1.2.2 德国工业4.0参考模型RAMI 4.0

工业4.0是一个为价值链组织使用的技术和概念的集合名词。在工业4.0的智慧工厂的模块化架构中，信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）用于监控物理过程，建立物理世界的一种虚拟拷贝，并实施分布式决策。通过物联网，CPS之间、CPS与人之间进行实时通信和协调；通过服务互联网，提供内部的和跨组织的服务，同时被价值链的参与者所利用。

鉴于系统架构是标准化的基础，必须首先开发整个架构的参考模型。迄今为止的有关工业系统结构的标准，如企业信息集成的标准IEC 62264（ISA S95）和批量控制标准IEC 61512（ISA S88）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。按照工业4.0和智能制造所着重要求的面向服务、自主自治、灵活的适应以及协同，其系统架构尚需要在概念上加以扩展。

构建工业4.0参考架构模型的原则如下：

● 作为参考的架构模型应简单而且便于管理。

● 借助此架构模型，可对现有标准进行识别。

● 借助此架构模型，可对标准的缺口和不足进行识别和弥补。

● 借助此架构模型，可对标准的重叠进行识别，并选择适宜的解决方案。

● 使涵盖的标准数目尽可能少。

● 为使中小型企业也能迅速实现工业4.0，参考模型应允许对标准的部分实现，即模型应便于识别标准的分子标准。

● 便于识别各部分和各层级的相互关系。

● 便于定义高层级的规则。

按照以上的原则，工业4.0参考架构模型RAMI 4.0（Reference Architecture Model Industrie 4.0）的基本特性设计，参照的是欧洲智能电网协调组织在2014年定义的智能电网架构模型SGAM（Smart Grid Architecture Model）。这一架构在全世界已获得广泛认可。

为利于参考架构模型表达工业4.0的空间，采用三维模型（见图1-4）。纵轴分成多个层级，便于以不同的视角表达诸如数据映射、功能描述、通信行为、硬件/资产或业务流程。这里借用了IT行业将复杂项目划分为若干个可以管理的部分的思维。左面的横轴表达产品生命周期及其所包含的价值链，这样便可在参考架构模型中表示整个生命周期内的相关性（例如持续的数据采集之间的相关性）。右面的横轴表达工厂的功能性和响应性，即工厂功能的分层结构。

1.物理系统按类别的虚拟映射

为便于将物理系统按其功能特性分层进行虚拟映射，按照IT和通信技术常用的方法，将纵轴自上而下划分为6个层级：经营业务层、功能层、信息层、通信层、集成层和资产层。

①资产层。资产层处于最底层，连同其上层集成层一起被用来对各种资产进行数字化的虚拟表达。资产层用来表达物理部件、硬件、软件、文件等实体。物理部件包括直线运动的轴、金属部件、电路图、技术文件以及历史记录等。人也作为资产层的一部分，通过集成层与虚拟世界相链接。资产层与集成层的链接是无源（Passive）链接。

②集成层。集成层用来以计算机能够处理的方式提供资产的信息、对技术过程进行计算机辅助的控制，在集成层生成来自资产的事件。集成层包含与IT系统相链接的元件，如RFID读入设备、HMI及传感器等。与人的互动也发生在集成层，例如通过HMI进行信息交互。

③通信层。通信层用来处理通信协议以及数据和文件的传输。在指向信息层的方向上采用统一的数据格式，使通信实现标准化，并为集成层的控制提供服务。

④信息层。信息层容纳相关的数据，为事件的处理形成处理的环境，执行与事件相关的规则，并对这些规则进行正式的描述。在信息层中必须将表达模型的数据持续保持，确保数据的完整性，进行不同数据的一致性的集成，并得到高一层的数据，即由数据得到信息，由信息上升为知识。信息层还要通过服务接口提供结构化的数据接收事件，然后把它们转换为将在功能层使用的相匹配的数据。

⑤功能层。功能层用于处理各种所需的功能，并负责进行功能的正式描述；它是各种横向集成的平台，承担为支持业务过程的运行期和建模环境的服务，以及提供各种应用和技术功能性的运行期环境。在功能层内生成规则和决策逻辑。而规则和决策逻辑的执行则在较低的层（信息层或集成层）执行，这取决于应用案例。远程存取和横向集成仅仅在功能层进行，这是为了保证在处理过程中信息和条件的完整性。

⑥经营业务层。经营业务层保证价值链中功能的完整性，并映射业务模型及其产生的全部流程。由于业务层并不指具体的系统，例如，像ERP这样的系统，其位置仍应该在功能层。业务层要对系统模型建立必须遵守的规则，协调功能层的各种服务语义；链接不同的业务过程；以及接收需要业务过程进行的事件。

图1-5清晰表达了RAMI 4.0和物理-数字化架构及递阶关系。把物理实体（包括硬件、软件、工程文件等）通过数字化演化为能在虚拟世界完整表达、通信、推理、判断及决策加工等，让控制信息和业务信息都能实时传递交换和处理，从而使企业中的各类资产都能互联、互操作。根据不同资产的作用，应该按控制要求和业务要求，在它们数字化后构建它们之间的扁平化的通信递阶关系。

2.RAMI 4.0的生命周期和价值链横轴

工业4.0为整个产品、机械装备和工厂的生命周期的改善提供了巨大的潜力。为了使这些关系可视化和标准化，参考模型的第二个轴需要表达生命周期及其相关的价值链。基本参照IEC 62890（即ISA 105）工业过程测量控制和自动化系统和产品生命周期管理国际标准。不过将它划分为两个阶段：设计开发与样机研发阶段（Type）和实际实现阶段（Instance）。

①Type阶段。在Type阶段，从初始的设想到初样的开发，再到样机的试制、测试和验证以至试用，最后该型号产品得以定型，可以转至批量工业生产。

②Instance阶段。在Instance阶段，产品以工业生产的方式和规模进行制造。每一个制造出来的产品代表了这种型号产品的一种实现，具有其唯一的生产编号，向用户提供的是该型号产品的实现。从销售阶段起，对产品改善的要求将返回制造厂，可对该产品的技术文件予以修正。由此导致产生新型号的产品，用于制造厂制造出新的实现。

在工业4.0中，价值链的数字化和链接蕴含改善潜力。在此链接中，各种功能的链接跨度具有决定性的意义。物流数据可用于装配过程，企业内或工厂内的物流则依据未交货订单对物流进行调度。采购部门可实时查看库存，同时可在任意时间点了解那些零部件的供货商，及时获得情况。而客户可以知道订购确定的产品在生产过程中完成的进度。把采购、订货计划、装配、物流、维护、供货商和客户等各个方面都链接在一起，会产生巨大的改善潜力。由此生命周期必须与其所包括的增值过程紧密结合在一起，而不再以相互隔离的方式只看到一个工厂生产的情况，而是把所有相关的工厂和合作伙伴，从制造工程到零部件供应商一直到客户全部紧密链接在一起。

3.制造环境的功能层级

参考架构模型的第三个轴描述了在工业4.0的各种制造环境下功能分类的多层级。在功能层级划分时，基本参照IEC 62264（即ISA S95）和IEC 61512（即ISA S88）企业信息集成国际标准的功能层级划分。不过，根据工业4.0的概念，在最底层增加了“产品”层，在最顶层增加了“跨企业互联”层。

工业4.0的功能层级划分为：跨企业互联、企业、工厂/车间、工段/生产站、控制设备/装置、现场设备及产品。在工业4.0的架构范畴中不但重视控制装备，而且还设置机械装备或机械系统。因此考虑在控制设备层级之下设置现场设备层级，用于表述智能现场设备（如智能传感器）的功能水平。更有甚者，不但认为成套装置和机械装置对于产品装置是重要的，而且认为被制造的产品本身也应纳入工业4.0的视野。为此，在最底层加入了产品这一层级。这样的设计使参考架构模型能够协调统筹地考虑待加工的产品和生产的装置设备，以及这二者之间的相互依存关系。另外考虑到设计功能层级所依据的IEC标准（IEC 62264和IEC 61512）仅表达工厂内的层级，而工业4.0考虑的范围更大更多，要描述工厂集群、与外部工程单位的协同、零部件供应商和用户等，这些都超出并高于企业级别，为此特地在最高层级设置了“跨企业互联”。

4.工业4.0基本单元模型

工业4.0基本单元是一个描述信息物理系统（CPS）详细特性的模型。CPS是一种在生产环境中的真实物理对象，通过与其虚拟对象和过程进行联网通信的系统。在生产环境中，从生产系统和机械装备到装备中的各类模块，只要满足上述这些特性，不管是硬件基本单元还是软件基本单元，都具备和符合了工业4.0要求的能力。

图1-6列举了4个工业4.0基本单元的例子。分别是：①一整套机械装备作为工业4.0基本单元，这类工业4.0的基本单元是由机械制造厂商来实现的。②由专门供应厂商提供的关键部件也可看成是一类工业4.0的基本单元，由部件制造厂商实现。它们往往可以分开登录，譬如可分别在资产管理系统和维护管理系统中登录。③还可以把一些构成零部件看成是工业4.0的基本单元，例如一个端子排，不但是连通信号的接线，而且在整个机械装备的生命周期中还起着传输数据的作用。这种工业4.0基本单元的实现者往往是电气工程师或技术员。④软件也是生产系统中的重要资产，它们也是工业4.0的基本单元。例如一个独立的规划或者工具性工程软件，甚至一个功能块库。其实现者可以是软件供应商，也可以是控制器应用程序的编程工程师等。

由上可知，工业4.0的基本单元可以是硬件单元，也可以是软件单元。成为工业4.0基本单元的一个先决条件是：它必须在整个生命周期内采集所有相关数据，存放在有该基本单元所承载的具有信息安全的电子容器内，并由它把这些数据提供给企业参与价值链的过程。在工业4.0的基本单元模型中，这个电子容器被称为“管理壳”（Adminstration Shell）。另外一个先决条件是：基本单元的真实对象必须具有通信能力以及相应的数据和功能。这样，在生产环境中的硬件单元和软件单元之间都能进行符合工业4.0要求的通信。

由图1-7可知，资产构成了工业4.0基本元件（物理的/非物理的）的实体部分，管理壳构成了工业4.0基本元件的虚拟部分，工业4.0的通信将各种基本元件加以连接。

任何一种机械装备其重要的部分原则上都由各类工业4.0基本元件组成。譬如图1-8中由端子排、伺服轴、机械装置和由这台机械装置加工出来的产品运动鞋。这些资产通过工业4.0的通信连接起来。机械装置则由在生产网络中的PLC进行控制。由此可以得出以下结论：工业4.0基本元件是网络化的基础元件，生产制造出来的产品的服务策略也因此建立了相互连接，因而即使没有实际的电子接口的元件，也具有同等的权利，为建立业务价值的深度表达提供了可行的技术路径。