面向智能機床及服務(wù)的CPS參考模型

劉廣杰+洪月蓉

摘要：隨著機床的的快速發(fā)展，智能機床已經(jīng)成為了未來機床發(fā)展的必然趨勢。在文中介紹了CPS系統(tǒng)，并就面向智能機床以及服務(wù)的CPS參考模型進行了論述，以期可以為智能機床的發(fā)展提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】智能機床 CPS 服務(wù)

1 特點

CPS是系統(tǒng)的系統(tǒng)，其一個基本的特征就是物理空問的對象都可以在CPS中找到虛擬的映像。而虛擬的映像又會對實際的物理空問產(chǎn)生影響。目前，傳統(tǒng)的數(shù)控機床的控制結(jié)構(gòu)和邏輯基本上遵循分布式控制系統(tǒng)的特點，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)

主控制器（CNC）負責(zé)整個機床的運動控制和邏輯控制，處于分布式控制結(jié)構(gòu)的第一層，第二層由邏輯控制器、伺服驅(qū)動器、主軸控制器組成，其負責(zé)將主控制器的指令轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)可以理解的方式（開關(guān)信號或者電流信號），第三層由執(zhí)行機構(gòu)組成，比如伺服電機、主軸電機、冷卻液泵、照明等。然后是各種反饋信息，用于檢測執(zhí)行機構(gòu)是否執(zhí)行到位。因此信息存在三個傳遞的層次。

從CPS基本定義的角度來看，數(shù)控機床具備了一個CPS系統(tǒng)的基本特征。人的指令通過數(shù)控系統(tǒng)的計算后變成機器可以理解的信息傳遞到各個運動控制和邏輯控制部件上，運動控制或者邏輯控制部件經(jīng)過信號處理和運算來控制執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)的傳感器將反饋信號傳回運動控制或邏輯控制部件，完成控制閉環(huán)。

3 特征

在而向智能機床及服務(wù)的CPS這種網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)中，非常明顯的表現(xiàn)出以下的一些特征，這是傳統(tǒng)數(shù)控機床CPS所不具備的特征，同時這些特征與前述講過的傳統(tǒng)數(shù)控機床CPS的特征并不矛盾和沖突，甚至是前述特征的繼承和發(fā)展。

（1）全局虛擬化，徹底打破物理空問的束縛，每一個實際的物理設(shè)備都在虛擬空問里而有一個相應(yīng)的映像，這個映像是對物理設(shè)備的各種狀態(tài)和能力的一種數(shù)據(jù)化。每一個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點將變成一個服務(wù)發(fā)布的點，這種服務(wù)的發(fā)布將使網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點能夠讀懂這個節(jié)點可以做的事情，當(dāng)前的狀態(tài)等等，全局虛擬化是后而的機器自組態(tài)、機器自治的基礎(chǔ)。每個設(shè)備都可以通過修改虛擬空問中對應(yīng)的映像的參數(shù)而對物理空問中的設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的影Ⅱ向。

（2）標準的語義和標準的數(shù)據(jù)接口，設(shè)備互連的一個基礎(chǔ)就是相互之問能夠“讀懂”對方的信息，就像人類世界一樣，必須有大家都能夠懂得的語言或者動作進行交流，才能夠相互理解彼此。那么在全局虛擬化的基礎(chǔ)上，通過采用統(tǒng)一標準的語義描述，通過標準的數(shù)據(jù)接口進行相互之問的信息傳輸，才能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。

（3）全局時問的同步性和局部的實時性，由于工業(yè)制造的特性，其設(shè)備相互之問的配合需要有一定的時序，否則容易因為時序的混亂和不一致而導(dǎo)致不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生。因此在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，需要對時問保持同步，才能保證制造過程中的時序不會產(chǎn)生混亂。同時對于智能機床來說，其屬于運動控制的配合部分依然需要毫秒甚至微秒級的實時同步。

（4）設(shè)備自治和自組態(tài)，在基于設(shè)備互聯(lián)互通基礎(chǔ)上，形成以服務(wù)為需求發(fā)起的設(shè)備自治形式將是未來智能制造非常重要的基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)的分布式控制結(jié)構(gòu)在虛擬空問中被打破，不同的服務(wù)可以根據(jù)需求隨時重組各種所需要的組建進行服務(wù)，關(guān)于這部分，還可以進行更深入的討論，如下圖所示僅作為概念展示。

（5）組件化和服務(wù)化，組件化的概念類似于模塊化，在物理空問里，功能相關(guān)的部件將以組件的形式出現(xiàn)，每一個組件就是可以完成某一項功能和服務(wù)的模塊，組件之問通過相互組合產(chǎn)生新的功能和形態(tài)。

（6）廣域性，由于智能機床的組件化以及組件的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，使這些組件在虛擬空問中都有相應(yīng)的映像，因此在虛擬空問中，很多分布在不同物理空問中的組件，可以連接起來從而產(chǎn)生新的服務(wù)。

（7）安全性，在設(shè)備互聯(lián)互通的時代，網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)上的應(yīng)用也將而臨和互聯(lián)網(wǎng)一樣的挑戰(zhàn)，就是安全性，安全性體現(xiàn)在比如信息傳輸?shù)陌踩?，信息存儲的安全性，設(shè)備的操作權(quán)限的安全性。由于設(shè)備在虛擬空問里都有相應(yīng)的映像，而且對這些映像的操作則物理空問里實際上也會產(chǎn)生同樣的操作。因此設(shè)備虛擬映像的操作權(quán)限的安全性也就變得跟信息傳輸和存儲的安全性同樣重要，甚至更為重要。

（8）數(shù)據(jù)的操作性，由于全局虛擬化的應(yīng)用，使得一切的在物理空問的活動都可以在虛擬空問中以數(shù)據(jù)的形式存在，因此對這些海量數(shù)據(jù)的協(xié)作、分析、應(yīng)用等操作將產(chǎn)生極大的應(yīng)用價值。未來大量的服務(wù)將基于對于數(shù)據(jù)的操作而進行，因為通過數(shù)據(jù)的分析，不僅可以知道現(xiàn)在，更可以預(yù)測未來，這將在未來智能機床的維護服務(wù)中取得非常重要的應(yīng)用。

參考文獻

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