德國工業4.0的規劃正在參考架構模型RAMI4.0和I4.0基本單元等頂層設計的理念引導下踏實推進，落地生根。目前I4.0基本單元的開發已經從大學和研究機構的基礎開發發展到由相關的行業協會牽頭的實施開發，逐步形成了一套不斷完善的開發體系。

圖1：工業4.0參考架構模型RAMI4.0和物理－數字化架構及遞階關系

圖1清晰表達RAMI4.0和物理－數字化架構及通信遞階關系。把物理實體（包括硬件、軟件、工程文件等）通過數字化演化為能在虛擬世界完整表達、通信、推理、判斷、決策加工等，讓控制信息和業務信息都能實時傳遞交換和處理，從而使企業中的各類資產都能互聯、互操作。根據不同資產的作用，當它們數字化后相互之間的關聯，應該按控制要求和業務要求構建它們之間的扁平化的通信遞階關系。

這里，物理實體實際上包含了工業制造技術、工業制造工藝、工業制造裝備、工業制造材料、工業制造基礎零部件、工業控制技術等，由它們構成工業制造的源和本。無論IT技術的發展和應喲對工業制造形成了多么巨大的推動，但離開了這一系列的物理實體，IT也好，軟件也好，互聯網和物聯網也好，終將成為無源之水，無本之木。

▌I4.0基本單元模型

I4.0基本單元是一個描述信息物理系統CPS詳細特性的模型。CPS是一種在生產環境中的真實物理對象，通過與其虛擬對象和過程進行聯網通信的系統。在生產環境中，從生產系統和機械裝備到裝備中的各類模塊，只要滿足了上述這些特性，不管是硬件基本單元還是軟件基本單元，都具備和符合了工業4.0要求的能力。

圖2：I4.0基本單元模型

圖2列舉了4個I4.0基本單元的例子。分別是：1）一整套機械裝備作為I4.0基本單元，這類I4.0的基本單元是由機械制造廠商來實現的。2）由專門供應廠商提供的關鍵部件也可看成是一類I4.0基本單元，由部件制造廠商實現。它們往往可以分開登錄，譬如可分別在資產管理系統和維護管理系統中登錄。3）還可以把一些構成零部件看成是I4.0基本單元，例如一個端子排，不但是連通信號的接線，而且在整個機械裝備的生命周期中還起著傳輸數據的作用。這種I4.0基本單元的實現者往往是電氣工程師或技術員。4）軟件也是生產系統中的重要資產，它們也是I4.0基本單元。例如一個獨立的規劃或者工具性工程軟件，甚至一個功能塊庫。其實現者可以是軟件供應商，也可以是控制器應用程序的編程工程師，等等。

▌成為I4.0基本單元有2個先決條件：

1. 它必須在整個生命周期內采集所有相關數據，存放在有該基本單元所承載的具有信息安全的電子容器內，并由它把這些數據提供給企業參與價值鏈的過程。在I4.0基本單元的模型中，這個電子容器稱之為“管理殼”。

2. 基本單元的真實對象必須具有通信能力，以及相應的數據和功能。這樣，在生產環境中的硬件單元和軟件單元之間都能進行符合工業4.0要求的通信。

由圖3可知，資產構成I4.0基本單元（物理的／非物理的）的實體部分，管理殼構成I4.0基本單元的虛擬部分，工業4.0的通信將各種基本單元加以連接。

實際上管理殼是連接工業4.0與資產的接口，是存放資產的所有數據與信息的存貯器，它同時還是作為I4.0標準化的通信網絡的接口，它還具有把無源的資產（如軟件、文檔）集成到I4.0的網絡的能力，它還能夠用來把現有的設備升級遷移至工業4.0的大環境中。

圖3：參照RAMI4.0看I4.0基本單元的特性

▌PLCopen規范在RAMI4.0功能性維度中的位置

PLC的軟件技術以PLCopen國際組織為先導，一直在為滿足工業4.0和智能制造日益清晰的要求做足了準備。圖4顯示PLCopen歷年來所開發的各種規范（運動控制、安全控制、OPC UA通信、XML等）在工業4.0參考架構模型（RAMI4.0）相應的制造環境的功能層級維度及其層級中的位置，可以明顯的看到，PLCopen國際組織長期以來執著地為提高自動化效率所做的卓有成效的工作，使得人們期望明天能夠運用的技術，只要愿意今天就可以擁有。

    圖4：PLCopen各規范在RAMI4.0中的位置

例如，PLCopen與OPC基金會聯合開發的IEC 61131-3的OPC UA信息模型和相應的OPC UA的客戶端和服務端的功能塊規范，就可以用在由產品層和現場設備層，乃至控制設備層、車間層、工廠層、企業層，以及跨企業連接層中運用，起到符合工業4.0所要求的分布式、扁平化的通信作用。值得注意的是，為了使OPC UA能夠滿足M2M的實時通信，近年來正在把廣泛應用于現場總線和工業以太網實時通信的發布方／訂閱方的通信機制引入。同時也在開發符合IEEE時間敏感網絡TSN規范的OPC UA TSN。這是OPC基金會計劃用OPC UA取代工業以太網的又一舉措。而PLCopen的運動控制規范則在現場設備層和控制設備層中廣泛運用。基于IEC 61131-3國際標準的邏輯控制和順序控制以及面向對象的控制編程運用于現場設備層、控制設備層、車間層等。機械安全規范完全可以用在工廠層、車間層和設備層。而PLCopen 的IEC 61131-3的XML模式規范已經成功的運用在工廠工程設計平臺AutomationML中和許多控制系統統一工程設計、運行維護和服務的平臺中，作為不同功能設計引擎的數據交換和圖形交換的有效軟件工具。

??▌RAMI4.0的物理實體虛擬映射維度中PLCopen的功能性??

在工業4.0參考架構模型RAMI4.0中有一個維度專門用于將物理實體資產經過數字化的途徑映射為相關資產的產品描述（數據性能），如何使這一過程標準化呢？

一種可行的方法是按照國際標準化組織制定的國際標準ISO29002-5，即《工業自動化系統和集成  特征數據交換》的第五部分“標識方法”，利用分類產品描述的軟件包eCl@ss Version9.1，用URI和URL進行唯一資源標識和唯一資源定位。 ISO29002-5規定了唯一標識管理項的數據元素和語法。管理項可以是概念詞典中的一個概念或概念信息元素。概念信息元素包括如下的術語內容（名稱，縮略詞，定義，圖片，符號等），將一個概念歸類于某個相同概念類（概念類型），以及參照于源文件。

圖5表述的就是這種統一的格式。標識符是URI，為每一種資產提供唯一的識別符，并與該資產對應的管理殼對應，該標識符既參照該資產的物理分類，又可鏈接該資產的管理殼，而管理殼的虛擬描述完全建立在其物理特性和相關數據之上。

圖5：利用URL唯一標識工業4.0基本單元

圖6示出許多標準作為管理殼的領域／子模型的樣板。例如管理殼可遵照IEC TR 62794和IEC 62832 數字工廠；標識可參照ISO 29005 或 URI唯一ID；通信可遵照IEC61784工業通信規約第二章以太網；能效依據ISO/IEC 20140-5；信息安全參照IEC 62443 網絡和系統的信息安全；等等。顯然，PLCopen國際組織在PLC這一大類產品的產品描述這一方向上具有不可推卸的責任和義務。目前他們正在開展實施的可行性和技術路線的研究。

圖6： 管理殼的領域／子模型的樣板標準

圖7是管理殼、子模型、性質、復雜數據和功能的示范內容。從可視的角度看，一個經標識的資產其管理殼也是經標識的，都是顯性化的知識，即表征這個資產的性質。而其數據和功能都是可通過APIs被語義化存取的。資產的運行時數據都遵照嚴格而統一的格式表達性質的集合（圖示中子模型1是能效，子模型2是安全，子模型3是鉆孔）。而有關數據和功能的運行時的數據則按照不同的互補的數據格式。

圖7： 資產對應的管理殼的內容

對PLCopen來講，要讓他多年所積累的軟件技術迅速地融入工業4.0，一個可行的途徑是參與產品描述。工業4.0需要組織極大數量不同類型的標準化數據元件，PLCopen的專業范圍就是這些不同類型中很重要的與PLC技術相關的一類。過去許多年他已經定義了許多不同的功能塊集合，可以利用這些作為基礎，進行以I4.0基本單元為目標的擴展，定義有關的功能性或軟件，建立潛在功能性的抽象層。再通過I4.0基本單元的AAS（資產管理殼）／openAAS，由資產層（或集成層）映射至功能層。為此，PLCopen組織一項新的工作就是定義一類AAS的功能塊，允許這些AAS功能塊可以嵌入在PLC的程序中，使PLC程序可以提供I4.0基本單元的管理殼的有關信息。80給出3種類型的資產管理殼AAS的功能塊：第一種是AAS_AdminShell，定義管理殼的標識，包括資產類型的標識、管理殼的標識和其它一些必要的輔助標識；第二種類型的功能塊是AAS_SubModel，定義管理殼內所用的子模型的標識。第三種類型是AAS_EnumPropperties功能塊，定義與子模型相關聯的性質數據標識、數據等等。對照圖9可清晰看出這3個功能塊與I4.0基本單元的管理殼對應的內容。

圖8： 定義資產管理殼功能塊

以伺服驅動的功能性為例（圖9），可用eCl@ss規定伺服驅動的物理特性，并使之可供運用。而其功能性則在PLCopen的運動控制規范中的功能塊予以表達，當然這也包括驅動的動態過程。所有有關的功能性都可以在由資產層到信息層和功能層中被上傳、表達和使用。只要用一個標準化的接口經過I4.0基本單元的管理殼，將物理資產轉換為性能，再轉換為功能性。

圖9：伺服驅動系統的功能性的表達

圖10示出一臺PLC控制一伺服驅動軸組（譬如5臺伺服電機及其驅動器）的功能性表達。單臺伺服電機及其驅動用圖中左下角的功能塊表達，而控制器PLC所運用的功能塊（如MC_MoveGroup，MC_camming，MC_Gearup）表達軸組的功能性。然后集中起來映射到該PLC的I4.0基本單元（見圖13）。

圖10  伺服驅動軸組及其控制器

圖11  軸組控制器系統的功能性表達

▌小結

自1992年成立至今，PLCopen國際組織契而不舍地以改善自動化的效率為己任，開發發展了涵蓋工業控制工程編程、調試、維護、服務的統一平臺，運動控制，通信，機械功能安全以及基于IEC 61131-3的XML模式等規范，更重要的是通過在歐洲的實際應用驗證和廣泛運用，進而推廣到包括美國、日本、中國等工業發達國家和新興發展中國家，乃至全世界。這些都作為在德國工業4.0推進過程中重要的基礎工業技術，特別是軟件定義制造的方向上一類不可或缺軟件規范而載入了工業發展的史冊。

僅僅停留于此絕不是PLCopen的風格，這幾年來他還殫心竭慮地從事如何把涉及PLC、運動控制、安全控制等諸方面的工業硬軟資產科學的映射到虛擬世界中去。本文簡要的概括了這些積極有效的工作，以期贏得智能制造圈內人士的關注，一起來推動和發展。

PLCopen中國組織成立于2005年。作為PLCopen國際組織的成員，12年來不遺余力的推動上述的各項PLCopen技術和規范在我國的成功而廣泛的應用。尤其在近幾年以智能制造為核心的《中國制造2025》規劃的實施過程中，倡導PLC控制、機器人控制和CNC控制的融合發展，倡導為高等教育的新工科建設的人才培養提供因應世界發展趨勢的理念和技術。正因為多年的耕耘和積累，許多PLCopen中國組織的成員在為我國的PLC，包括機器人控制和CNC控制在內的運動控制等多個方面都作出了積極貢獻。