智能工厂Web试验台:从概念到现实

智能工厂网络测试平台旨在为工业生产建立一个市场，包括一个基于网络的平台，允许工厂提供生产能力和共享资源，以比现有技术更灵活的方式改善订单履行。

通过Kym沃森 9月19日

智能工厂Web测试平台[1]旨在为建立制造业市场迈出一步，在这个市场中，人们可以寻找具有特定能力和资产的工厂来满足生产需求。提供这些功能的工厂可以注册并参与市场。这需要有关工厂中资产的能力和状态的最新信息。产品的特性——可得性、质量、价格等等——为相互竞争的报价之间可能的谈判提供了基础。

要使该应用程序工作，需要OPC统一架构(OPC UA)和AutomationML等国际标准将工厂链接到测试平台，以标准化的方式提供有关工厂的信息。这种创新使生产设施能够在全球市场业务中提供服务，并以非常有效的方式调整其生产。该测试平台还支持跨站点使用场景，具有安全的插拔和工作功能以及数据分析。

它降低了信息技术(It)系统集成和安装成本，允许更快的工程和组件、机器、工厂和It系统的投产时间——同时也提高了设备的利用率。核心功能是以标准化的方式描述工厂资产的功能，找到具有必要功能的资产，并访问关于这些资产的状态数据，以便将它们包括在整体订单管理中。

测试平台主要针对小批量环境，而不是大型制造商，因为处理较大生产线订单的公司通常有自己的供应链管理系统，不需要由于订单的大小而灵活和响应。对于规模较小的生产，有更多的例子，在这种情况下，需要生产中等或较小数量的特定部件，并且需要为这种特定的订单配置机器功能。此外，可以通过该市场提供多余的生产资源，以提高利用程度。

该测试平台的主要用例是制造商寻求工厂生产某些部件。制造商访问数据库以找到具有正确功能的工厂，并确定潜在目标。与目标工厂协商好交货路线、时间表、价格等因素后，即可下单。目标工厂可能需要调整其生产以满足所要求的产品规格，并且它希望尽可能高效地做到这一点。一旦生产订单完成，工厂将成品或部分产品提供给原始制造商或整个供应链中的另一个要素。

这个使用场景，订单驱动的适应性生产，是工业4.0平台(PI4.0)[1]定义的“订单控制生产”和“适应性工厂”应用场景的组合。更详细地说，这个场景分为六个子场景:

子场景1.1发布:智能工厂的注册:在第1阶段实现:“地理空间映射和工厂信息”，借助AutomationML描述工厂能力和资产。

子场景1.2查找:发现智能工厂:在第一阶段实现:“地理空间映射和工厂信息”，找到在智能工厂网上注册的、具有最符合订单要求的所需功能的智能工厂。

子场景1.3订单:智能工厂Web中订单的管理和执行:在测试床中代理、编排和处理生产订单的工作流构成了这个子场景，但到目前为止它们还不是这个测试床实验的一部分。智能工厂Web测试床中的概念验证实现将处理订购工作流和供应链建模。

子场景1.4适应:适应工厂生产:在第二阶段实现:“Plug & Work”，灵活有效地适应生产设施以满足订单要求。

子场景1.5绑定:智能工厂Web资产连接和监控:在第三阶段:“数据和服务集成”中实现，提供关于产品和资产状态的当前信息(包括空闲容量的可用性)，以便在智能工厂Web中开发，特别是通过安全的数据交换支持发现过程和链接供应链。智能工厂Web信息模型将动态更新。

子场景1.6合作:协作工程:将在第4阶段实现:“协作”，通过共享工程工作流程和软件插件和工作来提高工厂生产的有效适应。

试验台的技术和实验

该试验台涉及三种主要技术。第一个是IEC 62541标准OPC UA，用于在测试平台上实现工厂内部和工厂之间的数据通信。其次，IEC 62714标准AutomationML被用作必要的信息模型的框架——从工厂到测试平台的数据传输的语义。另一项基本技术是测试平台门户，这是一个基于web的信息管理系统和应用程序开发环境，为访问权限、工作流和基于本体的信息模型提供全面支持。

测试平台的主要实验是制定一种描述资产和功能的有效方法，并开发非常有效的方法来实现可以引入新资产的整体软件工程。资产可以根据其功能进行描述，也可以根据其作为接口的信息模型进行描述。资产必须集成到工厂、测试平台以及潜在的云平台的信息流中。测试平台的核心挑战在于软件工程流程，努力使工厂具有适应性。其他考虑因素包括新设备的电气和机械的互换性。

到目前为止，测试平台的主要交付成果是描述测试平台的关键概念、标准应用和实现架构的文档。然后，这些概念可以被公司改编和采用。测试平台的另一个计划输出是如何描述资产功能的经验，将资产集成到整体软件架构中。该测试平台还通过向相关标准机构和工业互联网倡议(OPC基金会、AutomationML e.v.)提供反馈，以及IIC和PI4.0内的标准工作来推动标准的制定。当其他组织在资产管理领域工作时，测试的目的是解决所涉及的技术的整体组合。

实验计划

IIC生态系统在测试平台的规划中发挥了重要作用。定期介绍测试平台，并在季度会议和IIC特别活动中与IIC成员进行讨论，这是重要的机制，可以就测试平台的目的和功能进行持续的讨论和建设性的反馈。参加IIC成员馆的活动，如巴塞罗那物联网解决方案世界大会和汉诺威工业博览会，导致了测试平台活动的高度可见性，并更好地理解需求和潜在应用。

在为测试平台的各种扩展建立联盟时，IIC生态系统发挥了重要作用。IIC与PI4.0的合作使I4.0组件概念及其在智能工厂Web测试平台中的选定资产得以实现。I4.0组件包括资产管理Shell(具有指定良好的元模型的数字表示)和各自的资产。与IIC成员微软合作，将工厂集成到微软Azure平台，实现了工厂流程数据的可视化。由IIC成员NEC领导的用于生产和物流服务经纪和易货的新的IIC测试平台谈判自动化平台将应用并进一步发展智能工厂Web的概念和技术。与国际数据空间协会(IDSA)合作，调查工厂和智能工厂Web门户之间可信的数据交换，以及生态系统参与者之间谈判阶段对数据使用控制和数据来源的要求。此外，IIC生态系统促进了PI4.0与IIC之间的合作，促进了测试平台标准的好处在国际上的传播，并促进了IIC成员资产描述的工作。

运营模型工厂的公司——夫琅和费iob和KETI也从中受益。这两个组织都为工业界进行应用研究和开发。通过智能工厂Web测试平台，他们的目标是在工业物联网(IIoT)和智能制造领域改进和更好地营销自己的产品。此外，智能工厂网络测试平台还展示了参与企业的产品和技术。

实验标准

试验台采用了几种标准。当识别出对标准的可能调整时，试验台向相关标准机构报告。根据标准组织的不同，该报告可能涉及提交变更请求或进行适应过程。例如，对于开源项目，开源社区可以处理提交的评论，并将更改合并到软件的最新版本中。测试平台支持使用开源开发的标准，作为测试标准和接收关于规范的实际反馈的一种方式。

IEC 62541标准OPC UA用于工厂内自动化设备之间、不同工厂之间以及工厂与试验台之间的数据传输。OPC UA中的标准工作得到了开源项目的支持open62541其中夫琅和费IOSB做出了重大贡献。KETI还为2019年的open62541做出了贡献。此外，Fraunhofer IOSB还开发了Fraunhofer Open Source SensorThings API Server (FROST)，这是开放地理空间联盟(OGC) SensorThings API标准的开源实现。open62541和FROST都部署在测试平台上，这些开源项目有助于各自标准的成熟和后续开发。

IEC 62714标准AutomationML用于描述数据的语义，哪些数据将集成到智能工厂Web中，以及数据将如何可视化。测试平台使用AutomationML为OPC UA服务器的自动生成提供基础，遵循标准的配套规范OPC UA for AutomationML。在试验台中获得的经验反馈到后续的配套规范开发中。

相关标准化的某些领域尚未在行业中得到充实，但需要在智能工厂中实现整体用例，例如地理空间或面向位置的数据。开放地理空间联盟(OGC)在这一领域有标准，但它们还没有集成到制造自动化领域使用的标准中，即OPC UA和AutomationML。另一个差距在于工业物联网可用的信息模型。虽然OPC UA的配套标准正在制定中，但开发过程仍在进行中。

多种技术可以根据需要轻松集成。OGC的SensorThings API用于将额外的数据源，特别是传感器数据集成到工厂网络中。

为了支持资产和订单管理，还需要根据工业4.0的概念和接口集成商业ERP系统。

实验结果

试验台分为四个阶段:

阶段1:地理空间映射和工厂信息
第二阶段:插上插头工作
阶段3:数据和服务集成
阶段4:协作
第五阶段:生态系统发展

测试平台的架构和在测试平台所有阶段获得的经验将记录在2019年以白皮书形式发布的技术设计报告中。测试平台团队计划扩展报告，以描述数字孪生/PI4.0组件测试平台正在进行的工作，这是国际数据空间架构国际数据空间架构概念下的一个项目。

通过数据和服务集成，前三个阶段已经完成。阶段4涉及这些系统的协作软件工程，并与阶段5重叠，包括与其他计划的合作项目。目前正在对整个系统架构进行工作，以包括资产管理壳牌的新开发，以及测试平台的扩展，以支持NEC的谈判自动化平台。目前，协作软件工程阶段正在进行中——加强资产管理Shell的工作，为其他测试平台扩展智能工厂Web平台，以及与IDSA的工作。

技术报告强调了AutomationML中资产的描述，包括:

它们基于本体的能力(将它们作为工厂或供应链中的资源进行发现和集成)，
通过OPC UA或SensorThings API发送到智能工厂Web和Microsoft Azure的数据的定义
智能工厂Web和Microsoft Azure中的资产数据可视化。

阶段4侧重于协作以实现集成工厂所需的软件工程，因此要求工厂中的工程师和资产以一种可以集成到云智能工厂Web或Microsoft Azure的方式提供资产的数据和语义。

业界对测试平台的兴趣非常浓厚，产生了多种类型的客户参与。夫琅和费正在努力形成先进、领先的合作模式，并将其推广到行业中。为了能够进入该领域，试验台已经与工业公司进行了持续的讨论，以转移实验环境中的研究和开发成果。

此外，夫琅和费IOSB正在转移一般知识和培训作为其使命的一部分，并且测试平台已经为行业进行了一些关于OPC UA和AutomationML的培训演习。

夫琅和费IOSB也将这些知识传授给了试验台合作伙伴KETI, KETI正在对韩国企业进行类似的培训。客户参与的另一个例子是关于如何设计未来工厂以及如何设置工厂以包括新兴技术的咨询工作。

这个领域代表着一个挑战，因为有如此多的新技术出现，任何人都很难评估这些技术是否会产生真正的影响，并在未来15年可以依赖。此外，测试平台必须能够将这些技术转移到客户端应用程序，帮助建立必要的软件环境和概念，并采取许多步骤来实现智能工厂Web测试平台或在客户端自己的工作流中实现测试平台的各个方面。

提高对某些技术的理解和技能水平至关重要——需要建立对这些技术的信任，以便在如何应用这些技术方面有足够的经过验证的实验和最佳实践。在将这些技术应用于重大生产成本和员工福利受到威胁的关键制造应用之前，这种程度的信任是必要的。

我们学到的一个主要经验是，基于标准的开放接口对于实现一个能够通过合理的努力适应不断变化的需求和技术的系统架构是必不可少的。技术设计报告将包含最佳实践以及如何设置整个系统架构。这将是一份蓝图，包括如何以可持续的方式实现这一一体化的建议。

测试平台通过参与IIC测试平台计划获得不同形式的业务价值。基于所获得的经验以及IIC的营销支持，测试平台已经能够在工业物联网(IIoT)领域获得新项目。

IIC主要地区(欧洲、北美和亚洲)的知名度和客户数量都有所增长。从IIC成员公司的角度来看，希望新客户能够更有效和更有信心地应用测试平台的一些关键技术，这将是有价值的。

智能工厂Web测试平台为其他测试平台和考虑实施工业物联网的公司提供了三条建议:

在通信和数据建模级别上尽可能遵循开放标准
开发一个可持续的、健壮的和灵活的实现架构，在这个架构中人们可以进行调整和演示新技术。
确保有足够的配套项目，以保持协同、资金和利益相关者的承诺——这将使试验台从概念变为现实，并有助于在几年的时间内保持它。

Cross-facility协作

现在在第4阶段，测试平台团队发现他们在技术领域没有遇到很多重大的惊喜，但在市场营销方面的发现让他们感到惊讶。对于涉及跨设施协作的各种应用场景，智能工厂Web的兴趣水平比最初预期的要多。有许多不同的想法和机会可以将这些想法传输到不同的应用程序，特别是在需要跨组织或跨设施协作的应用程序中。

投入智能工厂web测试平台的努力水平与高水平的产出和发现相关联，它仍然是工业物联网领域创新的典范。

Kym沃森，夫琅和费IOSB和工业互联网联盟他代表由Fraunhofer IOSB、KETI和微软组成的智能工厂Web测试平台团队。智能工厂网是一个IIC测试平台。IIC是CFE媒体的内容合作伙伴。由Chris Vavra编辑，生产编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com．