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正点发力的工业4.0通讯技术

按照德国工业4.0的顶层设计的思路明显可见,工业4.0的基础是在工业生产价值链各个环节所发生的所有实例的全部信息,都应该通过面向应用的联网,构成信息的高可用性。信息的可用性越高,价值增值的可能性越大。这表示RAMI4.0参考模型的通信层需要确保不同工业4.0基本单元之间及时、可靠、安全的信息传输。同时,这些通信技术也必须完全支持RAMI4.0参考模型的递阶(hierarchy)维度各层级内和各层级间的通信要求。由此可以推断,相关的通信系统(包括商用的技术、网络和协议)也是工业4.0中的关键资产。为了使各种工业4.0的基本单元能进行符合工业4.0要求的端对端通信,它们也需要一个管理壳。

通信作为工业4.0的自动化系统中至关重要的子系统,其主要挑战不是通信系统的实时性能,而是把通信要求所涵盖范围的所有网络进行无缝的集成,这些网络包括从有严格确定性要求的就地控制网络,到工厂内部的运行操作管理网络,到企业生产的计划调度网络,并延伸到全球连接的跨企业的通信;以及基于网络通信的自组态和各类网络管理的集成。还有的挑战是,在生产技术的生命周期和信息技术的生命周期存在巨大差异的情况下,如何制定不同以往的升级迁移、集成和维护的策略。

当前通信在推进工业4.0发展面临的问题是,现有的工业通信技术虽然打下了良好的基础,但仍远远不能在技术和成本上满足工业4.0的要求;而正在发展中的技术如5G、NFV(网络功能虚拟化)等还有待于试验验证和推广,至少在近期内还不会在工业制造中产生实际上的影响。

尽管如此,这也没有妨碍工业4.0中的通信技术的有效发展,德国工业界正在多头推进。首先是德国工业4.0平台作为德国工业界协调推进工业4.0国策的组织机构,其下的第一工作组(负责参考架构)下设一个小组,专门针对“基于网络的通信”,为基于网络的通信解决方案未来的发展和标准化进行规划。明确基于网络通信的主要要求,评估现有的有关标准和规范,或者正在开发中的标准和规范。为了构造基于网络通信的各种场景和要求,该小组勾画了有关的推荐和参考模型,作为RAMI4.0的一个补充。其次是由DIN、DKE和VDE联合发布的工业4.0标准化路线图的第三版,专门开辟通信章节,讨论有线通信和无线通信的现状,实现工业4.0意义的通信需要在标准化方面开展的工作及建议。还有由Fraunhofer和VDMA发布专门针对中小型企业的工业4.0通信导则(基于开放平台通信统一架构OPC UA),帮助他们选择正确的方法和步骤实施工业通信的升级迁移。

用于工业4.0的基于网络的通信

用于工业4.0的基于网络的通信定义如下:为赋予两个或多个工业4.0基本单元建立通信关系的能力,用于工业4.0的基于网络的通信需要把所有有关的的技术、网络和协议都加以涵盖。工业4.0的基于网络的通信,其应用必须经由符合工业4.0的界面,使端对端的通信具备信息交换和对话的能力。网络资源的利用也可以通过非符合工业4.0的界面加以配置。

值得注意的是,在RAMI4.0内分析基于网络的通信有两个视角:1)从使用通信的视角看,出于用户数据传输功能的通信需要,在此情形下与管理壳的接口承担通信设施支持有关数据存取的组态。2)从如何实施通信的视角看,作为数据传输功能提供者的通信能力的体现,并为信息交流提供服务质量QoS,在此情形下管理壳将通信设施加以隐藏。

将基于网络通信作为工业4.0必须使用的“科目“,实际上就是通信的使用。这体现在RAMI4.0的两个维度,即生产组织及其设备按其层级递阶的维度和生命周期和价值流的维度。正如图1所示,表现为哪些科目需要通信交换数据。

为了交换数据和信息,或者为提供和使用远程设备的功能,工业4.0的基本单元必须具有通信能力。为此必须对工业4.0的基本单元规定描述应用通信要求的特性。这些特性是要传输的数据类型和长度、要求的性能、所提供的或所期望的信息/功能层之间的接口,以及基于网络的通信(串行或并行、缓冲区或FIFO先进先出、服务或协议)。这些特性是工业4.0基本单元管理壳中通信子模型的元素项。基于这些工业4.0基本单元通信子模型的特性值,可以实现适当的基于网络的通信系统。至于网络中的各种设备,并没有必要作为工业4.0的基本单元。然而,由工业4.0基本单元所提供的特性,譬如说在物联网的意义上,也可以支持涉及具有相当宽泛应用范围的基于网络的通信。

正点发力的工业4.0通讯技术

图1:基于网络的通信是RAMI4.0必须使用的科目

将基于网络的通信作为工业4.0的“目标”,实际上就是基于网络的通信必须承担工业4.0需要的通信。这体现在RAMI4.0的另一维度,即如何实现由实体资产及其功能集合映射为虚拟表达制造过程的维度。正如图2所示,在此维度中表述怎样来实施通信的目标。

基于网络的通信系统的设计、集成和生命周期管理系统,将被看作与其它资产一样,与符合工业4.0要求的工业自动化系统相关。因此,为了开发管理壳AS的内容,将按照RAMI4.0的模型的组成元素考虑。这使得网络的持久稳固的管理和应用,会按照生产过程经常变化的要求赋能。这仅仅是在基于网络通信作为工业自动化系统的一部分的场合所要求的。

正点发力的工业4.0通讯技术

图2:基于网络通信作为工业4.0必须实施的目标

如上所述在工业4.0的环境中,对于有关管理壳的问题,有两种视角观察基于网络的通信。那么就需要为通信资产也建立管理壳,以便将这两种视角所观察的问题集成起来。

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