基于CPS的車間設備物聯網架構及技術研究

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

隨著智能制造在制造領域的快速發展和深入應用，信息物理系統（Cyber-physical System，CPS）作為智能制造體系建設的核心[1-2]，受到了日益廣泛的關注，眾多學者對基于CPS的企業智能制造體系建設，以及智能工廠和智能車間的智能制造應用進行了廣泛深入的研究。文獻[3]針對制造業智能制造體系建設，給出信息物理系統參考體系結構。文獻[4]針對智能制造功能架構設計問題，以企業信息化系統為主線，給出基于CPS的功能架構設計方法。文獻[5]針對智能工廠的異構通信技術應用現狀，給出了基于CPS的實現技術研究。此外，眾多學者還針對制造單元監測、管控和機床智能監控進行了基于CPS的系統設計及實現研究[6-9]。

互聯互通是開展智能制造的重要基礎，通過設備互聯和信息互通實現數據的閉環自動流動是智能制造的本質要求。物聯網技術以互聯互通為基本原則，為企業設備互聯提供了有力的解決方案，將物聯網應用到工廠/車間的設備互聯得到了普遍認可。例如，針對工廠智能制造和物聯網系統的總體規劃設計和實施研究[10]，針對離散制造行業車間物聯網系統的關鍵技術研究[11-12]，利用物聯網實現車間監測、控制，以及故障預警的研究[13-14]，此外，更多的研究集中在利用物聯網技術實現車間數據采集和管理方面[15-19]。

基于上述研究成果，本文從智能制造系統本質要求的角度出發，基于CPS實現原理，結合物聯網參考體系架構，提出了一種基于CPS的車間設備物聯網系統架構，并對架構的關鍵實施技術進行了研究，旨在為智能車間設備互聯提供一種可借鑒的參考解決方案。

1 系統理論基礎

1）物聯網參考體系架構[20]。

物聯網參考體系架構如圖1所示，由感知及控制層、網絡層，平臺服務層及應用層構成。

圖1 物聯網參考體系架構

感知及控制層通過物聯網終端獲取環境、設備、系統、過程的狀態信息，經處理后通過網絡層向外傳輸；同時也通過網絡層接收執行指令，傳遞給控制系統以實現設備、系統、過程的控制。典型的物聯網終端包括傳感器、控制器、執行器、計量器等，例如二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等。

網絡層由各種通信網絡構成，例如各種廣域網、局域網、有線網、無線網、移動通信網及網關設備等，用于信息、數據、指令在感知及控制層、平臺服務層和應用層之間的傳輸，此外還包括網絡管理、云計算、專家系統、信息中心等信息和數據處理系統。

平臺服務層是物聯網系統中的物聯網平臺，是物聯網體系架構和產業鏈中的關鍵環節，不僅實現對物聯網終端和企業資產的管控和運營，而且實現與感知及控制層的連接以及為應用層提供開發和應用接口，并通過平臺設備、平臺系統、相關業務及管理為產業鏈相關行業提供數據路由、處理、挖掘、仿真優化，以及業務應用開發和設備維護等服務。

應用層是根據業務需求，在平臺服務層基礎上建立的物聯網應用集合，提供企業內部和相關上下游企業的業務應用、業務管理、業務服務及內容服務等。應用服務層是實現企業智能化應用的解決方案集合，用以實現信息技術與行業技術的深度融合以及行業智能化。

2）信息物理系統原理[1-2]。

CPS是由信息系統和物理系統及相關組件構成的狀態感知、實時分析、科學決策和精準執行的數據自動流動閉環系統。CPS包含單元級、系統級、系統之系統級3個層次。

單元級CPS結構如圖2所示，是由信息系統、物理系統、傳感器、執行器、期望目標、初始配置、關聯資源構成的最小閉環系統。信息系統包含物理系統的信息模型以及滿足物理系統感知或控制需求的功能描述模型，其中信息模型是物理系統的特征描述模型，例如幾何特征、物理特征、行為特征、規則特征等。期望目標是物理系統的期望響應，初始配置用于信息系統初始化，關聯資源是信息系統維持運行所需內外部資源，傳感器用于感知物理系統狀態，執行器用于控制物理系統行為。信息系統根據期望目標進行初始配置，調取關聯資源后，通過對物理系統的感知，分析物理系統的狀態，將控制或決策指令傳遞給物理系統，使物理系統產生期望的響應。

圖2 單元級CPS結構

系統級CPS由單元級CPS通過CPS網絡互聯構成，每個單元級CPS可獨立完成系統的特定目標任務，多個單元級CPS可共同完成整個系統的目標任務。系統級CPS實現多個單元級CPS的協同運行，以及更廣范圍的閉環運行和數據的自動流動。

系統之系統級CPS由多個系統級CPS、CPS網絡及CPS智能服務平臺構成，每個系統級CPS可獨立完成特定目標任務，多個系統級CPS可通過協同方式共同完成系統的目標任務。 CPS智能服務平臺保證系統級CPS的調度和協同工作，對多個系統級CPS進行統一監測、數據分析、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優化以及數據自動流動。系統之系統級CPS實現跨系統的互聯互通，為全局范圍內同構或異構系統集成提供了解決途徑。

2 系統總體架構

基于CPS原理和物聯網參考架構的車間設備物聯網系統總體架構如圖3所示，包括終端層、CPS信息系統層、CPS智能服務層等3個層次。依據制造企業生產要素的劃分方法，將車間終端層對象分為3類，第一類由人員、物料、工裝和相應的管控系統構成，第二類由生產設備和對應的管控系統構成，第三類由環境感知裝置和對應的管控系統構成。3類終端層對象分別和對應的CPS信息系統構成系統級CPS，每個系統級CPS均可根據功能需求包含多個單元級CPS。CPS信息系統與物理系統通過車間工業通信網絡互聯，不同的物理系統可以采用相同或不同的網絡通信技術。CPS信息系統層由車間所有系統級CPS的信息系統構成，CPS信息系統由感知接口、執行接口、采集接口、控制接口和CPS信息模型構成，其中感知接口用于接收物理系統傳遞的狀態信息和數據，執行接口用于向物理系統下發指令，改變物理系統的狀態，采集接口用于向CPS智能服務平臺傳遞終端層的采集信息和數據，控制接口用于接收CPS智能服務平臺下發的指令。CPS信息模型包含了滿足感知、執行、采集、控制功能的模型，以及終端層對象的內部狀態描述模型。CPS智能服務平臺通過對3個信息子系統的監控，實現在車間生產、管理、運行過程中對終端層對象的狀態監測、集中管理，以及控制和調度。CPS智能服務平臺由數據接入層、數據管理層、服務層和應用層構成，其中數據接入層用于信息和數據的收集、解析、處理。數據管理層用于信息和數據的清洗、融合、存儲。服務層提供車間生產和管理業務服務以及業務服務配置和服務資源管理。應用層用于提供車間物聯網系統的狀態監測、數據分析、輔助決策、控制調度等企業應用。CPS智能服務層和CPS信息系統層以及終端層共同構成系統之系統級CPS。

圖3 車間設備物聯網系統總體架構

通過車間設備物聯網的構建，使車間的人員、物料、工裝、設備、環境的信息和數據通過對應的管控系統獲得，利用車間各種類型的工業通信網絡，經過對應的CPS信息系統感知接口上傳到CPS信息子系統，CPS信息子系統根據功能需求，通過CPS信息模型處理上傳的數據，根據CPS智能服務平臺的采集需求，利用采集接口經過工業互聯網接入CPS智能服務平臺，CPS智能服務平臺對上傳數據采集、匯聚、解析、清洗、融合、存儲后，根據不同的業務服務需求提供所需數據，應用層基于不同的應用目標，利用業務服務的分析、計算、處理、控制、決策等結果實現相應的企業應用功能。對需要進行決策控制干預的生產和管理活動，由CPS智能服務平臺將指令信息分發到對應的CPS信息子系統，CPS信息子系統通過控制接口接收下傳信息、指令、數據，根據功能需求經過CPS信息模型處理后經由執行接口傳遞到終端層對象管控系統，由管控系統實現對終端層對象的狀態更新和控制調度。經過以上數據流轉過程，實現車間設備物聯網架構內數據的閉環自動流動。

3 系統實施技術

車間設備物聯網系統技術架構如圖4所示，人員、物料、工裝、設備、環境等物聯網終端與管控系統的典型通信方式包括如RS232、RS485、Modbus、Profibus、Modbus TCP、Profinet、WiredWireless Ethernet、WSN、Zigbee、RFID、OPC等。管控系統與CPS信息系統的感知和執行接口通信方式由管控系統自身與外部通信方式確定。各CPS信息系統通過基于MQTT通信的采集和控制接口實現與CPS智能服務平臺接入層的通信，分別負責CPS信息系統的數據采集和決策指令接收任務，CPS智能服務平臺接入層通過MQTT通信實現數據接入和數據發送接口，分別負責終端數據的接入和決策指令的下發任務。MQTT是構建在TCP/IP協議基礎之上的輕量級通信協議，隨著物聯網技術的廣泛應用，MQTT成為物聯網應用最主要的通信協議，其原因在于MQTT開發過程簡單，通信過程占用帶寬資源較少，同時能夠在物聯網終端之間提供可靠、實時的消息傳輸服務。MQTT協議采用客戶端/服務器模式，客戶端既可以是消息發布者也可以是消息訂閱者，MQTT代理服務器作為消息接收和轉發的代理?？蛻舳撕头掌鞫艘部梢酝瑫r是發布者和訂閱者，通過這種機制實現了一對多、多對一及一對一等通信方式。靈活的通信方式使得MQTT 滿足信息和數據閉環要求，成為車間物聯網系統的首選通信方式[21-24]。

圖4 車間設備物聯網系統技術架構

CPS 智能服務平臺數據管理層負責物聯網數據的清洗、融合、存儲。通常采用主流的數據庫系統，例如Mysql、MongoDB、Hbase等。Mysql數據庫適用于存儲關系型數據，數據具有復雜查詢需求。MongoDB數據庫適用于存儲非關系型數據，數據查詢具有高速、實時性需求。HBase數據庫適用于存儲歷史數據，包括結構化數據和非結構化數據。其優點是能夠存儲海量數據，同時有利于海量數據查詢分析，并且Hadoop架構具備豐富的數據挖掘、大數據分析、數據倉庫等組件或軟件支持，特別適用于數據挖掘、數據分析應用。在數據管理層設計過程中，可以依據數據不同特征和需求選擇使用一種或多種數據庫建立數據管理系統[25-28]。

CPS智能服務平臺服務層包含車間要素和業務管理服務、平臺資源管理服務，同時具有服務管理和配置功能。當前服務層主流實現技術是微服務架構，例如基于Docker的微服務架構等。對于車間設備物聯網來講，CPS智能服務平臺包含了車間眾多要素和相關業務服務的管理、綜合、協調和調度，可看作是眾多單元級或系統級CPS的信息系統構成的大系統，通過微服務架構設計模式可以將其分解為多個能夠獨立運行的子系統，各子系統可以獨立完成某項任務，也可以通過協調共同完成某項任務，各個子系統之間以及外部與系統之間可以通過REST API進行數據交互，不同子系統可以根據不同的業務需求采用不同的設計方案，系統不會特別依賴某一固定架構或者某一編程語言，各子系統微服務升級或改動時，不會對系統整體規劃產生過多影響，當需要增加或減少子系統時，可以獨立編譯部署，不會影響到其他子系統，從而降低技術風險，提高實施效率，縮短實施周期[29-30]。

CPS智能服務平臺應用層提供車間物聯網系統的監測、管理、分析、診斷、預警、配置、調度、控制的交互功能，通常采用基于WEB 的可視化技術，WEB可視化開發和應用的主流技術框架包括AngularJS、React和Vue等3種。其中AngularJS適用于MVC架構的WEB應用，能夠開發動態WEB應用程序，其優點是零配置和深度整合設計模式。React適用于構建數據會隨時間而變化的大型應用程序，開發過程簡單，界面簡潔清晰，可以隨數據變化高效地更新渲染界面。Vue適用于開發單頁面應用程序，還可以作為WEB應用框架，簡化WEB開發。同時Vue提供數據綁定和組件系統，具有簡單靈活的應用程序接口。在應用層構建過程中，可以根據具體的業務特征選擇相對適合的技術框架。

4 結語

企業智能制造的發展是各個行業先進制造技術與信息技術的深度融合，大數據、云計算、物聯網、人工智能、移動通信、信息物理系統等計算、通信、控制、信息技術將不斷推動智能制造向縱深發展?；贑PS的車間設備物聯網架構將信息物理系統原理和物聯網架構有機融合，實現智能車間的設備互聯，以及數據的感知、分析、決策、執行的閉環自動流動，體現了智能制造的本質要求，為制造企業開展智能制造，建立設備互聯網，實現互聯互通提供了一種可供參考的解決方案。