基于CPS的車間智能制造系統架構及實施研究

傅磊，曲曉峰

（哈電發電設備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150028）

0 引言

信息物理系統（Cyber-Physical System，CPS）近年來成為工業領域關注的焦點，目前普遍認為企業智能制造系統建設的核心是CPS建設，CPS將在智能制造發展過程中起到重要的引領作用。眾多學者和技術人員對基于CPS的智能制造系統建設進行了研究。例如智能制造的總體架構研究[1-3]，制造行業CPS參考體系結構研究[4]，給出了智能制造總體架構和CPS參考體系；基于CPS的智能制造系統功能架構研究[5]，提出了智能制造系統層次模型和體系結構；此外還有基于CPS的智能工廠、智能產線、智能制造單元等研究[6-10]。對于工廠/車間智能制造系統建設，許多文獻也在智能制造理論和技術基礎上開展了廣泛研究，例如針對工廠/車間智能制造及物聯網規劃，提出智能制造體系和物聯網設計方案[11-13]；針對數控機床智能化，研究CPS參考模型和監控技術[14-16]；針對智能制造背景下MES建設，進行智能制造系統設計和實施研究[17-20]，此外，還有眾多文獻對工廠/車間設備互聯、信息集成、狀態監測、大數據應用等進行了深入研究[21-26]。

對于基于CPS的智能制造系統建設，有的研究側重總體理論架構設計，對環節實施缺少具體考慮，有的研究側重智能制造單點應用，對于總體架構缺少整體掌控，綜合這兩方面問題，本文針對工廠/車間智能制造系統架構設計和實施問題，基于CPS實現機理，根據工廠/車間層級劃分方法，提出了一種智能制造系統架構設計方法，并基于所提出的架構研究了系統實施問題，為工廠/車間智能制造系統建設提供了設計和實施路徑，也為企業智能制造體系建設奠定了基礎。

1 CPS實現原理

在智能制造的背景下，CPS是綜合利用感知技術、計算技術、通信技術和控制技術，構建信息空間和物理空間相關要素的全息映射、動態交互和高度協同的復雜混合動態系統，以此實現系統的有效資源配置及動態、快速響應和迭代優化。CPS的本質是由信息空間和物理空間的狀態感知、實時分析、科學決策和精準執行的數據自動流動閉環系統；狀態感知是指利用物理系統配置的各種傳感器獲取和收集物理系統的狀態；實時分析是指信息系統利用物理系統的信息映射模型及信息系統的期望控制和優化模型分析物理系統的狀態并實現信息、數據、知識的轉化；科學決策是指通過實時分析得到物理系統能夠滿足期望需求的最優控制和決策指令；精準執行是指通過執行器操作物理系統達到期望的最優運行狀態和資源配置。閉環數據自動流動的根本目的是持續動態優化智能產品、智能生產和智能服務的資源配置效率，實現智能制造應用水平的螺旋式上升。CPS理論上劃分為單元級、系統級、系統之系統級等3個層次，單元級CPS聚合構成系統級，系統級CPS聚合構成系統之系統級，通過逐級聚合構成智能制造系統核心技術框架[27]。

單元級CPS是構成CPS的最小單元，如圖1所示。單元級CPS是由信息單元、物理系統、傳感器、執行器、初始配置、相關資源構成的一個最基本完整閉環系統，實現感知-分析-決策-執行的閉環運行。其中：物理系統是指現實實體物理設備或系統；信息單元包含實體物理系統的信息模型及對滿足物理系統感知或控制需求的功能信息描述，其中信息模型是實體物理系統的特征描述模型，例如幾何模型、物理模型、行為模型、規則模型等等。初始配置模塊用于信息系統初始化，相關資源模塊是信息單元維持運行所需的內外部資源。傳感器用于感知物理系統的狀態，執行器用于控制和指導物理系統的行為。單元級CPS的運行過程是：信息單元進行初始配置和調取相關資源后，通過對物理系統的感知，分析物理系統的狀態，根據信息單元期望的行為需求，將控制指令或者行為決策信息傳遞給物理系統，使物理系統達到期望的目標。單元級CPS的典型特征是不能劃分為更小的CPS，是構成CPS的最小閉環系統，在工廠/車間智能制造系統中，單元級CPS 由車間物理設備或系統和對應的CPS 信息單元及輸入輸出通信模塊構成，實現設備或部件自身的最優資源配置和運行狀態。

圖1 單元級CPS結構

系統級CPS是在單元級CPS基礎上，由單元級CPS通過CPS網絡集成互聯構成，如圖2所示。多個單元級CPS均能夠連接到CPS網絡中，CPS網絡可以是企業中的工業以太網、工業互聯網、現場總線、無線網絡等物理實體網絡，實現單元級CPS物理層面的互聯互通，也可以是基于實體網絡的軟件通信總線、數據總線等虛擬通信網絡，實現單元級CPS邏輯層面的互聯互通。所有單元級CPS通過CPS網絡進行網絡通信和信息數據交互，每個單元級CPS可以獨立完成整個系統的特定目標任務，多個單元級CPS可以通過協同方式共同完成整個系統的目標任務。系統級CPS著重用于實現多個單元級CPS 的網絡協同運行，以及更廣范圍的閉環運行和數據的自動流動。

圖2 系統級CPS結構

系統之系統級CPS如圖3所示，構成系統之系統級CPS的元素為多個系統級CPS、CPS網絡及CPS智能服務平臺，與系統級CPS的工作機制類似，多個系統級CPS均能夠接入到CPS網絡，多個系統級CPS可以是同質系統，也可以是異質系統，CPS網絡類型與系統級CPS中的CPS網絡相同，可以是物理硬件網絡或者邏輯軟件網絡，實現系統級CPS的互聯互通，以及系統級CPS與CPS智能服務平臺的互聯互通。每個系統級CPS也可以獨立完成系統之系統級CPS的目標任務，多個系統級CPS也可以通過協同方式共同完成系統之系統級CPS的目標任務。從圖3中可以看出，與系統級CPS的構成方式不同，系統之系統級CPS包含了CPS智能服務平臺，CPS智能服務平臺的主要目標是保證多個系統級CPS的調配和協同工作，同時對多個系統級CPS進行統一的系統狀態監測、實時數據分析，以及集中管理和監督控制，實現比系統級CPS范圍更廣的資源配置和優化及數據的自動流動。從系統的角度來看，系統之系統級CPS實現了跨系統的互聯互通和互操作，為全局范圍內同構或異構系統的集成提供了有效的解決途徑。

圖3 系統之系統級CPS結構

2 工廠/車間組織結構層級

按照國家智能制造標準體系建設指南白皮書的劃分方法[28]，可以根據與企業生產活動相關的組織結構將制造企業內部層級由下到上劃分為5個層次，分別是設備層、單元層、工廠/車間層、企業層和協同層。其中設備層是指工廠/車間內的感知設備、執行機構、儀器儀表檢測裝置、倉儲設備、物流設備等物理設備或系統所屬的層級，用于實現車間實體物理系統本體并提供滿足物理系統感知和控制要求的功能。單元層是指工廠/車間內處理信息數據、實現狀態監測及物理系統操作控制過程的物理設備或系統所屬的層級，通常包含模擬控制系統（MCS），可編程邏輯控制系統（PLC）、分布式控制系統（DCS）、現場總線控制系統（FCS）、監控與數據采集系統（SCADA）等。工廠/車間層是指工廠/車間內實現生產設備和生產過程的管理，并與企業相關業務系統進行信息交互的物理系統，通常包含制造執行系統（MES）、倉儲管理系統（WMS）、物流管理系統（LMS），以及企業資源計劃系統（ERP）、產品生命周期管理系統（PLM）中與生產設備管理和生產過程管理相關的數據交互和管理模塊。企業層是指工廠/車間外部實現企業業務經營管理的物理系統，通常包含企業資源計劃系統（ERP）、供應鏈管理系統（SCM），以及客戶關系管理系統（CRM）等。協同層是指企業內部或者企業與企業之間實現信息互聯、資源共享及運營協同的物理設備或系統，通常包含企業數據中心/服務器、私有云平臺、公有云平臺、工業互聯網平臺、工業大數據平臺等。本文主要針對工廠/車間層面的智能制造系統建設問題開展研究，從工廠/車間覆蓋的企業層級看，包含了設備層、單元層和工廠/車間層，因此工廠/車間智能制造系統主要包含這3個層級，對于企業層和協同層智能制造系統的建設問題在本文中不作論述。

圖4 企業生產組織結構層級劃分

3 工廠/車間智能制造系統總體架構設計

從CPS的構成角度看，一個工廠/車間內可以包含許多單元級CPS或者系統級CPS，眾多各種類型的CPS利用CPS網絡構成了一個基于復雜網絡的異構集成混合系統，沒有明確清晰的層次結構，也沒有固定的標準化系統設計模式，由此為智能制造系統的設計和實施增加了困難。從工廠/車間的建設角度看，智能制造系統架構需要符合工廠/車間的業務流程和運行機制，能夠最大程度地與現有生產制造系統匹配，滿足生產制造的要求。

基于上述考慮，本文的研究提出了一種新的基于CPS的工廠/車間智能制造系統總體架構設計和實施的分層規劃方法，所提出的系統架構設計基于企業生產組織結構層級的劃分方法，首先從設備層、單元層和工廠/車間層不同層級的角度，每個層級分別設計對應的單元級CPS或者系統級CPS，或者CPS智能服務平臺，然后基于CPS網絡實現各層級內部CPS或者不同層級之間CPS的互聯互通，以及各層級CPS與CPS智能服務平臺之間的互聯互通，由此構成工廠/車間全局層面的系統之系統級CPS，最終形成的系統之系統級CPS作為工廠/車間智能制造系統總體架構。基于此方法所設計的智能制造系統層次結構清晰，各層級智能制造系統建設能夠獨立逐級進行或并行進行，同時能夠實施全部或者部分智能制造系統建設內容，甚至可以進行典型系統的單點實施，從而提高了工廠/車間根據實際生產運營條件進行智能制造系統建設的靈活性和敏捷性。

工廠/車間智能制造系統建設的總體架構如圖5所示，系統總體上包括設備層單元級CPS、單元層系統級CPS、工廠/車間層系統級CPS、CPS智能服務平臺及CPS網絡等5個部分，設備層單元級CPS由工廠/車間現場傳感器、執行機構、儀器儀表、機器、裝置等物理設備及與它們一一對應的CPS信息單元構成，CPS信息單元包含物理設備的信息模型和物理設備與外部進行交互的規則和條件信息描述，例如傳感器CPS信息單元包含傳感器數據感知模型信息和與外部進行信息交互的感知規則和感知條件，執行機構CPS信息單元包含執行機構模型信息和與外部信息交互的操作執行規則和條件等。單元層系統級CPS由多個系統級CPS構成，通常可包括MCS、SCADA、PLC、DCS、FCS的軟硬件物理系統及與它們一一對應的CPS信息子系統構成，相對于設備層以單元級CPS描述，各種數據采集、監測、控制系統均是包含了多個基本單元級CPS的系統級CPS，每個系統級CPS均是單元層的子系統，因此所對應的CPS信息系統定義為單元層CPS信息子系統。工廠/車間層系統級CPS與單元層系統CPS構成形式類似，由多個系統級CPS構成，包括MES、ERP、PLM、WMS、LMS等軟硬件物理系統及相對應的CPS信息子系統構成，每個子系統均包含多個閉環單元級CPS，其CPS信息系統定義為工廠/車間層CPS信息子系統。CPS智能服務平臺主要由設備層CPS信息系統、單元層CPS信息系統、工廠/車間層CPS信息系統構成，主要包含了設備層、單元層、工廠/車間層所有CPS信息單元或CPS信息子系統中用于工廠/車間所有CPS統一系統監督和管理及網絡協同和共享的信息、數據、知識、經驗、指令等資源，根據工廠/車間智能制造系統的實際生產運營狀況和要求，CPS智能服務平臺可以抽取和集成設備層CPS信息單元、單元層CPS信息子系統、工廠/車間層CPS信息子系統的部分或者全部信息。CPS智能服務平臺在某種意義上可以以工廠/車間層面上的數據中心、工業互聯網平臺、工業大數據平臺的形式體現。CPS網絡用于實現設備層、單元層、工廠/車間層所有單元級CPS和系統級CPS的互聯互通，以及所有CPS與CPS智能服務平臺的互聯互通，從工廠/車間通信網絡技術類型的角度，工廠/車間CPS網絡可以是包含了點對點通信、現場總線、工業以太網、無線網絡、工業互聯網、移動互聯網等多種類型網絡和通信技術的異構集成網絡，但CPS網絡的設計目的本質上均是以實現工廠/車間CPS網絡互聯、信息互通為根本目的。

圖5 基于CPS的工廠/車間智能制造系統架構圖示

4 工廠/車間智能制造系統實施

在CPS實施過程中，要充分考慮企業當前狀況和企業所處的行業背景情況，從企業自身特點出發，在CPS的應用模式、層次結構，規范標準、保障措施等方面明確的前提下，對企業CPS實施的現有條件、實施周期、資源配置、期望目標、遠景規劃等方面作合理的規劃，制定最符合企業現實狀況的CPS實施方案，形成最符合企業長遠發展的智能制造系統解決方案，實現企業智能制造的轉型升級[29]。從基于CPS的工廠/車間智能制造系統的總體架構及構成要素可以看出，各層級CPS的實施是工廠/車間智能制造系統的核心內容。關鍵實施內容主要包括以下幾方面。

設備層CPS主要包括各物理設備及其單元級CPS信息單元，因此設備層CPS的實施主要是進行單元級CPS實施。對于單元級CPS，首先需要明確各單元級CPS功能，在滿足單元級CPS物理設備的功能需求基礎上，實現信息單元與外部CPS的交互功能。通常單元級CPS需要通過物理硬件、嵌入式軟件及通信功能構成CPS閉環，各種現場設備的數字化，以及在數字化的基礎上進行感知設備和操作執行機構的安裝配置是單元級CPS的重點實施內容。通過升級或改造設備層設備，加強設備對外部環境的智能感知和智能控制能力，是設備層智能制造系統建設的前提，也是工廠/車間生產工藝與生產過程智能化的基礎。在此基礎上，設備層相關的生產過程及工藝數字化是提高制造資源配置效率的關鍵環節，通過工業軟件對工藝、生產過程進行數字化，能夠為設備層設備的信息收集和處理提供條件，通過對生產過程、業務流程的信息采集、分析、處理，實現對生產制造資源的優化配置。

單元層CPS以系統級CPS的形式實現，由數據采集和監測系統及各種類型的控制系統CPS構成，感知數據的監測、采集、處理、計算、分析及控制與決策指令的執行是系統級CPS的重點實施內容。對于數據采集和監測系統，其信息子系統需要實現數據采集和監測物理系統的信息模型及數據采集、處理、實時監測模型；對于控制系統，其信息子系統需要實現目標控制對象的信息模型及計算分析和控制決策模型。此外，對于單元層CPS的系統級CPS信息子系統，需要實現各子系統與外部CPS信息單元或系統的信息輸入輸出交互規則和約定的信息交互接口，以滿足內外部信息交互需求。

工廠/車間層CPS同樣以系統級CPS的形式實現，包含工廠/車間生產系統及企業運營系統相關部分CPS構成，工廠/車間層CPS以工業軟件系統為主，各工業軟件應用系統在生產流程的各環節輸入輸出信息模型及信息流的建立及自動流動是其CPS信息子系統實施的重點內容，例如MES、WMS、LMS等生產管理系統的輸入輸出信息模型，ERP、PLM等業務系統相對工廠/車間生產管理的輸入輸出信息模型，等等。信息輸入輸出功能可以采用網絡數據通信、文件傳輸共享、中間件轉換及中間數據庫共享等相關應用技術實現。

CPS智能服務平臺以系統之系統級CPS的形式實現，由設備層、單元層、工廠/車間層的所有單元級或系統級CPS信息模型的部分或者整體構成，是工廠/車間單元級和系統級CPS的有機整合，實現系統內CPS的分布式協同和資源共享是CPS智能服務平臺的重點實施內容，其實施方法主要通過建立工廠/車間級工業互聯網平臺或者工廠/車間工業大數據平臺實現，平臺通常需要實現工廠/車間信息全面感知、數據集成采集和平臺接入、大數據分析與管理、應用服務集成和共享、輔助決策支持等功能，實現數據閉環流動、應用協同和資源共享。

CPS網絡是工廠/車間內各種類型的工業網絡集成和綜合應用，是實現相同或不同類型CPS互聯互通的重要保障，工廠/車間內典型的CPS實施技術包括點到點串行或并行通信、藍牙、Zigbee、現場總線、有線或無線工業以太網、工業互聯網、移動互聯網，等等。由于工廠/車間內的通信網絡類型種類繁多，因此異構網絡的互聯和集成是CPS網絡實施的關鍵，依靠互聯互通的CPS網絡，保證關鍵感知信息和控制執行指令的實時、安全傳輸，海量數據的高速、可靠傳輸，以及各組成CPS的協同控制和共享。

5 結語

基于CPS的工廠/車間智能制造系統建設總體架構的設計和實施方法，能夠基于工廠/車間生產組織結構的現實需求，利用先進信息技術和物理系統的深度融合應用，打破企業傳統的固定生產模式，實現生產系統、生產過程的智能化管理、監督控制和動態調控，整合企業內有效資源，實現資源的動態分配和靈活配置，提高企業生產制造的柔性和敏捷性，最大程度提高企業的生產效率和資源利用率，對制造企業智能制造的轉型升級和持續創新提供了一種行之有效的建設途徑。