷、決策加工等，讓控制信息和業(yè)務(wù)信息都能實(shí)時(shí)傳遞交換和處理，從而使企業(yè)中的各類資產(chǎn)都能互聯(lián)、互操作。根據(jù)不同資產(chǎn)的作用，當(dāng)它們數(shù)字化后相互之間的關(guān)聯(lián)，應(yīng)該按控制要求和業(yè)務(wù)要求構(gòu)建它們之間的扁平化的通信遞階關(guān)系。

這里，物理實(shí)體實(shí)際上包含了工業(yè)制造技術(shù)、工業(yè)制造工藝、工業(yè)制造裝備、工業(yè)制造材料、工業(yè)制造基礎(chǔ)零部件、工業(yè)控制技術(shù)等，由它們構(gòu)成工業(yè)制造的源和本。無論IT技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)喲對工業(yè)制造形成了多么巨大的推動(dòng)，但離開了這一系列的物理實(shí)體，IT也好，軟件也好，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)也好，終將成為無源之水，無本之木。

▌I4.0基本單元模型

I4.0基本單元是一個(gè)描述信息物理系統(tǒng)CPS詳細(xì)特性的模型。CPS是一種在生產(chǎn)環(huán)境中的真實(shí)物理對象，通過與其虛擬對象和過程進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信的系統(tǒng)。在生產(chǎn)環(huán)境中，從生產(chǎn)系統(tǒng)和機(jī)械裝備到裝備中的各類模塊，只要滿足了上述這些特性，不管是硬件基本單元還是軟件基本單元，都具備和符合了工業(yè)4.0要求的能力。

圖2：I4.0基本單元模型

圖2列舉了4個(gè)I4.0基本單元的例子。分別是：1）一整套機(jī)械裝備作為I4.0基本單元，這類I4.0的基本單元是由機(jī)械制造廠商來實(shí)現(xiàn)的。2）由專門供應(yīng)廠商提供的關(guān)鍵部件也可看成是一類I4.0基本單元，由部件制造廠商實(shí)現(xiàn)。它們往往可以分開登錄，譬如可分別在資產(chǎn)管理系統(tǒng)和維護(hù)管理系統(tǒng)中登錄。3）還可以把一些構(gòu)成零部件看成是I4.0基本單元，例如一個(gè)端子排，不但是連通信號的接線，而且在整個(gè)機(jī)械裝備的生命周期中還起著傳輸數(shù)據(jù)的作用。這種I4.0基本單元的實(shí)現(xiàn)者往往是電氣工程師或技術(shù)員。4）軟件也是生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要資產(chǎn)，它們也是I4.0基本單元。例如一個(gè)獨(dú)立的規(guī)劃或者工具性工程軟件，甚至一個(gè)功能塊庫。其實(shí)現(xiàn)者可以是軟件供應(yīng)商，也可以是控制器應(yīng)用程序的編程工程師，等等。

▌成為I4.0基本單元有2個(gè)先決條件：

1. 它必須在整個(gè)生命周期內(nèi)采集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，存放在有該基本單元所承載的具有信息安全的電子容器內(nèi)，并由它把這些數(shù)據(jù)提供給企業(yè)參與價(jià)值鏈的過程。在I4.0基本單元的模型中，這個(gè)電子容器稱之為“管理殼”。

2. 基本單元的真實(shí)對象必須具有通信能力，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)和功能。這樣，在生產(chǎn)環(huán)境中的硬件單元和軟件單元之間都能進(jìn)行符合工業(yè)4.0要求的通信。

由圖3可知，資產(chǎn)構(gòu)成I4.0基本單元（物理的／非物理的）的實(shí)體部分，管理殼構(gòu)成I4.0基本單元的虛擬部分，工業(yè)4.0的通信將各種基本單元加以連接。

實(shí)際上管理殼是連接工業(yè)4.0與資產(chǎn)的接口，是存放資產(chǎn)的所有數(shù)據(jù)與信息的存貯器，它同時(shí)還是作為I4.0標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)的接口，它還具有把無源的資產(chǎn)（如軟件、文檔）集成到I4.0的網(wǎng)絡(luò)的能力，它還能夠用來把現(xiàn)有的設(shè)備升級遷移至工業(yè)4.0的大環(huán)境中。

圖3：參照RAMI4.0看I4.0基本單元的特性

▌PLCopen規(guī)范在RAMI4.0功能性維度中的位置

PLC的軟件技術(shù)以PLCopen國際組織為先導(dǎo)，一直在為滿足工業(yè)4.0和智能制造日益清晰的要求做足了準(zhǔn)備。圖4顯示PLCopen歷年來所開發(fā)的各種規(guī)范（運(yùn)動(dòng)控制、安全控制、OPC UA通信、XML等）在工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI4.0）相應(yīng)的制造環(huán)境的功能層級維度及其層級中的位置，可以明顯的看到，PLCopen國際組織長期以來執(zhí)著地為提高自動(dòng)化效率所做的卓有成效的工作，使得人們期望明天能夠運(yùn)用的技術(shù)，只要愿意今天就可以擁有。

    圖4：PLCopen各規(guī)范在RAMI4.0中的位置

例如，PLCopen與OPC基金會聯(lián)合開發(fā)的IEC 61131-3的OPC UA信息模型和相應(yīng)的OPC UA的客戶端和服務(wù)端的功能塊規(guī)范，就可以用在由產(chǎn)品層和現(xiàn)場設(shè)備層，乃至控制設(shè)備層、車間層、工廠層、企業(yè)層，以及跨企業(yè)連接層中運(yùn)用，起到符合工業(yè)4.0所要求的分布式、扁平化的通信作用。值得注意的是，為了使OPC UA能夠滿足M2M的實(shí)時(shí)通信，近年來正在把廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信的發(fā)布方／訂閱方的通信機(jī)制引入。同時(shí)也在開發(fā)符合IEEE時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN規(guī)范的OPC UA TSN。這是OPC基金會計(jì)劃用OPC UA取代工業(yè)以太網(wǎng)的又一舉措。而PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范則在現(xiàn)場設(shè)備層和控制設(shè)備層中廣泛運(yùn)用?；贗EC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的邏輯控制和順序控制以及面向?qū)ο蟮目刂凭幊踢\(yùn)用于現(xiàn)場設(shè)備層、控制設(shè)備層、車間層等。機(jī)械安全規(guī)范完全可以用在工廠層、車間層和設(shè)備層。而PLCopen 的IEC 61131-3的XML模式規(guī)范已經(jīng)成功的運(yùn)用在工廠工程設(shè)計(jì)平臺AutomationML中和許多控制系統(tǒng)統(tǒng)一工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)和服務(wù)的平臺中，作為不同功能設(shè)計(jì)引擎的數(shù)據(jù)交換和圖形交換的有效軟件工具。

??▌RAMI4.0的物理實(shí)體虛擬映射維度中PLCopen的功能性??

在工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0中有一個(gè)維度專門用于將物理實(shí)體資產(chǎn)經(jīng)過數(shù)字化的途徑映射為相關(guān)資產(chǎn)的產(chǎn)品描述（數(shù)據(jù)性能），如何使這一過程標(biāo)準(zhǔn)化呢？

一種可行的方法是按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO29002-5，即《工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和集成  特征數(shù)據(jù)交換》的第五部分“標(biāo)識方法”，利用分類產(chǎn)品描述的軟件包eCl@ss Version9.1，用URI和URL進(jìn)行唯一資源標(biāo)識和唯一資源定位。 ISO29002-5規(guī)定了唯一標(biāo)識管理項(xiàng)的數(shù)據(jù)元素和語法。管理項(xiàng)可以是概念詞典中的一個(gè)概念或概念信息元素。概念信息元素包括如下的術(shù)語內(nèi)容（名稱，縮略詞，定義，圖片，符號等），將一個(gè)概念歸類于某個(gè)相同概念類（概念類型），以及參照于源文件。

圖5表述的就是這種統(tǒng)一的格式。標(biāo)識符是URI，為每一種資產(chǎn)提供唯一的識別符，并與該資產(chǎn)對應(yīng)的管理殼對應(yīng)，該標(biāo)識符既參照該資產(chǎn)的物理分類，又可鏈接該資產(chǎn)的管理殼，而管理殼的虛擬描述完全建立在其物理特性和相關(guān)數(shù)據(jù)之上。

圖5：利用URL唯一標(biāo)識工業(yè)4.0基本單元

圖6示出許多標(biāo)準(zhǔn)作為管理殼的領(lǐng)域／子模型的樣板。例如管理殼可遵照IEC TR 62794和IEC 62832 數(shù)字工廠；標(biāo)識可參照ISO 29005 或 URI唯一ID；通信可遵照IEC61784工業(yè)通信規(guī)約第二章以太網(wǎng)；能效依據(jù)ISO/IEC 20140-5；信息安全參照IEC 62443 網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的信息安全；等等。顯然，PLCopen國際組織在PLC這一大類產(chǎn)品的產(chǎn)品描述這一方向上具有不可推卸的責(zé)任和義務(wù)。目前他們正在開展實(shí)施的可行性和技術(shù)路線的研究。

圖6： 管理殼的領(lǐng)域／子模型的樣板標(biāo)準(zhǔn)

圖7是管理殼、子模型、性質(zhì)、復(fù)雜數(shù)據(jù)和功能的示范內(nèi)容。從可視的角度看，一個(gè)經(jīng)標(biāo)識的資產(chǎn)其管理殼也是經(jīng)標(biāo)識的，都是顯性化的知識，即表征這個(gè)資產(chǎn)的性質(zhì)。而其數(shù)據(jù)和功能都是可通過APIs被語義化存取的。資產(chǎn)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)都遵照嚴(yán)格而統(tǒng)一的格式表達(dá)性質(zhì)的集合（圖示中子模型1是能效，子模型2是安全，子模型3是鉆孔）。而有關(guān)數(shù)據(jù)和功能的運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)則按照不同的互補(bǔ)的數(shù)據(jù)格式。

圖7： 資產(chǎn)對應(yīng)的管理殼的內(nèi)容

對PLCopen來講，要讓他多年所積累的軟件技術(shù)迅速地融入工業(yè)4.0，一個(gè)可行的途徑是參與產(chǎn)品描述。工業(yè)4.0需要組織極大數(shù)量不同類型的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)元件，PLCopen的專業(yè)范圍就是這些不同類型中很重要的與PLC技術(shù)相關(guān)的一類。過去許多年他已經(jīng)定義了許多不同的功能塊集合，可以利用這些作為基礎(chǔ)，進(jìn)行以I4.0基本單元為目標(biāo)的擴(kuò)展，定義有關(guān)的功能性或軟件，建立潛在功能性的抽象層。再通過I4.0基本單元的AAS（資產(chǎn)管理殼）／openAAS，由資產(chǎn)層（或集成層）映射至功能層。為此，PLCopen組織一項(xiàng)新的工作就是定義一類AAS的功能塊，允許這些AAS功能塊可以嵌入在PLC的程序中，使PLC程序可以提供I4.0基本單元的管理殼的有關(guān)信息。80給出3種類型的資產(chǎn)管理殼AAS的功能塊：第一種是AAS_AdminShell，定義管理殼的標(biāo)識，包括資產(chǎn)類型的標(biāo)識、管理殼的標(biāo)識和其它一些必要的輔助標(biāo)識；第二種類型的功能塊是AAS_SubModel，定義管理殼內(nèi)所用的子模型的標(biāo)識。第三種類型是AAS_EnumPropperties功能塊，定義與子模型相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)識、數(shù)據(jù)等等。對照圖9可清晰看出這3個(gè)功能塊與I4.0基本單元的管理殼對應(yīng)的內(nèi)容。

圖8： 定義資產(chǎn)管理殼功能塊

以伺服驅(qū)動(dòng)的功能性為例（圖9），可用eCl@ss規(guī)定伺服驅(qū)動(dòng)的物理特性，并使之可供運(yùn)用。而其功能性則在PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范中的功能塊予以表達(dá)，當(dāng)然這也包括驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。所有有關(guān)的功能性都可以在由資產(chǎn)層到信息層和功能層中被上傳、表達(dá)和使用。只要用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的接口經(jīng)過I4.0基本單元的管理殼，將物理資產(chǎn)轉(zhuǎn)換為性能，再轉(zhuǎn)換為功能性。

圖9：伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能性的表達(dá)

圖10示出一臺PLC控制一伺服驅(qū)動(dòng)軸組（譬如5臺伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器）的功能性表達(dá)。單臺伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)用圖中左下角的功能塊表達(dá)，而控制器PLC所運(yùn)用的功能塊（如MC_MoveGroup，MC_camming，MC_Gearup）表達(dá)軸組的功能性。然后集中起來映射到該P(yáng)LC的I4.0基本單元（見圖13）。

圖10  伺服驅(qū)動(dòng)軸組及其控制器

圖11  軸組控制器系統(tǒng)的功能性表達(dá)

▌小結(jié)

自1992年成立至今，PLCopen國際組織契而不舍地以改善自動(dòng)化的效率為己任，開發(fā)發(fā)展了涵蓋工業(yè)控制工程編程、調(diào)試、維護(hù)、服務(wù)的統(tǒng)一平臺，運(yùn)動(dòng)控制，通信，機(jī)械功能安全以及基于IEC 61131-3的XML模式等規(guī)范，更重要的是通過在歐洲的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證和廣泛運(yùn)用，進(jìn)而推廣到包括美國、日本、中國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家和新興發(fā)展中國家，乃至全世界。這些都作為在德國工業(yè)4.0推進(jìn)過程中重要的基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)，特別是軟件定義制造的方向上一類不可或缺軟件規(guī)范而載入了工業(yè)發(fā)展的史冊。

僅僅停留于此絕不是PLCopen的風(fēng)格，這幾年來他還殫心竭慮地從事如何把涉及PLC、運(yùn)動(dòng)控制、安全控制等諸方面的工業(yè)硬軟資產(chǎn)科學(xué)的映射到虛擬世界中去。本文簡要的概括了這些積極有效的工作，以期贏得智能制造圈內(nèi)人士的關(guān)注，一起來推動(dòng)和發(fā)展。

PLCopen中國組織成立于2005年。作為PLCopen國際組織的成員，12年來不遺余力的推動(dòng)上述的各項(xiàng)PLCopen技術(shù)和規(guī)范在我國的成功而廣泛的應(yīng)用。尤其在近幾年以智能制造為核心的《中國制造2025》規(guī)劃的實(shí)施過程中，倡導(dǎo)PLC控制、機(jī)器人控制和CNC控制的融合發(fā)展，倡導(dǎo)為高等教育的新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)提供因應(yīng)世界發(fā)展趨勢的理念和技術(shù)。正因?yàn)槎嗄甑母藕头e累，許多PLCopen中國組織的成員在為我國的PLC，包括機(jī)器人控制和CNC控制在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制等多個(gè)方面都作出了積極貢獻(xiàn)。