CPS環境下機械產品裝配過程虛擬裝配單元建模研究

王昊

（合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009）

CPS環境下機械產品裝配過程虛擬裝配單元建模研究

王昊

（合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009）

為實現機械產品裝配過程動態感知、協同交互的智能裝配目標，在分析CPS于機械產品裝配過程應用模式基礎上，提出CPS環境下的虛擬裝配單元（Virtual Assembly Unit，VAU）概念，然后完成單元建模和仿真交互。首先，通過分析CPS環境下機械產品裝配過程特點來研究裝配過程信息流動路徑及信息交互需求；其次，以裝配線工作站為研究對象，運用擴展Petri網將其抽象成若干具備內部自治能力的虛擬裝配單元，VAU由單元動作功能模塊組成，以門變遷與信息庫所表示功能模塊之間的信息交互；最后，以發動機裝配中的凸輪軸涂膠工作站為例，依據工作站內部功能邏輯和作業標準約束，對虛擬裝配單元功能邏輯交互進行仿真。

CPS；Petri網；虛擬裝配單元；交互仿真

0 引言

Rfid技術及嵌入式技術為生產的實時動態過程檢測與控制提供技術基礎[1]，IoT（Internet of Things）對于制造業影響深刻，推進了智能制造進程[2]。為了更好地實現生產要素的互聯互通，生產過程的網絡化，CPS的概念、目標逐漸清晰[3]。

信息物理系統（Cyber Physical system，CPS）是在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的智能系統[4]。計算系統與物理系統的融合，賦予了CPS特有的空間屬性，文獻[5]在時間Petri網的基礎上引入了空間因素，構造了時空Petri網模型，文獻[6]提出以分布式代理為模塊的交互媒介的結構，理順模塊間的信息交互。文獻[7]用顏色對裝配資源進行分類,并將裝配資源Agent內部行為進行封裝,構建了單元Agent，具有對象化的思維。伯克利大學的愛德華·李提出了“信息系統物理化，物理系統信息化”的概念，來解決物理實體與信息實體的建模及二者交互的問題。文獻[8]以面向對象的時間著色Petri網為工具搭建了管控一體平臺，完成物聯網環境下面向對象的Petri網建模。

因此，文中面向CPS環境下的機械產品裝配過程，以裝配工作站為研究對象，利用擴展Petri網，抽象出基本動作模塊并完成建模，在基本動作模塊基礎上，構造出虛擬裝配單元模型；根據單元內部邏輯與信息交互需求，對虛擬裝配單元工作機制進行交互仿真，驗證交互有效性、建模可行性。

1 CPS環境下機械產品裝配單元資源分析

計算實體[9-10]（LP）層資源是由諸如可編程處理器、服務器等具有自主傳輸、數據存儲與邏輯判斷能力的實體組成的集合，是CPS環境下裝配單元的核心部分，負責整個單元的控制邏輯、資源分配，處于信息流的頂端。物理實體(PE)層是數據產生的源頭，包括設備動作、質量數據、資源動態等數據，涵蓋感知設備、執行設備、人員、物料等底層實體。信息交互（EN）層為整條信息流提供各類接口服務，在數據安全、協議轉換等方面有極重要的地位。裝配單元資源架構如圖1所示。

2 基于擴展Petri網的虛擬裝配單元建模

2.1 Petri網建模基本定義

將現場物理實體對象與裝配規則、狀態等映射為庫所；改變系統狀態的事件、資源的消耗、信息獲取使用等映射為變遷。有時間屬性的變遷為延時變遷，具有著色功能的變遷完成決策，門變遷是單元內部模塊之間進行交互的接口，用來表示信息交互；有向弧代表庫所與變遷之間的信息流、物料流及工藝方向等。定義庫所與變遷如圖2所示：普通庫所設備庫所，物料庫所，信息庫所虛擬庫所普通變遷，延時變遷決策變遷接口變遷（，虛擬變遷

圖2 Petri網基本符號

基本動作模塊。機械產品裝配過程中為了完成某一最小邏輯功能而涉及到的軟硬件組成的最小實體的功能性集合。

標識模塊[11-12]（ID_mod）。負責標識產品，具有識別與被識別的功能，是識別與監測產品的物理實體抽象模型組合。

感知模塊（SE_mod）。負責產品及環境變化的感知，主要感知產品的坐標、姿態以及產品對象的到位及離開等基本物理狀態。

執行模塊（EX_mod）。負責接收和完成動作指令的執行器，完成要求動作的輸出并將動作產生的數據給出相應反饋。

交互模塊（IN_mod）。負責獲將指定信息發送至相關模塊或者其它單元，完成信息的傳輸。

狀態模塊（ST_mod）。負責監控所在單元基本狀態，如網絡通訊狀態。

2.2 虛擬裝配單元定義與建模

虛擬裝配單元（Virtual Assembly Unit，VAU）定義：抽象CPS環境下機械產品裝配過程物理實體的動態、靜態屬性，結合單元邏輯并融合計算實體，構成的能夠獨立完成數據采集、信息交互與動作調控等功能的抽象模型。

以工作站為單位，結合工作站的物理實體、計算實體和單元顏色集合來構建虛擬裝配單元OCPN(Objectoriented Colored Petri Net,OCPN)Petri網模型[13-14]。OCPNj=（MPj，PEj，LPj，CPj）Petri網模型由4個元素組元，下標j以區別不同的VAU；MPj={MPi,1,2,··,n,n∈N}，MPi是VAU中對象化的單元基本動作模塊集合，VAU根據工作站功能的不同來配置單元動作功能模塊，在VAU中主要負責交互接口與功能實現，是VAU的主體部分。PEj={PEi,1,2,··,n,n∈N}，為上文定義的環境范圍內物理實體抽象而成的四元組模型PEj=（EID,EPRO,EINT,ESTATE），包含了工作站物理實體的實時靜態、動態屬性信息，以實現VAU的動態可解析化、可視化等功能。LPj={LPi,1,2,··,n,n∈N},表示VAU中物理實體與模塊間的關聯關系，資源調用協議與執行方案、上層數據配置信息、隊列處理邏輯等，是VAU的計算中樞。CPj={CPi,1,2,··,n,n∈N}，是單元中令牌顏色集合，代表邏輯條件的滿足與否，能夠表征裝配過程中產品基本信息、合格信息、隊列信息及產品在不同單元間流動及所需處理模式的差異等。虛擬裝配單元運行邏輯如圖3所示。

圖3 虛擬裝配單元運行邏輯圖

3 基于VAU的裝配單元自治交互仿真分析

基于VAU的資源集合方式、運行邏輯，以發動機裝配過程中涂膠工作站為例構建VAU單元并完成自治實例解析。由單元模型OCPNj=（MPj，PEj，LPj，CPj），和涂膠工作站硬件配置可得5個模塊組成虛擬涂膠單元。各個模塊的物理實體有={Rfid讀寫器，電子標簽}={停止器，金屬傳感器，紅外線傳感器，視覺圖像傳感器，電磁閥}={OPC中間軟件，PLC，交換機等}={視覺相機，涂膠設備，電磁閥，停止器等}，{網絡及電力狀態監控}。VAU物理實體集合：PEb2={視覺相機，涂膠設備，停止器，電磁閥，Rfid讀寫器···}，而且PEb2是靜態屬性與動態屬性的解析與追溯數據源。LPb2={PLC控制器，服務器數據配置，服務器執行邏輯配置}。基于VAU的涂膠工作站交互仿真如圖4所示。

圖4 基于VAU的涂膠工作站交互仿真

4 結語

文中從對象化建模的角度，結合CPS思想，構建了VAU的OCPN模型，在VAU模型的基礎上完成了單元自治仿真，此模型具有如下特點：1）該虛擬裝配單元模型具有較高的可解析性，通過索引可以實現現場狀態的實時監控。2）單元內信息交互暢通，實現互聯互通、消除信息孤島，涉及的思想可以為智能工廠建模提供參考。

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Research on Virtual Assembly Unit Modeling of Mechanical Assembly Process under the Environment of CPS

WANG Hao
(School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China)

In order to realize the intelligent assembly target of dynamic sensing and collaborative interaction of mechanical product assembly process,this paper analyzes CPS and application model of mechanical product assembly process,and proposes the concept of virtual assembly unit(VAU)under CPS environment.Unit modeling and simulation interaction are achieved.Firstly,the flow path and information interaction of the assembly process information are analyzed based on the characteristics of the mechanical product assembly process in the CPS environment.Secondly,the assembly line workstation is used as the research object,and the extended Petri net is used to abstract it into several virtual assembly units with internal self-control capability.The VAU consists of the unit action function module,gate transition andfunction module are used to represent information interaction.Taking the camshaft gluing workstation in the engine assembly as an example,the functional logic interaction of the virtual assembly unit is simulated according to the functional logic and the operation standard of the workstation.

CPS;Petri net;virtual assembly unit;interactive simulation

TH 166

A

1002－2333（2018）01－0086－03

（編輯昊 天）

王昊（1990—），男，碩士研究生，研究方向為制造過程監測與控制。

2017-03-30