基于RAMI4.0的交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元資產(chǎn)管理殼模型*

□ 高天虹 □ 張為民 □ 謝樹聯(lián) □ 劉 磊 □ Jürgen Fleischer

1.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院 上海 201804 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804 3.卡爾斯魯厄理工學(xué)院 生產(chǎn)技術(shù)研究所 德國卡爾斯魯厄 76131

1 研究背景

隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展,客戶對產(chǎn)品的需求越來越多樣化,由此催生了產(chǎn)品個性化訂制的發(fā)展趨勢。在工業(yè)4.0背景下,建設(shè)交鑰匙工程的重要性日益凸顯,其目標(biāo)為滿足客戶對產(chǎn)品個性化訂制的需求。交鑰匙工程能夠快速響應(yīng)客戶的需求變化,根據(jù)產(chǎn)品新的特征對制造系統(tǒng)進(jìn)行快速配置,進(jìn)而滿足新的產(chǎn)品加工需求[1]。

隨著工業(yè)4.0背景下對制造系統(tǒng)可重構(gòu)性要求的提高,越來越多的研究關(guān)注于制造系統(tǒng)的配置與重構(gòu)。Michalos等[2]研究并提出了車間自動化制造單元的配置控制框架,通過測試證明了框架可提高整體資源利用率。Azab等[3]分析了生產(chǎn)系統(tǒng)各層級下的重構(gòu)機(jī)制,根據(jù)配置結(jié)果對制造系統(tǒng)進(jìn)行了重構(gòu)。Kristianto等[4]提出了基于變異流理論的生產(chǎn)系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計方法,從生產(chǎn)排期、在制品庫存與產(chǎn)能、作業(yè)路線三個方面尋求配置決策的最優(yōu)解。Dias等[5]提出了基于智能體的系統(tǒng)重構(gòu)機(jī)制,并在航空發(fā)動機(jī)組件制造領(lǐng)域驗證了動態(tài)無縫重構(gòu)的可行性。Wan等[6]基于網(wǎng)絡(luò)本體語言建立了智能設(shè)備本體,對制造系統(tǒng)資源進(jìn)行描述,并提出了基于本體的資源再配置機(jī)制,驗證了這一機(jī)制的可行性。

現(xiàn)有的面向制造系統(tǒng)配置的研究主要集中在工藝流程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化、生產(chǎn)線布局優(yōu)化等具體問題,從交鑰匙工程角度看,以工業(yè)4.0大環(huán)境需求為基點(diǎn),這些研究仍然存在一些問題,如缺乏對數(shù)據(jù)統(tǒng)一架構(gòu)、統(tǒng)一模型的考慮,不利于全生命周期協(xié)同和萬物互聯(lián)等。

針對上述問題,筆者基于工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI4.0)[7],提出制造系統(tǒng)功能單元概念,應(yīng)用資產(chǎn)管理殼和自動化標(biāo)記語言工具[8-11],建立針對不同功能單元類別的統(tǒng)一建模方法,為異構(gòu)設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián),以及系統(tǒng)的快速配置與重構(gòu)提供參考。在研究中,以同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)中心生產(chǎn)示范線的設(shè)備為例,建立了制造系統(tǒng)關(guān)鍵功能單元資產(chǎn)管理殼模型及其映射,可實現(xiàn)在智能制造領(lǐng)域的各類應(yīng)用。

2 交鑰匙工程制造系統(tǒng)

交鑰匙工程制造系統(tǒng)配置基本流程如圖1所示?；玖鞒炭梢苑譃榻M建、調(diào)試、運(yùn)行三個階段,由客戶提出新的個性化產(chǎn)品需求,對產(chǎn)品進(jìn)行特征提取,分析得出制造產(chǎn)品的軟硬件需求,根據(jù)得到的需求進(jìn)行系統(tǒng)配置,直至形成新的生產(chǎn)線,并實現(xiàn)系統(tǒng)管理,將最終解決方案交付客戶。

▲圖1 交鑰匙工程制造系統(tǒng)配置基本流程

交鑰匙工程需要對客戶生產(chǎn)需求的變化,如產(chǎn)品特征變化、產(chǎn)能需求變化等迅速做出反應(yīng),因此交鑰匙工程制造系統(tǒng)的配置過程具有以下特征:① 保證再配置后得到的制造系統(tǒng)能夠滿足客戶的生產(chǎn)需求;② 配置過程耗時短;③ 系統(tǒng)能夠快速搭建與調(diào)試;④ 便于后續(xù)系統(tǒng)管理。

為滿足上述特征,縮短制造系統(tǒng)的配置過程,提供給客戶精確可用的交鑰匙解決方案,交鑰匙工程必須體現(xiàn)即插即用和快速運(yùn)行兩個關(guān)鍵點(diǎn)[12]。為實現(xiàn)硬件設(shè)備或軟件的即插即用,需要保證交鑰匙工程框架下可用于再配置的設(shè)備或軟件為標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化形式,通過進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化集成,以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式對設(shè)備的數(shù)字映射進(jìn)行定義,通過統(tǒng)一制式的接口進(jìn)行信息交換,進(jìn)而保證交鑰匙工程能夠快速實施,并提供有效的解決方案。

3 交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元

制造系統(tǒng)組件類型多樣,各自具備不同功能。由于功能不同,組件自身具備的屬性種類、生產(chǎn)所需信息,以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的信息格式、通信類別也各不相同。筆者從物理形態(tài)、屬性在加工過程中是否改變等維度對交鑰匙工程制造系統(tǒng)組件進(jìn)行劃分,同類組件屬于同一類功能單元,具有相同或相似的功能和信息需求。劃分出不同功能單元后,分別構(gòu)建不同種類的功能單元標(biāo)準(zhǔn)模型框架,根據(jù)實際設(shè)備信息對模型框架進(jìn)行信息填充,得到組件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化模型,進(jìn)而保證組件設(shè)備在系統(tǒng)中的即插即用、快速運(yùn)行特性。交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元劃分如圖2所示。

▲圖2 交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元劃分

根據(jù)交鑰匙工程制造系統(tǒng)的固有特性,大部分功能單元屬于實體功能單元。實體功能單元按照在系統(tǒng)物料流中的不同角色,可以分為物料單元和設(shè)備單元。物料單元指制造系統(tǒng)中流轉(zhuǎn)的原料、在制品和成品,在制造過程中,物料單元自身的屬性和功能會產(chǎn)生變化。智能制造系統(tǒng)中的物料單元一般具備被動通信能力,可通過射頻識別技術(shù)對物料單元的位置、當(dāng)前狀態(tài)及各工序信息進(jìn)行識別讀取。

除物料單元外,實體功能單元還包含設(shè)備單元。設(shè)備單元指通常意義下的生產(chǎn)設(shè)備及其信息層面數(shù)字孿生的集合體。生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字孿生一般作為生產(chǎn)設(shè)備組件的某一功能子模塊,存儲在資產(chǎn)管理殼中。根據(jù)設(shè)備單元的輸入、輸出,將設(shè)備單元分為加工單元和非加工單元兩類,非加工單元可進(jìn)一步劃分為運(yùn)輸單元、貯存單元、測量單元。從物料流角度看,加工單元的輸入通常是原料和在制品,如本道工序使用的標(biāo)準(zhǔn)件、上道工序輸出的在制品。加工單元的輸出是經(jīng)過本道工序處理的在制品或整個生產(chǎn)流程的最終成品。加工單元的輸入和輸出通常伴隨著物料功能、外形和屬性的變化,而非加工單元通常只改變物料的時空信息,不對物料自身的屬性進(jìn)行修改。運(yùn)輸單元指具備轉(zhuǎn)移、上料和下料功能的單元,如生產(chǎn)線中的傳送帶、上下料機(jī)器人、自動導(dǎo)引車等。貯存單元包括物料貯存貨架、上下料暫存區(qū)等,用于貯存物料,以備后續(xù)搬運(yùn)和加工操作。在構(gòu)建模型時,需要充分考慮不同功能單元涉及的數(shù)據(jù)類型及其固有的屬性、特性,分別構(gòu)建框架來進(jìn)行描述。

4 功能單元標(biāo)準(zhǔn)化建模原則

在進(jìn)行交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元標(biāo)準(zhǔn)化建模過程中,需要遵循三方面原則。

(1) 獨(dú)立性。不同粒度的模型均應(yīng)具備獨(dú)立、可分離的特點(diǎn)。

(2) 差異性。交鑰匙工程制造系統(tǒng)各功能單元因自身所具有的功能不同,輸入和輸出也有所不同,建模應(yīng)體現(xiàn)這種差異性。

(3) 主次性。建模時應(yīng)分清主次,抓住主要因素,合理忽略次要因素,在盡可能保證所得模型精確性的基礎(chǔ)上,不過分使問題復(fù)雜化,簡化模型體量。

根據(jù)以上建模原則和系統(tǒng)需求,擬采用工業(yè)4.0資產(chǎn)管理殼,以自動化標(biāo)記語言為載體構(gòu)建交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元標(biāo)準(zhǔn)化建模工具。

5 資產(chǎn)管理殼

工業(yè)4.0環(huán)境下用于描述制造系統(tǒng)智能組件的資產(chǎn)管理殼能夠很好地滿足交鑰匙工程制造系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建模需求[8]。資產(chǎn)管理殼主體內(nèi)部有不同的子模型,子模型既可以是數(shù)據(jù)模型,也可以是組件的特定功能。資產(chǎn)管理殼具有統(tǒng)一的對外接口,內(nèi)部經(jīng)過封裝得到的子模型保證了可拓展性。資產(chǎn)管理殼具有可嵌套性,適用于對交鑰匙工程制造系統(tǒng)關(guān)鍵功能單元進(jìn)行描述。

資產(chǎn)管理殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。資產(chǎn)管理殼主體內(nèi)部有不同的子模型,子模型既可以是數(shù)據(jù)模型,也可以是工業(yè)4.0組件所具有的特定功能。標(biāo)頭的信息清單中包含資產(chǎn)管理殼主體內(nèi)子模型的地址,外界通過標(biāo)頭清單識別、確認(rèn)子模型。大量數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化描述信息分別存儲在代表不同功能、不同數(shù)據(jù)模型的子模型中。除子模型外,組件管理器也是資產(chǎn)管理殼主體的重要組成部分。通過組件管理器,可以對子模型進(jìn)行增刪管理,以此保證資產(chǎn)管理殼的通用性和制造系統(tǒng)變化時的快速適應(yīng)能力。

6 自動化標(biāo)記語言

自動化標(biāo)記語言作為一種工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)中間格式[9],可用于交鑰匙工程制造系統(tǒng)關(guān)鍵部件資產(chǎn)管理殼數(shù)據(jù)封裝與集成,符合交鑰匙工程框架下對配置設(shè)備、軟件標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的要求。自動化標(biāo)記語言采用精益分布式信息架構(gòu),內(nèi)部包含結(jié)構(gòu)化工廠拓?fù)湫畔?、網(wǎng)絡(luò)信息、設(shè)備信息、系統(tǒng)屬性信息等。自動化標(biāo)記語言由層次結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)單元類庫、角色類庫、接口類庫四大部分組成,核心建模邏輯如圖4所示。自動化標(biāo)記語言結(jié)合現(xiàn)有的可擴(kuò)展標(biāo)記語言數(shù)據(jù)格式,提供面向多種現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)格式的接口[10-11],包括:① 描述包含對象結(jié)構(gòu)、屬性、關(guān)系等拓?fù)湫畔⒌挠嬎銠C(jī)輔助交換數(shù)據(jù)格式;② 描述對象幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)特性的COLLADA三維信息數(shù)據(jù)交換格式;③ 描述對象控制邏輯信息的可擴(kuò)展標(biāo)記語言工控信息數(shù)據(jù)格式;④ 其它可擴(kuò)展標(biāo)記語言標(biāo)準(zhǔn)格式信息。

▲圖4 自動化標(biāo)記語言核心建模邏輯

自動化標(biāo)記語言具有模塊化、可拓展等特點(diǎn),可用于交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元建模。筆者根據(jù)交鑰匙工程制造系統(tǒng)的需求,結(jié)合資產(chǎn)管理殼概念,提出交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元資產(chǎn)管理殼建模方法,并以自動化標(biāo)記語言標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式為集成工具,構(gòu)建關(guān)鍵功能單元資產(chǎn)管理殼模型。

7 功能單元資產(chǎn)管理殼建模

交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元標(biāo)準(zhǔn)化模型如圖5所示,由圖5可見功能單元標(biāo)準(zhǔn)化模型的信息來源與實際應(yīng)用方向。功能單元資產(chǎn)管理殼模型以設(shè)備組件基礎(chǔ)性能信息文檔、傳感器采集的實時運(yùn)行數(shù)據(jù)、來自制造系統(tǒng)控制層的指令為數(shù)據(jù)來源,通過統(tǒng)一的整合集成,形成基于自動化標(biāo)記語言的資產(chǎn)管理殼模型,符合資產(chǎn)管理殼的功能特性。所得到的交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元資產(chǎn)管理殼模型可以用于配置生產(chǎn)系統(tǒng),構(gòu)建系統(tǒng)組件數(shù)字孿生,以及其它智能制造相關(guān)的服務(wù)。

▲圖5 功能單元標(biāo)準(zhǔn)化模型

交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元建模流程如圖6所示。在進(jìn)行新設(shè)備的資產(chǎn)管理殼建模時,首先應(yīng)對新設(shè)備進(jìn)行分析。如果存在可直接套用的同類功能單元資產(chǎn)管理殼模型,那么錄入組件信息就可以得到當(dāng)前組件的資產(chǎn)管理殼模型。如果不存在可套用的模型框架,那么需要進(jìn)行組件內(nèi)部的各功能模塊定義劃分,再以此構(gòu)建層級結(jié)構(gòu)和子模型,針對各子模型不同的功能,確定所需要的數(shù)據(jù)文檔類型,建立與組件邊界外部系統(tǒng)的信息交換接口。最后對所得到的模型進(jìn)行準(zhǔn)確性檢查,滿足組件準(zhǔn)確描述要求,即可得到這一組件的資產(chǎn)管理殼模型框架。這一框架也可以被同類設(shè)備組件套用,簡化建模流程。

▲圖6 功能單元建模流程

8 資產(chǎn)管理殼模型及其現(xiàn)實映射案例

筆者以交鑰匙工程制造系統(tǒng)的關(guān)鍵功能單元DMU65五軸加工中心為例,構(gòu)建加工單元資產(chǎn)管理殼模型,如圖7所示。除資產(chǎn)管理殼與資產(chǎn)之間的耦合關(guān)系外,模型內(nèi)部還包含兩個關(guān)鍵功能對應(yīng)的子模型。子模型元素中包含設(shè)備型號、設(shè)備加工能力、工作空間等屬性參數(shù)信息,還可以讀取加工中心主軸軸承的轉(zhuǎn)速、加速度數(shù)據(jù)。這些動態(tài)數(shù)據(jù)存儲在資產(chǎn)管理殼子模型中,可供調(diào)用。組件外部系統(tǒng)可以通過不同視圖接口讀取組件相關(guān)屬性數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù),方便系統(tǒng)管理人員從頂層直觀掌握設(shè)備運(yùn)行情況。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化語言封裝的加工中心資產(chǎn)管理殼結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備實時運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、故障概率預(yù)測等功能。外界制造系統(tǒng)還可以通過視圖接口訪問資產(chǎn)管理殼內(nèi)部的設(shè)備數(shù)據(jù),從多角度構(gòu)建設(shè)備組件的數(shù)字映射,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)功能拓展。

▲圖7 DMU65五軸加工中心資產(chǎn)管理殼模型

基于自動化標(biāo)記語言的DMU65五軸加工中心資產(chǎn)管理殼模型及現(xiàn)實映射如圖8所示。

DMU65五軸加工中心資產(chǎn)管理殼模型通過各種外部接口,在用于過程控制的對象連接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)下讀取加工中心主軸軸承當(dāng)前轉(zhuǎn)速、加速度數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)作為模型中實時變化的性能參數(shù),可以被子模型調(diào)用,完成主軸軸承剩余壽命預(yù)測、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)分析等服務(wù)。模型中存儲的設(shè)備組件基本參數(shù)信息可以被交鑰匙工程制造系統(tǒng)的各個視圖按需讀取,為操作人員、維護(hù)人員整體掌握系統(tǒng)各維度運(yùn)行狀況提供有效參考。

▲圖8 DMU65五軸加工中心資產(chǎn)管理殼模型及現(xiàn)實映射

9 結(jié)束語

筆者針對交鑰匙工程制造系統(tǒng)組件缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)架構(gòu)和模型的問題,提出了交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元概念,并根據(jù)不同功能對交鑰匙工程制造系統(tǒng)組件進(jìn)行劃分。筆者同時對交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元資產(chǎn)管理殼模型構(gòu)建方法進(jìn)行了論述,并介紹了可用的建模工具,構(gòu)建了一種基于工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型的交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元資產(chǎn)管理殼模型,給出了DMU65五軸加工中心資產(chǎn)管理殼模型及其現(xiàn)實映射案例,為交鑰匙工程快速實施提供了一種有效的制造系統(tǒng)組件標(biāo)準(zhǔn)化集成解決方案。對交鑰匙工程制造系統(tǒng)功能單元資產(chǎn)管理殼模型進(jìn)行構(gòu)建,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)控、軸承剩余壽命預(yù)測等智能制造領(lǐng)域應(yīng)用,而且可以降低交鑰匙工程設(shè)備各種異構(gòu)信息模型及數(shù)據(jù)交換所產(chǎn)生的成本,具有實際應(yīng)用價值。