智能制造的系统标准化建设.docx
- 文档编号:23678473
- 上传时间:2023-05-19
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:568.02KB
智能制造的系统标准化建设.docx
《智能制造的系统标准化建设.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《智能制造的系统标准化建设.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
智能制造的系统标准化建设
智能制造的系统标准化建设
标准化是智能制造的重要基础
当前,智能制造已经成为世界各国发展制造业的重点,在《中国制造2025》中也明确指出,智能制造是主攻方向。
值得注意的是各国在制定发展智能制造的政策时,都不约而同地把标准化作为发展智能制造的重要工作和优先行动。
李克强总理在视察工信部时,也强调“当前智能制造最重要的工作是标准制订”。
因此,智能制造的标准化引起了普遍的关注。
本文就智能制造标准化谈谈自己的一些想法和思考。
一、迫切性
智能制造作为发展制造业的技术方向,时间并不长。
因此,在技术上它还处于正在发展的阶段,它的技术体系还不清晰,很多具体的技术问题也在研究之中。
一般情况下,标准是对科学技术成果和生产经验的总结,应该是在技术和生产都已经比较成熟的情况下才可能制定的。
为什么智能制造的标准化现在就要提到日程上来呢?
这是由智能制造本身的特点决定的。
智能制造最核心和最基础的问题是信息集成,也就是工业4.0中提出的:
通过价值网络实现的横向集成、贯穿整个价值链的端到端工程数字化集成、从生产现场到生产执行系统(MES)、企业资源规划系统(ERP)之间的垂直集成。
真正实现这些信息集成的系统是一个极其复杂的系统!
它涉及产品设计信息、工艺信息和制造信息之间的数据统一,生产现场各种制造装备之间的互联互通,制造系统与物流系统的信息互通,生产现场与生产执行系统之间的信息交换,MES的生产信息与ERP的经营信息之间的集成,乃至企业与供应方、外协方的企业之间的信息集成……。
其中的任何一个环节,本身就是一个系统。
例如生产现场使用的数控机床,它们自身就是一个复杂的系统。
经过多年的发展,已经形成了自己完整的技术体系。
而智能制造是要在各领域的既有的各类体系上实现更高水平的整合,所以工业4.0把智能制造称为“由系统组成的系统”。
进制造计划AMP2.0”提出“在3到5年内,要使不同供应商提供的制造自动化设备能够无缝地进行互操作,实现即插即组态”;今年6月9日,日本经济产业省公布的《2015年制造白皮书》中提出“工厂使用的制造设备的通信标准繁多,许多标准并存,没有得到统一……发展标准化面临诸多障碍……跨越企业和行业的壁垒,强化’横向合作’,对于日本制造业提高竞争力,具有非常重要的意义”。
在实际实施智能制造工程时,制造过程的互联互通也是系统集成过程中最困难、耗时最多、费用最大的工作。
大部分的用户最大的反应就是缺少互联互通的标准。
为了实现生产现场信息的集成,必须要与每一台设备的供应商进行协商,要求其开放设备的相关协议,然后根据该协议开发针对这台设备的接口软件,才能实现设备与企业网络的连接。
管理软件也遇到类似的问题,也需要针对一个一个软件开发中间接口。
而且,以后企业每购入一种新的设备,系统集成商就得再开发一种新的接口软件。
这些接口软件完全是专用的一次性产品,对技术进步没有任何作用,还大幅度增加了系统集成的成本,是巨大的浪费。
因此,要想实现信息集成的目标,必须要使制造过程各个环节在全球标准化的基础上实行统一的标准。
如果现在不开始智能制造的标准化工作,任凭制造商自由发展,将来标准问题必将成为智能制造发展的极大障碍!
这一点我们是有经验教训的。
例如现场总线标准,由于在一开始对现场总线协议没有开展国际标准的研究和制定工作,各大企业自行开发的协议都逐步成为事实上的标准,难以再进行整合,以致现在现场总线的国际标准有几十种,最终受到损失的还是用户。
而工业无线通信协议吸取了现场总线的经验教训,比较早开展了国际标准工作,目前仅有四种协议成为国际标准。
所以,在涉及通信、数据格式等领域,需要尽早开展标准的研究。
另外,标准问题涉及技术话语权问题,这关系到各国的巨大利益。
工业4.0的标准化路线图中提出了两个观点。
其一是建议在国际标准的制定过程中,可以在某一个国家先试行一些标准,然后再把这些标准纳入为国际标准;其二是要求德国各标准化组织派更多的专家到国际标准组织的工作组中参
与工作。
这两点都是希望把德国的技术写入国际标准中,将德国的技术成果在全球推广应用。
所以,我国也需要积极开展智能制造的标准化工作,在国际标准中争取有我们的话语权。
、智能制造标准化的范围
智能制造涉及的范围非常广,与产品、通信、信息、管理、质量、物流等都有关系。
这些领域都已经有自己的标准体系,那么智能制造的标准化工作应该界定在什么样的范围内呢?
这一点仍然要根据智能制造的特点来确定。
智能制造是信息技术与制造技术的深度融合。
之前,无论是制造技术还是信息技术都已经有很多年的发展历史,制定了自己完整的标准体系。
智能制造标准并不是要再制定一系列制造技术标准或者信息技术标准,而是要在智能制造新的技术要求下,制定与两种技术融合有关的标准(见图5-1)
图5-1智能制造标准化的范围
以数控机床为例,智能制造的标准不是去关注数控机床本身的各项技术要求,即便未来的数控机床会有更多智能功能,成为智能机床,它的标准也不属于智能制造标准的范围。
智能制造的标准关注的是当一台数控机床被放置在智能制造系统中时,它应该具有哪些技术特性。
例如应该具备哪些通信协议,能够给制造系统提供哪些机床的加工信息和设备状态信息,能够接受系统哪些信息并能执行以及这些信息应该以什么样的数据格式提供。
对于信
息技术也是一样。
智能制造标准不会去关注5G的技术标准,而是关注5G
技术被用于智能制造系统时它所应该具备的技术性能。
三、智能制造标准化工作面临的挑战
智能制造的特点对标准化工作提出了新的要求和挑战。
总结起来有以下
五点:
综合性
智能制造标准关注的是两类技术的融合,标准的内容必然包含了多种技术,包括设计技术、工艺技术、制造技术、通信技术、管理技术等。
这样综合性的标准与过去以行业为服务对象的标准有很大的区别。
以行业为服务对象的标准,其标准的内容、审定标准的专家结构都是围绕一个行业的,涉及的技术内容比较专,不适应制定多种技术综合标准的要求。
往往一项智能制造标准的内容会涉及多个行业的标准化技术委员会(以下简称标委会),因
此标准的制定必然是多个相关标委会合作的结果。
在工业4.0的标准化路线
图中也特别强调不同标委会之间必须进行跨领域的紧密合作。
智能制造标准的综合性,给现有的标准化工作提出了新的要求和挑战。
多个标委会应该以什么样的工作方式来合作制定一项标准,标准如何申报立项,应该组织什么样的专家团队来进行审核,如何认可这个专家团队等,都是需要研究的新问题,也是对标准化工作的创新。
不成熟性
如前所述,智能制造技术目前还处于研究发展阶段。
在一些重要的技术上,世界各国还没有达到协商一致的程度。
因此,智能制造标准有摸索和探索的特点。
在具体制定的方式上,各国都提岀要以用户案例作为制定标准的前期技术准备。
也就是说,在大家对智能制造的技术还没有把握的时候,要通过一些实例来进行验证。
例如,当前还提不岀大家公认的智能制造体系框架。
那么,先在一些智能制造工作开展得比较早、已经获得一些经验的航空、航天、汽车等行业进行试点,通过它们的案例提出该行业的智能制造体系框架,然后,在多个行业体系框架的基础上再提炼成智能制造体系框架。
所以,把“用户案例”作为
类标准是智能制造标准的一大特色。
如何制定用户案例标准,是标准化工作遇到的新问题。
例如事先如何进行案例设计,要明确针对智能制造的哪些特征技术进行验证,如何选择用户案例和确定案例的实施方案等。
在今年工信部实施2015年智能制造专项中,
也部署了29项案例标准,涉及的产业有航空、航天、电工装备、传感器、电子装配、机械加工等。
这是对用户案例标准的一次尝试,希望通过这些案例标准的制定,有助于提炼岀通用和基础标准的技术内容。
实施性
目前我们国家的标准分为强制性标准和推荐性标准。
强制性标准一般都是涉及人身健康、生命安全、财产安全、生态安全、国家安全等国家标准,其他都是推荐性标准。
对于推荐性标准,企业可以根据具体情况决定是否采纳但是智能制造标准是系统性的。
不管是名词术语、通信协议、数据格式、语义描述,凡是参与到智能制造系统中的装备、产品、软件都得采用统一的标准,否则就无法实现互联互通和信息的集成。
因此,智能制造标准具有一定的“强制性”。
这就要求标准在制定过程中要更加注意多个行业之间的“达成一致”。
只有真正“达成一致”,标准才有可能顺利宣贯。
如何使多个行业对标准内容形成共识,并且在实施这项统一标准时,各方付岀的代价最小,是对标准化工作的新要求和挑战。
国际性
智能制造标准应注意与国际标准的兼容性。
这是一条基本原则。
因为企业在实施智能制造(例如建设数字化车间)时,通常会采用一部分国外的装备和软件。
这些装备和软件也要融入到企业的智能制造系统中,成为一个有机的整体。
如果我国的标准与国际标准兼容,那么在采购时要求外方提供的装备符合国际标准是没有问题的。
如果我国的标准与国际标准不兼容,要求外方装备特意符合中国标准,在一般情况下比较困难,或者会支付很高的代价。
所以,智能制造标准必须考虑与国际标准的兼容。
而且,我们还要尽量借助国际上的研究成果,采用国际标准。
在采用国际标准时,要特别注意标准的开放性。
有些国际标准虽然是开放的,但是在标准中隐含有专利问题,或者有的标准的认证技术掌握在极少数国家手中。
因此,在采用国际标准的时候,要注意安全可控问题。
渐进性
智能制造的标准制定,与智能制造发展的水平是很有关系的。
它是随着智能制造水平的逐步提高,制定相应内容的标准。
例如我国目前的实际发展是处于普及生产自动化和管理信息化的阶段,那么首先需要制定的应该是与之相关的标准,例如互联互通、数据格式、信息化管理等标准。
下一步的发展从制造向产品全生命周期管理发展,则需要制定设计、工艺、制造、检验、物流相关的标准。
以后会对供应链、协同制造、远程监控等新模式新业态发展,则会涉及云计算、大数据等相关标准。
当然,智能制造的发展阶段不会分得那么清晰,但是在某一个阶段重点制定哪些标准应该有通盘的规划。
四、智能制造相关国际标准活动
与智能制造相关的国际标准化组织主要有:
国际标准化组织(ISO),国际
电工委员会(IEC),IEC及ISO的联合技术委员会(ISO/IECJTC1),万维网联盟(W3C),国际电信联盟(ITU-T)以及电气和电子工程师协会(IEEE),工业网络联合组织(IIC)等。
目前,与智能制造相关的国际标准化活动主要围绕三个方面:
智能制造体系框架的研究、对符合智能制造体系框架的已有国际标准的梳理以及提岀下一步需要研究的内容。
1.智能制造的体系框架
在各国提岀的智能制造标准化优先行动中,不约而同地把智能制造的体系框架放在首位。
这是由智能制造的特点决定的。
过去国际标准化组织也制定过一些有关工业系统结构的标准,如企业信息集成系统的标准IEC62264
(ISAS95)和批量控制标准IEC61512(ISAS88),这些标准基本上只是系统功能分层的架构,可以说仅仅是由技术驱动的。
而智能制造的涉及面远远超过以往的任何系统。
它贯穿于产品生命周期的全过程,牵涉工厂的所有功能,并且还体现了信息技术与制造技术的融合。
因此,智能制造的体系框架十分复杂。
而体系框架不确定,就无法界定智能制造标准化的工作范围,它是标准化的基础。
通过体系架构,可以识别现有哪些标准与智能制造相关,有哪些标准缺失和不足需要补充或修订。
还可以看出哪些标准的内容有重叠,从而选择适宜的解决方案,使所涵盖的标准数目尽可能少。
体系框架还允许对标准进行部分实现,即识别标准的分标准和子标准,以便中小型企业实施智能制造。
不同的国家对智能制造的理解和诉求不同,因此目前只能提出智能制造的参考模型。
本文简单介绍两个方案。
图5-2是IEC提出的参考模型,图5-3是德国工业4.0标准化路线图今年提岀的参考模型RAMI4.0。
RAMI4.0的基
本特性参照了欧洲智能电网协调组织2014年定义的智能电网架构模型
SGAM。
这一架构在全世界获得广泛认可。
从这两个参考模型图可以看岀,它们都是以智能工厂作为核心对象进行描述的。
两个模型中的X轴都是产品全生命周期的各个环节,在图5-2中是用需求、概念、设计、工程、建设、调试、运行、服务、报废这些全生命周期的具体环节来描述,而图5-3则把X轴分为样机研发(Type)和实施
(Instanee)两段,因为这两段在与信息技术结合方面的内容区别较大,但描述的也是产品全生命周期。
两个模型的Y轴都是描述工厂的层次结构,包括产品层(含半成品、零
部件等)、现场层、控制层、站、运行层、公司层。
只是图5-3在公司层的上面增加了“互联世界”层,更好地体现了未来企业间协同制造的内涵。
Z轴的表示,两个模型的差异比较大。
自上而下的上面四层基本一致,都是经营、功能、信息、通信。
但是图5-2的第5层叫“配置”(Composition),第6层叫信息物理系统(CPS)。
在图5-3中第5层叫集成,第6层叫资产(Asset)。
二者意义相去甚远。
这些层次名称的含义实际上还是不很清晰,可以赋予不同的解释,容易产生歧义。
从而使参考模型有一定的不确定性。
实际上,参考模型的方案一直在变化。
例如这次公布的工业4.0参考模型已经
是第三个方案了。
图5-2IEC提岀的智能制造参考模型
图5-3工业4.0提岀的智能制造参考模型
2.对现有国际标准的梳理
针对当前智能制造的发展趋势,各国际标准组织都在调整组织机构和研究内容。
(1)在ISO中建立工业4.0战略小组(ISO/SAG工业4.0/智能化生产),战略小组的主要任务如下:
1在ISO中对工业4.0课题进行战略性以及规划性的研究。
2识别不完善的标准及规范。
3拟定工业4.0的执行战略以及相关建议。
④在国际层面上协调标准化及规范化活动。
⑤实现组织和委员会之间的协调。
其结论报告将于2016年9月规划制定。
(2)在国际电工委员会中的标准化管理委员会(IECSMB)中建立研
究工业4.0智能化生产的第8工作组(SG8)(详见SMB/5332/R)。
该工作组已
于2014年5月成立。
IECSG8已完成以下成果:
1广泛参与由工业自动化大型企业专家组成的国家性委员会的活动。
2与ISO/IECJTC1WG10,IEEEP2413,ISOSAG工业4.0/智能化生产以及ISOTC184进行了紧密的联合。
3通过了第一份IECSMB报告(详见SMB/5584/R):
通过电子方式对工业4.0/智能化生产的标准路线图(规范化路线图)的建议进行说明。
标准路线图将作为一个与智能电网映射工具进行对照的等效电子工具。
在国际电信联盟无线电通信组(ITU/R)就工业4.0/智能化生产的无线电频谱方面向IEC提出请求。
对用于特征划分的“常用数据词典”(CDD)的数据维护及相关软件的维护(针对IEC62656的PARCELMAKERTM)进行长期的资金支持。
向技术委员会提出建议:
对“常用数据词典”(CDD)加以强化,并对IEC61360进行完善及使用,从而在工业4.0组件的管理层中对特征分类进行规范化的说明。
经过初步梳理,与工业4.0相关的现有国际标准如图5-4所示。
IEC也提出了相关标准,标准的清单见表5-1。
通过梳理,可以归纳为以下几点:
在自动化技术方面,IEC/TC65以及ISO/TC184标准涵盖了面向系统自动化技术从流程控制到生产控制、制造执行和企业资源管理的接口的所有重
要课题。
最近几年制定的具有广泛性的系列标准现在已经达到较为成熟的阶段,并且仍处于不断发展的态势当中。
因此,工业4.0所需要的标准结构已基本就
绪。
其最大的挑战在于如何确保跨界的可互操作性,如不同流程技术、制造技术、物流、机械工程和信息技术系统和概念之间的可互操作性。
这就要求不同领域的标准化委员会之间开展紧密地合作。
工>4.0已经讨论过的标准
图5-4工业4.0相关的现有国际标准
表5-1
标准编号
标准名称
IEC62832与
IECTR62794
工业过程测量、控制和自动化制造系统表示用参考模型(数字工厂)
IEC62890
工业流程测量、控制和自动化系统及产品生命周期管理
IEC62264
企业控制系统集成
IEC61512
按批控制
IEC62541
OPCUA
IEC62443
工业通信网络网络与系统安全
IEC62714
适用于工业自动化系统工程的工程数据交换格式自动化标记语言
标准编号
标准名称
IEC62424
过程控制工程的表示法P&I图表以及P&ID工具与PCE-C
IEC65E/482/NP
条件监视功能的通用表示方式
IEC61804
过程控制用功能块第3部分:
电子器件描述语言EDDL
IEC62453
现场设备工具(FDT)接口规范
IEC62769
现场设备集成FDI
IEC61987
工业过程测量和控制过程设备目录中数据结构和元素
IEC61508
电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全
IEC61511
功能安全流程工业用安全测量仪表系统
有线通信
IEC61158
工业通信网络现场总线规范
IEC61784
工业通信网络协议集
IEC62026-2
低压开关设备和控制设备控制器-设备接口执行器传感器接口(AS-I)
ISO/IEC14543-3
信息技术家用电子系统(HES)体系结构KONNEXKNX
无线通信
IEC62591
工业通信网络无线通信网络和通信协议WirelessHART
IEC62601
工业通信网络现场总线规范WIA-PA通信网络和
通信协议
在信息技术方面,由德国标准化学会(DIN)、信息技术及应用标准委员会
(NIA)以及其国际上的平行行业和ISO/IEC联合技术委员会(ISO/IECJTC1)
一同组成的小组将对共性标准及规范进行持续化的推进。
而大多数信息技术课题已在数年前进行了研究和发展,这为工业4.0提供了一个稳固的工作基
础。
例如生产技术设备软件的质量安全、设备间的通信(ISO/IEC8802标准
系列)、非接触式智能卡技术(ISO/IEC14443)以及近场通信(NFC,ISO/IEC13157)、物联网都将作为与工业4.0紧密结合的核心课题之一,在国家乃至
国际层面上进行广泛的项目研究。
特别是在自动识别以及数据收集(AIDC)
方面将实现与物联网的紧密协作,即:
ISO/IEC15459以及ISO/IEC29161。
新的标准主要关注大数据。
在JTC1/WG9中制定了一些基础标准,可
进行非结构化数据的评估,从而实现生产流程和物流的优化(ISO/IEC
20547)。
云处理方式作为新型储存技术将通过在JTC1/SC38中所制定的标
准及规范(ISO/IEC19944)实现云处理技术的运用,以便人机间进行交流以及信息进行管理和储存。
IT系统的安全性将成为工业4.0成功运作的关键性要素。
由于在生产技术领域中对IT安全措施的实施仍面临着一定的挑战,因此,现有的标准和IT安全解决方案远远不足以确保IT系统的安全。
当前急需以标准及规范作为有力依据的系统性应对措施,借助规范化的接口以及实践性的应用程序,对工业4.0的成功实施提供保障。
3.标准化的研究内容
(1)参考模型:
包括系统结构、针对控制功能的参考模型、针对技术组织过程的参考模型、针对生命周期过程的参考模型;
(2)用户案例:
案例的统一说明模式、围绕工业4.0概念和特性的重要
使用案例参考清单、通过使用案例说明的非功能属性领域中的标准化需求;
(3)基本共性标准:
概念及术语、关于自动化技术以及IT方面的概念、
针对核心模型的说明、针对标准中所使用的建模语言的说明;
(4)非功能属性:
非功能属性的定义和术语、非功能属性在标准中的定位、安全性、安全保护措施及IT防御、信息安全性、可靠性及稳定性、可维护性、实时性在标准中的概念和定义、系统间的交互操作性;
(5)工程及开发:
在整个产品生命周期中透明和一致的数据基础及开发工具、通过自动化技术中的标准化及规范化对IT开发进行前期支持、协作系统的研发需求、工业化的区位管理;
(6)通信:
网络管理、基础设施组件、拓扑学、电磁兼容、有关获取工业自动化单一频谱的工作、无线电应用的共存性、无线电技术、针对无线电通信的整合;
(7)增材制造:
术语、设计指南、采购的AM件要求、标准测试工件、
塑料增材制造挤压成型规范说明、金属粉末平台熔化标准、粉末平台熔融的具体设计指南、粉末平台熔融金属零件的质量保障及后期处理、更换零件的无损化检测;
(8)工业4.0中的人:
在工业4.0发展中针对人性化工作设计的标准及规范、工艺设计/针对工业4.0工作系统的适应性设计、针对人机功能工作分配的概念、人类及技术系统间的互动性的设计、维护;
(9)标准化进程:
开源开发、模块的规范化、形式的规范化、标准分类、针对核心模型的标准化、针对参考模型的全方面及合理化说明、针对概念及技术性规定的单独说明、文件交换、有关标准应用所涉及的资质,学习内容以及教育和再培训。
五、我国智能制造标准体系的初步设想
智能制造的标准化工作,第一步就是要制定智能制造标准体系,它是标准化工作的顶层设计。
2015年12月,工业和信息化部与国家标准化委员会共同发布了“国家智能制造标准体系建设指南(2015年版)”(以下简称“指南”)。
“指南”在编制中遵循了“构建既符合我国国情、又与国际接轨的智能制造标准体系,充分发挥智能制造跨行业、跨领域融合创新”的指导思想,从基础共性、关键技术、重点行业三个方面,建立由20类标准构成的标准体系框架。
并建立动态完善机制,逐步形成智能制造强有力的标准支撑。
到2017年,初步建立我国智能制造标准体系。
按照“共性先立、急用先行”的立项原则,围绕参考模型、术语定义、标识解析、评价指标等基础共性标准和数据格式、通信协议等关键技术标准,制修订60项以上智能制造重点标准。
并探索制定重点行业智能制造应用标准,率先在《中国制造2025》中提出的十大重点领域取得突破。
到2020年,建立起较为完善的智能制造标准体系。
制修订500项以上智能制造标准,实现基础共性标准和关键技术标准全覆盖,智能制造标准在各行业全面推广应用。
我国智能制造标准国际竞争力大幅提升,在部分领域具有国际标准话语权。
“指南”将采取滚动修订制度,每2〜3年修订一次。
标准体系框架
如前所述,要对智能制造的标准状态有比较清晰的了解,首先就要制定岀智能制造系统架构。
指南中提岀了我国智能制造系统架构如图5-5所示。
tjfitFjM
图5-5智能制造系统架构
该架构与国际上提岀的框架模型类似,采用三维图形表示。
X轴表示全
生命周期的各个环节,根据中国的国情,把物流作为一个单独的环节列岀
丫轴表示企业系统层次,其中增加“协同”层,以更加符合企业间协同设计/制造的发展趋势。
Z轴表述的各项之间
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 智能 制造 系统 标准化 建设
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)