"ПНСТ 952-2024. Предварительный национальный стандарт Российской Федерации. Цифровая промышленность. Системы промышленной автоматизации и интеграция. Концептуальная модель цифровых двойников для производственной сферы. Часть 4. Обмен информацией"
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 29.11.2024 N 104-пнст)

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Информационно-аналитический вычислительный центр" (ООО ИАВЦ) и Федеральным государственным бюджетным учреждением "Российский институт стандартизации" (ФГБУ "Институт стандартизации")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 459 "Информационная поддержка жизненного цикла изделий"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 ноября 2024 г. N 104-пнст

4 Настоящий стандарт разработан с учетом основных нормативных положений международного стандарта ИСО 23247-4:2021 "Системы автоматизации и интеграция. Структура ЦД производства. Часть 4. Обмен информацией" (ISO 23247-4:2021 "Automation system and integration - Digital twin framework for manufacturing - Part 4: Information exchange", NEQ)

5 Некоторые элементы настоящего стандарта могут быть объектами патентных прав. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии не несет ответственности за установление подлинности каких-либо или всех таких патентных прав

Стандарты серии "Концептуальная модель цифровых двойников для производственной сферы" определяют структуру, обеспечивающую создание цифрового двойника (ЦД) физических элементов для производственной сферы, таких как персонал, оборудование, материалы, производственные процессы, производственные объекты, окружающая среда, продукты и сопроводительная документация.

ЦД (по ГОСТ Р 57700.37) разрабатывают и применяют на всех стадиях жизненного цикла (ЖЦ) изделия, изменяя на каждой стадии. ЦД помогает обнаруживать аномалии на всех этапах ЖЦ (научно-исследовательские разработки, опытно-конструкторские разработки, серийное производство, эксплуатация, утилизация). ЦД позволяет контролировать свой физический производственный элемент (ФПЭ), постоянно обновляя соответствующие операционные данные и данные о состоянии окружающей среды. Благодаря прозрачности процессов и их выполнению, обеспечиваемым ЦД, улучшаются все процессы всех этапов ЖЦ.

Тип производственной сферы, поддерживаемый представленной серией стандартов структурой, зависит от стандартов и технологий, доступных для моделирования физических производственных элементов. В различных областях производства допустимо применять собственные стандарты данных. Настоящий стандарт не предписывает использовать в качестве структуры конкретные форматы данных и протоколы связи.

Серия стандартов под общим наименованием "Концептуальная модель цифровых двойников для производственной сферы" состоит из следующих частей:

- часть 1. Общие положения и основные принципы разработки цифровых двойников производства;

- часть 2. Эталонная архитектура с функциональными представлениями;

- часть 3. Цифровое представление производственных элементов;

- часть 4. Технические требования к обмену информацией между сущностями в рамках эталонной архитектуры.

На рисунке 1 показана взаимосвязь четырех частей данной серии стандартов.

В ПНСТ 952-2024 (приложения А - Д) представлены примеры использования, демонстрирующие структуру цифрового двойника производства.

Сценарии использования относятся к области дискретного производства, а ЦД моделируют на основе стандартов серии обмена данными модели продукта (STEP), определяющих способы представления информации о продукте, пригодной для интерпретации компьютером, и обмена данными о продукте и процессе (см., например, ГОСТ Р ИСО 10303-203-2003, ГОСТ Р ИСО 10303-239-2008, ГОСТ Р ИСО 10303-242-2019, ГОСТ Р ИСО/ТС 10303-421-2011, ГОСТ Р ИСО/ТС 10303-439-2016). В других областях допустимо использовать собственные стандарты и технологии. Например, в нефтегазовой промышленности для моделирования ЦД применяют стандарты серии ГОСТ Р ИСО 15926, а в строительстве - стандарты серии ГОСТ Р 10.0.02.

Настоящий стандарт определяет технические требования к обмену информацией между сущностями в рамках эталонной архитектуры.

Настоящий стандарт также охватывает требования к обмену информацией в следующих сетях:

- пользовательская сеть, соединяющая сущность пользователя и сущность цифровых двойников производства (ЦДП);

- сервисная сеть, соединяющая субсущности в рамках сущности ЦДП;

- сеть доступа, соединяющая сущность устройства связи с сущностью ЦДП и сущностью пользователя;

- бесконтактная сеть, соединяющая сущность устройства связи с ФПЭ.

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 62714-2 Формат обмена инженерными данными для использования в системах промышленной автоматизации. Стандартизированный формат обмена данными AutomationML. Часть 2. Библиотеки ролевых классов

ГОСТ Р ИСО 10303-239 Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 239. Прикладные протоколы. Поддержка жизненного цикла изделий

ГОСТ Р ИСО 10303-242 Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 242. Прикладной протокол. Управляемое проектирование на основе модели 3D

ГОСТ Р ИСО 16100-1 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Профилирование возможности интероперабельности промышленных программных средств. Часть 1. Структура

ГОСТ Р ИСО 16100-2 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Профилирование возможности интероперабельности промышленных программных средств. Часть 2. Методология профилирования

ГОСТ Р ИСО 16100-3 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Профилирование возможности интероперабельности промышленных программных средств. Часть 3. Службы интерфейса, протоколы и шаблоны возможностей

ГОСТ Р ИСО 16100-4 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Профилирование возможности интероперабельности промышленных программных средств. Часть 4. Методы аттестационных испытаний, критерии и отчеты

ГОСТ Р ИСО 16100-5 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Профилирование возможности интероперабельности промышленных программных средств. Часть 5. Методология согласования конфигураций профилей с помощью многоцелевых структур классов возможностей

ГОСТ Р ИСО 16100-6 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Профилирование возможности интероперабельности промышленных программных средств. Часть 6. Службы и протоколы интерфейса для сопоставления профилей, основанных на многоцелевых структурах классов возможностей

ГОСТ Р ИСО 18828-2 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Стандартизированные процедуры проектирования производственных систем. Часть 2. Процесс непрерывного планирования производства

ГОСТ Р ИСО 18828-3 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Стандартизированные процедуры проектирования производственных систем. Часть 3. Информационные потоки в процессах производственного планирования

ГОСТ Р ИСО 18828-4 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Стандартизированные процедуры проектирования производственных систем. Часть 4. Ключевые показатели эффективности процессов планирования производства

ГОСТ Р МЭК 62264-1 Интеграция систем управления предприятием. Часть 1. Модели и терминология

ГОСТ Р МЭК 62264-2 Интеграция систем управления предприятием. Часть 2. Объекты и атрибуты

ГОСТ Р МЭК 62264-3 Интеграция систем управления предприятием. Часть 3. Рабочая модель управления технологическими операциями

ГОСТ Р МЭК 62264-5 Интеграция систем управления предприятием. Часть 5. Операции "бизнес-производство"

ГОСТ Р МЭК 62443-2-1 Сети коммуникационные промышленные. Защищенность (кибербезопасность) сети и системы. Часть 2-1. Составление программы обеспечения защищенности (кибербезопасности) системы управления и промышленной автоматики

ГОСТ Р МЭК 62443-3-3 Сети промышленной коммуникации. Безопасность сетей и систем. Часть 3-3. Требования к системной безопасности и уровни безопасности

ГОСТ Р МЭК 62714-1 Формат обмена инженерными данными для использования в системах промышленной автоматизации. Стандартизированный формат обмена данными AutomationML. Часть 1. Архитектура и общие требования

ПНСТ 949-2024 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Концептуальная модель цифровых двойников для производственной сферы. Часть 1. Общие положения и основные принципы

ПНСТ 950-2024 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Концептуальная модель цифровых двойников для производственной сферы. Часть 2. Эталонная архитектура

ПНСТ 951-2024 Системы промышленной автоматизации и интеграция. Концептуальная модель цифровых двойников для производственной сферы. Часть 3. Цифровое представление производственных элементов

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

В настоящем стандарте применены термины по ПНСТ 949-2024, ПНСТ 950-2024, а также следующий термин с соответствующим определением:

3.1 визуализация (visualization): Использование инструментов компьютерной графики и обработки изображений для отображения моделей или параметров процессов/объектов в виде, пригодном для восприятия человеком.

Примечание - В качестве примера можно привести визуальное отображение работы станка с числовым программным управлением (ЧПУ), на котором выполняется фрезерование алюминиевой заготовки.

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

ПЛК - программируемый логический контроллер;

САПР - система автоматизированного проектирования;

ФПЭ - физические производственные элементы;

ФС - функциональная сущность;

ЦД - цифровой двойник;

ЦДП - цифровой двойник производства;

ЧПУ - числовое программное управление;

3D PDF - переносимый формат документов для отображения 3D-содержимого (3-dimensional portable document format);

AAS - оболочка для управления активами (asset administration shell);

AES - передовой стандарт шифрования (advanced encryption standard);

AMF - формат файлов для аддитивного производства (additive manufacturing file format);

API - интерфейс прикладного программирования (application program interface);

AutomationML - язык разметки для автоматизированных систем (automation markup language);

B2MML - язык разметки для бизнес- и производственных систем (business to manufacturing markup language);

CAD - автоматизированное проектирование (computer aided design);

CAM - автоматизированное производство (computer aided manufacturing);

CBC - цепочно-блочное шифрование (cipher-block chaining);

CCM - счетчик с CBC-MAC (counter with CBC-MAC);

CFX - обмен данными на подключенном заводе (connected factory exchange);

COLLADA - формат для обмена проектными данными (collaborative design activity);

EASA - европейское агентство по безопасности полетов (European aviation safety agency);

ECDHE - протокол Диффи-Хеллмана на эллиптических кривых (elliptic-curve Diffie-Hellman);

ERP - программный комплекс для управления организацией (enterprise resource planning);

EtherCAT - стандарт промышленной сети Ethernet для систем автоматизированного контроля (ethernet for control automation technology);

FAA - федеральное агентство воздушного транспорта (federal aviation administration);

FBX - формат файлов (filmbox);

HTTP - протокол передачи гипертекста (HyperText Transfer Protocol);

IoT - Интернет вещей (Internet of Things);

IPC - межпроцессное взаимодействие (inter-process communication);

ISA - международное общество автоматизации (international society of automation);

JSON - формат обмена данными в Javascript (javascript object notation);

JT - формат обмена 3D-данными (jupiter tessellation);

LwM2M - протокол межмашинного взаимодействия (lightweight machine to machine);

MES - система управления производством (manufacturing execution system);

MOM - управление производственными процессами (manufacturing operations management);

MQTT - протокол передачи телеметрических данных (message queuing telemetry transport);

MTConnect - стандарт подключения оборудования (machine tool connect);

OCF - организация открытого взаимодействия (open connectivity foundation);

OPC-UA - стандарт передачи данных в промышленных сетях с помощью унифицированной открытой платформы (open platform communication-unified architecture);

OpenGL - открытая графическая библиотека (open graphics library);

PLM - управление жизненным циклом (product lifecycle management);

PSK - фазовая манипуляция (phase-shift keying);

QIF - информационная система о качестве (quality information framework);

RAPINet - протоколы передачи данных в автоматизированных системах для промышленных сетей Ethernet (real-time automation protocols for industrial ethernet);

RDF - структура описания ресурсов (resource description framework);

REST - передача репрезентативного состояния (representational state transfer);

RSA - алгоритм Ривеста-Шамира-Адлемана (Rivest-Shamir-Adleman);

SHA - алгоритм криптографического хэширования (secure hash algorithm);

STEP - standard for the exchange of product model data (стандарт для обмена данными о модели продукта);

STL - библиотека стандартных шаблонов (standard template library);

TSN - синхронизирующиеся по времени сети (time-sensitive networking);

URL - единообразный указатель ресурса (uniform resource locator);

WebGL - библиотека визуализации графики на веб-страницах (web graphics library);

XML - расширяемый язык разметки (extensible markup language).

Настоящий стандарт определяет сетевое представление типовых моделей ЦДП. ПНСТ 950-2024 определяет эталонные модели ЦДП, а также функциональное представление этих эталонных моделей. Сетевое представление следует применять к эталонным моделям, приведенным в ПНСТ 950-2024.

На рисунке 2 показаны четыре типа коммуникационных сетей, которые используются для соединения сущностей, также описанных в ПНСТ 950-2024.

Пользовательская сеть соединяет сущность пользователя с сущностью ЦДП. С помощью этой сети сущность пользователя обращается к экземпляру ЦДП, управляемому сущностью ЦДП.

Пользовательская сеть может быть как общедоступным Интернетом, так и внутренней сетью организации.

Сервисная сеть соединяет следующие субсущности:

- эксплуатации и управления;

- приложений и сервисов;

- доступа к ресурсам и обмена данными.

Сервисная сеть, как правило, представляет собой проводную сеть, работающую на основе IP-протоколов.

Если сущность ЦДП реализуется как единая частная система, то сервисная сеть не нужна.

Сеть доступа соединяет сущность устройства связи с сущностью ЦДП и сущностью пользователя. Субсущность сбора данных передает данные, собранные с ФПЭ, сущности ЦД. Субсущность управления устройством передает команды от сущности пользователя/ЦДП для управления ФПЭ.

Сеть доступа может быть проводной, например локальной (LAN), беспроводной, например беспроводной локальной сетью (WLAN) или мобильной (сотовой) сетью. В сети доступа обычно используются протоколы передачи данных на базе IP независимо от типа канала передачи.

Бесконтактная сеть соединяет сущность устройства связи с ФПЭ. С ее помощью сущность устройства связи передает команды ФПЭ, являющихся промышленными устройствами, и получает результаты от ФПЭ, являющихся промышленными датчиками.

Бесконтактная сеть может быть как промышленной сетью Ethernet, так и проприетарной сетью со специализированной конфигурацией. В некоторых сетях используются протоколы, отличные от IP. Однако если ФПЭ физически присоединен к сущности устройства связи или интегрирован с ней, то бесконтактная сеть не нужна.

Пользовательская сеть должна обеспечивать обмен информацией между сущностью пользователя и сущностью ЦДП в целях предоставления сервисов и приложений, например для визуализации и мониторинга процессов, статистического анализа и моделирования.

Пользовательская сеть должна обеспечивать доставку информации для настройки ЦД и приведения его в исходное состояние.

6.3 Получение статуса по запросу

Пользовательская сеть должна обеспечивать доставку информации о текущем состоянии ФПЭ, представленного его ЦД.

Пользовательская сеть должна обеспечивать доставку информации за прошлые периоды о состоянии ФПЭ, представленного его ЦД.

Пользовательская сеть должна использовать стандартизированные методы обмена информацией.

Примечание - Примерами стандартизированных протоколов являются REST и HTTP.

Стандартизированный метод обмена информацией должен включать методы проверки синтаксиса и семантики обмениваемой модели и валидации ее содержимого.

Примечание - Примерами информационных моделей с методами проверки синтаксиса и семантики являются STEP и QIF.

Пользовательская сеть должна обеспечивать безопасность и конфиденциальность ЦД.

Примечание - Протокол безопасной связи определяют такие стандарты, как ГОСТ Р МЭК 62443-2-1, ГОСТ Р МЭК 62443-3-3.

Пользовательская сеть должна обеспечивать возможность работы приложений с цифровыми моделями, которые были соответствующим образом синхронизированы. Скорость синхронизации зависит от варианта использования.

Пользовательская сеть должна обеспечивать обмен информацией о цифровом представлении ФПЭ. Она должна предоставлять приложениям возможность обращаться к общим моделям ФПЭ. В зависимости от варианта использования, возможно, придется выполнить моделирование типов ФПЭ, показанных на рисунке 3, для обмена информацией.

Сервисная сеть используется для передачи информации между субсущностями в рамках сущности ЦД. Она может быть приватной для конкретной реализации сущности ЦД и не требует определения в настоящем стандарте.

Сеть доступа соединяет сущность устройства связи с другими сущностями. Сущность устройства связи собирает информацию о ФПЭ в процессе их работы, используя соответствующий протокол потоковой передачи данных. Сущность устройства связи управляет ФПЭ с помощью команд на понятном для ФПЭ языке.

В зависимости от обстоятельств подключение к сущности устройства связи можно обнаруживать динамически при помощи соответствующего протокола или фиксированного сетевого адреса. В любом случае по каналу связи осуществляется передача данных о ФПЭ сущности ЦД.

Сеть доступа должна предоставлять стандартизированный метод доставки данных, собранных сущностью устройства связи. Метод должен включать информацию в объеме, достаточном для идентификации ФПЭ, и описывать каждое изменение контролируемой характеристики ФПЭ.

Сеть доступа должна предоставлять стандартизированный метод передачи данных для управления ФПЭ посредством сущности устройства связи.

Сеть доступа должна обеспечивать подключение ЦД к его ФПЭ. Параметры пропускной способности и задержки должны гарантировать требуемый уровень синхронизации.

Примечание - Требования к задержке при срочном устранении неисправности или в случае появления аварийного сигнала отличаются от требований к обновлению 3D-модели.

Сеть доступа должна поддерживать любой из трех методов транзакций, перечисленных ниже:

- метод PULL: инициатор запроса запрашивает информацию у поставщика.

Примечание - Сущность ЦД является инициатором запроса, а сущность устройства связи - поставщиком;

- метод PUSH: отправитель отправляет новую или измененную информацию получателю.

Примечание - Сущность ЦД является получателем, а сущность устройства связи - отправителем;

- метод PUBLISH: издатель публикует данные для подписчиков.

Примечание - Сущность ЦД является подписчиком, а сущность устройства связи - издателем.

Метод PUBLISH рекомендуется использовать в случае, если несколько сущностей цифровых двойников прослушивают одну сущность устройства связи.

Если сетевое местоположение сущности устройства связи меняется, то сеть доступа должна поддерживать связь с его ЦД.

Сеть доступа должна обеспечивать безопасность и конфиденциальность ЦД.

Примечание - Методы безопасной связи определены в стандартах, например, в ГОСТ Р МЭК 62443-2-1, ГОСТ Р МЭК 62443-3-3.

Бесконтактная сеть является интерфейсом между сущностью устройства связи и ФПЭ. Она не требуется, если сущность устройства связи размещена на ФПЭ.

Бесконтактная сеть должна обеспечивать соединение сущности устройства связи с ФПЭ посредством промышленной сети Ethernet или локальной сети.

Бесконтактная сеть должна поддерживать адаптацию данных, полученных от ФПЭ, к данным, понятным сущности устройства связи.

Бесконтактная сеть должна поддерживать объем данных, эффективность передачи и хранение, необходимые для передачи информации между сущностью устройства связи и ФПЭ.

На рисунке А.1 показан способ обмена информацией в структуре ЦД с помощью доступных в настоящее время протоколов коммуникации.

На рисунке А.1 показаны две конфигурации ФПЭ.

В первой конфигурации (сущность устройства связи/ФПЭ слева) выполняются сбор данных сущностью устройства связи посредством бесконтактной сети и их отправка сущности ЦД по сети доступа. Сущностью пользователя контролирует ФПЭ через унаследованный канал связи. Например, файл G-кода записывается из PLM и загружается оператором в систему управления.

Во второй конфигурации (сущность устройства связи/ФПЭ справа) выполняются сбор данных непосредственно сущностью устройства связи в рамках одной системы и их отправка сущности ЦД по сети доступа. Например, современная система ЧПУ напрямую поддерживает числовое программное управление для ввода данных и MTConnect для вывода отчетов о результатах.

Существуют следующие варианты реализации обмена данными в пользовательской сети:

- можно использовать стандартизированные методы обмена информацией, то есть сущность ЦД может предоставлять веб-сервисы сущности пользователя посредством HTTP или REST;

- сущность ЦД может определить открытые API для сущности пользователя. Один из примеров открытого API - веб-интерфейс;

- сущность ЦД и сущность пользователь могут использовать базу данных или облачную платформу;

- сущность ЦД может взаимодействовать с такими приложениями, как PLM, MES и ERP. Сущность ЦД может получать данные, связанные с производством, посредством интерфейсов с этими приложениями;

- для использования информации о производстве подходят ГОСТ Р МЭК 62264-1 - ГОСТ Р МЭК 62264-3, ГОСТ Р МЭК 62264-5. B2MML применяется для извлечения производственной информации (например, для отслеживания активов, управления складскими запасами), необходимой для ЦД. В ГОСТ Р ИСО 16100-1 - ГОСТ Р ИСО 16100-6 определены требования к программному обеспечению, обеспечивающему взаимодействие между производственными программными инструментами (модулями или системами). В ГОСТ Р ИСО 18828-2 - ГОСТ Р ИСО 18828-4 определено понятие информации для непрерывного планирования производства;

- для поддержки визуализации применяются положения, приведенные в [1]. Для определения синтаксиса и семантики формата файлов для 3D-визуализации и обработки упрощенной геометрии и информации о производстве продукции, полученной из систем CAD, применяются положения, приведенные в [2];

- информацию из систем CAD/CAM можно использовать для создания цифровой модели ФПЭ. К числу применимых стандартов относятся: ГОСТ Р ИСО 10303-242 (т.е. STEP AP242), [2] (т.е. STEP AP238), ГОСТ Р ИСО 10303-239 (т.е. STEP AP239), ГОСТ Р МЭК 62714-1 и ГОСТ Р МЭК 62714-2 (т.е. AutomationML). Ряд приложений использует план завода (чертеж) для создания первоначальной цифровой модели цеха. Формат 3D-файлов подходит для хранения информации о 3D-моделях. Наиболее популярными форматами являются STL, FBX и COLLADA. Они используются в 3D-печати, видеоиграх, киноиндустрии, архитектуре, науке, медицине, конструкторско-проектной деятельности и т.д.;

- для встраивания 3D-моделей в документы подходят формат 3D PDF или инструменты 3D-рендеринга. 3D PDF - это PDF-файл, содержащий трехмерную геометрию. 3D-рендеринг - это процесс преобразования трехмерных моделей в двухмерные изображения на компьютере или в документах;

- для предоставления графической информации через Интернет можно использовать WebGL или OpenGL. WebGL - это API на JavaScript для рендеринга 2D/3D-графики; OpenGL - это API для рендеринга 2D/3D-графики. В своем современном виде OpenGL представляет собой кросс-платформенную библиотеку для взаимодействия с программируемыми графическими процессорами с целью рендеринга 3D-графики в режиме реального времени. Эта спецификация широко используется в играх, САПР и приложениях для визуализации данных;

- для описания модели ЦД можно использовать оболочку AAS - общую мета-модель, применяемую для описания активов в различных форматах (JSON, XML и RDF);

- для поддержки верификации применяются положения, приведенные в [3] (т.е. QIF) - это стандарт на основе XML, который определяет, организует и связывает информацию о качестве. ЦД можно синхронизировать с измеренными значениями. Для повышения точности результатов прогнозирования можно анализировать данные об измеренных значениях QIF.

Существуют следующие варианты реализации обмена данными в сети доступа:

- сущность пользователя может применять стандартизированные методы обмена данными, то есть получать доступ к ФПЭ и управлять им посредством таких протоколов, как MTConnect и OPC-UA;

- сущность пользователя может получать доступ к устройствам IoT (например, датчикам, исполнительным механизмам) и управлять ими посредством таких протоколов, как OPC-UA, OCF, LwM2M и oneM2M. Протоколы IoT определяют различные форматы данных для обмена;

- в целях поддержки метода PUBLISH применяются положения, приведенные в [4] (т.е. MQTT), который определяет транспортный протокол публикации/подписки сообщений между клиентом и сервером;

- для обеспечения связи в режиме практически реального времени применяются положения, приведенные в [5], [6]. Они определяют сервисы TSN для сетей поставщиков услуг и промышленной автоматизации. TSN - это протокол 2-го уровня, обеспечивающий низкие задержки с минимальными колебаниями значений и незначительную потерю пакетов;

- в контексте безопасности применяются такие алгоритмы, как PSK, ECDHE, CBC, CCM, SHA и RSA;

- если их применение для сервисов с большим объемом данных, например в сфере периферийных вычислений, облачных технологий и данных IoT, вызывает сложности, то можно использовать протокол обмена ключами Диффи-Хеллмана.

Ниже приведены варианты реализации обмена данными в бесконтактной сети:

- если ФПЭ уже поддерживает протоколы типа MTConnect или OPC-UA, то бесконтактная сеть не требуется;

- для обеспечения связности на локальном уровне ФПЭ может быть подключен к собственной сети или промышленной сети Ethernet (например, EtherCAT, Ethernet/IP, Profinet, Modbus, RAPIENet);

- для сбора разнообразной информации применим широкий спектр подключенных к сети датчиков, например, для мониторинга рабочего состояния оборудования можно использовать датчики температуры, вибрации, звука и т.д.

В таблице Б.1 приведен пример с использованием шаблона, разработанного ИСО и МЭК.

На рисунке Б.1 показан процесс динамического планирования задач для нескольких роботов.

Шаг 1. Крыло в сборе физически загружается в роботизированный производственный модуль. Система инспекционного контроля получает информацию о типе сборки и ее экземпляре с помощью идентификатора сборки.

Шаг 2. Система инспекционного контроля запрашивает соответствующий ЦД процесса (в формате AP238), ЦД крыла в сборе (в формате AP242) и требования к процессу из PLM через MOM. В результате эта система получает сведения о CoA (какое отверстие должно быть просверлено) и о базовом процессе, подлежащем выполнению.

Шаг 1. Система инспекционного контроля с помощью регулятора CoA и на основе ЦД крыла в сборе (в формате AP242) определяет, какие отверстия не нужно сверлить. Затем она деактивирует соответствующие этапы работ по сверлению в ЦД процесса (в формате AP238).

Шаг 2. Оптимизатор последовательности распределяет этапы операции сверления между четырьмя роботами производственного модуля.

Шаг 3. Оптимизатор определяет эффективную последовательность операций сверления для каждого робота.

Шаг 4. ЦД процесса моделирует процесс сверления и проверяет, нет ли столкновений и просверлены ли все нужные отверстия.

Шаг 5. Обновленный производственный процесс отправляется контекстному интерпретатору.

Шаг 1. Контекстный интерпретатор извлекает релевантный контекст (например, рабочий план, этап работы, карту сопоставления процесса и отверстия). После этого он вносит соответствующий контекст в стандартизированную реализацию основного языка программирования роботов (Rapid/Enhanced Rapid).

Шаг 2. Данные Enhanced Rapid передаются в производственный модуль.

Шаг 3. Данные Enhanced Rapid распределяются между роботами, после чего начинается производственный процесс.

Роботы передают информацию о совместном движении и значительном прогрессе выполнения (например, о просверленных отверстиях) контроллеру модуля через OPC-UA. Эти данные преобразуются в MTConnect.

С помощью данных MTConnect сущность ЦД непрерывно обновляет информацию о крыле в сборе и цифровые двойники процессов. Эта информация включает в себя сведения о движении манипуляторов робота и завершении рабочих этапов.

Обновленные цифровые модели крыла в сборе и технологического процесса возвращаются в PLM посредством MOM. Они используются в качестве CoA для последующих процессов и составления отчетов.

Крыло в сборе с новыми отверстиями выгружается из производственного модуля.

На рисунке Б.2 показана возможная реализация данного примера в соответствии со структурой.

Реализация сценария динамического планирования с помощью структуры приведена в таблице Б.2.

Реализация сопоставления цифровой модели крыла с сущностью ЦД показана на рисунке Б.3 и в таблице Б.3.

Реализация сопоставления ЦД процесса и сущности ЦД представлена на рисунке Б.4 и в таблице Б.4.

В таблице В.1 приведен пример сценария использования передовых методов метрологии.

На рисунке В.1 представлен процесс оптимизации передовых методов метрологии.

Шаг 1. Планировщик инспекций определяет процесс инспекции, в рамках которого измеряется толщина отдельных компонентов крыла (например, обшивки крыла, усилительной накладки, нервюры) вблизи мест их крепления. Процесс инспекции определяется как план QIF.

Шаг 2. Контекстный интерпретатор инспекции переводит план QIF на язык измерительного оборудования.

Шаг 3. По мере выполнения процесса инспекции полученные значения измерений конвертируются в параметры QIF с помощью контекстного интерпретатора инспекции.

Шаг 4. Параметры QIF используются для обновления ЦД отдельных компонентов.

Шаг 1. Обновленные ЦД отдельных компонентов крыла виртуально выравниваются и собираются.

Шаг 2. Толщина пакета для каждого крепежа рассчитывается путем сложения толщин каждого отдельного компонента крыла в каждом месте, где должно быть просверлено отверстие для установки крепежной детали.

Шаг 1. На основе толщин пакетов, определенных на этапе 2, определяются оптимизированные варианты крепежа путем подбора длин крепежных деталей, соответствующих рассчитанным толщинам пакетов.

Шаг 2. Производственный процесс сборки обновляется в целях назначения оптимизированных крепежных деталей для соответствующих мест расположения отверстий.

Шаг 3. ЦД крыла в сборе обновляется с учетом оптимизированного расположения крепежных деталей.

Реализация сценария использования передовых методов метрологии на основе структуры представлена в таблице В.2, а на рисунке В.2 приведены передовые методы метрологии.

Сопоставление ЦД обшивки крыла, усилительной накладки и нервюры с сущностью ЦД показано в таблице В.3 и на рисунке В.3.

Реализация сопоставления ЦД крыла в сборе с сущностью ЦД показана на рисунке В.4 и в таблице В.4.

В таблице Г.1 приведен пример использования шаблона оптимизированных процессов съема материала.

На рисунке Г.1 показан оптимизированный процесс съема материала.

Шаг 1. Оператор выбирает деталь для производства в соответствии с требованиями календарного плана.

Шаг 2. Система инспекционного контроля загружает технологический план из PLM, включая сведения об оборудовании, операторе, материалах, требования к установке и режущем инструменте.

Шаг 1. Технологический план обновляется на основе рекомендаций, полученных по итогам предыдущих производственных циклов изготовления этой детали.

Шаг 2. Обновляются требования процесса к ресурсам, включая оптимальное распределение инструментов и материалов.

Шаг 3. Обновленный технологический план используется для создания цифровых двойников станка, детали и режущего инструмента.

Шаг 1. Контекстный интерпретатор извлекает соответствующий контекст (например, план техпроцесса, рабочие этапы техпроцесса, сведения о допусках, уникальные идентификаторы назначенного режущего инструмента и обрабатываемой детали). Затем контекстный интерпретатор вставляет соответствующий контекст в стандартизированную реализацию встроенного языка программирования станка (улучшенный G-код).

Шаг 2. Улучшенный G-код передается на станок.

Шаг 3. Запускается процесс обработки.

Необходимо вывести три отдельных набора контекстуальных данных:

- процесс: по мере обработки детали сведения о ключевых этапах выполнения передаются агенту MTConnect с помощью сообщений. Эти сообщения содержат метки и обычно появляются в начале и в конце рабочих этапов и рабочих планов. Это позволяет узнать состояние процесса в любой момент времени;

- датчики: во время обработки измеряются различные технологические, физические, электрические и экологические характеристики и передаются в виде набора данных с меткой агенту MTConnect. Эти характеристики, к примеру, могут описывать изменение числа оборотов шпинделя или скорости подачи, температуру охлаждающей жидкости, нагрузку на шпиндель и вибрацию;

- измерения: физические характеристики детали могут быть измерены вручную (оператором) или оборудованием на различных этапах производственного процесса. Эта информация передается агенту MTConnect в виде сообщений.

Три набора данных синхронизируются с помощью меток для обновления ЦД станка, детали и режущего инструмента.

Анализатор производительности инструмента использует информацию, полученную от ЦД станка, детали и режущего инструмента, для составления рекомендаций по изменению будущих технологических циклов.

Обновленные ЦД станка, детали и режущего инструмента вновь загружают в PLM.

Деталь извлекают из станка.

На рисунке Г.2 показана возможная реализация данного сценария использования в соответствии со структурой.

Сценарий использования, демонстрирующий оптимизированный процесс удаления материала на основе структуры, приведен в таблице Г.2.

Реализация сопоставления ЦД процесса и сущности ЦД представлена на рисунке Г.3 и в таблице Г.3.

Реализация сопоставления ЦД детали с сущностью ЦД показана на рисунке Г.4 и в таблице Г.4.

Реализация сопоставления ЦД инструмента с сущностью ЦД объекта представлена на рисунке Г.5 и в таблице Г.5.

В приложении Б и приложении Г используется понятие "улучшенный G-код", описывающее метод передачи контекстуальных данных ФПЭ (ЧПУ и роботизированным модулям). На рисунке Д.1 показано, как вычисляется и обрабатывается эта информация для сценария использования из приложения Г.

Примечание - TWEETSUBSTEPNC - инструмент для планирования процессов в производстве.

Хотя существует технология, позволяющая ФПЭ напрямую использовать ИСО (см. [2]), она пока не доступна в качестве стандартной функции. Улучшенный G-код - это способ использования имеющихся технологий в качестве связующего звена для обработки набора цифровых данных на уровне ФПЭ до тех пор, пока не появятся прямые интерпретаторы (см. [2]).

На рисунке Д.2 показан улучшенный G-код, сгенерированный контекстным интерпретатором для одной производственной операции. Улучшенный G-код позволяет выполнить следующие действия во время обработки.

Улучшенный G-код позволяет выполнить следующие действия во время обработки:

- при запуске кода собираются данные о производственной операции путем вызова подпрограммы TWEETSUBSTEPNC;

- когда адаптер MTConnect B получает аргумент SENDTWEET, он ставит временную метку и передает собранные данные в виде сообщения о событии;

- адаптер MTConnect B преобразует полученные контекстные данные процесса в формат, пригодный для обработки агентом MTConnect;

- выполняются G-коды для достижения результата, описанного в производственной операции;

- во время выполнения G-кода адаптер MTConnect A передает данные о текущем состоянии оборудования;

- по завершении производственной операции подпрограмма TWEETSUBSTEPNC отправляет сообщение о событии ENDOFCYCLE адаптеру MTConnect B;

- агент MTConnect объединяет данные, переданные адаптерами MTConnect A и MTConnect B;

- сущность ЦД считывает набор объединенных данных от агента MTConnect.

Подпрограмма TWEETSUBSTEPNC использует M-код (см. [8]) для активации пользовательского дополнения к программе ПЛК, которое отправляет информацию по TCP-соединению адаптеру MTConnect B. В других сценариях использования применялись различные технологии для достижения аналогичного результата. Агент MTConnect объединяет различные наборы данных. В сценарии использования в приложении Г третий набор данных, который здесь не обсуждается, поступает от штангенциркуля, измеряющего размеры детали. Адаптер MTConnect A считывает данные через заданные интервалы выборки. Адаптер MTConnect B реагирует на события. Адаптер A - это адаптер, который изначально поставляется с оборудованием. Адаптер B - это адаптер, созданный специально для сценария использования в приложении Г. С помощью адаптера A сущность ЦД отслеживает состояние обработки с интервалом в полсекунды. Адаптер B гарантирует сохранение сведений о начале и окончании каждой рабочей операции, не активной на момент считывания адаптером MTConnect A состояния обработки.

Агент MTConnect помещает все шаблоны данных и записи событий в набор данным с временными метками, который может быть прочитан сущностью ЦД по запросу. Если сущность ЦД не может обработать набор данных, поскольку, например, все еще выполняет моделирование результатов последнего события, то агент MTConnect буферизирует данные до тех пор, пока она не будет готова.