機(jī)械加工行業(yè)單元級(jí)CPS的研究與設(shè)計(jì)

摘要：信息物理系統(tǒng)CPS（Cyber-Physical Systems）在高端裝備制造業(yè)和復(fù)雜流程制造業(yè)，尤其是航空航天、國(guó)防、船舶、電力、石油化工等行業(yè)的應(yīng)用研究，主要集中在安全和高性能架構(gòu)、建模與分析上。在傳統(tǒng)機(jī)械加工行業(yè)，由于其離散制造的特質(zhì)，CPS應(yīng)用首先要實(shí)現(xiàn)單元級(jí)數(shù)控機(jī)床的可視、可控、可互操作?，F(xiàn)結(jié)合機(jī)械加工行業(yè)在智能制造方向的發(fā)展前景分析，提出一種單元級(jí)CPS的思路和框架，并基于Fanuc數(shù)控機(jī)床進(jìn)行非嵌入外掛式的單元級(jí)CPS實(shí)現(xiàn)，最后從應(yīng)用擴(kuò)展和實(shí)效性角度討論了機(jī)械加工行業(yè)單元級(jí)CPS的幾點(diǎn)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：CPS;信息物理系統(tǒng);機(jī)械加工;智能制造

0? ? 引言

CPS是將網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)和配套物理系統(tǒng)進(jìn)行深度融合與析構(gòu)的技術(shù)研究方向和應(yīng)用組織形式。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的定義，CPS是將計(jì)算與物理資源緊密結(jié)合所構(gòu)成的系統(tǒng)，應(yīng)具有對(duì)大規(guī)?；ヂ?lián)物理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、仿真、分析和控制的功能，最終目標(biāo)是使未來(lái)的物理系統(tǒng)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(xué)者認(rèn)為，CPS是集成了計(jì)算系統(tǒng)、大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的新型互聯(lián)系統(tǒng)[2]。但撇去規(guī)模支持的表述，CPS其根本是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)[3]。

目前，對(duì)CPS在高端裝備制造業(yè)和復(fù)雜流程制造業(yè)，尤其是航空航天、國(guó)防、船舶、電力、石油化工等行業(yè)的應(yīng)用研究主要集中在安全和高性能架構(gòu)、建模與分析上[4-5]。而對(duì)于離散制造的典型行業(yè)，機(jī)械加工在支持國(guó)家智能制造體系的要求下，必須首先實(shí)現(xiàn)CPS的貫徹和實(shí)施。

1? ? 機(jī)械加工業(yè)CPS核心應(yīng)用體系

基礎(chǔ)的CPS是將物理系統(tǒng)里的感知單元和執(zhí)行單元通過(guò)可信任網(wǎng)絡(luò)與CPS單元進(jìn)行交互，其核心在于物理系統(tǒng)與CPS的實(shí)時(shí)事件消息定義以及中心化數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)[6]。對(duì)于一個(gè)智能化CPS的應(yīng)用，它的能力不應(yīng)僅限于設(shè)計(jì)之初就實(shí)現(xiàn)的信息組織邏輯，比如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息和控制指令。CPS應(yīng)當(dāng)可以在持續(xù)迭代更新甚至擴(kuò)展的制造系統(tǒng)里，承擔(dān)數(shù)據(jù)服務(wù)和邊緣端處理任務(wù)。因此，結(jié)合機(jī)械加工行業(yè)以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)的離散訂單式作業(yè)形態(tài)，CPS應(yīng)用體系可以分為三層結(jié)構(gòu)：?jiǎn)卧?jí)、系統(tǒng)級(jí)和平臺(tái)級(jí)，如圖1所示。

單元級(jí)CPS應(yīng)用重點(diǎn)解決數(shù)控機(jī)床或工業(yè)機(jī)器人或熱處理設(shè)備的有效高效運(yùn)行，包括從設(shè)備狀態(tài)感知、狀態(tài)實(shí)時(shí)分析、執(zhí)行命令決策到精準(zhǔn)控制操作的全過(guò)程，同時(shí)為系統(tǒng)級(jí)或外部設(shè)備提供本設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)。單元級(jí)CPS的核心在于其數(shù)據(jù)開(kāi)放層次，初級(jí)的數(shù)據(jù)開(kāi)放是原始數(shù)字甚至是電脈沖信號(hào)，外部可以極速截獲真實(shí)的設(shè)備數(shù)據(jù)，大部分商用設(shè)備會(huì)提供比如串口的原始數(shù)據(jù)。中級(jí)的數(shù)據(jù)開(kāi)放是單數(shù)據(jù)棧信息化處理后數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都帶有內(nèi)容標(biāo)志，比如功率/轉(zhuǎn)速，外部可以很容易理解。這些數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)了CPS初步質(zhì)量清理后輸出的，比如插值/過(guò)濾。高級(jí)的數(shù)據(jù)開(kāi)放是通過(guò)功能模型處理后的數(shù)據(jù)，可以部分甚至直接指導(dǎo)分析決策，比如工差/完成度。

系統(tǒng)級(jí)CPS應(yīng)用圍繞自動(dòng)化流水線或智能倉(cāng)庫(kù)[7]。一方面可以從單元級(jí)CPS那感知設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)從制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）里感知工序進(jìn)度，并基于此完成動(dòng)態(tài)排程優(yōu)化。另一方面，數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)組織提供生產(chǎn)計(jì)劃狀態(tài)分析能力，管理者可以在CPS上完成工序智能排程，并快速實(shí)施到MES里，指導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)各工序?qū)?yīng)設(shè)備以及原料/半成品的供應(yīng)。

平臺(tái)級(jí)CPS應(yīng)用面向多車間或多企業(yè)的協(xié)同生產(chǎn)，感知的數(shù)據(jù)不再是生產(chǎn)過(guò)程，而是來(lái)自ERP的生產(chǎn)能力體現(xiàn)[8]。該CPS仍然和物理世界做關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)的因素包括生產(chǎn)方人員和設(shè)備、供應(yīng)商的原料、消費(fèi)商的訂單。該級(jí)別的CPS從這些數(shù)據(jù)上進(jìn)行產(chǎn)能實(shí)時(shí)分析，并完成供需結(jié)構(gòu)調(diào)整，最終指導(dǎo)生產(chǎn)組織實(shí)施。該實(shí)施過(guò)程可以基于系統(tǒng)級(jí)CPS，也可以通過(guò)別的通信能力傳達(dá)到具體的產(chǎn)線和倉(cāng)庫(kù)。

從智能制造的規(guī)模層次上看，三層的CPS應(yīng)用設(shè)計(jì)更能體現(xiàn)分級(jí)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(yè)現(xiàn)狀所接受。

2? ? 單元級(jí)CPS架構(gòu)

單元級(jí)CPS作為信息物理系統(tǒng)最小單元，除感知和業(yè)務(wù)處理外，需重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字化聯(lián)網(wǎng)和控制，典型的如智能軸承、智能機(jī)器人、智能數(shù)控機(jī)床等。通常單元級(jí)CPS需要邊緣端設(shè)備或設(shè)備內(nèi)嵌應(yīng)用兩種方式實(shí)現(xiàn)，如具備傳感、控制功能的機(jī)械臂和傳動(dòng)軸承等?，F(xiàn)在大部分單元級(jí)CPS只是針對(duì)特定業(yè)務(wù)邏輯，雖具備了可感知、可計(jì)算、可交互、自決策的能力[9]，但在可被識(shí)別、定位、訪問(wèn)、聯(lián)網(wǎng)以及可擴(kuò)展性上的考慮不多不多[10]。因此，有必要在保證實(shí)時(shí)性和可操作性的基礎(chǔ)上，提出適合單元級(jí)輕量CPS的五層架構(gòu)，包括基礎(chǔ)支撐層、感知層、邊緣控制層、大數(shù)據(jù)層和訪問(wèn)層，如圖2所示。

（1）基礎(chǔ)支撐層：負(fù)責(zé)提供業(yè)務(wù)組織和訪問(wèn)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)訪問(wèn)、操作事務(wù)嵌入、用戶鑒權(quán)、事務(wù)觸發(fā)機(jī)制等。它為感知層、控制層和大數(shù)據(jù)層提供微服務(wù)結(jié)構(gòu)的事務(wù)打包，同時(shí)為訪問(wèn)層提供API網(wǎng)關(guān)形式的外部信息訪問(wèn)和控制接入。

（2）感知層：負(fù)責(zé)CPS里對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取，通?；赗S485或以太網(wǎng)接口，上面適配不同的協(xié)議棧，比如Modbus RTU/Profibus DP。為了保證數(shù)據(jù)可靠和可信，需要內(nèi)嵌基礎(chǔ)的維護(hù)模塊和轉(zhuǎn)置模塊，比如電壓轉(zhuǎn)安全等級(jí)、功率轉(zhuǎn)負(fù)載數(shù)量等。同時(shí)，為了保證邊緣控制的快速實(shí)施，需要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)組織，通過(guò)內(nèi)部接口定義開(kāi)放給控制層做邏輯基礎(chǔ)判斷。

（3）邊緣控制層：負(fù)責(zé)實(shí)施安全相關(guān)的實(shí)時(shí)控制以及來(lái)自訪問(wèn)層的遠(yuǎn)程控制指令。內(nèi)嵌的安全策略是數(shù)據(jù)組織基礎(chǔ)上的安全模型定義，可以快速制動(dòng)或更改設(shè)備參數(shù)。而為了達(dá)到本地和遠(yuǎn)程的控制統(tǒng)一，按照應(yīng)用服務(wù)的方式，采用可靠訂閱發(fā)布的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，本地安全策略也會(huì)按應(yīng)用服務(wù)的形式進(jìn)行注冊(cè)、調(diào)用，并最終通過(guò)執(zhí)行接口完成具體安全操作。遠(yuǎn)程的控制指令可以按照單一應(yīng)用部署，也可以多重關(guān)聯(lián)或嵌套，只要保證服務(wù)接口的數(shù)據(jù)一致性得到滿足。

（4）大數(shù)據(jù)層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、組織、加工、發(fā)布，一方面這些事務(wù)都以組件方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以快速發(fā)布成服務(wù)支持外部訪問(wèn);另一方面組件化設(shè)計(jì)可以快速支撐內(nèi)部交互合作。大數(shù)據(jù)層可支持各類數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)形式，只要數(shù)據(jù)組件保證不同數(shù)據(jù)庫(kù)的接入，并確保內(nèi)部組件調(diào)用的數(shù)據(jù)一致性。

（5）訪問(wèn)層：負(fù)責(zé)提供桌面網(wǎng)頁(yè)客戶端或移動(dòng)客戶端的信息服務(wù)，部署在服務(wù)器上，通過(guò)MQTT與邊緣端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并開(kāi)放OPC數(shù)據(jù)接口，以支持CPS的外部感知能力。

3? ? 單元級(jí)CPS應(yīng)用驗(yàn)證

基于FANUC系統(tǒng)應(yīng)用的多類型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了綜合驗(yàn)證，包括臺(tái)灣榮田精機(jī)VL-400CM、起亞SKT28、臺(tái)中精機(jī)V26，如圖3所示。其中，VL-400CM支持直接以太網(wǎng)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(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，但不需要太強(qiáng)大的計(jì)算能力，因此采用輕量化Arduino平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。使用Arduino UNO R3邊緣集成平臺(tái)擴(kuò)展無(wú)線以太網(wǎng)模塊ESP8266 Wi-Fi，并安裝標(biāo)準(zhǔn)MQTT庫(kù)PubSubClient。

邊緣端基于MQTT協(xié)議與數(shù)據(jù)服務(wù)端進(jìn)行信息通信，數(shù)據(jù)服務(wù)端作為MQTT Server和OPC Server部署在云上。監(jiān)控客戶端基于OPC協(xié)議從數(shù)據(jù)服務(wù)端獲得數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程的參數(shù)控制。目前三個(gè)型號(hào)數(shù)控機(jī)床均完成了CPS改造，經(jīng)試驗(yàn)，本地的分類報(bào)警消息和人為設(shè)定用時(shí)超限報(bào)警比原機(jī)床更加直觀，同時(shí)遠(yuǎn)程程序傳輸使得機(jī)械加工過(guò)程無(wú)人化進(jìn)程在數(shù)控機(jī)床環(huán)節(jié)得到充分的實(shí)施驗(yàn)證。該單元級(jí)CPS驗(yàn)證為系統(tǒng)級(jí)CPS的應(yīng)用設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

單元級(jí)CPS是智能制造應(yīng)用的基礎(chǔ)，它負(fù)責(zé)連接個(gè)體設(shè)備并提供被感知和控制的能力，同時(shí)，支持內(nèi)嵌業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用的設(shè)計(jì)將有利于系統(tǒng)級(jí)CPS的集成和實(shí)施。由數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、AGV小車、傳送帶等構(gòu)成的智能生產(chǎn)線作為系統(tǒng)級(jí)CPS，可通過(guò)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）對(duì)人、機(jī)、物、料、環(huán)等生產(chǎn)要素進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、物料配送、計(jì)劃排產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)控。

雖然本單元CPS設(shè)計(jì)完成了實(shí)時(shí)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(dòng)化程度上還有很多需要提升的，包括通信數(shù)字簽名、自適配接口和實(shí)時(shí)斷網(wǎng)恢復(fù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] National Science Foundation of the United States.Cyber Physical system（CPS）program solicitation [EB/OL].（2010-07-01）[2020-06-05].http：//www.nsf.gov/pubs/2010/nsf10515/nsf10515.htm.

[2] 趙俊華，文福拴，薛禹勝，等.電力CPS的架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（16）：1-7.

[3] 蔣國(guó)平，樊春霞，宋玉蓉，等.復(fù)雜動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)同步控制及其在信息物理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，30（4）：41-51.

[4] 陳麗娜，王小樂(lè)，鄧蘇.CPS體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011，38（5）：295-300.

[5] 高星海.CPS與航空工業(yè)智能制造實(shí)踐[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2016（11）：22-25.

[6] TAN Y，GODDARD S，PEREZ L C.A prototype architecture for cyber-physical systems[J].ACM SIGBED Review，2008，5（1）：2.

[7] 周克良，周橋，胡梁眉.基于CPS架構(gòu)的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車輛的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2018，40（6）：74-77.

[8] 邱伯華，蔣云鵬，魏慕恒，等.知識(shí)經(jīng)濟(jì)與CPS在船舶工業(yè)中的應(yīng)用實(shí)踐[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2016（11）：17-21.

[9] 林驍元，郭其一，黃世澤.基于CPS的中小型電動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電一體化，2011，17（7）：80-84.

[10] 畢筱雪，于東，胡毅，等.面向CPS架構(gòu)的數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2017（3）：121-124.

收稿日期：2020-06-10

作者簡(jiǎn)介：樊淑萍（1978—），女，山東人，工程師，研究方向：紡織機(jī)械設(shè)備電氣自動(dòng)化、智能控制系統(tǒng)、智能制造體系在紡織機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用等。