工业4.0 资产管理壳学习笔记

Posted 2022-09-13 姚家湾

何谓资产？

       工业4.0的观点下，资产是任何“对组织具有价值的对象（object which has a value for an organization）”。因此，工业4.0中的资产几乎可以采取任何形式，例如生产系统，产品，软件安装，知识产权甚至人力资源。

资产管理壳

管理壳是资产的数字化表示。它的结构如下图所示：

       AAS 有两个接口：AAS 和资产之间通信的任何接口，以及不同 AAS 之间通信的符合 I4.0 的接口。

       资产管理壳中包含工程设计，运行，维护各个阶段所需要的所以信息。也就是产品生命过程中的所有信息，包括说明书，接口，能力说明所有的信息。所以，管理壳并不是局限于运行中使用，在采购，设计，运行，维护都需要使用AAS。

        AAS 包含了设备生命周期中所需要的任何事情。AAS 是未来工业界最重要的交互的信息。他们包括了供应商与厂商，管理软件与设备，产线中设备与设备之间的信息交互。它们并不局限于设备之间的控制和信息交换。这个观点必须铭记在心。在一个大的视野下掌握I4.0 的知识。

 AAS 的应用涉及到企业的IT，OT 和管理部门使用。也可以被工业界共享。

        AAS 商业成功的关键在于互操作型和标准化，当工业界达成共识，并且形式一个完整的生态系统，才能够是否出巨大的商业价值。这不是能够轻而易举地实现的，也不能依靠某一个企业的努力能够实现的。它需要政府，行业协会，标准化组织，企业，科研部门共同的努力才可能实现。我们需要充分地理解这一点。并且不断地探索新型的合作和商业模式，促进工业4.0 时代的早日到来。

I4.0 组件

      在工业4.0 的观点下， 使用AAS描述的对象是一个I4.0 组件（I4.0 component）。这个对象可以是一台注塑机，一个阀门，或者是生产线中的一个单元，例如一台CNC 设备加上机械臂，托盘。I4.0 组件也可以是一个软件系统，例如MES 或者ERP。在工业4.0的观点下，生产线是由一组I4.0 组件构成。

资产管理壳的三种类型

文件型被动AAS

     管理外壳包含 说明属性，参数、变量和过程 能力 在里面形式的 所谓的子楷模。 这个抽象上 资产能够是 访问， 阅读和 由其他组件操纵。这种类型的被动方面AAS 意味着这些能力回应 外部请求和命令以及无法采取主动并做出决定以实现 自己的目标。

编程型AAS（ProActive）

内容基本上与文件型AAS 相同，但是只能通过网络接口与API进行访问。

I4.0 语言访问型主动AAS 

        在I4.0的应用中，设备管理壳需要一些主动的智能化场景，主动意味着可以根据环境和资产管理壳内部的变化作出主动的改变。VDI/VDE 2193提出了I4.0 组件的AAS之间的交互语言I4.0 语言。它是一种基于消息（message） 的通信协议。

 

被动 AAS 模型

AAS 模型采用AutomationML或者XML来描述。

子模型

      AAS 包括子模型的概念，每个子模型都可以通过描述资产在不同领域的方面来表征资产。领域示例包括识别、通信、工程、安全、安保、生命周期状态、能源效率、健康状态、过程控制。子模型还描述了资产的功能：钻孔、铣削、焊接、组装、混合、加热、反应等。每个子模型由多个属性描述，这些属性由唯一的全局标识符和一组明确定义的属性定义。AAS 属性是首选名称、符号、测量单位、定义等。

   被动AAS 的核心是标准化的资产的属性和功能，它们使用机器可读的格式来描述。AAS是资产的标准表现，被其它AAS 或者非I4.0 应用使用。子模型以及它们的元素能够被阅读和启动和停止其中的功能。

资产的语义清晰和机器可读格式非常的重要。它能够加快自动化技术组件的互操作性和集成。

主动AAS

主动AAS 的结构如下：

         从上面的图可以看出，主动AAS 和被动AAS 相比，增加了一部分算法。以及与外部的交互。值得注意的是，AAS 的算法和资产内部的控制算法的不同的。AAS的算法是建立在内部控制算法之上的算法。

主动AAS 包括了如下几个部分：

交互管理Interaction Manager (IM)

消息Messeng

组件管理 Component manager

算法Algorithms

I4.0 语言

        VDI/VDE 2193-1定义了消息的结构和类型。I4.0 语言是一种基于消息的协议，在4.0 语言的观点下。每个AAS 提供某些service（例如钻孔，激光切割等都是一种服务） 。通信分为请求服务者和服务提供者

服务请求者通过发送请求推荐（call for proposal）。

服务提供者相应”请求推荐“，发送”推荐“，也可以发送”拒绝推荐“。

I4.0 语言的消息能够使用多种消息系统承载，例如使用MQTT 承载I4.0 的消息

用于 工业4.0 资产管理壳的 OPC UA 

作为一种基于信息模型的协议和建模方法，也能够被用来描述AAS。2021年4月，OPCUA 发布了OPC 30270 -OPC UA for Asset Administration Shell (AAS)。该规范中详细地描述了AAS 到OPCUA 的映射。

 我们在这里描述几个重要的映射关系：

1. AAS 子模型的操作类型 AASOperationType 转换成为OPCUA的方法。

       AASOperationType 封装了OPCUA 的方法名称为“Operation” ，他没有参数，参数通过引用“HasDictionaryEntry” 指向输入输出变量的语义定义。

注意： 这里的UPCUA 方法是Operation ，而AASOperationType 的实例可以是不同的名称。

Method_xy_name (
       [InputArgument]
0:PropertyType                  BrowseNameA
0:PropertyType                  BrowseNameB
                   … 
       [OutputArgument]
0:PropertyType                  BrowseNameK
0:PropertyType                  BrowseNameL
                   …
)

1. AAS 子模型中的“事件” 转换成为OPCUA 的时间 AASEventType 类型。

 OPC UA I4.0 AAS 的规范和一致性服务器

   一个标准的AAS 服务器包括：

 实例

 结束语

 本文简单地介绍了工业4.0 资产管理壳一些基本概念。在笔者看来，基于AAS 基础的工业4.0 的应用是不容易在短期内一蹴而就的。需要政府，标准化组织，行业协会，自动化厂商，研究机构和工业领域共同努力，并达成一致才可能实现。并不是做一些软件，或者设备就能够实现的，其中有大量的基础工作要做，甚至于工业领域开发，设计，供应链，生产方式都将发生巨大的改变。依靠科研机构或者一些自动控制设备厂商是难以实现其商业价值。在发展的初期，寻找创新的推广方式和商业模式至关重要。