工业4.0白皮书

eCl@ss工业4.0白皮书eCl@ss工业4.0白皮书2目录目录2前言3工业4.0远景5eCl@ss–工业4.0参考引用模型中的语义体系6eCl@ss工业4.0路线图10声明13eCl@ss标准：在全世界获得认可15eCl@ss协会：一部成功史173前言FriedhelmHausmann（eCl@ss协会主席）工业4.0是经济数字化未来的远景。工业4.0即第四次工业革命，它重新定义了“工业”这一概念。系统化地收集并处理产品数据、制造数据和流程数据，将其作为依据，以随时做出最佳决策，这将成为工业企业的核心能力。而其基础则是由某个对象或某种服务所包含或转达的信息。一方面是信息生成并得到“提炼”，另一方面，生成和提炼过的信息被汇总到一个虚拟的“信息管理库”内，在其中按照与流程的关联，组织并管理所有相关数据。接收器依据从管理库中获得的信息，按照设定的目标，将对象引导至流程链中的下一环节–这是符合工业4.0标准的工厂中的全自动过程。面向流程、按已定义的规则构建可以跨IT系统使用的标准化数据结构，是实现工业4.0数字化制造网所必备的前提条件。从语义学角度来讲，作为一种参考引用对象，工业4.0所使用的数据结构形式上必须有统一的定义，必须是标准化的，内容上必须前后无矛盾之处且意义明确唯一。eCl@ss标准基于传统的PIM（产品信息管理），针对产品和服务的分类与描述提供了一种可行的逻辑，目前在工程数据管理中的运用已经超越了数据结构的整合。eCl@ss采用符合国际标准（ISO标准）和国际电工标准（IEC标准）的属性描述体系，通过国际注册数据标eCl@ss工业4.0白皮书4识符（IRDIs），eCl@ss实现了对系统中每个实体的明确标识，这正是工业4.0应用的必要前提条件。下面是两个取自实际应用的例子，从中可以看到eCl@ss在两个主题相近的参考方案中最新的使用情况：在流程控制技术（PLT）领域中，借助eCl@ss属性来定义针对装置的工程学要求，并以电子形式传输至配置器，然后配置器通过本身的算法选择合适的产品，并传回具体产品及其eCl@ss属性集。在电子工程领域，通过eCl@ss属性描述产品的3D几何细节，实现线缆的全自动生产、排布和安装。本白皮书描述了eCl@ss协会对于工业4.0的看法，阐释了定义对象和服务的基本数据与流程控制之间的关联。5工业4.0远景工业4.0借助信息物理系统（CPS），构建实体产品和流程的虚拟映射。同时，它使参与价值创造链的所有合作伙伴彼此互联。无障碍、无媒介断点的信息流，是以数据驱动并控制的无间断生产的必要前提。数据顺畅交换的基础：质量可靠、信息性强的知识结构。网络化的工厂，使用智能产品，在不限于完整生命周期的时间段内，主动控制生产过程，这便是工业4.0的核心。通过智能信息技术主动控制产品、机器、设备以及工具。不仅在企业内实现价值创造链的垂直与水平整合，甚至能跨越不同企业之间的界限。这一发展趋势的推动者是互联网。信息物理系统与信息物理系统之间，信息物理系统与人之间，都可以通过“物联网”（IoT）进行实时通讯和合作。企业的中央控制将由分散且能够自我学习的组织形式取代。而“人”则是这一发展的核心因素：人类才是其中决定性的、具有创造力的因素。人类将比当前更多地融入到信息系统中，并从后者获得更多的支持。通过第四次工业革命将形成一个新的世界，在其中人（和机器）随时可获取信息来做出最佳决策–无论是产品方面的，还是涉及制造过程的决策。语义学的挑战工业4.0为工业企业和商业企业提供了新的机遇。前途风光无限，但道路仍曲折漫长。因为：要实现所有领域的有机互联，统一的语义标准必不可少。此标准必须能够按照特定的结构管理信息，并且全面做到安全、可靠、明确且无歧义地组织、交换和关联信息。eCl@ss工业4.0白皮书6在实践中，深层的“信息冰川裂缝”依旧存在，例如在“机器到商业”（OfficeFloor）和“机器到机器”（ShopFloor）之间。针对综合通讯和流程控制的标准仍未就位。eCl@ss语义标准为实现工业4.0远景做出了极具价值的贡献。具体而言：作为经过实践检验、以虚拟方式数字化描述实体的卓越体系，eCl@ss提供用于明确描述对象、服务的属性，在未来这些属性也能用于描述流程。这些是实现价值创造链网络化的桥梁。eCl@ss–工业4.0参考引用模型中的语义体系数字化工厂的智能制造网只有采用机器交互信息格式才能成为现实。信息格式不仅要能安全、可靠且无故障地实现跨系统的数据流（ERP、PLM、MES、物流、生产自动化等），而且最好还能实现跨企业甚至跨行业的应用。7工业4.0同样意味着：以单件批量制造的模式来生产各种型号，同时满足大规模工业生产的条件。此外还将出现新的生产网络和关系；同样将跨越企业的界限。供货商和客户将成为网络的一部分，价值创造的结构不断发生变化，新的商业模式不断涌现。为了实现该目标，符合工业4.0的制造设备不断提升自动化程度。试想这样一个场景：工件自身成为数据载体并决定制造步骤。通过射频识别（RFID）芯片，“智能产品”可与机器进行交流、并根据生产物流的要求自行导航至下一生产步骤的设备。所需的控制系统参数直接由“OfficeFloor”中的ERP系统提供（标准值）。通过与“Shop-Floor”的现场数据（实际值）作比较，可实现标准值和实际值的实时对比，并以此为基础运行自控系统。示例：在工业4.0生产中，订单优先级的调整，可通过ERP系统集中进行。在ERP系统中，可直接触发“Shop-Floor”层面的所有操作。但是：在全球联网的生产中，制造信息不仅在一家企业内部交流，而且必须能够在不同的生产地且（最好是）跨公司交流。如果产品被交付到另一个制造地点，则当地的基础设施必须能够由系统控制，继续高效生产。要保证这一点，信息伴随产品（比如在一张RFID芯片上）同步流转是不可或缺的前提。小结：对于每一台可实时控制的全自动工业4.0设备来说，有一个基础必不可少，那就是可机器交互且在任何时候都不会错误解读、可顺利地集成到现有系统（ERP、PLM、MES等）中的语义体系。得益于其符合ISO标准、得到普遍认可的开发过程，eCl@ss正是这样的属性语义体系，一种质量经过检验的知识结构。eCl@ss工业4.0白皮书8eCl@ss解决方案场景：管理库管理库设计（图1）图1显示的是管理库的方案、对象的数字化镜像及其所带的数据。所有在Shop-Floor层面的实体都可以实时通讯。准确地说：自动化流程设定的各物理装置（如传感器、控制单元或执行器）之间的通讯，在几微秒内即可完成（图1下部区域蓝色线条）。在“Office-Floor”的管理库内，用数字化方式构建了“Shop-Floor”内的实体（蓝色括号）。数字化虚拟表征由两部分构成，一部分是直接与某个对象绑定在一起的文档（比如手册、保养说明或设计文档），另一部分是对对象进行的个性化属性的描述（比如变量以及单位）。示例：保存在管理库中的发动机属性包括传统的被认为在发动机整个生命周期内保持不变的恒定值（例如几何属性或技术属性如9最大转速、功率或耗用电流）。此外，管理库还收集不断变化的动态参数（比如运行小时数）。这些动态值将由“Shop-Floor”实体的传感器收集并输入管理库。顺畅、无错误且广泛地交换信息实体与管理库作为工业4.0组件，共同为实现符合工业4.0标准的通讯提供了基础（在蓝色显示的图1上部区域）。顺利无误地与其他系统交换与其相关的、位于管理库内的信息，这是对所有工业4.0设备的核心要求。为此需要开放且拥有完整知识产权的元语言或分类体系–eCl@ss标准便应运而生。eCl@ss标准作为得到普遍认可的语义体系，当仁不让地要承担起为在管理库中实现虚拟表征提供工业4.0属性的重任。作为普遍应用的、依据ISO标准开发的开放式数据模型，eCl@ss标准能够准确无误地对属性和数值进行描述。通过这种方式，虚拟表征仍可以以分散互联的方式存在，同时上级系统可访问所有实体的全局数据以及个别数值。此外，在此基础上也可实现不同对象或控制单元之间的直接通讯，或将多个管理库打包成为一个系统，并且在该系统中每个组件仍然都随时可识别–eCl@ss让这一切成为可能。eCl@ss工业4.0白皮书10价值创造链中的属性（图2）eCl@ss工业4.0路线图eCl@ss目前已经成为了一个强大的标准体系。工业4.0的全面拓展之路已铺下了基石，并在参考应用中得到了证实。只要将eCl@ss目前已经提供的功能与未来的需求加以比较，可以看出eCl@ss走在正确的道路上，即便前方还有更多挑战。11eCl@ss迈向工业4.0的全面拓展之路（图3）①普遍认可的语义体系eCl@ss现状工业4.0活动领域已有超过17000个实体描述属性（包括物理单位）专门面向分类的结构和准确描述对象的定义为标准补充更多类别/属性，以表述工业4.0的要求已在采购和产品信息管理系统（PIM）中得到应用。此外还应用到保养过程和工程设计过程中。描述和实现呈现越来越多工业4.0特点的更多解决方案（直至全面拓展）借助设备等级层面上的结构化属性，即使再复杂的产品以及各种型号规格，都可加以详细描述定义和整合工业4.0特有的描述要求，例如通过条件属性来描述eCl@ss工业4.0白皮书12②已定义的过程管理eCl@ss现状工业4.0活动领域eCl@ss标准制定过程经过跨行业的专家团队反复验证，并具有可持续优化的特点专业的专家团队对工业4.0的深入研究--专业实力发布过程：在系统支持下，借助更新文件来实现版本自动升级扩充为全面自动确保新工业4.0兼容性的机制--旧版本的要求大量企业和行业的认可，接受度良好通过赢得工业4.0中重要行业的更多利益相关者而获得更高的接受度③意义明确唯一且支持机器读取eCl@ss现状工业4.0活动领域提供适用于所有eCl@ss元素（类别、属性、数值、信息组等）、唯一的eCl@ssIRDI（符合ISO/IEC标准）用于新实体的更多IRDI借助设备类别层面上的结构化属性，即使再复杂的产品以及各种型号规格，都可加以详细描述说明如何通过其他广泛使用的标准如AutomationML、OPCUA或ProSTEP传输eCl@ss属性。④符合通用标准eCl@ss现状工业4.0活动领域eCl@ss用于描述和管理类别、属性和单位等的结构模型基于ISO13584-42/IEC61360。eCl@ssIRDI则是根据ISO/IEC11179-6、ISO29002和ISO6532等标准定义的。eCl@ss发布过程基于ISO22274。扩展结构模型，以覆盖符合工业4.0的“管理库”。必要时还包括调整或扩展所参考的标准。⑤小结eCl@ss以全球领先的专业实力，依照常见工业标准所开发的、得到普遍认可的产品数据标准，在当下就已然满足了对于工业4.0语义体系的核心要求。我们将全面推动“概念验证（POC）”合作项目，以证明eCl@ss作为工业4.0语义体系的解决方案的适用性和有效性，并在将来将其继续作为参考实例或基础安装的典范。13声明“经济数字化的趋势，使得eCl@ss的意义越发重要。工业4.0的开放式结构需要语义体系的支持。而eCl@ss自9.0版本起也将为工程设计流程提供这一支持。”MichaelZiesemer德国电子电气制造商协会（ZVEI）总裁、恩德斯·豪斯首席运营官赖纳赫/瑞士“通过整合PROLIST数据模型，我们已借助eCl@ss获得了具备大量句法和语义元素的属性结构。eCl@ss适用性强，如果不将其用到工业4.0通讯的形式表征中，简直就是一种浪费。”GuntherKegel工程博士执行董事会主席/首席执行官德国倍加福公司（Pepperl+FuchsGmbH）曼海姆/德国“当标准化产品和生产数据形成跨制造商和跨行业的信息网络时，工业生产过程的数字化可发挥巨大影响力。我们将eCl@ss视为核心工具，以便为工业数字化提供语义明确的属性体系。”MatthiasFankhänel博士高级副总裁GFU技术专家，巴斯夫股份公司（BASFSE）路德维希港“标准化语义体系，即