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前言：自动化顶级盛会
要理解自动化最新的进展，恰当的舞台其实并不是国人所熟悉的德国汉诺威控制工程网版权所有，而是纽伦堡的SPS自动化展会。11月14日到16日，SPS再次盛装上演。SPS展原名SPS IPC Drives展，其中SPS是德文可编程控制器Speicher-programmierbare Steuerungen的缩写，SPS、IPC和Drives体现了工业自动化的核心组件。从2019年开始，SPS IPC Drives展改为新的名字SPS（Smart Production Solutions），在缩写不变的基础上继往开来，体现了面对数字化转型浪潮，自动化系统的数字化、网络化、智能化的变革趋势。德国工业界在汉诺威工业展上做战略宣示，而重要的技术创新则率先在SPS上发布，今年的SPS的主题是“Bringing Automation to Life”，数字化、网络化和智能化仍然是热点。而它最底层的信息建模技术，正在成为大树下面的根基。
管理壳
工业4.0的热潮正在褪去，然而德国的根基却越来越稳固。要真正实现万物互联，并非只靠网络。这是一个最底层的信息建模机制。在德国工业4.0一开始的时候，一种用于定义资产（无论是电机，PLC还是软件）的数据格式，管理壳AAS（Asset Administration Shell）被定义出来。这种最底层的根须构建，并不为人关注。然而它越来越变成工业4.0最为重要的根基。从工业4.0的视角来看，生产要素（产品, 设备，工艺，运输等)的组织与描述对于智能制造，至关重要。例如，当一台机床连接到管理壳这一数字空间时，所有与其需要进行协作的数字对象，都可以迅速的理解这台设备的能力，并与其进行协同与融合。
管理壳正在成为承载德国工业4.0梦想的最重要的基础模型，正在进入关键突破阶段。AAS的标准化工作最早由德国电子电气行业协会ZVEI发起，目前转移到工业数字孪生协会IDTA(Industrial Digital Twin Association)。
在SPS上，ZVEI展出了一个“PCF@控制柜”，控制柜内来自不同厂商的电气元件都用数字产品护照（DPP4.0）记录其产品碳足迹（PCF），从而在电控柜设计阶段就可以核算出不同配置方案的碳足迹，而AAS和数字铭牌（基于IEC 61406标准）构成了DPP4.0的关键部分。
管理壳的价值
在小批次生产中，管理壳的价值在于流程的打通和串联，并将原本需要人工操作的流程压缩到最短。以下是一个从下单到生产的完整流程，如果要靠人工打通，需要完成以下步骤。
以从下单到生产的完整流程为例，如果靠人工打通，至少有七八个步骤。例如客户绘制产品CAD图纸，并与生产商询价。而生产商接收到订单后，下载CAD图纸，并使用CAM软件生成加工路径。它在后续将经历工单、产线、机床加工、成品检验和包装出厂等层层环节。每一个环节，由于大量手工环节的存在，操作很容易积累。
如果一个厂一天需要生产1000件定制化产品，就需要多次人工操作上述流程。这种工作内容不但会把工人搞崩溃，而且因误操作导致的错误也将明显提升。
智能制造需要流程上的自动化来提高上述工作的效率。依据管理壳标准的内容，上述业务流程的数据流需要借助于管理壳实现无缝连接。
大名鼎鼎的斯图加特大学机床研究所ISW提供了基于AAS的Manufacturing X原型系统，体现“Plug and Produce”理念。模拟客户和制造厂商的自动下单和生产过程，产品和订单信息都通过AAS表达，甲方乙方通过IDS连接器（IDS Connector）交换AAS信息，IDS连接器是国际数据空间协会(IDSA)提供的可信空间连接器。
这是一套完整的数据流体系，支持“无缝生产”。也就是打通CAX、PLM、ERP、MES、EAM(资产管理），使得产线可以快速切换。这包含了超级BOM表，也有制造信息PMI，质量追溯。要实现全程无缝流转，管理壳能够起到关键作用。
从导入CAD(采用德国编码的eCL@SS标准)，到价格评估(同样根据eCL@SS生成报价单)，到根据订单CAD自动生成加工路径，都是一气呵成。
此后生成工单(ISA 95 Job order)，并把加工路径附着在工单上，自动下发到现场(ISA 95 Job Order 模型下发给OPC UA)。
然后在产线上分解工单，并将加工路径下发给数控机床(OPC UA → CNC)。但机床加工完毕上报工单状态(OPC UA → ISA 95 Job order)。全套工序之间的交流，全部是管理壳在起到流转和解释的作用。
MTP：旧产线重用
AAS可以用于整个产品生命周期，而面向柔性生产的MTP（Module Type Package）标准和方案是本届SPS的另一个热点。已有多个厂商有MTP开发工具推出。MTP是面向“Plug and Produce”的目标，德国自动化厂商的一种新旧融合的解决方案，一个基于MTP系统包括若干个遵循MTP模块定义的自动化组件和一个过程编排层(POL，Process Orchestration Layer)，每个自动化组件既可以是新的设计，也可以是已有控制系统的封装，通过过程编排体现生产柔性。
工厂里的自动化产线，往往非常僵硬。对于化工行业尤其如此。德国过程工业自动化技术用户协会(NAMUR)，提出的过程自动化行业的模块化标准MTP（模块类型封装,正在受到越来越多的关注。通过这种模型,工程师的重点可以从以设备为中心，转移到以模块为中心。这是实现柔性的一种方式。
COPA-DATA公司在SPS上展示了如何基于该公司的zenon工具实现MTP的过程编排。通过zenon IIoT服务，第三方组件可实现简单、安全的集成，并可集中、实时地存储数据。此外，用于控制功能的zenon HMI、BDE和SCADA解决方案可确保轻松操作。因此，无论是根据客户要求进行快速定制，还是进行小批量生产，都没有任何障碍。
目前MTP在流程行业在展开应用，但在离散制造行业，则依然处于探索阶段。它必须要简化www.cechina.cn，才能真正进入离散制造业。
旧产线重用的做法其实一直存在，但改造的频率往往很低。在现有工程组态体系下，频繁的产线切换，不但不能带来效率的提升，反而经常会遇到实施延期，质量不稳定等困扰。流水线创建百年来，其实从来不具有“水”一样的柔性，它是刚硬的。工序之间，往往紧密绑定。一条汽车生产线，如何为了生产新型号而切换，那么准备时间要超过1个月以上。
即使搭建一条包含5种设备的小型分拣机，如果随时要修改产线，那也是一种灾难。皮带机、分拣机、摆轮、扫码称重等无统一规范。一体机缺乏标准接口，导致设备孤岛。而且设备零部件众多，备件繁琐，维修复杂。维护每个项目都需从“0”开始，项目周期长。
核心难点在于工程实施的效率。换线过程中，需要系统集成商重新去进行工艺设计、设备编程以及系统集成（如SCADA和MES）。由于上述工作需要由三套不同的软件独立完成，工程衔接过程中通常会出现各种拖延。
产品设计、工艺设计和生产制造，是三个不同的环节。它们需要像三条麻绳一样拧在一起。它们相互依赖的数据，需要靠不同的软件系统进行对接。
第一条麻绳是工艺设计到现场生产的工程。这主要是通过MTP、PLCopen、工程软件数据交换格式AML（AutomationXL）、OPC UA串起来的。这就是“可重构产线”的变形金刚。
第二条数据麻绳是产品自身的制造信息。从图纸、到加工轨迹、再到生产线，也是一条数据管道。如一个产品，需要按照图纸和订单的信息机型生产。这主要靠的是ecl@ss，AML。而机床的接口则采用美国MT-Connect或者德国机床协会推出的机床标准Umati。
第三条麻绳是产品生命周期。无论是生产、质检，还是售后服务过程中所产生的追溯数据，都能够“寻根”到产品设计数据上。
如果从“第一性原理”来看，这些人为增加的异构连接，都应该一扫而空。功能模块化，接口工作量就会大量减少，MTP的价值在于能够将工艺设计、自动化编程以及系统集成高效的衔接在一起，生产现场的系统可根据工艺设计数据，自动生成相应的控制程序和系统集成方案，从而使工程效率提升6至7成，且也可以避免一系列工程实施阶段的低级错误（如数据对应关系，工程参数）。虽然MTP标准并不限定自动化组件和编排层的通信机制，但目前OPC UA已经成为事实的MTP通信标准。
致力于控制系统硬件和软件解耦的虚拟控制器Virtual Controller，也在为MTP的落地，提供巨大的便利。SPS展上，西门子用虚拟化的3D展示来介绍他的Virtual PLC方案、Codesys公司和菲尼克斯的展台上，都介绍了其软PLC的虚拟化部署方案。力士乐的虚拟化PLC产品ctrlX已经用在奥迪产线了。奥迪生产线，一直是很开放，甚至可以说是激进。它比其他汽车厂，更积极地采用一些先进的技术，菲尼克斯的新型PLC的PLCnext也是在奥迪线上用过。
虚拟化部署，往往依赖于边缘计算平台的支持，在SPS上可以看到一些技术组织和IT公司在积极参与虚拟控制器生态，提供高可靠性的数字化底座，推进标准化的边缘管理机制。
这是为“即插即用”的生产线而努力。而管理壳的出现，会给MTP更快的普及。如果是管理壳负责打通业务数据流，那么MTP则负责工序重构。如果一条产线，可以像变形金刚一样自由组合，呈现各种形状，那就是未来的终极产线。MTP正在沿着这条路，往前寻找。而AAS其实扮演了上述数据共享的桥接器。
Manufaing X：这次是供应链
德国“M-X（Manufacturing-X）”计划最早在2022年初发布，以供应链数字化为目标。这是工业4.0平台的延伸。企业围绕供应链建立数据空间，通过数据流将企业“绑定”在一起。在今年8月份，德国联邦经济事务和气候行动部发布“研发项目资助指南”，年底将正式启动第一个研发项目。
M-X的前置性项目，来自汽车领域。2021年德国在汽车行业实行Catana-X项目，在汽车行业的数据互联和供应链数字化，构建开放协作的数据生态系统。
简单说，它可以让设备在IT平台上实现自动“报名”上线。类似手机会自动搜索Wifi自动加入。或者是新买的设备，在智能家居里一扫码就可以出现在配置界面。以后自动化里的仪表、电机、变频器，都具备这种“自我入列”的功能。
可以说，所有的设备，扫一扫就会出现所有信息（使用文档，CAD，状态数据，网络配置），而且可以导入到MTP的编排层，进行集成配置。这将大大提高用户的便利性。
然而从更宏观的角度看，这将大大增加机器的全球位置确认，从而使得生产在全球的分配和再转移，变得容易。Catana-X和M-X出现的本质，都是作为对冲国际供应链风险的一个应激反应。供应链成为德国工业4.0的新宠控制工程网版权所有，让人觉得工业4.0变得越发有现实意义的考量，地缘政治风险也成为工业4.0的一部分。
这个项目，牵扯了德国工业4.0的所有结果。这里有OPC基金会、工业数字孪生协会（IDTA）、国际数据空间协会（IDSA）、数字数据链联盟 (DDCC)、开放工业4.0联盟（OI4A）、Catena-X等。
生态的融合
SPS有意思的一个地方控制工程网版权所有，在于可以观察大家怎么一起构建生态。本届SPS共有20多个厂商或技术组织展台涉及AAS技术及应用，分布在9个不同展馆。
开放工业4.0联盟（OI4）是一个工业4.0技术架构的实施联盟。也是AAS的重要推动者，这个联盟是SAP联合倍福、恩德斯豪斯、赫优讯、易福门、莫迪维克等欧洲机械工程、工业自动化和软件企业成立的。为了让SPS的参观者亲身体验到AAS的易用性，开放工业4.0联盟在展会上组织了一个有趣的“Follow the Twin”竞赛，该竞赛引导观众到SPS展馆内的13个联盟成员的展台。观众可以扫描该展台上具有数字孪生的二维码，打开相关的网络应用程序。任何人只要找到并扫描五个或五个以上的数字孪生（都是由各公司根据资产管理壳AAS标准构建的），就可以从联盟展台获得奖品。
ISW相邻展台是ISW孵化的公司ISG，重点展示机床和产线数字孪生和虚拟调试软件Virtuos方案，还有支撑Virtuos模型交换共享的TwinStore生态，而TwinStore的模型格式现在也支持AAS。ISG的运动控制和数控系统内核，已经没怎么开发了。可能自认为非常成熟了，无法超越自己，孤独求败。ISG为全球众多PLC和控制器厂商提供了运动控制、CNC和机器人解决方案，在控制软件生态中占据核心位置。越来越佛系的公司，对中国市场也不是很热心，也没有足够的服务人员。创新大师只喜欢做好技术，似乎从来不关心销售和市场。然而这些技术，都在通过管理壳，融入到全新的生态。
除了SAP和西门子，全球三大高端CAD厂商之一的美国PTC也计划全面对接资产管理壳AAS格式。PTC正在跟随德国的管理壳规范，跟ePlan、西克Sick一起合作。可以想象的是，未来AAS将深度融入机械、电气和软件设计的各种工程工具中。那就打通了设计到运维的流程。这意味着，AAS要破壳而出了。CAD跟AAS合体，整个数据资产的标定和流转，就会加速。而两年前，微软也推出了AAS的数据平台展示版。
全球工业4.0的发展，出现了奇妙的情景。德国、美国一开始都有自己的思路，选择了不同的道路。但经历了六七年的发展之后，正在合流。从标准规范和组织章法来看，德国工业4.0平台的发展，更具有兼容性。而管理壳则是一个兼容既有标准、既有成果的关键桥梁www.cechina.cn，它将过去德国制造的优势，稳健地延伸到了未来。
小记：蝶变的禅意
从2014年开始，德国工业4.0在过去九年的发展，与其看成是一次技术的进化，倒不如看成是一个创新组织的诞生。它完整地展示了一只蚕的蝶变过程，呈现了生命体新陈代谢的禅意。在应对全新技术浪潮的时候，最大的挑战不是技术的不确定性，而是组织应对的章法。
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