生產(chǎn)系統(tǒng)通用數(shù)據(jù)交換格式AutomationML的應(yīng)用研究

劉俊杰，樊留群，程 建，廖梓博

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

生產(chǎn)系統(tǒng)通用數(shù)據(jù)交換格式AutomationML的應(yīng)用研究

劉俊杰，樊留群，程 建，廖梓博

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

日益復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)使得工程領(lǐng)域?qū)τ谕ㄓ脭?shù)據(jù)交換格式的研究越來越重視。其中AutomationML（IEC 62714）數(shù)據(jù)交換格式作為自動(dòng)化系統(tǒng)工程的數(shù)據(jù)交換的解決方案，覆蓋了生產(chǎn)系統(tǒng)工程的所有相關(guān)信息。介紹了AutomationML的體系架構(gòu)和建模方法。通過關(guān)注生產(chǎn)系統(tǒng)的資源、工藝和產(chǎn)品三個(gè)角度對(duì)工業(yè)實(shí)例進(jìn)行AutomationML建模，并對(duì)AutomationML在智能制造的數(shù)據(jù)集成領(lǐng)域的應(yīng)用作了展望。

AutomationML；生產(chǎn)系統(tǒng)；工程數(shù)據(jù)；面向?qū)ο螅恢悄苤圃?/p>

0 引言

近年來對(duì)于個(gè)性化產(chǎn)品的需求在不斷增加，伴隨著生產(chǎn)設(shè)備的多樣化、模塊化和智能化，使得生產(chǎn)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。為了確保生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)同工作能力，應(yīng)該采用標(biāo)準(zhǔn)的接口來實(shí)現(xiàn)無縫集成，因此需要一種通用的數(shù)據(jù)交換格式。AutomationML（IEC 62714）全稱Automation Makeup Language，是由自動(dòng)化技術(shù)的主要供應(yīng)商和用戶戴姆勒，西門子，ABB，KUKA等和其他不同研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的一種數(shù)據(jù)交換格式，用于存儲(chǔ)和交換不同工程領(lǐng)域（如機(jī)械工程、電氣工程、PLC、機(jī)器人等）的工程數(shù)據(jù)。這是一種開放的、供應(yīng)商中立的、基于XML的、免費(fèi)的數(shù)據(jù)交換格式，用于生產(chǎn)系統(tǒng)各個(gè)工程階段、多種工程工具和不同學(xué)科工程師之間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)前，AutomationML在生產(chǎn)系統(tǒng)工程和虛擬調(diào)試領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)得到越來越多的重視。例如由德國(guó)多家自動(dòng)化企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行開發(fā)的OPAK項(xiàng)目中，數(shù)字化工廠軟件的AutomationML接口開發(fā)就是一項(xiàng)重要工作。

1 AutomationML格式體系架構(gòu)

AutomationML遵循的是面向?qū)ο蟮男畔⒋鎯?chǔ)方式，允許將生產(chǎn)系統(tǒng)的物理和邏輯組件建模為數(shù)據(jù)對(duì)象。對(duì)象可以由子對(duì)象組成，并且其本身可以是更大對(duì)象的一部分。每個(gè)對(duì)象可以包含拓?fù)洹缀巍⑦\(yùn)動(dòng)、邏輯（順序，行為和控制）信息以及其他屬性信息。AutomationML格式的基礎(chǔ)是使用CAEX（IEC 62424）為框架，并在CAEX框架下整合多種已有的基于xml的數(shù)據(jù)格式。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)格式及其功能對(duì)AutomationML格式的架構(gòu)進(jìn)行以下劃分：

通過CAEX描述AutomationML對(duì)象屬性、接口信息，對(duì)象之間的拓?fù)潢P(guān)系；

通過COLLADA 1.5.0(ISO/PAS 17506：2012)描述AutomationML對(duì)象的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；

通過PLCopen XML 2.0.1描述AutomationML對(duì)象的邏輯信息。

AutomationML的基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 AutomationML基本架構(gòu)

AutomationML對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模主要基于以下四個(gè)CAEX概念，其拓?fù)涿枋黾軜?gòu)如圖2所示。

1）角色類（Role class/RC）：AutomationML定義了一組基本角色類并制定了角色類的定義規(guī)則，用戶可以根據(jù)需要定義新的角色類。每個(gè)角色類可以具有屬性和接口。

2）接口類（interface class）：AutomationML定義了一些基本接口類并制定了接口類的定義規(guī)則，用戶可以根據(jù)需要定義新的接口類。接口類用于以下兩種情況：（1）定義生產(chǎn)系統(tǒng)中對(duì)象之間的關(guān)系（如數(shù)控車床間通過以太網(wǎng)接口連接）；（2）用作對(duì)存儲(chǔ)在CAEX文件之外的信息（如COLLADA或PLCopen XML文件）的引用。

3）系統(tǒng)單元類（System unit class/SUC）：系統(tǒng)單元類可以被認(rèn)為是可重用的系統(tǒng)組件模板。AutomationML沒有定義基本的系統(tǒng)單元類，僅定義了一些規(guī)則，系統(tǒng)單元類由用戶定義。每個(gè)系統(tǒng)單元類應(yīng)具有類似于角色類和接口類的唯一名稱，應(yīng)該至少有一個(gè)角色類。此外，一個(gè)系統(tǒng)單元類可以由另一個(gè)系統(tǒng)單元類派生。

4）實(shí)例層次（InstanceHierarchy/IH）：實(shí)例層次使用內(nèi)部元素（Internal Element/IE）對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)中的對(duì)象進(jìn)行建模。內(nèi)部元素可以用于物理組件（如傳送帶，或僅僅是傳送帶的機(jī)械部件）建模，也可以用于邏輯組件（如PLC程序）建模。內(nèi)部元素應(yīng)從角色類庫(kù)中至少一個(gè)角色類被實(shí)例化，并可以引用接口類庫(kù)中的接口類的屬性。

圖2 AutomationML拓?fù)涿枋黾軜?gòu)

2 AutomationML生產(chǎn)系統(tǒng)建模應(yīng)用

AutomationML對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的建模可以通過關(guān)注資源（Resource）、工藝（Process）和產(chǎn)品（Product）三個(gè)角度來實(shí)現(xiàn)。

從資源角度看，資源可以是生產(chǎn)系統(tǒng)的硬件組件（如傳送帶），也可以是軟件（如SCADA系統(tǒng)）。從產(chǎn)品角度看，產(chǎn)品可以被分層構(gòu)建和描述。產(chǎn)品不一定是最終產(chǎn)品，測(cè)試結(jié)果、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)生的相應(yīng)文檔也屬于產(chǎn)品。從工藝角度看，工藝包括生產(chǎn)工藝的子工藝，工藝參數(shù)和工藝鏈，如焊接工藝，輸送工藝等。三者之間的關(guān)系是：產(chǎn)品由資源通過工藝過程加工產(chǎn)生。

使用這種建模方式，不同工程領(lǐng)域的軟硬件資源，不同工程階段的產(chǎn)品、工藝和工程數(shù)據(jù)能夠被有效地整合在一起，使得整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)能夠被有條理地分析并建模存儲(chǔ)。

本文以螺絲生產(chǎn)線為例來介紹如何使用AutomationML對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行建模。

螺絲生產(chǎn)線有兩個(gè)主要工位，分別是冷鐓工位與搓絲工位。原材料先由傳送帶1運(yùn)送到冷鐓工位進(jìn)行冷鐓處理，處理完成后再由傳送帶2運(yùn)送到搓絲工位進(jìn)行搓絲處理。最后由傳送帶3將處理完的螺絲運(yùn)送走，結(jié)束生產(chǎn)。

從資源角度看，螺絲生產(chǎn)線包含冷鐓機(jī)、搓絲機(jī)和三條傳送帶。從產(chǎn)品角度看，螺絲生產(chǎn)線包含原材料、初級(jí)產(chǎn)品和次級(jí)產(chǎn)品。從工藝角度看，螺絲生產(chǎn)線包含冷鐓和搓絲兩個(gè)工藝和三個(gè)輸送過程。制造商和操作工人關(guān)注的是產(chǎn)品。控制工程師及機(jī)電工程師關(guān)注的是生產(chǎn)資源（如設(shè)備的信號(hào)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）。工藝工程師關(guān)注的是工藝和工藝參數(shù)（如冷鐓工位的溫度）。

通過從以上三個(gè)角度分析螺絲生產(chǎn)線之后，就可以使用AutomationML編輯器對(duì)該生產(chǎn)系統(tǒng)按如下步驟進(jìn)行建模。

第一步是在實(shí)例層次上從資源，工藝和產(chǎn)品三個(gè)角度將生產(chǎn)系統(tǒng)的對(duì)象一一創(chuàng)建為內(nèi)部元素并分為三個(gè)集合。對(duì)于各個(gè)內(nèi)部元素，可添加具體的屬性（如冷鐓工位的溫度要求）。

第二步是確定內(nèi)部元素的語義。AutomationML定義了基本的角色類，其中包括產(chǎn)品類，工藝類和資源類。為了更具體地描述螺絲制造流水線，創(chuàng)建了一個(gè)更詳細(xì)的角色類庫(kù)，如圖3所示。在該角色類庫(kù)中，Screw line equipments類由資源類派生；Screw line processes類由工藝類派生；Screw line products類由產(chǎn)品類派生。實(shí)例層次中的內(nèi)部元素需要與對(duì)應(yīng)的角色類進(jìn)行關(guān)聯(lián)來表示該內(nèi)部元素由該角色類實(shí)例化。

第三步是連接所有內(nèi)部元素。各內(nèi)部元素之間的連接是通過自己的GUID和相應(yīng)的接口來實(shí)現(xiàn)。通過使用標(biāo)準(zhǔn)的PPRConnector接口，資源可以被連接到產(chǎn)品，即表示通過該資源加工該產(chǎn)品。通過標(biāo)準(zhǔn)的Order接口可以用來描述資源使用的先后順序（如傳送帶1和冷鐓機(jī)的連接）。

圖3 螺絲制造流水線角色類庫(kù)

螺絲生產(chǎn)線的AutomationML最終模型如圖4所示。資源內(nèi)部元素和工藝內(nèi)部元素在各自獨(dú)立的集合中被彼此以PPRConnector接口連接，在圖4中可以看到元素之間以＜internalLink＞形式的虛線連接。

圖4 螺絲生產(chǎn)線的AutomationML模型

整條螺絲生產(chǎn)線的AutomationML模型如圖5所示，通過關(guān)聯(lián)資源、產(chǎn)品、工藝的內(nèi)部元素實(shí)現(xiàn)了對(duì)整條生產(chǎn)線建模的目的。

3 AutomationML在智能制造中的應(yīng)用展望

在中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院2016年9月20日發(fā)布的“智能制造能力成熟度模型白皮書”中，數(shù)據(jù)融合是一項(xiàng)被細(xì)化的重要領(lǐng)域。數(shù)據(jù)融合的目的是解決數(shù)據(jù)集成的問題，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)庫(kù)間數(shù)據(jù)的交換。引入AutomationML數(shù)據(jù)交換格式并建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)能夠有效實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成，降低生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，縮短生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的全生命周期監(jiān)控與維護(hù)。應(yīng)用前景展望如圖6所示。

在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃員將初始工廠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提交到AutomationML數(shù)據(jù)庫(kù)中。機(jī)械工程師從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取初始工廠拓?fù)洌⒒诠S拓?fù)湓O(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)的機(jī)械部分，完成設(shè)計(jì)后提交到AutomationML數(shù)據(jù)庫(kù)中。電氣工程師從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索工廠拓?fù)浜蜋C(jī)械部分設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)的電氣部件，完成設(shè)計(jì)后提交到AutomationML數(shù)據(jù)庫(kù)中。隨后是使用PLC和機(jī)器人編程完成控制代碼設(shè)計(jì)并提交到AutomationML數(shù)據(jù)庫(kù)中。

在生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬調(diào)試階段，可以使用數(shù)字化工廠軟件對(duì)AutomationML數(shù)據(jù)庫(kù)中的生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬調(diào)試。調(diào)試完成后，將信息通過傳送到具有AutomationML接口的控制器和工程工具中，并對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行全生命周期的監(jiān)控與維護(hù)。

圖5 螺絲生產(chǎn)線的資源、工藝及產(chǎn)品關(guān)系圖

4 結(jié)術(shù)語

本文介紹了AutomationML數(shù)據(jù)交換格式及其體系架構(gòu)與建模方法，使用AutomationML對(duì)螺絲生產(chǎn)線進(jìn)行建模，并對(duì)AutomationML在智能制造的數(shù)據(jù)集成領(lǐng)域的應(yīng)用作了展望。對(duì)于AutomationML的研究與運(yùn)用，未來的工作將更多地集中在更細(xì)致的準(zhǔn)則制定和工程工具的AutomationML接口開發(fā)上。當(dāng)前，AutomationML協(xié)會(huì)有超過30個(gè)成員，共同加速了AutomationML的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程并且開發(fā)了多個(gè)專業(yè)案例的應(yīng)用指南。相信在不遠(yuǎn)的將來，會(huì)有越來越多支持AutomationML數(shù)據(jù)交換格式產(chǎn)品出現(xiàn)，為智能制造提供強(qiáng)有力的支持。

圖6 運(yùn)用前景展望

[1] Ricardo Silva Peres, Mafalda Parreira-Rocha. Selection of a Data Exchange Format for Industry 4.0 Manufacturing Systems[C]. IEEE, 2016：5723-5728.

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Application research of production systems' general data exchange format AutomationML

LIU Jun-jie, FAN Liu-qun, CHENG Jian, LIAO Zi-bo

TP271

：A

：1009-0134(2017)05-0116-04

2017-02-13

劉俊杰（1991 -），男，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。