生產(chǎn)系統(tǒng)通用數(shù)據(jù)交換格式AutomationML的應(yīng)用研究

劉俊杰，樊留群，程 建，廖梓博

（同濟大學(xué)，上海 201804）

生產(chǎn)系統(tǒng)通用數(shù)據(jù)交換格式AutomationML的應(yīng)用研究

劉俊杰，樊留群，程 建，廖梓博

（同濟大學(xué)，上海 201804）

日益復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)使得工程領(lǐng)域?qū)τ谕ㄓ脭?shù)據(jù)交換格式的研究越來越重視。其中AutomationML（IEC 62714）數(shù)據(jù)交換格式作為自動化系統(tǒng)工程的數(shù)據(jù)交換的解決方案，覆蓋了生產(chǎn)系統(tǒng)工程的所有相關(guān)信息。介紹了AutomationML的體系架構(gòu)和建模方法。通過關(guān)注生產(chǎn)系統(tǒng)的資源、工藝和產(chǎn)品三個角度對工業(yè)實例進行AutomationML建模，并對AutomationML在智能制造的數(shù)據(jù)集成領(lǐng)域的應(yīng)用作了展望。

AutomationML；生產(chǎn)系統(tǒng)；工程數(shù)據(jù)；面向?qū)ο螅恢悄苤圃?/p>

0 引言

近年來對于個性化產(chǎn)品的需求在不斷增加，伴隨著生產(chǎn)設(shè)備的多樣化、模塊化和智能化，使得生產(chǎn)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。為了確保生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)同工作能力，應(yīng)該采用標(biāo)準(zhǔn)的接口來實現(xiàn)無縫集成，因此需要一種通用的數(shù)據(jù)交換格式。AutomationML（IEC 62714）全稱Automation Makeup Language，是由自動化技術(shù)的主要供應(yīng)商和用戶戴姆勒，西門子，ABB，KUKA等和其他不同研究機構(gòu)共同開發(fā)的一種數(shù)據(jù)交換格式，用于存儲和交換不同工程領(lǐng)域（如機械工程、電氣工程、PLC、機器人等）的工程數(shù)據(jù)。這是一種開放的、供應(yīng)商中立的、基于XML的、免費的數(shù)據(jù)交換格式，用于生產(chǎn)系統(tǒng)各個工程階段、多種工程工具和不同學(xué)科工程師之間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)前，AutomationML在生產(chǎn)系統(tǒng)工程和虛擬調(diào)試領(lǐng)域的優(yōu)勢得到越來越多的重視。例如由德國多家自動化企業(yè)聯(lián)合進行開發(fā)的OPAK項目中，數(shù)字化工廠軟件的AutomationML接口開發(fā)就是一項重要工作。

1 AutomationML格式體系架構(gòu)

AutomationML遵循的是面向?qū)ο蟮男畔⒋鎯Ψ绞?，允許將生產(chǎn)系統(tǒng)的物理和邏輯組件建模為數(shù)據(jù)對象。對象可以由子對象組成，并且其本身可以是更大對象的一部分。每個對象可以包含拓?fù)?、幾何、運動、邏輯（順序，行為和控制）信息以及其他屬性信息。AutomationML格式的基礎(chǔ)是使用CAEX（IEC 62424）為框架，并在CAEX框架下整合多種已有的基于xml的數(shù)據(jù)格式。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)格式及其功能對AutomationML格式的架構(gòu)進行以下劃分：

通過CAEX描述AutomationML對象屬性、接口信息，對象之間的拓?fù)潢P(guān)系；

通過COLLADA 1.5.0(ISO/PAS 17506：2012)描述AutomationML對象的幾何學(xué)和運動學(xué)特性；

通過PLCopen XML 2.0.1描述AutomationML對象的邏輯信息。

AutomationML的基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 AutomationML基本架構(gòu)

AutomationML對生產(chǎn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行建模主要基于以下四個CAEX概念，其拓?fù)涿枋黾軜?gòu)如圖2所示。

1）角色類（Role class/RC）：AutomationML定義了一組基本角色類并制定了角色類的定義規(guī)則，用戶可以根據(jù)需要定義新的角色類。每個角色類可以具有屬性和接口。

2）接口類（interface class）：AutomationML定義了一些基本接口類并制定了接口類的定義規(guī)則，用戶可以根據(jù)需要定義新的接口類。接口類用于以下兩種情況：（1）定義生產(chǎn)系統(tǒng)中對象之間的關(guān)系（如數(shù)控車床間通過以太網(wǎng)接口連接）；（2）用作對存儲在CAEX文件之外的信息（如COLLADA或PLCopen XML文件）的引用。

3）系統(tǒng)單元類（System unit class/SUC）：系統(tǒng)單元類可以被認(rèn)為是可重用的系統(tǒng)組件模板。AutomationML沒有定義基本的系統(tǒng)單元類，僅定義了一些規(guī)則，系統(tǒng)單元類由用戶定義。每個系統(tǒng)單元類應(yīng)具有類似于角色類和接口類的唯一名稱，應(yīng)該至少有一個角色類。此外，一個系統(tǒng)單元類可以由另一個系統(tǒng)單元類派生。

4）實例層次（InstanceHierarchy/IH）：實例層次使用內(nèi)部元素（Internal Element/IE）對生產(chǎn)系統(tǒng)中的對象進行建模。內(nèi)部元素可以用于物理組件（如傳送帶，或僅僅是傳送帶的機械部件）建模，也可以用于邏輯組件（如PLC程序）建模。內(nèi)部元素應(yīng)從角色類庫中至少一個角色類被實例化，并可以引用接口類庫中的接口類的屬性。

圖2 AutomationML拓?fù)涿枋黾軜?gòu)

2 AutomationML生產(chǎn)系統(tǒng)建模應(yīng)用

AutomationML對生產(chǎn)系統(tǒng)的建?？梢酝ㄟ^關(guān)注資源（Resource）、工藝（Process）和產(chǎn)品（Product）三個角度來實現(xiàn)。

從資源角度看，資源可以是生產(chǎn)系統(tǒng)的硬件組件（如傳送帶），也可以是軟件（如SCADA系統(tǒng)）。從產(chǎn)品角度看，產(chǎn)品可以被分層構(gòu)建和描述。產(chǎn)品不一定是最終產(chǎn)品，測試結(jié)果、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)生的相應(yīng)文檔也屬于產(chǎn)品。從工藝角度看，工藝包括生產(chǎn)工藝的子工藝，工藝參數(shù)和工藝鏈，如焊接工藝，輸送工藝等。三者之間的關(guān)系是：產(chǎn)品由資源通過工藝過程加工產(chǎn)生。

使用這種建模方式，不同工程領(lǐng)域的軟硬件資源，不同工程階段的產(chǎn)品、工藝和工程數(shù)據(jù)能夠被有效地整合在一起，使得整個生產(chǎn)系統(tǒng)能夠被有條理地分析并建模存儲。

本文以螺絲生產(chǎn)線為例來介紹如何使用AutomationML對生產(chǎn)系統(tǒng)進行建模。

螺絲生產(chǎn)線有兩個主要工位，分別是冷鐓工位與搓絲工位。原材料先由傳送帶1運送到冷鐓工位進行冷鐓處理，處理完成后再由傳送帶2運送到搓絲工位進行搓絲處理。最后由傳送帶3將處理完的螺絲運送走，結(jié)束生產(chǎn)。

從資源角度看，螺絲生產(chǎn)線包含冷鐓機、搓絲機和三條傳送帶。從產(chǎn)品角度看，螺絲生產(chǎn)線包含原材料、初級產(chǎn)品和次級產(chǎn)品。從工藝角度看，螺絲生產(chǎn)線包含冷鐓和搓絲兩個工藝和三個輸送過程。制造商和操作工人關(guān)注的是產(chǎn)品。控制工程師及機電工程師關(guān)注的是生產(chǎn)資源（如設(shè)備的信號、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）。工藝工程師關(guān)注的是工藝和工藝參數(shù)（如冷鐓工位的溫度）。

通過從以上三個角度分析螺絲生產(chǎn)線之后，就可以使用AutomationML編輯器對該生產(chǎn)系統(tǒng)按如下步驟進行建模。

第一步是在實例層次上從資源，工藝和產(chǎn)品三個角度將生產(chǎn)系統(tǒng)的對象一一創(chuàng)建為內(nèi)部元素并分為三個集合。對于各個內(nèi)部元素，可添加具體的屬性（如冷鐓工位的溫度要求）。

第二步是確定內(nèi)部元素的語義。AutomationML定義了基本的角色類，其中包括產(chǎn)品類，工藝類和資源類。為了更具體地描述螺絲制造流水線，創(chuàng)建了一個更詳細(xì)的角色類庫，如圖3所示。在該角色類庫中，Screw line equipments類由資源類派生；Screw line processes類由工藝類派生；Screw line products類由產(chǎn)品類派生。實例層次中的內(nèi)部元素需要與對應(yīng)的角色類進行關(guān)聯(lián)來表示該內(nèi)部元素由該角色類實例化。

第三步是連接所有內(nèi)部元素。各內(nèi)部元素之間的連接是通過自己的GUID和相應(yīng)的接口來實現(xiàn)。通過使用標(biāo)準(zhǔn)的PPRConnector接口，資源可以被連接到產(chǎn)品，即表示通過該資源加工該產(chǎn)品。通過標(biāo)準(zhǔn)的Order接口可以用來描述資源使用的先后順序（如傳送帶1和冷鐓機的連接）。

圖3 螺絲制造流水線角色類庫

螺絲生產(chǎn)線的AutomationML最終模型如圖4所示。資源內(nèi)部元素和工藝內(nèi)部元素在各自獨立的集合中被彼此以PPRConnector接口連接，在圖4中可以看到元素之間以＜internalLink＞形式的虛線連接。

圖4 螺絲生產(chǎn)線的AutomationML模型

整條螺絲生產(chǎn)線的AutomationML模型如圖5所示，通過關(guān)聯(lián)資源、產(chǎn)品、工藝的內(nèi)部元素實現(xiàn)了對整條生產(chǎn)線建模的目的。

3 AutomationML在智能制造中的應(yīng)用展望

在中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院2016年9月20日發(fā)布的“智能制造能力成熟度模型白皮書”中，數(shù)據(jù)融合是一項被細(xì)化的重要領(lǐng)域。數(shù)據(jù)融合的目的是解決數(shù)據(jù)集成的問題，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)的交換。引入AutomationML數(shù)據(jù)交換格式并建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫能夠有效實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成，降低生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計成本，縮短生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計時間，并實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的全生命周期監(jiān)控與維護。應(yīng)用前景展望如圖6所示。

在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計階段，生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃員將初始工廠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提交到AutomationML數(shù)據(jù)庫中。機械工程師從數(shù)據(jù)庫中讀取初始工廠拓?fù)?，并基于工廠拓?fù)湓O(shè)計生產(chǎn)系統(tǒng)的機械部分，完成設(shè)計后提交到AutomationML數(shù)據(jù)庫中。電氣工程師從數(shù)據(jù)庫中檢索工廠拓?fù)浜蜋C械部分設(shè)計，并設(shè)計生產(chǎn)系統(tǒng)的電氣部件，完成設(shè)計后提交到AutomationML數(shù)據(jù)庫中。隨后是使用PLC和機器人編程完成控制代碼設(shè)計并提交到AutomationML數(shù)據(jù)庫中。

在生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬調(diào)試階段，可以使用數(shù)字化工廠軟件對AutomationML數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行虛擬調(diào)試。調(diào)試完成后，將信息通過傳送到具有AutomationML接口的控制器和工程工具中，并對生產(chǎn)系統(tǒng)運行進行全生命周期的監(jiān)控與維護。

圖5 螺絲生產(chǎn)線的資源、工藝及產(chǎn)品關(guān)系圖

4 結(jié)術(shù)語

本文介紹了AutomationML數(shù)據(jù)交換格式及其體系架構(gòu)與建模方法，使用AutomationML對螺絲生產(chǎn)線進行建模，并對AutomationML在智能制造的數(shù)據(jù)集成領(lǐng)域的應(yīng)用作了展望。對于AutomationML的研究與運用，未來的工作將更多地集中在更細(xì)致的準(zhǔn)則制定和工程工具的AutomationML接口開發(fā)上。當(dāng)前，AutomationML協(xié)會有超過30個成員，共同加速了AutomationML的標(biāo)準(zhǔn)化進程并且開發(fā)了多個專業(yè)案例的應(yīng)用指南。相信在不遠(yuǎn)的將來，會有越來越多支持AutomationML數(shù)據(jù)交換格式產(chǎn)品出現(xiàn)，為智能制造提供強有力的支持。

圖6 運用前景展望

[1] Ricardo Silva Peres, Mafalda Parreira-Rocha. Selection of a Data Exchange Format for Industry 4.0 Manufacturing Systems[C]. IEEE, 2016：5723-5728.

[2] Marta Sabou,Fajar Ekaputra. Supporting the Engineering of Cyber-Physical Production Systems with the AutomationML Analyzer [C].IEEE,2016：1-8.

[3] Richard Mordinyi, Dietmar Winklery. Investigating Model Slicing Capabilities on Integrated Plant Models with AutomationML[C]. IEEE,2016：1-8.

[4] Benjamin Brandenbourger,Milan Vathoopan. Behavior Modeling of Automation Components using cross-domain Interdependencies [C].IEEE,2016：1-4.

[5] Arndt Lüder, Nicole Schmidt. Lossless Exchange of Automation Project Configuration Data[C].IEEE,2016：1-8.

[6] Arndt Lüder, Nicole Schmidt. Data Exchange toward PLC Programming and Virtual Commissioning[C].IEEE,2015：492-498.

[7] Miriam Schleipen, Rainer Drath. Three-View-Concept for modeling process or manufacturing plants with AutomationML [C].IEEE,2009：1-4.

[8] 智能制造能力成熟度模型白皮書[R].中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院,2016.

Application research of production systems' general data exchange format AutomationML

LIU Jun-jie, FAN Liu-qun, CHENG Jian, LIAO Zi-bo

TP271

：A

：1009-0134(2017)05-0116-04

2017-02-13

劉俊杰（1991 -），男，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向為機械工程。