Współdziałanie pomiędzy urządzeniami, czujnikami i heterogenicznymi systemami jest kluczowym czynnikiem dla realizacji wizji Przemysłu 4.0, tj. tworzenia inteligentnych fa-bryk poprzez umożliwienie inteligentnej współpracy między ludźmi i maszynami. W celu wzmocnienia interoperacyjności w inteligentnych fabrykach zaproponowano standardy
i architektury referencyjne. Normy pozwalają na opis komponentów, systemów i proce-sów, a także interakcji między nimi. Architektury referencyjne klasyfikują, wyrównują i in-tegrują standardy przemysłowe zgodnie z ich celami i funkcjami. Społeczności przemysło-we państw w Europie, w Stanach Zjednoczonych i Azji zaproponowały różne architektury referencyjne. Jednak interoperacyjność analogicznych standardów w tych architekturach referencyjnych jest utrudniona ze względu na odmienną reprezentację podobnych proce-sów lub części produkcyjnych.
Chociaż standardy są rozszerzane lub dostosowywane regionalnie, reprezentują wspólne rozumienie terminów dla szerokiego grona praktyków z branży. Istnieją stan-dardy opisujące całe przedsiębiorstwo, podczas gdy inne zostały opracowane w celu rozwiązania konkretnych problemów, takich jak programowanie sterowników PLC, pro-jektowanie automatyzacji lub unikalna identyfikacja. Konkretnymi przykładami bardzo istotnymi dla Przemysłu 4.0 są AutomationML dla mechatronicznego modelowania da-nych i OPC UA dla komunikacji maszyna-maszyna.
Różne organizacje opracowały architekturę referencyjną, aby dostosować standar-dy w kontekście Przemysłu 4.0. W Niemczech Deutsches Institut für Normung (DIN) wraz z innymi organizacjami opublikował Reference Architecture Model for Industry 4.0
(RAMI 4.0). W Stanach Zjednoczonych Narodowy Instytut Standardów i Technologii
(NIST) opublikował Mapy standardów dla inteligentnych systemów produkcyjnych. W Chi-nach, Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacji (MIIT) i Administracja Normali-zacyjna w Chinach (SAC) opublikowały „Krajowe wytyczne dotyczące architektury in-teligentnych standardów przemysłowych”. Wszystkie te architektury odniesienia dążą do wspólnego celu dostarczania „map drogowych” działania, dotyczących stosowania norm dla inteligentnych fabryk.
Modele informacyjne
Grupa modeli informacyjnych dotyczących Przemysłu 4.0 bardziej szczegółowo omawia właściwości IT wymagane do tworzenia integracji wewnątrz i na zewnątrz inteligentnych fabryk. Mazak i in. koncentrują się na horyzontalnej integracji przedsiębiorstw [Mazak i in. 2015]. Wymóg, który przewidziano jako obowiązkowy, to interoperacyjność, a do-stępne standardy wymiany danych są analizowane w pierwszej kolejności. Celem propo-nowanego modelu jest określenie odpowiednich standardów dla sektora Przemysłu 4.0 poprzez klasyfikację wzdłuż trzech wymiarów. Pierwszy wymiar wyróżnia strategiczną/ /taktyczną i operacyjną warstwę w celu określenia języków, które są odpowiednie do opisu biznesowych i operacyjnych funkcji odpowiedzialnych za tworzenie wartości. Dru-gi wymiar wyróżnia procesy wewnętrzne względem przedsiębiorstwa (np. produkcji) lub zewnętrzne (np. dostarczania).
Trzeci wymiar odróżnia biznesowy widok operacyjny (BOV), który składa się z reguł i narzędzi używanych do opisywania biznesowych aspektów wymiany danych od funk-cjonalnego widoku usług (FSV), który dotyczy technicznej implementacji standardów IT (Open Norma EDI, ISO/IEC 14662, 2010).
Rysunek 2. Architektura LISA
Źródło: opracowanie własne na podstawie: Theorin i in. 2016.
Model zaproponowany przez Theorina i in. wręcz przeciwnie, zapewnia architektu-rę do osiągnięcia pionowej integracji wewnątrz systemu produkcyjnego [Theorin i in. 2016], Architektura Systemu Informacji Liniowej (LISA, rys. 2) jest architekturą sterowaną zdarzeniami, w której każdy obiekt może wysyłać komunikaty do każdego z pozosta-łych, gdy wystąpi zdarzenie. Na przykład zdarzenia mogą reprezentować operację wy-konywaną przez pracownika lub cykl maszynowy. Zaletą LISA jest to, że komunikacja jest możliwa między różnymi rodzajami punktów końcowych, zdolnych do przechwyty-wania informacji z kilku interfejsów i protokołów oraz konwersji ich w standardowy for-mat LISA. Na przykład dane pozyskane z urządzeń w hali (na przykład czujników) mogą
być przesyłane jako proste bity do punktu końcowego, który jest przystosowanym ad-apterem programowym, zdolnym do przekształcania bitów pochodzących z różnych urządzeń w zmienne zgodne z LISA.
Modele RAMI 4.0 i IIRA
W celu wsparcia kwestii standaryzacji Smart Manufacturing, w ramach niemieckiej Platformy Przemysł 4.0 (Plattform Industrie 4.0), została utworzona grupa ds. architektu-ry referencyjnej, standardów i norm z udziałem DIN (Niemiecki Instytut Normalizacyjny) i DKE (Niemiecka Komisja ds. Technologie informacyjne). W kwietniu 2015 r. zapropo-nowano nowy model referencyjny: Referencyjny Model Architektury dla Przemysłu 4.0 (The Reference Architecture Model for Industry 4.0). (RAMI 4.0). RAMI 4.0 został opraco-wany na podstawie modelu Smart Grid Architecture (SGAM), który został zdefinioopraco-wany przez the European Smart Grid Coordination, aby objąć i umieścić wszystkie standardy dostępne w różnych dziedzinach oraz opisać interoperacyjność i wymianę informacji w inteligentnych sieciach.
Rysunek 3. Referencyjna architektura RAMI 4.0
Źródło: opracowanie własne na podstawie [raport stanu ZVEI RAMI 4.0, 2015].
Aby dostosować ten model do Przemysłu 4.0, SGAM został wzbogacony o kompo-nenty, które są charakterystyczne dla produkcji przemysłowej, i ostatecznie architektura RAMI 4.0 została zdefiniowana jako struktura trójwymiarowa.
Pierwsza oś pozioma (rys. 3) reprezentuje łańcuch wartości i cykl życia, wprowadza-jąc różnicę między typem a instancją dla każdego komponentu scenariusza przemysło-wego, taki jak maszyna, produkt, zakład. Podstawowe rozróżnienie polega na tym, że typ stanowi ogólną koncepcję komponentu, gdy jest przewidywany na etapie rozwoju. Typ to pojęcie teoretyczn, plan i obejmuje etapy od projektowania do testowania. Typ
staje się instancją, kiedy jest tworzony w rzeczywistym świecie i może generować wiele różnych podobnych instancji, z własnym cyklem życia.
Druga oś pozioma (rysunek 3) reprezentuje różne hierarchie systemu produkcyjnego, zgodnie z normami IEC 62264 i IEC 61512. Takie elementy, jak urządzenia sterujące, sta-cje robocze, przedsiębiorstwa są wspólne dla każdego systemu, ale dodatkowo RAMI 4.0 wprowadza dwie nowości: połączony świat z jednej strony, reprezentujący sieć między przedsiębiorstwami i produkt z drugiej strony, aby zrozumieć potrzebę inteligentniejsze-go produktu, zdolneinteligentniejsze-go do komunikacji z całym systemem. Natomiast oś pionowa składa się z sześciu warstw, które opisują różne perspektywy, takie jak świat fizyczny (zasób), in-tegracja oprogramowania i sprzętu, możliwości komunikacyjne, właściwości funkcjonal-ne, tworzenie informacji poprzez dane i procesy biznesowe. Można powiedzieć, że sześć warstw to reprezentacja IT jako komponentu Przemysłu 4.0, który składa się z obiektu i jego powłoki administracyjnej, która zawiera wirtualną reprezentację obiektu [Halilaj i in. 2016]. Powłoka administracyjna zapewnia interfejsy umożliwiające zgodność komunikacji, identyfikowalność, wirtualny opis funkcji i usług [raport stanu ZVEI RAMI 4.0, 2015].
Równolegle z niemieckimi inicjatywami, w USA Industrial Internet Consortium roz-poczęło tworzenie modelu reprezentującego architekturę systemów internetowych w kontekście przemysłowym. W maju 2015 r. konsorcjum opracowało Industrial Inter-net Reference Architecture (IIRA), model oparty na standardzie ISO/IEC/IEEE 42010: 2011, w którym nacisk położony jest na właściwości systemu, jakie są postrzegane przez róż-nych zaangażowaróż-nych interesariuszy. Zainteresowane strony w tym kontekście obej-mują użytkowników systemu, operatorów, właścicieli, dostawców, programistów i tech-ników, którzy utrzymują i serwisują systemy. IIRA to zestaw warstw reprezentujących perspektywy interesariuszy, określanych jako punkty widzenia: biznes, zastosowanie, funkcjonalność i implementacja. Każda warstwa IIRA zawiera zbiór zagadnień interesu-jących dla różnych interesariuszy. Chociaż RAMI 4.0 i IIRA zostały zaprojektowane w wy-niku wielu badań dotyczących innowacyjnych technologii stosowanych w produkcji, uznano, że oba modele referencyjne muszą być odpowiednio zintegrowane.
Modele opisane powyżej przedstawiają niektóre próby konceptualizacji Przemy-słu 4.0. Można jednak zauważyć, że większość z nich koncentruje się na prezentacji IT systemu produkcyjnego, wykorzystując innowacyjne technologie dostępne dla komu-nikacji, wymiany danych, automatyzacji i sterowania.