基于CPS的车间智能制造系统架构及实施研究

傅磊，曲晓峰

（哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150028）

0 引言

信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）近年来成为工业领域关注的焦点，目前普遍认为企业智能制造系统建设的核心是CPS建设，CPS将在智能制造发展过程中起到重要的引领作用。众多学者和技术人员对基于CPS的智能制造系统建设进行了研究。例如智能制造的总体架构研究[1-3]，制造行业CPS参考体系结构研究[4]，给出了智能制造总体架构和CPS参考体系；基于CPS的智能制造系统功能架构研究[5]，提出了智能制造系统层次模型和体系结构；此外还有基于CPS的智能工厂、智能产线、智能制造单元等研究[6-10]。对于工厂/车间智能制造系统建设，许多文献也在智能制造理论和技术基础上开展了广泛研究，例如针对工厂/车间智能制造及物联网规划，提出智能制造体系和物联网设计方案[11-13]；针对数控机床智能化，研究CPS参考模型和监控技术[14-16]；针对智能制造背景下MES建设，进行智能制造系统设计和实施研究[17-20]，此外，还有众多文献对工厂/车间设备互联、信息集成、状态监测、大数据应用等进行了深入研究[21-26]。

对于基于CPS的智能制造系统建设，有的研究侧重总体理论架构设计，对环节实施缺少具体考虑，有的研究侧重智能制造单点应用，对于总体架构缺少整体掌控，综合这两方面问题，本文针对工厂/车间智能制造系统架构设计和实施问题，基于CPS实现机理，根据工厂/车间层级划分方法，提出了一种智能制造系统架构设计方法，并基于所提出的架构研究了系统实施问题，为工厂/车间智能制造系统建设提供了设计和实施路径，也为企业智能制造体系建设奠定了基础。

1 CPS实现原理

在智能制造的背景下，CPS是综合利用感知技术、计算技术、通信技术和控制技术，构建信息空间和物理空间相关要素的全息映射、动态交互和高度协同的复杂混合动态系统，以此实现系统的有效资源配置及动态、快速响应和迭代优化。CPS的本质是由信息空间和物理空间的状态感知、实时分析、科学决策和精准执行的数据自动流动闭环系统；状态感知是指利用物理系统配置的各种传感器获取和收集物理系统的状态；实时分析是指信息系统利用物理系统的信息映射模型及信息系统的期望控制和优化模型分析物理系统的状态并实现信息、数据、知识的转化；科学决策是指通过实时分析得到物理系统能够满足期望需求的最优控制和决策指令；精准执行是指通过执行器操作物理系统达到期望的最优运行状态和资源配置。闭环数据自动流动的根本目的是持续动态优化智能产品、智能生产和智能服务的资源配置效率，实现智能制造应用水平的螺旋式上升。CPS理论上划分为单元级、系统级、系统之系统级等3个层次，单元级CPS聚合构成系统级，系统级CPS聚合构成系统之系统级，通过逐级聚合构成智能制造系统核心技术框架[27]。

单元级CPS是构成CPS的最小单元，如图1所示。单元级CPS是由信息单元、物理系统、传感器、执行器、初始配置、相关资源构成的一个最基本完整闭环系统，实现感知-分析-决策-执行的闭环运行。其中：物理系统是指现实实体物理设备或系统；信息单元包含实体物理系统的信息模型及对满足物理系统感知或控制需求的功能信息描述，其中信息模型是实体物理系统的特征描述模型，例如几何模型、物理模型、行为模型、规则模型等等。初始配置模块用于信息系统初始化，相关资源模块是信息单元维持运行所需的内外部资源。传感器用于感知物理系统的状态，执行器用于控制和指导物理系统的行为。单元级CPS的运行过程是：信息单元进行初始配置和调取相关资源后，通过对物理系统的感知，分析物理系统的状态，根据信息单元期望的行为需求，将控制指令或者行为决策信息传递给物理系统，使物理系统达到期望的目标。单元级CPS的典型特征是不能划分为更小的CPS，是构成CPS的最小闭环系统，在工厂/车间智能制造系统中，单元级CPS 由车间物理设备或系统和对应的CPS 信息单元及输入输出通信模块构成，实现设备或部件自身的最优资源配置和运行状态。

图1 单元级CPS结构

系统级CPS是在单元级CPS基础上，由单元级CPS通过CPS网络集成互联构成，如图2所示。多个单元级CPS均能够连接到CPS网络中，CPS网络可以是企业中的工业以太网、工业互联网、现场总线、无线网络等物理实体网络，实现单元级CPS物理层面的互联互通，也可以是基于实体网络的软件通信总线、数据总线等虚拟通信网络，实现单元级CPS逻辑层面的互联互通。所有单元级CPS通过CPS网络进行网络通信和信息数据交互，每个单元级CPS可以独立完成整个系统的特定目标任务，多个单元级CPS可以通过协同方式共同完成整个系统的目标任务。系统级CPS着重用于实现多个单元级CPS 的网络协同运行，以及更广范围的闭环运行和数据的自动流动。

图2 系统级CPS结构

系统之系统级CPS如图3所示，构成系统之系统级CPS的元素为多个系统级CPS、CPS网络及CPS智能服务平台，与系统级CPS的工作机制类似，多个系统级CPS均能够接入到CPS网络，多个系统级CPS可以是同质系统，也可以是异质系统，CPS网络类型与系统级CPS中的CPS网络相同，可以是物理硬件网络或者逻辑软件网络，实现系统级CPS的互联互通，以及系统级CPS与CPS智能服务平台的互联互通。每个系统级CPS也可以独立完成系统之系统级CPS的目标任务，多个系统级CPS也可以通过协同方式共同完成系统之系统级CPS的目标任务。从图3中可以看出，与系统级CPS的构成方式不同，系统之系统级CPS包含了CPS智能服务平台，CPS智能服务平台的主要目标是保证多个系统级CPS的调配和协同工作，同时对多个系统级CPS进行统一的系统状态监测、实时数据分析，以及集中管理和监督控制，实现比系统级CPS范围更广的资源配置和优化及数据的自动流动。从系统的角度来看，系统之系统级CPS实现了跨系统的互联互通和互操作，为全局范围内同构或异构系统的集成提供了有效的解决途径。

图3 系统之系统级CPS结构

2 工厂/车间组织结构层级

按照国家智能制造标准体系建设指南白皮书的划分方法[28]，可以根据与企业生产活动相关的组织结构将制造企业内部层级由下到上划分为5个层次，分别是设备层、单元层、工厂/车间层、企业层和协同层。其中设备层是指工厂/车间内的感知设备、执行机构、仪器仪表检测装置、仓储设备、物流设备等物理设备或系统所属的层级，用于实现车间实体物理系统本体并提供满足物理系统感知和控制要求的功能。单元层是指工厂/车间内处理信息数据、实现状态监测及物理系统操作控制过程的物理设备或系统所属的层级，通常包含模拟控制系统（MCS），可编程逻辑控制系统（PLC）、分布式控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）、监控与数据采集系统（SCADA）等。工厂/车间层是指工厂/车间内实现生产设备和生产过程的管理，并与企业相关业务系统进行信息交互的物理系统，通常包含制造执行系统（MES）、仓储管理系统（WMS）、物流管理系统（LMS），以及企业资源计划系统（ERP）、产品生命周期管理系统（PLM）中与生产设备管理和生产过程管理相关的数据交互和管理模块。企业层是指工厂/车间外部实现企业业务经营管理的物理系统，通常包含企业资源计划系统（ERP）、供应链管理系统（SCM），以及客户关系管理系统（CRM）等。协同层是指企业内部或者企业与企业之间实现信息互联、资源共享及运营协同的物理设备或系统，通常包含企业数据中心/服务器、私有云平台、公有云平台、工业互联网平台、工业大数据平台等。本文主要针对工厂/车间层面的智能制造系统建设问题开展研究，从工厂/车间覆盖的企业层级看，包含了设备层、单元层和工厂/车间层，因此工厂/车间智能制造系统主要包含这3个层级，对于企业层和协同层智能制造系统的建设问题在本文中不作论述。

图4 企业生产组织结构层级划分

3 工厂/车间智能制造系统总体架构设计

从CPS的构成角度看，一个工厂/车间内可以包含许多单元级CPS或者系统级CPS，众多各种类型的CPS利用CPS网络构成了一个基于复杂网络的异构集成混合系统，没有明确清晰的层次结构，也没有固定的标准化系统设计模式，由此为智能制造系统的设计和实施增加了困难。从工厂/车间的建设角度看，智能制造系统架构需要符合工厂/车间的业务流程和运行机制，能够最大程度地与现有生产制造系统匹配，满足生产制造的要求。

基于上述考虑，本文的研究提出了一种新的基于CPS的工厂/车间智能制造系统总体架构设计和实施的分层规划方法，所提出的系统架构设计基于企业生产组织结构层级的划分方法，首先从设备层、单元层和工厂/车间层不同层级的角度，每个层级分别设计对应的单元级CPS或者系统级CPS，或者CPS智能服务平台，然后基于CPS网络实现各层级内部CPS或者不同层级之间CPS的互联互通，以及各层级CPS与CPS智能服务平台之间的互联互通，由此构成工厂/车间全局层面的系统之系统级CPS，最终形成的系统之系统级CPS作为工厂/车间智能制造系统总体架构。基于此方法所设计的智能制造系统层次结构清晰，各层级智能制造系统建设能够独立逐级进行或并行进行，同时能够实施全部或者部分智能制造系统建设内容，甚至可以进行典型系统的单点实施，从而提高了工厂/车间根据实际生产运营条件进行智能制造系统建设的灵活性和敏捷性。

工厂/车间智能制造系统建设的总体架构如图5所示，系统总体上包括设备层单元级CPS、单元层系统级CPS、工厂/车间层系统级CPS、CPS智能服务平台及CPS网络等5个部分，设备层单元级CPS由工厂/车间现场传感器、执行机构、仪器仪表、机器、装置等物理设备及与它们一一对应的CPS信息单元构成，CPS信息单元包含物理设备的信息模型和物理设备与外部进行交互的规则和条件信息描述，例如传感器CPS信息单元包含传感器数据感知模型信息和与外部进行信息交互的感知规则和感知条件，执行机构CPS信息单元包含执行机构模型信息和与外部信息交互的操作执行规则和条件等。单元层系统级CPS由多个系统级CPS构成，通常可包括MCS、SCADA、PLC、DCS、FCS的软硬件物理系统及与它们一一对应的CPS信息子系统构成，相对于设备层以单元级CPS描述，各种数据采集、监测、控制系统均是包含了多个基本单元级CPS的系统级CPS，每个系统级CPS均是单元层的子系统，因此所对应的CPS信息系统定义为单元层CPS信息子系统。工厂/车间层系统级CPS与单元层系统CPS构成形式类似，由多个系统级CPS构成，包括MES、ERP、PLM、WMS、LMS等软硬件物理系统及相对应的CPS信息子系统构成，每个子系统均包含多个闭环单元级CPS，其CPS信息系统定义为工厂/车间层CPS信息子系统。CPS智能服务平台主要由设备层CPS信息系统、单元层CPS信息系统、工厂/车间层CPS信息系统构成，主要包含了设备层、单元层、工厂/车间层所有CPS信息单元或CPS信息子系统中用于工厂/车间所有CPS统一系统监督和管理及网络协同和共享的信息、数据、知识、经验、指令等资源，根据工厂/车间智能制造系统的实际生产运营状况和要求，CPS智能服务平台可以抽取和集成设备层CPS信息单元、单元层CPS信息子系统、工厂/车间层CPS信息子系统的部分或者全部信息。CPS智能服务平台在某种意义上可以以工厂/车间层面上的数据中心、工业互联网平台、工业大数据平台的形式体现。CPS网络用于实现设备层、单元层、工厂/车间层所有单元级CPS和系统级CPS的互联互通，以及所有CPS与CPS智能服务平台的互联互通，从工厂/车间通信网络技术类型的角度，工厂/车间CPS网络可以是包含了点对点通信、现场总线、工业以太网、无线网络、工业互联网、移动互联网等多种类型网络和通信技术的异构集成网络，但CPS网络的设计目的本质上均是以实现工厂/车间CPS网络互联、信息互通为根本目的。

图5 基于CPS的工厂/车间智能制造系统架构图示

4 工厂/车间智能制造系统实施

在CPS实施过程中，要充分考虑企业当前状况和企业所处的行业背景情况，从企业自身特点出发，在CPS的应用模式、层次结构，规范标准、保障措施等方面明确的前提下，对企业CPS实施的现有条件、实施周期、资源配置、期望目标、远景规划等方面作合理的规划，制定最符合企业现实状况的CPS实施方案，形成最符合企业长远发展的智能制造系统解决方案，实现企业智能制造的转型升级[29]。从基于CPS的工厂/车间智能制造系统的总体架构及构成要素可以看出，各层级CPS的实施是工厂/车间智能制造系统的核心内容。关键实施内容主要包括以下几方面。

设备层CPS主要包括各物理设备及其单元级CPS信息单元，因此设备层CPS的实施主要是进行单元级CPS实施。对于单元级CPS，首先需要明确各单元级CPS功能，在满足单元级CPS物理设备的功能需求基础上，实现信息单元与外部CPS的交互功能。通常单元级CPS需要通过物理硬件、嵌入式软件及通信功能构成CPS闭环，各种现场设备的数字化，以及在数字化的基础上进行感知设备和操作执行机构的安装配置是单元级CPS的重点实施内容。通过升级或改造设备层设备，加强设备对外部环境的智能感知和智能控制能力，是设备层智能制造系统建设的前提，也是工厂/车间生产工艺与生产过程智能化的基础。在此基础上，设备层相关的生产过程及工艺数字化是提高制造资源配置效率的关键环节，通过工业软件对工艺、生产过程进行数字化，能够为设备层设备的信息收集和处理提供条件，通过对生产过程、业务流程的信息采集、分析、处理，实现对生产制造资源的优化配置。

单元层CPS以系统级CPS的形式实现，由数据采集和监测系统及各种类型的控制系统CPS构成，感知数据的监测、采集、处理、计算、分析及控制与决策指令的执行是系统级CPS的重点实施内容。对于数据采集和监测系统，其信息子系统需要实现数据采集和监测物理系统的信息模型及数据采集、处理、实时监测模型；对于控制系统，其信息子系统需要实现目标控制对象的信息模型及计算分析和控制决策模型。此外，对于单元层CPS的系统级CPS信息子系统，需要实现各子系统与外部CPS信息单元或系统的信息输入输出交互规则和约定的信息交互接口，以满足内外部信息交互需求。

工厂/车间层CPS同样以系统级CPS的形式实现，包含工厂/车间生产系统及企业运营系统相关部分CPS构成，工厂/车间层CPS以工业软件系统为主，各工业软件应用系统在生产流程的各环节输入输出信息模型及信息流的建立及自动流动是其CPS信息子系统实施的重点内容，例如MES、WMS、LMS等生产管理系统的输入输出信息模型，ERP、PLM等业务系统相对工厂/车间生产管理的输入输出信息模型，等等。信息输入输出功能可以采用网络数据通信、文件传输共享、中间件转换及中间数据库共享等相关应用技术实现。

CPS智能服务平台以系统之系统级CPS的形式实现，由设备层、单元层、工厂/车间层的所有单元级或系统级CPS信息模型的部分或者整体构成，是工厂/车间单元级和系统级CPS的有机整合，实现系统内CPS的分布式协同和资源共享是CPS智能服务平台的重点实施内容，其实施方法主要通过建立工厂/车间级工业互联网平台或者工厂/车间工业大数据平台实现，平台通常需要实现工厂/车间信息全面感知、数据集成采集和平台接入、大数据分析与管理、应用服务集成和共享、辅助决策支持等功能，实现数据闭环流动、应用协同和资源共享。

CPS网络是工厂/车间内各种类型的工业网络集成和综合应用，是实现相同或不同类型CPS互联互通的重要保障，工厂/车间内典型的CPS实施技术包括点到点串行或并行通信、蓝牙、Zigbee、现场总线、有线或无线工业以太网、工业互联网、移动互联网，等等。由于工厂/车间内的通信网络类型种类繁多，因此异构网络的互联和集成是CPS网络实施的关键，依靠互联互通的CPS网络，保证关键感知信息和控制执行指令的实时、安全传输，海量数据的高速、可靠传输，以及各组成CPS的协同控制和共享。

5 结语

基于CPS的工厂/车间智能制造系统建设总体架构的设计和实施方法，能够基于工厂/车间生产组织结构的现实需求，利用先进信息技术和物理系统的深度融合应用，打破企业传统的固定生产模式，实现生产系统、生产过程的智能化管理、监督控制和动态调控，整合企业内有效资源，实现资源的动态分配和灵活配置，提高企业生产制造的柔性和敏捷性，最大程度提高企业的生产效率和资源利用率，对制造企业智能制造的转型升级和持续创新提供了一种行之有效的建设途径。