基于CPS的智能日化工廠關鍵技術研究

張濤 張立臣

摘 要：目前，國內傳統日化工廠主要通過人機操作，人為控制生產流水線及產品包裝與運輸，該模式造成了工廠生產需要大量的人力和時間成本，極大限制了工廠生產效率和發展速度。為了緊跟《中國制造2025》計劃，將CPS系統融入工廠未來發展，逐步向智能工廠轉型。通過研究CPS的結構特性，融合目前先進的裝備技術和信息技術，針對傳統日化工廠生產模式缺陷，提出一種融合CPS的智能工廠解決方案。該方案能夠幫助傳統工廠實現智能化、自動化建設，智能工廠在提高生產效率、降低生產能耗以及改善產品服務質量方面均優于傳統工廠。

關鍵詞：信息物理融合系統;智能工廠;工廠轉型

DOI：10. 11907/rjdk. 201148

中圖分類號：TP301文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0098-04

Abstract： At present， the traditional daily chemical plants in China are mainly operated by man-machine which artificially controls the production line and product packaging and transportation， and the labor and time costs for factory production is huge， which has greatly limited the production efficiency and development speed of the factory. In order to keep up with the “Made in China 2025” plan， the CPS system is integrated into the future development of the factory and smart factory can be gradually formed. By studying the structural characteristics of CPS， and integrating the current advanced equipment technology and information technology， in order to analyze the defects of the traditional daily chemical plant production mode， we propose a smart factory solution that integrates CPS. This solution can help traditional factories achieve intelligent and automated construction， which can greatly improve production efficiency， reduce production energy consumption， and improve product and service quality compared with traditional factories.

Key Words： cyber-physical systems; smart factory; factory transformation

0 引言

近年來，世界上涌現了許多新生代信息技術，如云計算、大數據、人工智能、物聯網等技術。有效利用上述技術提高工廠生產力，促進工廠節能減排，已成為現代工廠發展的首要目標，由此產生了一種新的框架系統——信息物理融合系統（CPS）[1]。我國緊跟世界發展潮流，《中國制造2025》[2]明確提出在工業四大核心部分加強 CPS技術研發與應用，對接德國“工業4.0”，推進制造強國戰略全面實施。CPS在許多重點領域都有深入應用，如電網[3]、航天調度[4]、鐵路交通[5]、制造工業[6]等。CPS將互聯網與制造業緊密聯系在一起，開啟了工業4.0的革命，為現代智能工廠提供了發展方向。

目前，針對工廠如何實現智能化，以及如何利用CPS進行融合的解決方案被眾多學者研究探討。彭鵬等[7]強調在工廠智能化改造設計中，對加工原材料進行信息化管理，但未針對整個工廠組織結構提出有效建設方案;崔洋等[8]提出日化行業智能工廠設計方案，對工廠各系統中如何采集關鍵數據進行設計，但未能有效結合信息技術進行融合，也未能有效地將CPS特性融合在設計方案中;周慶紅等[9]提出智能工廠CPS系統構建模型，強調CPS單元在生產設備中的應用及設備管理，無法從宏觀上為日化工廠提供有效解決方案。本文著重分析CPS核心要素、智能工廠的智能化結構，提出整個工廠的組織層次模型，并在相應層級上結合當前優秀裝備技術或信息技術，完善工廠管理—生產—服務數據鏈，為日化工廠智能化建設提供組織架構層面上的技術解決方案。

1 智能工廠

智能工廠最初是在德國“工業4.0”中被正式提及，為德國“工業4.0”兩大主題之一。其闡述了智能工廠的概念和目標，提出智能工廠是以信息物理系統為基礎的智能化生產，并認為智能工廠是傳統工廠的升級轉型發展方向。建設智能工廠的核心是將生產系統智能化、過程制造系統信息化，實現生產設備分布式通信。

智能工廠在學術界并無統一定義，但許多學者認為智能工廠在生產過程中體現出人類智能， 具有自我感知、分析、控制、調控、通信等功能，能夠對整個生產過程進行智慧管控。在智能工廠的概念被提出后，許多學者對智能工廠在各領域的研究與應用進行了探討。 游伴奏[10]對基于三大特征的智能工廠在印刷廠的應用進行了研究，總結出印刷工廠智能化的轉型方向及設計方案;何歡[11]對《中國制造2025》下的民用航空智能工廠建設進行了研究，提出智能工廠是智能制造的載體和依托，是工廠實現高質量發展和轉型升級的根本途徑。生產自動化、制造集成化、管理智能化、服務主動化等是智能工廠的主要特征，其核心框架如圖1所示，可分為智能管理系統、生產調度系統、生產控制系統、產后服務系統。

智能管理系統作為智能工廠的基礎系統，主要承載整個工廠業務經營、生產調度、產品服務的生命樞紐。生產調度系統和生產控制系統是整個工廠的核心，調控著產品生產周期。產后服務系統作為集售后服務系統、產品功能改善系統等一系列針對產品性能優化的功能系統，是整個工廠生產的前進方向。

2 CPS

德國“工業4.0”中詳細解釋了CPS的定義，認為 CPS是將物理設備互聯到各式互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自我管理功能，實現虛擬世界與物理世界融合。美國國家科學基金會（ NSF）認為，信息物理系統是一種集成了先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術的系統。如圖2所示，CPS能夠將物理世界與信息世界中的人、機、物、環境、信息等要素相互映射，搭建人機交互、高效協同的實時控制系統。

CPS是將信息世界與物理世界高度融合的自動化系統，整個系統可分為4層：物理層、感知層、網絡層、應用層。物理層主要由機器設備構成，是主要執行單元;感知層通過傳感器設備實時感知物理世界，并將設備信息，即物理信息轉化為信息數據，通過感知層的網絡通信傳輸到應用層相對應的數據應用系統，運用相關信息處理技術處理后回傳給響應的執行單元，實現對物理世界的反饋調節，以高效處理和應對各類物理世界出現的狀況。

CPS有四大核心技術要素，分別是感知和自動控制、工業軟件、工業網絡、工業云和智能服務平臺。感知指通過傳感設備和技術獲取生產過程的所有工業數據，為CPS系統提供數據支持;自動控制在數據采集、指令傳遞、分析調度上提供精確化的執行動作，如監控系統、數據采集系統、控制系統等。工業軟件作為智能工廠數據化、網絡化、智能化的核心，對工廠生產計劃、資源調節起決定作用，工業軟件設計影響整個工廠的生產效益，工業網絡是連接各生產系統的網絡要素。 工業網絡主要通過總線、以太網、無線網等進行互聯互通，用于支撐工業數據的傳輸和應用。

CPS在學術界研究中有幾類比較主流的體系結構，在文獻[12]關于CPS體系結構的研究中，分別針對不同類型的系統特點、信息交互方式定義不同層次的CPS體系結構。比如，根據計算型組件和物理實體之間的反饋環機制，提出一種基于嵌入式控制循環的體系結構，這種體系結構適用于對物理實物進行形態調控，如溫室種植等。交互由事件控制，CPS通過事件檢測和決策機制對事件進行調控，這種情形的系統被定義為基于事件驅動的CPS體系結構，這類體系結構被應用于協同駕駛等特殊場景。

3 基于CPS的智能日化工廠建設

3.1 傳統日化工廠缺陷

傳統日化工廠只有一個記錄生產計劃的 ERP系統，其生產過程通過人工操作機器完成，并且包裝和裝箱都需要人力成本。因此，傳統日化工廠在人力資源管理、生產資源管理等方面無法統籌兼顧，且不能合理安排生產。在生產方面，未能有效利用生產信息將造成人力和資源浪費、效率過低、成本過高，導致無法在已經實施智能化的工廠競爭中獲取優勢。傳統日化工廠在當前社會發展下，必定要向智能工廠升級和轉型。

3.2 基于CPS的智能工廠解決方案

CPS作為《中國制造2025》中的核心工業制造技術，是目前各大產業對工廠升級轉型的首選方案。智能工廠基于CPS平臺，加強各系統協同生產，極大強化了產品生產過程控制自動化和智能化。作為日化工廠，其對生產計劃安排、資源調度、人工管理以及生產過程控制等方面有極高要求。而CPS能實現物理設備和信息系統的深度融合，集成智能工廠核心系統，加強各系統之間的緊密聯系，實現工業生產環節的循環鏈接，以及生產過程的高效準確協調。因此，應根據CPS四大核心技術設計智能工廠CPS建設方案。

3.2.1 感知與自動控制

感知和自動控制作為CPS系統中數據流動起點和終點，依賴于擁有感知技術的設備對工廠中人、機、物等生產設備進行信息采集，對工廠各大結構進行數據化。其核心宗旨是保證數據采集系統對物理層設備進行精確的數據采集，并滿足實時性和可靠性要求。針對傳統傳感器設備在實時性上無法滿足CPS系統要求的情況，文獻[13]提出一種基于OPC協議的數據采集方案，并針對石油化工企業如何在DCS系統接入OPC協議提供實施方案，此方案同樣適用于日化工廠在其生產系統中的DCS系統。在PLC系統中接入OPC協議，還需要一個數據采集應用平臺對采集系統進行調控，文獻[14]提出采用新一代信息技術和架構的數據綜合采集與應用開發平臺——Hia SCADA。Hia SCADA平臺不僅具有對企業范圍內各類多源異構數據的采集、建模、處理和轉發等數據處理功能，還能提供可視化監控、高級數據分析和定制化應用開發等服務，融合兩者的數據采集系統足以對大多數工廠的生產過程進行高性能的實時監控和數據共享。

在設計數據采集系統時，需明確數據采集對象，避免數據鏈缺失。智能工廠必須對工廠所有可調控的機器設備進行采集，采集對象除攝像頭、機器信號、設備屏幕等常規對象外，還需增加對原材料和員工的信息采集，針對原材料信息數據采集，將原材料轉換為信息數據，詳細記錄原材料在入庫、生產使用、成品出庫過程中的消耗記錄，以免造成資源浪費。 針對員工的數據采集包括工作時間、工作狀態、工作任務等，以加強員工與智能工廠融合，提高工作效率。

3.2.2 工業軟件

工業軟件是智能工廠數據化、網絡化、智能化的核心。文獻[15]強調在工業4.0的大背景下，一個工廠如果要提高自身智能化生產水平，必須研發滿足自身生產個性化需求的高智能、高水平工業軟件。工業軟件體系基于信息技術的發展而逐漸成熟，分為嵌入式軟件、系統軟件、中間件和應用軟件。一個優秀的CPS系統必須有一個符合自身工廠生產特點的應用軟件，如定制化的ERP系統，融合目前流行互聯網信息技術，集成大數據分析、服務云等新興技術概念的網絡化生產管理系統，工業仿真和監測等軟件。在生產調度系統和過程控制中，嵌入式軟件設計與應用將極大提高整個生產環境的信息化程度，也為CPS系統信息采集提供了物理基礎。工業軟件能合理安排生產計劃，提高人力及生產資源使用率，甚至可結合大數據分析系統提供優秀的經營策略，在將工廠自身業務數字化、信息化的過程中，注重物理世界中業務邏輯和生產設備的精準轉換，避免產生信息遺漏，造成CPS信息循環環路斷裂。

3.2.3 工業網絡

工業網絡作為連接生產系統和產品相關系統的連接線，是CPS系統的基礎和前提，其包含工業現場總線、工業以太網、工業無線網絡和異構網絡集成等技術，實現工廠內所有生產設備和信息系統通信，以及對生產物料、產品、人員的無縫集成。在基于CPS系統的智能工廠方案中，要求各信息系統能夠實時進行數據通信，因此在工廠網絡線路設計方面，應提高信息傳輸速率和廣度。文獻[16]提出基于光纖傳輸的工業傳感器網絡，利用光纖極快的傳輸速率和強大的抗電磁干擾能力，提高數據采集和傳輸速度，以達到CPS系統數據較好的實時性。

3.2.4 工業云與智能服務平臺

工業云和智能服務平臺作為智能工廠的數據處理中心，集成了數據集散、數據存儲、數據分析和數據共享服務。在工業云作為整合工廠硬件資源和承載軟件應用的樞紐點，能夠讓工廠加速資源整合、主導行業規則、加強競爭點，是工廠的決策中心。目前，工廠的工業云和智能服務平臺建設還不夠成熟，主要依托大數據和云計算等信息技術加以解決。文獻[17]提出如何有效地對工廠大數據進行利用，并提供了目前最佳解決方案。該方案要求工廠結合自身發展特點進行云平臺設計與研發，為平臺定制一套標準和規范，使用成熟穩定且有效的開發技術，形成高效實用的工廠大數據管理體系。實力強厚的工廠可以組建研發中心，專門為工廠智能云服務平臺提供創新發展和技術服務支持。

4 結語

CPS作為傳統日化工廠升級轉型的首選方案，應依據自身條件，合理設計廠房布局。在組織架構上要滿足CPS的三層組織結構，在組織結構上選擇適合自己產品的工業軟件，設計合理的數據傳輸通道，以及一套完善的數據采集和數據分析應用系統，最重要的是整合工廠資源和信息系統搭建高效精準的云服務平臺。由于當前優秀的數據采集技術和信息技術實現成本偏高，中小型日化工廠實現基于CPS系統的智能工廠還需要足夠的資金支持，以形成有利于工廠智能化的可持續發展路徑。提高員工與CPS系統深度結合，也是暫時解決數據采集技術不完善等問題的一種方案。中小型日化工廠智能化建設，是其發展的必然趨勢和長期目標，完善CPS系統、優化生產過程，是后續升級發展的方向。

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（責任編輯：孫 娟）