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统治世界的机器 工业4.0屠龙刀即将完成?(上)

作者:林雪萍 来源:知识自动化`

祭出屠龙刀?


数字化转型,正在成为最具吸引力的大讲堂,所有的企业家都在争相恐后登台发表自己的战略。而工业4.0,这一五六年前红遍天的企业战略,则似乎被人抛弃了。


但这种冷落,其实只是一个假象。德国本土的工业4.0工作组正在低调而稳步的推进地基的建设。


美国以PLM为基础的数字孪生概念,已经以各种方式被广泛演绎,光彩照人的时候,德国则采用稳扎稳打的方式,从设备入手,围绕着机器的互联互通而做足功课。但对比其他国家产业界的调门,德国工业4.0工作组则一直像是地下工兵,意欲打通地下隧道的工程奇迹往往无人问津。工业4.0工作组已经推动7年的资产管理壳AAS(Asset Administration Shell)——一种将世界折叠在一个螺壳里的艺术,正在露出健壮的轮廓,就像是雕塑家即将塑形的思考者雕像。管理壳,简单说就是给一台机器,或者一只机械手,更小的如一个轴承,建立一个数字身份证。德国人把这个看成数字孪生的一种等价物。这意味着,每台机器都将穿上可通讯的盔甲,就像《博物馆奇妙夜》的晚上,所有的物体,全部复活。管理壳激活了它们,数字化工业世界里的沙盘,正在紧锣密鼓推演之中。


工业4.0屠龙刀,即将炼成。


机器宇宙的起点


一切要素数字化。


这就是工业4.0所要追逐的目标。无论是产品设计研发,还是工艺,或者生产运行,和智能产品,全部用一套数据流,从头走到尾。这个一开始就令人惊叹的野心,正在走向可能性。管理壳,就是这个野心的宇宙爆炸起点,从这里看过去,一切宇宙的时间和空间都是从这里膨胀出去的。


资产管理壳AAS可以理解为工业4.0模型标准体系的总称,它由若干套子模型标准和一套总体模型规范形成。这些子模型,就是构建数字模型体系的树根,而它们也绝非空穴来风,都是选自各自领域中最具代表性的标准,然后进行适配性改造。


管理壳,正在为每一个部件,建立详细的画像;还要配上通讯协议。实际上,它是正在为未来所有的机器互联、互操作做好准备。

但管理壳,远远比一个数字马甲要复杂。它并非只是给机器穿上一件数字外衣。

设想一下没有万维网的时代。图片、word、表格都已经广泛存在。但它们如何共享?它只能你传给我传给它,非常有限的传播。


于是网页出现了,它采用HTML格式,可以将表格、图片、文本等资源,通过一系列网址(URI)获取。所有的人,只要打开这个网页,就可以看到同样的内容——准确无误地再现。


可以将管理壳理解成一个网址,在这上面,电机、机器人、机床,或者物料,都被网络化、资源化了,从而可以在管理壳上,自由浏览和下载。


如果说互联网是为人们共享网页而生,那么管理壳就是为机器建立共享主页而生。有了管理壳,机器之间将可以轻松地完成通讯。


工厂里的《新华字典》


作为出口大国,德国深知与全球贸易接轨的必要性。因此德国开发了eCl@ss分类系统。它采用了面向对象的设计理念,可以组合出具有唯一性的产品类别、关键字代码和产品描述。这也是目前唯一通过ISO/IEC标准认证的产品分类格式。


作为供应商和客户之间信息交换的标准,eCl@ss采用了四级目录结构,关键字涉及到12000个术语。它包含了大约3.8万种产品分类和1.6万种产品标签,基本上囊括了目前所有在使用的产品和服务。eCl@ss目前逐渐在工业、商业、食品和服务等领域被广泛使用。尤其是在德系汽车工业中,大部分零部件产品基本都使用eCl@ss分类系统来进行管理和采购。


eCl@ss简化了在电子商务领域内的产品数据应用,使得从供应链一开始的采购,订货到最终结算的所有流程中均有一致性的产品电子规范。有着如此庞大的连接能力,这意味物料、机器已经建立起天然的联系。那么如何让eCl@ss的颗粒度足够精细,以至于可以达到相互通讯的地步?


eCl@ss就像是一个工业词典,让资产管理壳AAS找到了产品分类依据。它应用广泛,为管理壳的各种模型提供了一致性的语义标签。所有人的用语,都需要到《新华字典》里找出来,于是大家说法一致。凡是《新华字典》里没有,都是火星语。工厂里不接受火星语。eCl@ss就是工厂里的新华字典。

于是,德国工业4.0平台,跟德国电气协会ZVEI,以及eCl@ss标准组织通力合作,使eCl@ss用户可以将其中的要素,快速标准化,形成资产管理外壳身上的一段胎记,或者一块基因片段。它会自我表达,自己是谁。


eCl@ss作为采购环节中最常用的分类,终于可以发挥更大的作用。eClass就是一个文件,但没有搜索能力。也没有上网能力。一个图片如果不被嵌入到HTML中,那就无法通过3W被查找到。同理,借助AAS的网络化能力,第三方用户或系统,就能通过网络查找到相应的eCl@ss资源供。


同时,随着工业4.0计划的推动下,eCl@ss开始进入到工艺设计系统(如AutomationML)以及自动化系统中(如OPC UA):在工艺设计阶段,eCl@ss可作为机床加工件/仓储自动化货柜的规格数据输入,而在自动化系统中,eCl@ss则可为机器人/质检系统提供一系列产品空间相关的数据。


AAS,激活了eCl@ss的能力。不过,它们基本上是同一拨成员,一起推动工业4.0的企业推手。


描述一个工厂


如何用工程数据,描述一个工厂?如何将两条皮带之间的距离,告诉打算从中间闯过的AGV小车?六个机器人协同工作时,如何记录它在空间中的轨迹,不至于相互碰撞?


这意味着,在生产线上,需要有一种语言,描述工厂里的空间关系、控制逻辑。


AutomationML语言(Automation Markup Language),正是这种面向工厂对象的语言。它可以用形式化的描述方式,将工厂里面锅碗瓢盆的琐碎,从产品、物料、装备或者加工过程,全部描绘出来。AutomationML也可以理解成一种构建工厂三维地图的语言,它可以将一个工厂或者产线,进行数字化重构。在这种语言的描述下,真实的工厂,通过语言的传递变成了一个虚拟工厂。当然这只是一个模型。而大量仿真、计算软件,就可以在这个模型上开始启动,各自操起家伙,驱动不同的锅碗瓢盆。


作为一种基于XML的描述语言,无论是管道工程、电气设计、PLC编程、机器人编程等,都可以加入进去。实际上,AutomationML就是要解决的是这些不同工程要素之间的信息标准化,如机器人、AGV等对象之间的信息交换策略。


简单说,AutomationML就是语言,一种图形化、低代码的建模语言,建模方便,它是自动化系统参数的输入。

现在,管理壳AAS,已经将它集成在内,从而为AAS确立未来调用时候的相互逻辑关系。

这其中AutomationML可以兼容3D模型,这一点非常重要。在设计、仿真等环节,存在大量3D 模型的格式。这些CAD一般是以中立性的STEP或者IGES格式,也有西门子所管控的JT格式。但是要将这些模型,变成工厂的描述方案,则还需要一种标准。作为3D立体几何模型的XML描述方案,最早源自索尼游戏开发的CollaDA格式,被AutomationML所采纳。实际上在机器人调用几何空间和动态轨迹的时候,就是采用了CollaDA格式。


还有另外一种软件,正在进入这个阵地。那就是计算机辅助制造软件CAM软件。它正在从有限的数控机床,快速进入机器人行业,从而改变机器人现场示教编程的低效。在很多场合,一台机器人在现场等待编程的时间,能够占到90%以上。这意味着一台机器人90%的时间都在睡觉。而这种示教机器人的惰性,正在被CAM的离线编程逐步所取代。既然CAM能够完成机器人的路径规划,如果进一步拓展,它当然可以继续指挥AGV车、指挥物料的行走,再加上它最擅长的机床,那么它会更好地对产线设备进行路径协同。这个时候,它就不再像以前那样只输出G代码供机床使用;而是可以借助AutomationML语言,输出XML格式,从而真正建立产线上各台机器行动轨迹的大仿真。


管理壳,正在跟CAM/CAPP等工艺设计软件,建立更多的连接。这是属于管理壳的巨大胜利。也使得数字化车间,将发生更大的软件驱动的景象。


让互操作性变得可行


当现场设备需要协作时,它们应该采用何种通讯协议与工程建模方法?如何实现二者的可识别性,进而完成工业互联网最重要的属性:互操作。OPC UA就是抱着这样的雄心而出现。它不仅统一了通讯协议框架,而且也使得各个设备有着相同的信息模型。


OPC UA天生是一种软件化思维,这其中就包含了标准化、简单化等原则。这跟设备现场OT界的私有化、多样性、非标是完全不一样的。可以说,工厂里各个设备都可以看成自有江湖的侠客,相互不通气,每台设备说的都是江湖黑话。而OPC UA则致力于将标准化,引入到设备层。OPC UA的引入,可以有效支持语义互操作,它可以承载各种语义模型,而且提供了强大的通讯协议接口。


如果说AutomationML提供了描述工厂对象的描述语言,那么OPC UA就是一种基于对象的协同框架。


在装备及产线层面,已有众多系统对OPC UA模型与通讯接口进行了支持,其中包括离散行业的机器人、机床、3D打印机等;在流程与能源行业,多家DCS系统支持OPC UA通讯协议及信息模型。同时,随着机器/产线与工艺设计、计划系统的深度融合,OPC UA也在积极地制定与AutomationML(工艺设计格式)、ISA 95(生产运营系统)相兼容的配套规范。


可以看到OPC UA已在近几年取得了不错的成绩,它正在顽强地向下渗透,刺进黑暗的设备黑盒子。在此过程中,德国机械设备制造学会VDMA给予了大力的支持,它在有计划地将各种机械设备分门别类地进行信息建模指南。

VDMA,为这些类别都做了OPC UA的模型。工程设备、自动化设备,都变成规范化的设备模型。相当于可以这些规范,可以做系统集成和功能调整。如读卡器RFID,设定有几个指令。开始扫描、一直扫描(是否有RFID靠近)等。而机器视觉,则有拍照、旋转、放大、缩小等指令,全部规范化。这些指令,都可以自由拖拽。这意味着,一个现场技术工人,就可以简单使用复杂设备,给机器编程。原来很复杂的自动化开发工作,就可以傻瓜化。


想一想,操作大疆无人机的时候,只需要拖拽,就可以实现一系列飞行运动。OPC UA的信息建模,就是为了使得“编程平民化”。


当人们抱怨年轻人不肯下工厂的时候,却从来未曾想过这些工厂陈旧的操作界面会吓跑年轻人。这些设备操作的理念,基本是一百多年留下来的遗产。这期间,机械化、自动化和信息化,不断更新,但劳动者都需要做出各种复杂的动作才能应付。而未来的车间,一定都是界面化操作。这才是迎接90后成为工厂主力的最好礼物。这些云原生的数字居民,一开始就是一个“屏生活”的时代:他们只学会了使用指尖来敲打键盘或者触摸显示屏。只有工厂里重现“屏操作”这样的颠覆性工作场景,年轻人才能真正下得车间。这意味着蓝领、白领的工作界限正在模糊,操作人员就是编程人员,编程人员就在现场。没有足够的底层信息建模,调整工艺的难度和工作量是不可想象的,人们不得不返回办公桌去操作计算机。但这样的时代,终将过去。

当我们满心欢喜地迎接数字化工厂的时候,千万不要忘记迎接云原生的数字居民也进入了工厂。一台机器、一个工厂被操作的界面至关重要,它只属于指尖操作。


待续。。。


 

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