CPS在工業控制信息化過程中的應用

黃捷　吉順平　陳志廣

摘 要 信息物理融合系統CPS（Cyber-Physic System）是融合了傳感器及網絡、通信系統、計算機網絡等多種網絡與技術的新型復雜系統。工業控制信息化是必然發展趨勢，以太網在工業控制領域非常普遍，物聯網和工業以太網的標準數據部分是基于標準TCP/IP模型的，而工業以太網協議的實時數據部分是基于擴展TCP/IP模型的， 本文結合CPS在工業控制上的應用，進行了研究分析。

關鍵詞 物聯網 CPS 工業控制

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

隨著大數據處理、云終端計算、移動互聯的科技發展及應用，現在的工業控制及其制造正在悄然發生著巨大的變化。從制造到智造的轉變，技術的不斷更新發展，工業化地物聯技術也隨之產生。不論是德國提出的工業4.0、美國提出的再工業化進程，還是中國提出的新型工業化進程“中國制造2025”，這些理念的提出，都與現在提出的萬物互聯有著共同的交匯關聯點，可理解為信息物理融合系統——CPS，它是多維異構的計算單元與實際物理對象，在網絡環境下高度集成而又交互的復雜新型智能系統，具有計算及數據處理、相互通信、協同控制及自我調節反饋等特點，是多層面的交叉系統科學，其與傳統物聯網、傳感網絡、ARM嵌入式系統相互關聯，是融合了多種已知網絡和信息技術的新型復雜系統，但范圍更加寬泛。

我國是從2008年開始投入研究CPS的，09年關注于在工業領域的發展，2010年863項目組織專題論壇，《中國制造2025》與《國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》都要求加強信息物理系統的研發與應用。同時，工信部信軟司指導中國電子技術標準化研究院，聯合國內的相關單位，編輯形成了《信息物理系統白皮書（2017）》。本文首先介紹工業以太網與物聯網互聯模型的研究，在此基礎上對工業控制過程中CPS與類似系統的區別進行闡述，再結合CPS在工業控制信息化過程中的應用，進行研究分析，最后進行小結。

1 工業以太網與物聯網互聯研究

工業以太網與物聯網是兩個概念。以工業以太網為例，工業網絡（Field network）主要是在工業生產環境中，能夠實現全數字化、雙向數據、多站的通信系統，它主要完成I/O數據的傳送、設備指示及現有的通斷開閉控制等。現有的工業控制網絡按照應用場合分類，主要有5類：SensorBus；DeviceBus；FieldBus；ControlBus；EnterpriseNet。用得最多的是第二種，只要能對工業現場網絡化的設備，提供通信及診斷功能的，都屬于這種類型的工控網絡，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。

物聯網簡單的理解就是物物相連的網絡；深究其意則是指，通過各種信息傳感設施及裝備，實時采集各種需要的信息，與互聯網形成的另一個網絡。它的目的是實現物品與物品、物品與人，所有相關物品與網絡進行互聯，方便識別及管控。

工業以太網與物聯網互聯模型的研究，從以太網入手，在通信網絡上可以實現互聯，兩者融合后構建起統一的網絡體系結構，如圖1。

1.1 網絡互聯的難點

從第一次工業革命蒸汽機的引入，機械化進程；到電氣化將電能引入，實現電動大規模生產；再到自動化，將電子及信息技術引入，進一步實現自動化的生產。

每一次革新都對傳統的理念造成沖擊，正如信息物理系統地使用，如何將前期的所有工作繼續進行，同時對各自子系統進行相互關聯，關聯的難點在于將所有信息實現聯通，怎樣將完全自動化及部分信息化，過渡到完全自動化及完全信息化。

從部分信息化到完全信息化，實現萬物互聯，這之間需要解決通信協議的問題，現有的互聯網通信協議為TCP/IP，在與工業生產對比看來，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，會給萬物互聯創造很好的條件。下一代的互聯網IP標準（IPv6）號稱可以為全球每粒沙子編入IP地址，這一特點將現有的標準（IPv4）網絡地址資源的局限性進行了很好的拓展。

1.2 互聯后引申出的問題

互聯前的工業控制網絡中，存在的控制器、驅動器都在現場總線中通過特定的終端PC及人機界面進行實時在（內網）監測 ，互聯后很多外設單元屬于隨即添加，例如無線的儀表檢測等，其數據內容基本通過無線網絡進行終端的回饋，其數據的采集、此數據與內網的數據如何交互，中間數據的處理尤為重要；物品的自動識別及信息的互聯共享，在物聯網的范疇內實現后，如何引入工控網絡，中間環節很重要；大批量的數據處理最終肯定是在云處理中心完成，主控制系統、現場總線通訊系統、無線控制系統、反饋系統等產生的數據由統一的協議及網關，在工業云服務器進行處理，處理后的數據，可以調動互聯在網的各外部設備整體協同完成最終的執行任務；數字化的智能工廠，一個物品從設想的虛擬方案，到工業化生產變為具體的商品，數據會實時不斷產生，將其生命周期內所有的數據，按統一標準收集整理，在該商品身上植入檔案信息，設計與生產協同進行，人、物、網絡相融合。endprint

2 工業控制信息化過程中的CPS

CPS在實際應用的過程中，與相近的其他系統相互接觸，但彼此又有實際的區別：就嵌入式系統而言，其側重點在于強調計算單元，計算單元與物理對象之間的連接考慮不多，CPS作為終端物理設備與PC技術結合的融合體，使得計算對象可以從數字到模擬、離散到連續、靜態到動態、由分布到統一轉變，如同是網絡系統、控制系統與嵌入式系統的動態重組與整體融合。而物聯網中的具體物品不具備控制與自治能力，通信在具體實物與服務器之間發生，物品之間不能相互間協同操作，物聯網可以看作是CPS的某種功能的簡單應用。CPS與軟件系統的區別，CPS側重的是對各物理進程進行實時控制，必要時反饋信息，在信息處理與交互方面有動態的響應過程。

在工業控制方面，依靠機器制造機器的過程，基本上體現了工業自動化控制的一個新高度，CPS利用物聯網的特定功能，完成工業控制過程中信息化的進程十分有效。在汽車車架的生產過程中，數據是實時產生的，但實現其數據共享、實時添加的外設數據與之建立相應的關聯，這些內容值得研究，運用CPS以及通過互聯網等通信技術，把現有的傳感器、運動控制器、執行部件、操作人員和物理信息中的物等信息，通過新方式聯系在一起，最終形成人與物相關聯、物與物相關聯，實現工業信息化、工業遠程管理控制及終端制造智能化的網絡，可以很好的將雙網的信息資源與實際應用建立對應的關聯，提高生產效率，降低生產成本。

以汽車車架的生產為例，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，傳統的物理設備在進行基礎板材加工過程中，開卷（料）是第一步，目前的車企中，上海大眾及少數汽車企業擁有自己獨立的開卷車間，這一步如果實現數據共享及實時在線控制的話，基礎待沖壓成型板材，可以根據不同車型及模具要求，完成不同鋼卷的采購，同時在專門的鋼板板材加工廠完成不同形狀的板材加工，可降低產品成本。在沖壓成型過程中實時數據會隨之產生，這些數據如果能夠及時在板材上標記的話，會對后期的溯源跟蹤方面，提供有效的數據支持，目前只有極少數的汽車企業會在會在板材上進行激光二維碼的蝕刻，正因為這些物理數據沒有和整體云端數據進行共享，個性化的定制汽車只是少眾選擇，大多數還停留在日訂單完成量上。成型后的板材單元，靠工業機器人進行搬運及焊接完成車架總成。在成型的車架單元運輸過程中，有的靠人力叉車進行相對效率低下的轉場，有的車企則依靠無線藍牙運輸車進行車架板材的轉場。這一過程中，工位上循跡搬運車發現物料缺少，它會及時進行物料的補缺，點到點的無線循跡運輸效率非常高，且保證24小時連續運行。但是與整車的生產速度及實時控制前端的材料加工生產，互不干涉，必要時可閉環控制的反饋機制不能夠很好的體現，不能構成閉環系統，對原有控制及時調整實時數據從而影響偏差，CPS系統的加入通過數據云，將數據進行實時的分析及互聯共享，整合出有效的方案，信息化的生產設備，通過CPS協同調度分段運行，對應的整車生產線可以讓同一生產線，在同一時間，不同工位生產不同的車型，或者根據終端4S店提供的個人專屬信息，在生產線上生產一臺屬于用戶個人專屬的定制版車型。

3 結束語

CPS在未來的發展還有很廣闊的空間，傳統的硬件加軟件的基礎單元控制方式，已逐漸被由CPS構成的硬件加軟件再加網絡的系統控制方式所取代，后期的發展肯定會向系統控制方式加上智能云平臺服務方向發展，可見CPS的發展在工業控制信息化過程中，能夠可以起到非常重要的作用，實現未來的智能制造和智能工廠。對于科研人員來說，構建一套在信息空間與物理空間之間，基于云服務數據的如：基礎單元的狀態感知、實時數據的科學分析、科學有效的判斷決策、極致而精準執行的閉環智能控制體系，還有很多方面需要研究，在工業控制信息化過程的應用及其他方面，CPS還會發揮其作用，促進中國制造2025的實現。

參考文獻

[1] 吉順平.工業以太網與物聯網互聯模型的研究[J].計算機測量與控制，2011.19（8）：1998-2000.

[2] 黎作鵬，張天馳，張菁.信息物理融合系統（CPS）研究綜述[J].計算機科學，2011.38（9）：25-31.

[3] 楊恒.最新物聯網實用開發技術[M].北京：清華大學出版社，2012.

[4] 張彩霞.基于信息物理融合系統的智能制造架構研究[J].計算機科學，2013.40（6）：36-40.

[5] 李河欣，張勖，董躍武，等.一種基于時空-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4.0與智能聯動戰略[J].信息技術與信息化，2014（6）：76-89.

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

[8] 岳恒，李健，龐為光，周寶.選礦工業全流程物聯網實驗平臺的研發[J].控制工程，2017.24（4）：909-916.endprint