CPS在工業(yè)控制信息化過程中的應(yīng)用

黃捷　吉順平　陳志廣

摘 要 信息物理融合系統(tǒng)CPS（Cyber-Physic System）是融合了傳感器及網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)的新型復(fù)雜系統(tǒng)。工業(yè)控制信息化是必然發(fā)展趨勢，以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域非常普遍，物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)部分是基于標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP模型的，而工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)部分是基于擴(kuò)展TCP/IP模型的， 本文結(jié)合CPS在工業(yè)控制上的應(yīng)用，進(jìn)行了研究分析。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) CPS 工業(yè)控制

Abstract CPS （Cyber-Physic System） is a new complex system which integrates sensors and networks， communication systems， computer networks and other networks and technologies. Informatization is the inevitable trend of the development of industrial control， Ethernet is very common in the field of industrial control， standard data networking and industrial Ethernet standard part is based on the TCP/IP model， and the real-time data of industrial Ethernet protocol is based on the extended TCP/IP model， combined with the application of CPS in industrial control， are analyzed.

Keywords Internet of things； CPS； industrial control

隨著大數(shù)據(jù)處理、云終端計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)的科技發(fā)展及應(yīng)用，現(xiàn)在的工業(yè)控制及其制造正在悄然發(fā)生著巨大的變化。從制造到智造的轉(zhuǎn)變，技術(shù)的不斷更新發(fā)展，工業(yè)化地物聯(lián)技術(shù)也隨之產(chǎn)生。不論是德國提出的工業(yè)4.0、美國提出的再工業(yè)化進(jìn)程，還是中國提出的新型工業(yè)化進(jìn)程“中國制造2025”，這些理念的提出，都與現(xiàn)在提出的萬物互聯(lián)有著共同的交匯關(guān)聯(lián)點(diǎn)，可理解為信息物理融合系統(tǒng)——CPS，它是多維異構(gòu)的計(jì)算單元與實(shí)際物理對象，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下高度集成而又交互的復(fù)雜新型智能系統(tǒng)，具有計(jì)算及數(shù)據(jù)處理、相互通信、協(xié)同控制及自我調(diào)節(jié)反饋等特點(diǎn)，是多層面的交叉系統(tǒng)科學(xué)，其與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、ARM嵌入式系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，是融合了多種已知網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的新型復(fù)雜系統(tǒng)，但范圍更加寬泛。

我國是從2008年開始投入研究CPS的，09年關(guān)注于在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，2010年863項(xiàng)目組織專題論壇，《中國制造2025》與《國務(wù)院關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》都要求加強(qiáng)信息物理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。同時(shí)，工信部信軟司指導(dǎo)中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，聯(lián)合國內(nèi)的相關(guān)單位，編輯形成了《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》。本文首先介紹工業(yè)以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)模型的研究，在此基礎(chǔ)上對工業(yè)控制過程中CPS與類似系統(tǒng)的區(qū)別進(jìn)行闡述，再結(jié)合CPS在工業(yè)控制信息化過程中的應(yīng)用，進(jìn)行研究分析，最后進(jìn)行小結(jié)。

1 工業(yè)以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)研究

工業(yè)以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)是兩個(gè)概念。以工業(yè)以太網(wǎng)為例，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（Field network）主要是在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字化、雙向數(shù)據(jù)、多站的通信系統(tǒng)，它主要完成I/O數(shù)據(jù)的傳送、設(shè)備指示及現(xiàn)有的通斷開閉控制等。現(xiàn)有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)按照應(yīng)用場合分類，主要有5類：SensorBus；DeviceBus；FieldBus；ControlBus；EnterpriseNet。用得最多的是第二種，只要能對工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)備，提供通信及診斷功能的，都屬于這種類型的工控網(wǎng)絡(luò)，例如：德國西門子采用的是Profibus、美國羅克韋爾采用的是DeviceNet、日本三菱采用的是CC-link。

物聯(lián)網(wǎng)簡單的理解就是物物相連的網(wǎng)絡(luò)；深究其意則是指，通過各種信息傳感設(shè)施及裝備，實(shí)時(shí)采集各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)形成的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。它的目的是實(shí)現(xiàn)物品與物品、物品與人，所有相關(guān)物品與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，方便識(shí)別及管控。

工業(yè)以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)模型的研究，從以太網(wǎng)入手，在通信網(wǎng)絡(luò)上可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，兩者融合后構(gòu)建起統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，如圖1。

1.1 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的難點(diǎn)

從第一次工業(yè)革命蒸汽機(jī)的引入，機(jī)械化進(jìn)程；到電氣化將電能引入，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)大規(guī)模生產(chǎn)；再到自動(dòng)化，將電子及信息技術(shù)引入，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)。

每一次革新都對傳統(tǒng)的理念造成沖擊，正如信息物理系統(tǒng)地使用，如何將前期的所有工作繼續(xù)進(jìn)行，同時(shí)對各自子系統(tǒng)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)的難點(diǎn)在于將所有信息實(shí)現(xiàn)聯(lián)通，怎樣將完全自動(dòng)化及部分信息化，過渡到完全自動(dòng)化及完全信息化。

從部分信息化到完全信息化，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，這之間需要解決通信協(xié)議的問題，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議為TCP/IP，在與工業(yè)生產(chǎn)對比看來，其傳輸速度、精度及安全性等方面都存在問題，因此這部分問題解決后，會(huì)給萬物互聯(lián)創(chuàng)造很好的條件。下一代的互聯(lián)網(wǎng)IP標(biāo)準(zhǔn)（IPv6）號(hào)稱可以為全球每粒沙子編入IP地址，這一特點(diǎn)將現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)（IPv4）網(wǎng)絡(luò)地址資源的局限性進(jìn)行了很好的拓展。

1.2 互聯(lián)后引申出的問題

互聯(lián)前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，存在的控制器、驅(qū)動(dòng)器都在現(xiàn)場總線中通過特定的終端PC及人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)在（內(nèi)網(wǎng)）監(jiān)測 ，互聯(lián)后很多外設(shè)單元屬于隨即添加，例如無線的儀表檢測等，其數(shù)據(jù)內(nèi)容基本通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行終端的回饋，其數(shù)據(jù)的采集、此數(shù)據(jù)與內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)如何交互，中間數(shù)據(jù)的處理尤為重要；物品的自動(dòng)識(shí)別及信息的互聯(lián)共享，在物聯(lián)網(wǎng)的范疇內(nèi)實(shí)現(xiàn)后，如何引入工控網(wǎng)絡(luò)，中間環(huán)節(jié)很重要；大批量的數(shù)據(jù)處理最終肯定是在云處理中心完成，主控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線通訊系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由統(tǒng)一的協(xié)議及網(wǎng)關(guān)，在工業(yè)云服務(wù)器進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)，可以調(diào)動(dòng)互聯(lián)在網(wǎng)的各外部設(shè)備整體協(xié)同完成最終的執(zhí)行任務(wù)；數(shù)字化的智能工廠，一個(gè)物品從設(shè)想的虛擬方案，到工業(yè)化生產(chǎn)變?yōu)榫唧w的商品，數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)不斷產(chǎn)生，將其生命周期內(nèi)所有的數(shù)據(jù)，按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)收集整理，在該商品身上植入檔案信息，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)協(xié)同進(jìn)行，人、物、網(wǎng)絡(luò)相融合。endprint

2 工業(yè)控制信息化過程中的CPS

CPS在實(shí)際應(yīng)用的過程中，與相近的其他系統(tǒng)相互接觸，但彼此又有實(shí)際的區(qū)別：就嵌入式系統(tǒng)而言，其側(cè)重點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)計(jì)算單元，計(jì)算單元與物理對象之間的連接考慮不多，CPS作為終端物理設(shè)備與PC技術(shù)結(jié)合的融合體，使得計(jì)算對象可以從數(shù)字到模擬、離散到連續(xù)、靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、由分布到統(tǒng)一轉(zhuǎn)變，如同是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重組與整體融合。而物聯(lián)網(wǎng)中的具體物品不具備控制與自治能力，通信在具體實(shí)物與服務(wù)器之間發(fā)生，物品之間不能相互間協(xié)同操作，物聯(lián)網(wǎng)可以看作是CPS的某種功能的簡單應(yīng)用。CPS與軟件系統(tǒng)的區(qū)別，CPS側(cè)重的是對各物理進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，必要時(shí)反饋信息，在信息處理與交互方面有動(dòng)態(tài)的響應(yīng)過程。

在工業(yè)控制方面，依靠機(jī)器制造機(jī)器的過程，基本上體現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化控制的一個(gè)新高度，CPS利用物聯(lián)網(wǎng)的特定功能，完成工業(yè)控制過程中信息化的進(jìn)程十分有效。在汽車車架的生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)產(chǎn)生的，但實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)添加的外設(shè)數(shù)據(jù)與之建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)，這些內(nèi)容值得研究，運(yùn)用CPS以及通過互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)，把現(xiàn)有的傳感器、運(yùn)動(dòng)控制器、執(zhí)行部件、操作人員和物理信息中的物等信息，通過新方式聯(lián)系在一起，最終形成人與物相關(guān)聯(lián)、物與物相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)信息化、工業(yè)遠(yuǎn)程管理控制及終端制造智能化的網(wǎng)絡(luò)，可以很好的將雙網(wǎng)的信息資源與實(shí)際應(yīng)用建立對應(yīng)的關(guān)聯(lián)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

以汽車車架的生產(chǎn)為例，從原材料采購，到板材的沖壓成型加工，再到車架總成的焊接、除銹、噴漆涂裝，傳統(tǒng)的物理設(shè)備在進(jìn)行基礎(chǔ)板材加工過程中，開卷（料）是第一步，目前的車企中，上海大眾及少數(shù)汽車企業(yè)擁有自己獨(dú)立的開卷車間，這一步如果實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及實(shí)時(shí)在線控制的話，基礎(chǔ)待沖壓成型板材，可以根據(jù)不同車型及模具要求，完成不同鋼卷的采購，同時(shí)在專門的鋼板板材加工廠完成不同形狀的板材加工，可降低產(chǎn)品成本。在沖壓成型過程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)隨之產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)如果能夠及時(shí)在板材上標(biāo)記的話，會(huì)對后期的溯源跟蹤方面，提供有效的數(shù)據(jù)支持，目前只有極少數(shù)的汽車企業(yè)會(huì)在會(huì)在板材上進(jìn)行激光二維碼的蝕刻，正因?yàn)檫@些物理數(shù)據(jù)沒有和整體云端數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，個(gè)性化的定制汽車只是少眾選擇，大多數(shù)還停留在日訂單完成量上。成型后的板材單元，靠工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)及焊接完成車架總成。在成型的車架單元運(yùn)輸過程中，有的靠人力叉車進(jìn)行相對效率低下的轉(zhuǎn)場，有的車企則依靠無線藍(lán)牙運(yùn)輸車進(jìn)行車架板材的轉(zhuǎn)場。這一過程中，工位上循跡搬運(yùn)車發(fā)現(xiàn)物料缺少，它會(huì)及時(shí)進(jìn)行物料的補(bǔ)缺，點(diǎn)到點(diǎn)的無線循跡運(yùn)輸效率非常高，且保證24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。但是與整車的生產(chǎn)速度及實(shí)時(shí)控制前端的材料加工生產(chǎn)，互不干涉，必要時(shí)可閉環(huán)控制的反饋機(jī)制不能夠很好的體現(xiàn)，不能構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，對原有控制及時(shí)調(diào)整實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從而影響偏差，CPS系統(tǒng)的加入通過數(shù)據(jù)云，將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析及互聯(lián)共享，整合出有效的方案，信息化的生產(chǎn)設(shè)備，通過CPS協(xié)同調(diào)度分段運(yùn)行，對應(yīng)的整車生產(chǎn)線可以讓同一生產(chǎn)線，在同一時(shí)間，不同工位生產(chǎn)不同的車型，或者根據(jù)終端4S店提供的個(gè)人專屬信息，在生產(chǎn)線上生產(chǎn)一臺(tái)屬于用戶個(gè)人專屬的定制版車型。

3 結(jié)束語

CPS在未來的發(fā)展還有很廣闊的空間，傳統(tǒng)的硬件加軟件的基礎(chǔ)單元控制方式，已逐漸被由CPS構(gòu)成的硬件加軟件再加網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)控制方式所取代，后期的發(fā)展肯定會(huì)向系統(tǒng)控制方式加上智能云平臺(tái)服務(wù)方向發(fā)展，可見CPS的發(fā)展在工業(yè)控制信息化過程中，能夠可以起到非常重要的作用，實(shí)現(xiàn)未來的智能制造和智能工廠。對于科研人員來說，構(gòu)建一套在信息空間與物理空間之間，基于云服務(wù)數(shù)據(jù)的如：基礎(chǔ)單元的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的科學(xué)分析、科學(xué)有效的判斷決策、極致而精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)智能控制體系，還有很多方面需要研究，在工業(yè)控制信息化過程的應(yīng)用及其他方面，CPS還會(huì)發(fā)揮其作用，促進(jìn)中國制造2025的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吉順平.工業(yè)以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)模型的研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011.19（8）：1998-2000.

[2] 黎作鵬，張?zhí)祚Y，張菁.信息物理融合系統(tǒng)（CPS）研究綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011.38（9）：25-31.

[3] 楊恒.最新物聯(lián)網(wǎng)實(shí)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[4] 張彩霞.基于信息物理融合系統(tǒng)的智能制造架構(gòu)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013.40（6）：36-40.

[5] 李河欣，張勖，董躍武，等.一種基于時(shí)空-屬性的CPS信息融合方法[J].軟件，2013.34（10）：49-54.

[6] 陳智呈，鄭松.工業(yè)4.0與智能聯(lián)動(dòng)戰(zhàn)略[J].信息技術(shù)與信息化，2014（6）：76-89.

[7] 侯志霞，鄒方，呂瑞強(qiáng)，等.信息物理融合系統(tǒng)及其在航空制造業(yè)應(yīng)用展望[J].航空制造技術(shù)，2014（21）：47-53.

[8] 岳恒，李健，龐為光，周寶.選礦工業(yè)全流程物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)[J].控制工程，2017.24（4）：909-916.endprint