图1：工业4.0参考架构模型RAMI4.0和物理－数字化架构及递阶关系
图1清晰表达RAMI4.0和物理－数字化架构及通信递阶关系。把物理实体（包括硬件、软件、工程文件等）通过数字化演化为能在虚拟世界完整表达、通信、推理、判断、决策加工等，让控制信息和业务信息都能实时传递交换和处理，从而使企业中的各类资产都能互联、互操作。根据不同资产的作用，当它们数字化后相互之间的关联，应该按控制要求和业务要求构建它们之间的扁平化的通信递阶关系。
这里，物理实体实际上包含了工业制造技术、工业制造工艺、工业制造装备、工业制造材料、工业制造基础零部件、工业控制技术等，由它们构成工业制造的源和本。无论IT技术的发展和应哟对工业制造形成了多么巨大的推动，但离开了这一系列的物理实体，IT也好，软件也好，互联网和物联网也好，终将成为无源之水，无本之木。
▌I4.0基本单元模型
I4.0基本单元是一个描述信息物理系统CPS详细特性的模型。CPS是一种在生产环境中的真实物理对象，通过与其虚拟对象和过程进行联网通信的系统。在生产环境中，从生产系统和机械装备到装备中的各类模块，只要满足了上述这些特性，不管是硬件基本单元还是软件基本单元，都具备和符合了工业4.0要求的能力。
图2：I4.0基本单元模型
图2列举了4个I4.0基本单元的例子。分别是：1）一整套机械装备作为I4.0基本单元，这类I4.0的基本单元是由机械制造厂商来实现的。2）由专门供应厂商提供的关键部件也可看成是一类I4.0基本单元，由部件制造厂商实现。它们往往可以分开登录，譬如可分别在资产管理系统和维护管理系统中登录。3）还可以把一些构成零部件看成是I4.0基本单元，例如一个端子排，不但是连通信号的接线，而且在整个机械装备的生命周期中还起着传输数据的作用。这种I4.0基本单元的实现者往往是电气工程师或技术员。4）软件也是生产系统中的重要资产，它们也是I4.0基本单元。例如一个独立的规划或者工具性工程软件，甚至一个功能块库。其实现者可以是软件供应商，也可以是控制器应用程序的编程工程师，等等。
▌成为I4.0基本单元有2个先决条件：
1. 它必须在整个生命周期内采集所有相关数据，存放在有该基本单元所承载的具有信息安全的电子容器内，并由它把这些数据提供给企业参与价值链的过程。在I4.0基本单元的模型中，这个电子容器称之为“管理壳”。
2. 基本单元的真实对象必须具有通信能力，以及相应的数据和功能。这样，在生产环境中的硬件单元和软件单元之间都能进行符合工业4.0要求的通信。
由图3可知，资产构成I4.0基本单元（物理的／非物理的）的实体部分，管理壳构成I4.0基本单元的虚拟部分，工业4.0的通信将各种基本单元加以连接。
实际上管理壳是连接工业4.0与资产的接口，是存放资产的所有数据与信息的存贮器，它同时还是作为I4.0标准化的通信网络的接口，它还具有把无源的资产（如软件、文档）集成到I4.0的网络的能力，它还能够用来把现有的设备升级迁移至工业4.0的大环境中。
图3：参照RAMI4.0看I4.0基本单元的特性
▌PLCopen规范在RAMI4.0功能性维度中的位置
PLC的软件技术以PLCopen国际组织为先导，一直在为满足工业4.0和智能制造日益清晰的要求做足了准备。图4显示PLCopen历年来所开发的各种规范（运动控制、安全控制、OPC UA通信、XML等）在工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）相应的制造环境的功能层级维度及其层级中的位置，可以明显的看到，PLCopen国际组织长期以来执着地为提高自动化效率所做的卓有成效的工作，使得人们期望明天能够运用的技术，只要愿意今天就可以拥有。
图4：PLCopen各规范在RAMI4.0中的位置
例如，PLCopen与OPC基金会联合开发的IEC 61131-3的OPC UA信息模型和相应的OPC UA的客户端和服务端的功能块规范，就可以用在由产品层和现场设备层，乃至控制设备层、车间层、工厂层、企业层，以及跨企业连接层中运用，起到符合工业4.0所要求的分布式、扁平化的通信作用。值得注意的是，为了使OPC UA能够满足M2M的实时通信，近年来正在把广泛应用于现场总线和工业以太网实时通信的发布方／订阅方的通信机制引入。同时也在开发符合IEEE时间敏感网络TSN规范的OPC UA TSN。这是OPC基金会计划用OPC UA取代工业以太网的又一举措。而PLCopen的运动控制规范则在现场设备层和控制设备层中广泛运用。基于IEC 61131-3国际标准的逻辑控制和顺序控制以及面向对象的控制编程运用于现场设备层、控制设备层、车间层等。机械安全规范完全可以用在工厂层、车间层和设备层。而PLCopen 的IEC 61131-3的XML模式规范已经成功的运用在工厂工程设计平台AutomationML中和许多控制系统统一工程设计、运行维护和服务的平台中，作为不同功能设计引擎的数据交换和图形交换的有效软件工具。
▌RAMI4.0的物理实体虚拟映射维度中PLCopen的功能性
在工业4.0参考架构模型RAMI4.0中有一个维度专门用于将物理实体资产经过数字化的途径映射为相关资产的产品描述（数据性能），如何使这一过程标准化呢？
一种可行的方法是按照国际标准化组织制定的国际标准ISO29002-5，即《工业自动化系统和集成 特征数据交换》的第五部分“标识方法”，利用分类产品描述的软件包eCl@ss Version9.1，用URI和URL进行唯一资源标识和唯一资源定位。 ISO29002-5规定了唯一标识管理项的数据元素和语法。管理项可以是概念词典中的一个概念或概念信息元素。概念信息元素包括如下的术语内容（名称，缩略词，定义，图片，符号等），将一个概念归类于某个相同概念类（概念类型），以及参照于源文件。
图5表述的就是这种统一的格式。标识符是URI，为每一种资产提供唯一的识别符，并与该资产对应的管理壳对应，该标识符既参照该资产的物理分类，又可链接该资产的管理壳，而管理壳的虚拟描述完全建立在其物理特性和相关数据之上。
图5：利用URL唯一标识工业4.0基本单元
图6示出许多标准作为管理壳的领域／子模型的样板。例如管理壳可遵照IEC TR 62794和IEC 62832 数字工厂；标识可参照ISO 29005 或 URI唯一ID；通信可遵照IEC61784工业通信规约第二章以太网；能效依据ISO/IEC 20140-5；信息安全参照IEC 62443 网络和系统的信息安全；等等。显然，PLCopen国际组织在PLC这一大类产品的产品描述这一方向上具有不可推卸的责任和义务。目前他们正在开展实施的可行性和技术路线的研究。
图6： 管理壳的领域／子模型的样板标准
图7是管理壳、子模型、性质、复杂数据和功能的示范内容。从可视的角度看，一个经标识的资产其管理壳也是经标识的，都是显性化的知识，即表征这个资产的性质。而其数据和功能都是可通过APIs被语义化存取的。资产的运行时数据都遵照严格而统一的格式表达性质的集合（图示中子模型1是能效，子模型2是安全，子模型3是钻孔）。而有关数据和功能的运行时的数据则按照不同的互补的数据格式。
图7： 资产对应的管理壳的内容
对PLCopen来讲，要让他多年所积累的软件技术迅速地融入工业4.0，一个可行的途径是参与产品描述。工业4.0需要组织极大数量不同类型的标准化数据元件，PLCopen的专业范围就是这些不同类型中很重要的与PLC技术相关的一类。过去许多年他已经定义了许多不同的功能块集合，可以利用这些作为基础，进行以I4.0基本单元为目标的扩展，定义有关的功能性或软件，建立潜在功能性的抽象层。再通过I4.0基本单元的AAS（资产管理壳）／openAAS，由资产层（或集成层）映射至功能层。为此，PLCopen组织一项新的工作就是定义一类AAS的功能块，允许这些AAS功能块可以嵌入在PLC的程序中，使PLC程序可以提供I4.0基本单元的管理壳的有关信息。80给出3种类型的资产管理壳AAS的功能块：第一种是AAS_AdminShell，定义管理壳的标识，包括资产类型的标识、管理壳的标识和其它一些必要的辅助标识；第二种类型的功能块是AAS_SubModel，定义管理壳内所用的子模型的标识。第三种类型是AAS_EnumPropperties功能块，定义与子模型相关联的性质数据标识、数据等等。对照图9可清晰看出这3个功能块与I4.0基本单元的管理壳对应的内容。
图8： 定义资产管理壳功能块
以伺服驱动的功能性为例（图9），可用eCl@ss规定伺服驱动的物理特性，并使之可供运用。而其功能性则在PLCopen的运动控制规范中的功能块予以表达，当然这也包括驱动的动态过程。所有有关的功能性都可以在由资产层到信息层和功能层中被上传、表达和使用。只要用一个标准化的接口经过I4.0基本单元的管理壳，将物理资产转换为性能，再转换为功能性。
图9：伺服驱动系统的功能性的表达
图10示出一台PLC控制一伺服驱动轴组（譬如5台伺服电机及其驱动器）的功能性表达。单台伺服电机及其驱动用图中左下角的功能块表达，而控制器PLC所运用的功能块（如MC_MoveGroup，MC_camming，MC_Gearup）表达轴组的功能性。然后集中起来映射到该PLC的I4.0基本单元（见图13）。
图10 伺服驱动轴组及其控制器
图11 轴组控制器系统的功能性表达
