★ 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 柳晓菁 导读：本文介绍了RAMI 4.0、管理壳和工业4.0组件之间的关系和AutomationML概念，描述了基于AutomationML技术实现工业4.0组件管理壳建模方法及建模示例。 2015年4月，德国工业4.0平台发布了工业4.0参考架构模型（RAMI 4.0），如图1所示。RAMI4.0通过等级（Layer）、全生命周期和价值流（LifeCycle& ValueStream）、层次结构（Hierarchy Levels）三个维度进行描述，每个维度均被细分成若干管理区块，当业务场景不一样时，对应的组合方式会有巨大的区别。理论上，任何一个企业都可以在这个三维架构中找到属于自己的位置。等级包括资产、集成、通信、信息、功能、业务等，从物理层到信息层，再到管理层，将复杂的工程分组并形成更小的单元，体现了信息物理系统（CPS）的核心功能。全生命周期和价值流将产品从需求、规划、开发、生产、上市、退市等过程及该过程中所产生的业务价值流进行综合管理，描述了整个价值链中不同数据间的相关性。层次结构包括产品、现场设备、控制设备、生产线、车间、企业、互联世界。该维度是基于IEC 62264企业系统层级架构增加了产品和工件的内容，并由单体工厂扩展到连接世界。
图1 工业4.0参考架构模型
工业4.0组件是RAMI 4.0的具体实现，是具有通信能力、可全局且唯一识别的参与者，由管理壳和工业4.0系统内具有数字连接的资产组成，并且提供具有定义服务质量（QoS）属性的服务，如图2所示。工业4.0组件可以是生产系统，也可以是单个设备或单元，或是设备内的模块。
图2 工业4.0组件的结构
管理壳可将资产转换成工业4.0组件，实现工业4.0系统中资产的数字化和主动通信能力。包括用于表示资产及其技术功能的相关信息，向信息世界提供有关资产信息，并根据RAMI 4.0进行构建，如图3所示。资产组成工业4.0组件的真实世界部分，管理壳组成工业4.0组件的虚拟部分。
图3 管理壳的结构
自动化标识语言（AutomationML）是一种基于可扩展标识语言（Extensible Markup Language，XML）架构的数据格式，用于支持各种工程工具之间的数据交换。其最终目标是促进不同设备制造商、运营商工具以及不同工业领域之间，进行工程工具交互，开展数据交换，连接异构工具之间的数据集成，如机器人控制、机械工程装置、电气设置、过程工程、过程控制工程、人机界面发展、PLC编程等。它是一种独立于供应商的开放的具有扩展性的免费工程软件。
AutomationML按照基于对象的图表来存储工程信息，允许物理的和逻辑的工厂组件模型作为数据对象。对象可以是一个层级结构，也就是说对象可以有子对象。另外，每个对象包含对象描述特性的信息，比如几何信息、运动信息、逻辑信息（序列、行为和控制信息）等。
AutomationML遵循模块结构，采用CAEX作为顶层格式。可以在顶层格式下面集成各种已经存在的基于XML的数据格式，如图4所示。为了对生产系统工程信息建模，AutomationML集成了三种已存在的数据格式CAEX、COLLADA和PLCopen。
图4 AutomationML基本架构
AutomationML主要定义了引用数据格式和工程对象之间的联系：
工厂拓扑将工厂描述为一个独立工厂对象的分层结构，该对象结构可以在一定的细节层面上建模，比如机器人、机械臂等。这些对象包含属性及在其层次结构中与其他对象的关系。工厂拓扑作为顶层数据结构，按照符合IEC 62424：2008的CAEX数据格式存储。作为IEC 62424的延伸，AutomationML定义了从CAEX对象到储存在CAEX之外的外部文档中信息的引用；
一个单独工厂对象的几何信息由其几何表示构成。运动信息描述了三维实体的物理连接和对象之间的依赖关系。几何信息和运动信息均采用COLLADA文件格式存储；
逻辑信息描述了动作序列以及包括I/O连接和逻辑变量的对象行为；
AutomationML对引用和关系做了区分。引用描述了从CAEX对象到外部存储信息的链接。
在对管理壳进行建模时，需要描述不同学科领域的资产对象，例如功能的、机械的、电气的、控制的和HMI工程等。目前的IEC 62714系列标准只是针对单一学科领域的资产对象进行建模，不能针对跨学科的某个资产对象进行建模。因此有必要构建基于AutomationML工业4.0组件模型，将多学科领域的数据信息集成在一个模型中，从而更好地实现工业4.0组件建模，如图5所示。
图5 工业4.0模型的各方面
图6为工业4.0组件模型架构图，给出了信息和子模型集成在工业4.0组件的方法。工业4.0组件的信息储存在组件的属性（attribute）中，组件的子模型作为内部元素（Internal Elements）。
图6 工业4.0组件模型架构图
包括来自供应商的组件标识和分类数据，例如产品型号、订货信息、系列号、版本号和其他技术信息。所有信息映射到工业4.0组件模型的根属性中。
包括工业4.0组件的文件、符号、图片等。外部数据通过隶属于子内部元素的External Interfaces连接到工业4.0组件。
将多种模型集合在一个模型中，包括标识工业4.0组件的不同种类的模型，例如：功能数据、仿真模型、2D和3D模型、几何学和运动学模型、逻辑模型等。这些模型作为外部数据也通过隶属于子内部元素的External Interfaces连接到工业4.0组件。
连接器描述所有逻辑的、电气的、气动的、液压的和其他接口。连接器作为隶属于子内部元素的External Interfaces进行建模。
角色类库是工业4.0组件建模的基础。工业4.0组件的角色类包括基本角色类库、标准角色类库和逻辑角色类库等，如图7~图9所示。
图7 基本角色类库概览
图8 标准角色类库概览
图9 逻辑角色类库概览
接口类库是工业4.0组件的互联以及与外部连接的基础。接口类用于集成不同类型的工业4.0组件，使其相互连接在一起。基本接口类库如图10所示。
图10 基本接口类库概览
本文以一个典型的工业4.0组件气动气缸为例，进行管理壳的构建，如图11所示。需要考虑的方面如下：
（1）几个典型的用于标识、技术描述和商业目的的数据表属性；
（2）组件的图片、图标和符号；
（3）组件的文档；
（4）几何学和动力学模型；
（5）逻辑行为模型；
（6）连杆、底座和传感器槽的机械连接；
（7）组件的气动连接；
（8）动力学模型、逻辑行为模型和连接器之间的内部连接。
图11 工业4.0组件建模实例
AutomationML作为一种通用的工程交换格式，解决了工程过程中数据交换和集成问题，是管理壳建模的一种具体实现方法，具有广阔的应用前景。本文介绍了RAMI4.0、管理壳和工业4.0组件之间的关系和AutomationML概念，给出了基于AutomationML的工业4.0组件模型，通过工业4.0组件模型实现管理壳建模。
柳晓菁（1976-），男，山西运城人，教授级高级工程师，博士，现就职于机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，主要从事仪器仪表标准化研究工作。
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来源 | 《自动化博览》2022年3月刊
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