機械加工行業單元級CPS的研究與設計

摘要：信息物理系統CPS（Cyber-Physical Systems）在高端裝備制造業和復雜流程制造業，尤其是航空航天、國防、船舶、電力、石油化工等行業的應用研究，主要集中在安全和高性能架構、建模與分析上。在傳統機械加工行業，由于其離散制造的特質，CPS應用首先要實現單元級數控機床的可視、可控、可互操作。現結合機械加工行業在智能制造方向的發展前景分析，提出一種單元級CPS的思路和框架，并基于Fanuc數控機床進行非嵌入外掛式的單元級CPS實現，最后從應用擴展和實效性角度討論了機械加工行業單元級CPS的幾點關鍵挑戰。

關鍵詞：CPS;信息物理系統;機械加工;智能制造

0? ? 引言

CPS是將網絡化信息系統和配套物理系統進行深度融合與析構的技術研究方向和應用組織形式。根據美國國家科學基金會（NSF）的定義，CPS是將計算與物理資源緊密結合所構成的系統，應具有對大規模互聯物理系統進行實時監視、仿真、分析和控制的功能，最終目標是使未來的物理系統具有目前尚不具備的靈活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性[1]。更多研究學者認為，CPS是集成了計算系統、大規模通信網絡、大規模傳感器網絡、控制系統和物理系統的新型互聯系統[2]。但撇去規模支持的表述，CPS其根本是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務[3]。

目前，對CPS在高端裝備制造業和復雜流程制造業，尤其是航空航天、國防、船舶、電力、石油化工等行業的應用研究主要集中在安全和高性能架構、建模與分析上[4-5]。而對于離散制造的典型行業，機械加工在支持國家智能制造體系的要求下，必須首先實現CPS的貫徹和實施。

1? ? 機械加工業CPS核心應用體系

基礎的CPS是將物理系統里的感知單元和執行單元通過可信任網絡與CPS單元進行交互，其核心在于物理系統與CPS的實時事件消息定義以及中心化數據處理和存儲設計[6]。對于一個智能化CPS的應用，它的能力不應僅限于設計之初就實現的信息組織邏輯，比如設備運行狀態信息和控制指令。CPS應當可以在持續迭代更新甚至擴展的制造系統里，承擔數據服務和邊緣端處理任務。因此，結合機械加工行業以數控機床為基礎的離散訂單式作業形態，CPS應用體系可以分為三層結構：單元級、系統級和平臺級，如圖1所示。

單元級CPS應用重點解決數控機床或工業機器人或熱處理設備的有效高效運行，包括從設備狀態感知、狀態實時分析、執行命令決策到精準控制操作的全過程，同時為系統級或外部設備提供本設備數據服務。單元級CPS的核心在于其數據開放層次，初級的數據開放是原始數字甚至是電脈沖信號，外部可以極速截獲真實的設備數據，大部分商用設備會提供比如串口的原始數據。中級的數據開放是單數據棧信息化處理后數據，這些數據都帶有內容標志，比如功率/轉速，外部可以很容易理解。這些數據是經過了CPS初步質量清理后輸出的，比如插值/過濾。高級的數據開放是通過功能模型處理后的數據，可以部分甚至直接指導分析決策，比如工差/完成度。

系統級CPS應用圍繞自動化流水線或智能倉庫[7]。一方面可以從單元級CPS那感知設備狀態，同時從制造執行系統（MES）里感知工序進度，并基于此完成動態排程優化。另一方面，數據動態組織提供生產計劃狀態分析能力，管理者可以在CPS上完成工序智能排程，并快速實施到MES里，指導系統內各工序對應設備以及原料/半成品的供應。

平臺級CPS應用面向多車間或多企業的協同生產，感知的數據不再是生產過程，而是來自ERP的生產能力體現[8]。該CPS仍然和物理世界做關聯，關聯的因素包括生產方人員和設備、供應商的原料、消費商的訂單。該級別的CPS從這些數據上進行產能實時分析，并完成供需結構調整，最終指導生產組織實施。該實施過程可以基于系統級CPS，也可以通過別的通信能力傳達到具體的產線和倉庫。

從智能制造的規模層次上看，三層的CPS應用設計更能體現分級3C的松耦合原則，也更容易被智能制造能力參差不齊的企業現狀所接受。

2? ? 單元級CPS架構

單元級CPS作為信息物理系統最小單元，除感知和業務處理外，需重點實現設備的數字化聯網和控制，典型的如智能軸承、智能機器人、智能數控機床等。通常單元級CPS需要邊緣端設備或設備內嵌應用兩種方式實現，如具備傳感、控制功能的機械臂和傳動軸承等。現在大部分單元級CPS只是針對特定業務邏輯，雖具備了可感知、可計算、可交互、自決策的能力[9]，但在可被識別、定位、訪問、聯網以及可擴展性上的考慮不多不多[10]。因此，有必要在保證實時性和可操作性的基礎上，提出適合單元級輕量CPS的五層架構，包括基礎支撐層、感知層、邊緣控制層、大數據層和訪問層，如圖2所示。

（1）基礎支撐層：負責提供業務組織和訪問服務，包括數據訪問、操作事務嵌入、用戶鑒權、事務觸發機制等。它為感知層、控制層和大數據層提供微服務結構的事務打包，同時為訪問層提供API網關形式的外部信息訪問和控制接入。

（2）感知層：負責CPS里對自動化設備的數據獲取，通常基于RS485或以太網接口，上面適配不同的協議棧，比如Modbus RTU/Profibus DP。為了保證數據可靠和可信，需要內嵌基礎的維護模塊和轉置模塊，比如電壓轉安全等級、功率轉負載數量等。同時，為了保證邊緣控制的快速實施，需要進行必要的數據組織，通過內部接口定義開放給控制層做邏輯基礎判斷。

（3）邊緣控制層：負責實施安全相關的實時控制以及來自訪問層的遠程控制指令。內嵌的安全策略是數據組織基礎上的安全模型定義，可以快速制動或更改設備參數。而為了達到本地和遠程的控制統一，按照應用服務的方式，采用可靠訂閱發布的質量標準進行，本地安全策略也會按應用服務的形式進行注冊、調用，并最終通過執行接口完成具體安全操作。遠程的控制指令可以按照單一應用部署，也可以多重關聯或嵌套，只要保證服務接口的數據一致性得到滿足。

（4）大數據層：負責數據的收集、組織、加工、發布，一方面這些事務都以組件方式進行設計，可以快速發布成服務支持外部訪問;另一方面組件化設計可以快速支撐內部交互合作。大數據層可支持各類數據庫和數據形式，只要數據組件保證不同數據庫的接入，并確保內部組件調用的數據一致性。

（5）訪問層：負責提供桌面網頁客戶端或移動客戶端的信息服務，部署在服務器上，通過MQTT與邊緣端進行數據通信，并開放OPC數據接口，以支持CPS的外部感知能力。

3? ? 單元級CPS應用驗證

基于FANUC系統應用的多類型數控機床進行了綜合驗證，包括臺灣榮田精機VL-400CM、起亞SKT28、臺中精機V26，如圖3所示。其中，VL-400CM支持直接以太網接口，SKT28支持PCMCIA接口，V26支持RS232C接口。邊緣端需兼容這些接口并支持互聯網數據傳輸，但不需要太強大的計算能力，因此采用輕量化Arduino平臺進行驗證。使用Arduino UNO R3邊緣集成平臺擴展無線以太網模塊ESP8266 Wi-Fi，并安裝標準MQTT庫PubSubClient。

邊緣端基于MQTT協議與數據服務端進行信息通信，數據服務端作為MQTT Server和OPC Server部署在云上。監控客戶端基于OPC協議從數據服務端獲得數控機床的實時狀態，并可進行遠程的參數控制。目前三個型號數控機床均完成了CPS改造，經試驗，本地的分類報警消息和人為設定用時超限報警比原機床更加直觀，同時遠程程序傳輸使得機械加工過程無人化進程在數控機床環節得到充分的實施驗證。該單元級CPS驗證為系統級CPS的應用設計打下了基礎。

4? ? 結語

單元級CPS是智能制造應用的基礎，它負責連接個體設備并提供被感知和控制的能力，同時，支持內嵌業務邏輯應用的設計將有利于系統級CPS的集成和實施。由數控機床、機器人、AGV小車、傳送帶等構成的智能生產線作為系統級CPS，可通過制造執行系統（MES）對人、機、物、料、環等生產要素進行生產調度、設備管理、物料配送、計劃排產和質量監控。

雖然本單元CPS設計完成了實時感知、本地分析處理、快速操作以及外部感知控制的能力，但在安全性和自動化程度上還有很多需要提升的，包括通信數字簽名、自適配接口和實時斷網恢復。

[參考文獻]

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收稿日期：2020-06-10

作者簡介：樊淑萍（1978—），女，山東人，工程師，研究方向：紡織機械設備電氣自動化、智能控制系統、智能制造體系在紡織機械行業的應用等。