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爱的魔力转圈圈:智能制造综合标准化分析与互联互通互操作验证方案研究

时间: 2019-01-23阅读:

摘要:针对国家智能制造综合标准化项目与标准的撰写和互联互通互操作的验证,分析了智能制造的发展方向与技术思路,在基础共性标准草案上,结合工业互联网技术体系,形成具体行业领域标准,并需要符合国家验收要求。针对验证方案,研究了互联互通互操作验证方案的内容与方法。以纺织行业为例,设计了针织装备间互联互通互操作验证平台。

关键词:智能制造;互联互通;标准验证;工业互联网

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2018)25-0290-03

工业和信息化部、国家标准化管理委员会共同组织制订了《国家智能制造标准体系建设指南(2018年版)》,要实现智能制造,首先需要从底层生产装备的信息标准化、装备间互联互通为着力点,“智能制造、标准先行”。从工信部智能制造项目计划来看,到2018年,累计制修订150项以上智能制造标准,到2019年,累计制修订300项以上智能制造标准,主要方向是基础共性标准、关键技术标准、行业应用标准,其中综合标准化项目近三年来占一半左右,涉及行业广泛,目前大部分处理互联互通验证阶段。

智能制造互联互通互操作验证已经被提升到标准草案是否可行的位置,决定标准是否可在企业生产中推广,这是项目成败的关键。建设智能制造标准互联互通互操作试验验证平台,对标准条款逐条验证,并以外提供互联互通验证公共服务。通过实验室与企业现场验证以提高智能制造互联互通互操作标准的质量。

纺织行业作为国计民生的重要行业,为响应“中国制造2025”号召,我国在纺织机械标准领域相继制订和修订了一批行业标准,并积极申报了国家智能制造项目,并已经列入国家智能制造标准体系建设指南中十大重点行业领域。论文以纺织行业互联互通为例,阐述验证平台建设方案。

1 智能制造综合标准化

智能制造系统架构具有系统层级、智能特征、生命周期三个维度。在系统层级的设备、单元、车间与智能维的互联互通、融合共享、系统集成交叉结合,为行业互联互通互操作提供了详细的标准定位与技术思路。

1.1 智能制造发展方向

根据2015-2017年工信部批准的项目来看,主要依据基础共性项目到行业综合标准化项目,再到智能制造新模式,项目的信息化智能化层级越来越高,互联互通互操作的层次向行业应用和信息技术领域纵深发展。如表1所示,工信部智能制造项目互联互通互操作行业标准覆盖单类设备到行业综合系统,基于互联互通、信息共享与集成贯穿于智能制造行业項目。

另一方面,国家智能制造标准体系首先通过研究各类行业信息化智能化生产管理系统,提取其共性抽象特征,建立标准化信息模型通用结构,构建智能制造系统维度与层级,认知现有标准间的交叉重叠关系,形成智能制造标准化建设体系。通过对系统层级和维度自上向下的分解,形成以工业互联网为基础、以智能化信息处理与应用为关键技术的行业标准建设。

从重点支持的行业角度来看,以新一代信息技术、高等数控与机器人、航空航天装备、海洋装备、交通装备、电力装备、农机装备等信息化基础好、投入大、影响力强的行业为主,并逐步向家电、石油石化、纺织行业等广泛应用领域展开,逐步覆盖智能制造各行业领域,促使传统行业改造升级。

1.2 智能制造的技术思路

实现智能制造首先要对参与的生产元素进行信息化建模[1]。制造装备是由若干部件、物理属性以及各类操作组成的,每个部件又可以包含其他子部件和物理属性,通过对制造装备进行抽象和描述,准定义制造装备的属性元素、属性、属性集、组件、组件集、设备、方法、方法集等信息模型元素,从下自上集成制造装备信息化模型。OPC UA是目前在工业信息化领域中非常成熟建模方法,它既能够解决建模问题,同时OPC UA还可用作数据传输的统一通信协议,能够很好地解决互联互通问题。

智能制造生产装备标准除了研究标准化的信息模型外,研究数据字典、通信协议、接口、集成和互联互通技术要求是解决智能生产装备间、装备与系统间、系统与工业云平台间数据共享和互联互通的问题的主要思路。由于各企业生产车间的异构性、各生产装备种类配置、自身的性能各不相同,需要在异构网络中研究信息交互、文件传输标准,在网络方面,时间敏感网络(TSN)OPC UA的结合,形成符合工业性能需求的工业互联网,以符合智能工厂/数字化车间集成标准要求。

生产装备联网需要一定的物联功能,即生产装备的物联网的物品相关能力、自主操作能力。边缘计算、物联网操作系统则智能制造生产装备上的信息处理提供了技术思路,以解决制造业数字化在敏捷连接、实时业务的关键需求。

要实现车间内各生产制造装备能接入企业管理系统,就需要各生产制造装备在规范的信息模型下,采用统一的通信协议,以覆盖各类不同通信基础的生产制造装备,获得车间最低改造成本。

2 互联互通互操作标准要求

互联互通互操作要求生产装备间、生产系统间通过联网,实现两个以上的实体(设备、系统软件软件、企业等)相互交换信息,以便能互相协作,共同完成任务。

2.1 与基础标准对接

基础标准主要包括数字化车间标准、工业控制网络/工业物联网技术标准、工业互联网架构标准、工业云服务模型标准、智能制造评价指标体系及成熟度模型标准、智能工厂(车间)通用技术标准、智能制造工业云、大数据标准试验验证等,是行业标准的共性基础,最先立项并由各标准化研究院开展研究。由于标准草案从立项到发布的时间较长,各行业标准制定单位目前无法从国家标准全文公开系统中获得具体内容,则需要与各基础标准指定单位进行技术对接,中国电子技术标准化研究院、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中国信息通信研究院、上海工业自动化仪表研究院等都是智能制造总体组单位,通过对接,对行业标准的指定与验证进行指导,或直接参与到行业标准项目中。

2.2 工业互联网模式

随着《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》政策的出台,《工业互联网平台白皮书(2017)》对工业互联网层级结构的全面阐述,并全面对接物联网、云计算、大数据等新兴信息技术,给智能制造体系提出了详细的技术指导。

工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求,通过对企业生产中各软硬件海量数据采集、处理、分析,对上层的属于应用、工业APP、人工智能等提供基础数据平台,引入工业互联网模式能让制造业真正跨入智能时代。

2.3 行业标准要求

开展智能制造行业标准制定,需要通过至少三次专家审查的标准草案,包括标准编制说明、标准研究告等。标准研究报告包括标准目的、范围、设计思想和框架结构、国内外相关技术与相关标准的发展情况、对标准内容概述、关键技术与创新点、验证方案的总体评价等内容。

开展试验验证,包括标准试验验证所需的设施和设备与测试软件,编制验证条款与验证的方法,并给出验证的结论。标准草案必须在试验验证平台和至少三个企业中,对标准全部内容进行试验验证。

3 互联互通验证方案

智能制造综合标准化项目不仅仅是标准草案的制订,更重要的是对标准的每一条款进行详细的验证。整个验证方案主要涉及验证的内容、验证方法等验证平台建设内容。

3.1 验证内容

对标准的验证主要包括一致性验证、互操作性验证、性能验证、鲁棒性验证等内容[2-4],通过对标准草案内容整理成详细验证条款,列出各条款的验证方法、测试步骤、判定准则,确保能验证标准草案的所有内容。

验证的条款一致性验证主要是测试智能制造装备在试验室平台互联互通标准否与标准规定一致,通常预先设计一组测试案例序列,在试验室的网络环境下,对互联互通的装备间、服务系统间进行通信,通过测试仪器与分析软件对实际通信数据比对,从而判定标准草的正确性。互操作性验证主要测试互联互通双方在网络操作环境中能否实现标准草案中规定的功能,如数据查询、远程控制、文件传输等基础功能,从而判定标准草案的功能可行性。性能验证是针对工业领域各行业的实际要求而对互联互通的性能要求,如实时性、并发性等,涉及标准草案的可用性,鲁棒性则是关注特殊装备采用标准草案后的可靠性。

3.2 验证方法

互联互通的验证方法主要分为实验室验证与工厂现场验证。实验室验证主要是对标准草案所涉及的智能制造互联互通结构进行演示、对定量的数据部分进行详细对比分析,工厂现场验证主要考查企业对标准草案实施情况、工厂环境下的适应度等,总体上主要有专家论证、定量检测、现场考查等方法。

采用OPC UA来演示行业标准草案的互联互通互操作性具有数据直观、与世界接轨等特点,在验证方法中研发标准的OPC UA server与client,并获得OPC UA测试中心的认证,则让行业标准草案能获得更多社会认可。

4 纺织互联互通验证试验平台建设方案

纺织行业属于典型的离散型制造行业,纺织装备电控系统部分是负责互联互通的典型部件单元[5]。电控系统通过以太网络、WIFI等接入实验室/工厂局域网,并与企业服务器、互联网云服务等平台进行数据交互。纺织装备互联互通互操作验证实验室可和数据分析平台,在企业监视纺织生产线。

数据分析平台则主要对通信协议数据的结构、业务功能、通信性能等进行详细的分析,包括采用网络测试仪、无线网络分析仪、OPC UA接口等硬软件。还包括数据分析演示系统、工厂现场验证远程演示平台等标准验证展示系统。

纺织生产线主要包括针织机械电控系统、网络设备、手持网络检测仪器、数据服务中心等,以实现纺织电控系统通过网络将数据传入实验室数据分析平台。

5 结论

国家智能制造项目的实施促进了制造行业的转型升级,让制造业向信息化、智能化、精细化发展,指定与验证行业互联互通標准是实现生产制造的基础,采用使用适应行业的基础共性标准与新兴信息技术将是提高项目的建设效率的主要途径。

参考文献:

[1] 张兆坤,邵珠峰,王立平,赵钦志,张云峰.数字化车间信息模型及其建模与标准化[J].清华大学学报(自然科学版),2017,57(02):128-133+140.

[2] 朱雪峰,许建军,邹彪,张哲,孙雷.网络协议一致性测试研究综述[J].计算机科学,2009,36(12):5-7+36

[3] 周峰.网络协议一致性测试研究综述[J].中国新通信,2017,19(20):124.

[4] 李玲, 龚磊, 谭彪,等. 一种互联互通现场测试系统及方法:, CN 104468270 A[P]. 2015.

[5] 胡旭东, 沈春娅, 彭来湖,等. 针织装备的智能制造及互联互通标准验证[J]. 纺织学报, 2017,38(10):172-176.

【通联编辑:代影】

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