機(jī)械加工行業(yè)CPS應(yīng)用研究

（北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司 北京 101111）

1 引言

CPS（信息物理系統(tǒng)）作為智能制造的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)概念型和應(yīng)用組織形式，重點(diǎn)是將真實(shí)物理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化的信息管理系統(tǒng)以及角色人進(jìn)行面向業(yè)務(wù)的析構(gòu)，進(jìn)而完成有機(jī)融合。

2006年美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）提出，CPS是將計(jì)算資源與物理資源緊密結(jié)合的系統(tǒng)，其最終目標(biāo)是使未來的物理系統(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]。從應(yīng)用對(duì)象上看，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]，它應(yīng)具有對(duì)大規(guī)模物聯(lián)世界進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、仿真、分析和控制的能力。因此，對(duì)CPS的研究成為了大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行智能制造升級(jí)的必要手段。站在工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)層次上看，CPS也存在不同的粒度和級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)工業(yè)企業(yè)的不同應(yīng)用對(duì)象。究其根本，CPS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3C（Computing,Communication,Control）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]。

在連續(xù)制造行業(yè)里，CPS有時(shí)被理解為智能工廠系統(tǒng)，或者是一個(gè)工廠數(shù)字化系統(tǒng)。CPS做到全面態(tài)勢感知、虛實(shí)共變、自組織與自適應(yīng)、知識(shí)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)智能工廠實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，信息集成、共享和協(xié)同功能，綜合仿真和全局優(yōu)化功能[4]。但事實(shí)上，CPS更重要的是它的小顆?；莫?dú)立性，也就是說不僅是企業(yè)級(jí)、車間級(jí)，甚至于單臺(tái)設(shè)備和工序集控點(diǎn)，都可以作為一個(gè)CPS[5][6]。而對(duì)于離散制造的典型行業(yè)，機(jī)械加工業(yè)存在產(chǎn)量不持續(xù)或小批量、型號(hào)繁多、工藝調(diào)整頻繁等固有屬性，它的CPS應(yīng)用始終沒法很好地形成體系化。但在支持國家智能制造體系的戰(zhàn)略部署背景下，機(jī)械加工業(yè)作為工業(yè)輸出的重要組成部分，同樣必須貫徹和實(shí)施CPS技術(shù)路徑，以確保在更有實(shí)效的智能化發(fā)展趨勢上保持領(lǐng)先。

機(jī)械加工行業(yè)企業(yè)超過90%仍處在自動(dòng)化和信息化階段，在這樣的情況下提出CPS智能化分析決策是不現(xiàn)實(shí)的。因此，針對(duì)智能制造方向發(fā)展前景，本文提出了一種面向當(dāng)前離散制造業(yè)數(shù)字化程度不高現(xiàn)狀的多層級(jí)CPS集成框架，并在解決單元級(jí)CNC數(shù)控機(jī)床的CPS應(yīng)用的基礎(chǔ)上，給出面向Fanuc數(shù)控機(jī)床的單元級(jí)CPS實(shí)現(xiàn)方案，最后從可擴(kuò)展性和長效性角度列舉了未來機(jī)械加工行業(yè)CPS的幾個(gè)關(guān)鍵問題解決思路。

2 機(jī)械加工業(yè)CPS核心應(yīng)用體系

機(jī)械加工業(yè)是傳統(tǒng)的工業(yè)基礎(chǔ)，它的加工主體通常是金屬毛坯或型材，加工方式包括材料結(jié)構(gòu)熱處理、型態(tài)處理、表面處理，附加的工藝過程包括裝配、調(diào)試、檢測及涂裝和包裝等。其中以數(shù)控加工中心提供的車、銑、刨、磨、鉆等型態(tài)處理是最常見也是最核心的工藝過程，大部分機(jī)械加工企業(yè)都在數(shù)控設(shè)備能力上要求頗高。小型加工企業(yè)通常只能圍繞數(shù)控加工中心來完成小額定制化生產(chǎn)任務(wù)，中大型企業(yè)則基于多臺(tái)套加工中心并行工作，配套原料半成品的物流倉儲(chǔ)控制，完成批量工藝定型產(chǎn)品的生產(chǎn)，這個(gè)批量生產(chǎn)過程以產(chǎn)線方式存在。不同產(chǎn)線之間由于存在大量類似工藝環(huán)節(jié)，因此信息化程度較高的企業(yè)會(huì)形成車間級(jí)協(xié)同和協(xié)調(diào)的生產(chǎn)能力。

顯然，智能制造區(qū)別于自動(dòng)化生產(chǎn)最大的表征就是，生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)的可感知、可控制、可自調(diào)節(jié)。因此，在這個(gè)要求背景下，CPS應(yīng)用是智能制造的核心體現(xiàn)。

在應(yīng)用層面上看，物理系統(tǒng)里的感知單元和執(zhí)行單元通過可信任通信網(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)事件消息交互定義以及中心化數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)[7]。CPS的智能化體現(xiàn)不僅限于設(shè)計(jì)之初就固化的信息組織邏輯，比如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息和控制指令，而應(yīng)當(dāng)可以在業(yè)務(wù)迭代更新過程，甚至面向擴(kuò)展業(yè)務(wù)系統(tǒng)時(shí)，都能承擔(dān)數(shù)據(jù)服務(wù)和邊緣端處理能力。因此，結(jié)合機(jī)械加工行業(yè)里離散訂單式作業(yè)形態(tài)特征，以及未來將會(huì)以產(chǎn)線和車間甚至企業(yè)為單位的協(xié)同生產(chǎn)模式，同時(shí)兼顧行業(yè)/國家層面的智能制造平臺(tái)的應(yīng)用（如海爾COSMOPlat、航天云網(wǎng)等）對(duì)產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的內(nèi)在分析控制能力，機(jī)械加工業(yè)的CPS應(yīng)用體系可以分為四層結(jié)構(gòu)：單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、企業(yè)級(jí)和產(chǎn)業(yè)級(jí)。這四級(jí)定義分別對(duì)應(yīng)單體設(shè)備/加工工序管控區(qū)、產(chǎn)線/車間、企業(yè)/聯(lián)合企業(yè)、行業(yè)上下游，CPS的結(jié)構(gòu)定義可以幫助各個(gè)層級(jí)完善自身能力的建設(shè)，并作出關(guān)聯(lián)層級(jí)的信息互操作設(shè)計(jì)（見圖1）。

圖1 機(jī)械加工業(yè)CPS核心應(yīng)用體系

機(jī)械加工業(yè)單元級(jí)CPS應(yīng)用的對(duì)象是集中加工環(huán)節(jié)，如數(shù)控加工中心、焊接工業(yè)機(jī)器人、熱處理設(shè)備。它負(fù)責(zé)提供單任務(wù)回路的感知、計(jì)算與控制，包括網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備狀態(tài)的數(shù)字化感知（可能是開關(guān)量，也可能是結(jié)構(gòu)化的信息）、結(jié)合工單進(jìn)行的任務(wù)跟蹤分析（從預(yù)備的時(shí)間估算到執(zhí)行啟動(dòng)控制再到故障狀態(tài)預(yù)警）、人在回路的決策控制（包括刀具選擇、加工程序下載、運(yùn)動(dòng)路徑選擇、加熱通氣的參數(shù)配置定義等），到最終執(zhí)行控制完成任務(wù)操作（如車銑刨磨、焊接搬運(yùn)、檢測反饋）的全過程。

單元級(jí)CPS面向的工藝輸出通常是可預(yù)知的，所以在設(shè)計(jì)單元級(jí)CPS時(shí)，通常會(huì)結(jié)合工藝設(shè)定與輸出的配套數(shù)字化定義來完成應(yīng)用。單元級(jí)CPS的計(jì)算和數(shù)據(jù)緩存會(huì)放在本地以保證實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)類型需要圍繞應(yīng)用進(jìn)行結(jié)構(gòu)化加工，如針對(duì)機(jī)床的工差定義可以把進(jìn)刀補(bǔ)償和主軸/給進(jìn)轉(zhuǎn)速等參數(shù)作為數(shù)據(jù)組計(jì)算后整體提供并進(jìn)入控制回路，而不需要把每個(gè)單獨(dú)參數(shù)發(fā)到系統(tǒng)級(jí)CPS里做運(yùn)算再回到控制通道。

機(jī)械加工系統(tǒng)級(jí)CPS應(yīng)用的對(duì)象是自動(dòng)化流水線、智能倉庫、加工車間[8]。它運(yùn)行感知的能力是依賴于現(xiàn)場的數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時(shí)提供或者由單元級(jí)CPS的云數(shù)據(jù)服務(wù)器通過訂閱機(jī)制提供。系統(tǒng)級(jí)CPS是要完成并自動(dòng)優(yōu)化工單的執(zhí)行，因此它操作的數(shù)據(jù)大部分是加工過的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如BOM、檢測報(bào)告、設(shè)備健康值）和經(jīng)營結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（工單、原料庫存、人員參與度和崗位設(shè)定）。再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、轉(zhuǎn)換、綜合，并最終產(chǎn)生如生產(chǎn)率、工單進(jìn)度、成品率、人員績效評(píng)估等典型應(yīng)用指標(biāo)，管理人員會(huì)從負(fù)責(zé)系統(tǒng)級(jí)CPS的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）里完成決策和控制，如動(dòng)態(tài)排程優(yōu)化、人員調(diào)配、設(shè)備管控、原料/半成品的供應(yīng)等。這些操作的結(jié)果將是企業(yè)運(yùn)營的重要參考。

機(jī)械加工企業(yè)級(jí)CPS應(yīng)用面向的是多車間協(xié)同或企業(yè)的運(yùn)營管理，它感知的數(shù)據(jù)將圍繞以ERP為代表的生產(chǎn)數(shù)據(jù)[9]和市場分析數(shù)據(jù)。在企業(yè)級(jí)CPS里，我們通常會(huì)集中提供分析決策模型，幫助經(jīng)營者完成供和需兩頭的預(yù)測和服務(wù)能力的評(píng)估。這些評(píng)估會(huì)圍繞利潤率、產(chǎn)能、人才結(jié)構(gòu)等方面展開，現(xiàn)階段常見的是以預(yù)警或評(píng)級(jí)的方式出現(xiàn)。在大數(shù)據(jù)的支持下，企業(yè)級(jí)CPS的未來會(huì)增加預(yù)測模型，幫助最終經(jīng)營者完成生產(chǎn)組織的調(diào)整優(yōu)化。

機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)級(jí)CPS應(yīng)用是站在國家和行業(yè)的角度，保證其長期穩(wěn)定的發(fā)展，并重點(diǎn)提升關(guān)鍵效益子產(chǎn)業(yè)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。它感知的內(nèi)容是來自企業(yè)的經(jīng)營數(shù)據(jù)，通常這些數(shù)據(jù)是通過行業(yè)協(xié)會(huì)或金融機(jī)構(gòu)獲得。如今出現(xiàn)的面向智能制造的供需平臺(tái)，如COSMOPlat、航天云網(wǎng)，它們負(fù)責(zé)打通產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，并初步將這些新興制造業(yè)的能力輸出進(jìn)行了跨企業(yè)的評(píng)估。雖然它們現(xiàn)在還不能負(fù)擔(dān)起這些精細(xì)化生產(chǎn)核心的供需數(shù)據(jù)服務(wù)，但產(chǎn)業(yè)級(jí)CPS還是可以掛接到這些平臺(tái)上，幫助行業(yè)機(jī)構(gòu)/政府進(jìn)行宏觀的決策分析，推導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的生命力和關(guān)鍵指標(biāo)。而最終的政策引導(dǎo)、行業(yè)咨文和金融行為都將會(huì)產(chǎn)生控制，形成市場數(shù)據(jù)，并回歸到企業(yè)級(jí)CPS的感知范圍。

顯然，這樣的四層結(jié)構(gòu)代表的是不同粒度的智能化個(gè)體能力。通過能力印射，單元級(jí)CPS應(yīng)用可以幫助小型定制化企業(yè)完成生產(chǎn)能力的集約化管控，確保資源釋放的效費(fèi)比。系統(tǒng)級(jí)CPS應(yīng)用可以輔助大中型批產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)流程化生產(chǎn)柔性化，保障產(chǎn)品訂單實(shí)施的合理化。企業(yè)級(jí)CPS應(yīng)用則最終滿足超大型企業(yè)和機(jī)械加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)以工藝過程交付能力為核心的資源自組織，提升生產(chǎn)資源與生產(chǎn)力的有機(jī)搭配。產(chǎn)業(yè)級(jí)CPS會(huì)從社會(huì)感知層次幫助跨企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)。從智能制造的規(guī)模層次上看，每一層都兼顧C(jī)PS的3C 要求和上下串接的能力，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，非常符合當(dāng)前機(jī)械加工業(yè)的智能化進(jìn)程需求。

3 單元級(jí)CPS應(yīng)用

單元級(jí)CPS作為可理解的智能制造系統(tǒng)最小感控單元，其重點(diǎn)是解決設(shè)備數(shù)字互聯(lián)控制，通過邊緣端設(shè)備或設(shè)備內(nèi)嵌應(yīng)用兩種方式實(shí)現(xiàn)，如加設(shè)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[10]，但考慮到單元級(jí)CPS與系統(tǒng)級(jí)CPS的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，而且是網(wǎng)絡(luò)化流程化互操作，因此單元級(jí)CPS還應(yīng)在普適識(shí)別、精確定位、路由訪問、動(dòng)態(tài)聯(lián)網(wǎng)以及節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)[11]。典型的單元級(jí)CPS可歸納為六層架構(gòu)，包括基礎(chǔ)支撐層、感知層、邊緣控制層、大數(shù)據(jù)層、訪問層和安全互操作層（見圖2）。

基礎(chǔ)支撐層：負(fù)責(zé)CPS內(nèi)部的業(yè)務(wù)組織和外部協(xié)調(diào)框架，它與大數(shù)據(jù)層、訪問層、安全互操作層協(xié)同完成內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)和外部數(shù)據(jù)互通以及設(shè)備互操作。從外部角度上看，基礎(chǔ)支撐層在CPS內(nèi)提供了一種數(shù)據(jù)組織和提取的方式，同時(shí)提供獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理能力。

感知層：負(fù)責(zé)CPS里對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)以及外部數(shù)據(jù)的獲取，包括設(shè)備本體運(yùn)行參數(shù)、加工件信息、協(xié)同設(shè)備可操作狀態(tài)等。通過提供標(biāo)準(zhǔn)信息結(jié)構(gòu)，感知層可以將可控部件/元件確立為CPS型態(tài)，能夠持續(xù)主動(dòng)為外部系統(tǒng)提供狀態(tài)數(shù)據(jù)，也可以被動(dòng)釋放實(shí)時(shí)或歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)。

邊緣控制層：負(fù)責(zé)直接通過內(nèi)嵌協(xié)議有線或無線方式下達(dá)本設(shè)備控制指令，或者通過安全互操作層下發(fā)協(xié)同設(shè)備可識(shí)別的指令。邊緣控制層通常圍繞CPS個(gè)體變化或?qū)ν獠僮髡归_，其中內(nèi)嵌的邏輯判斷模型在服務(wù)實(shí)施過程中快速調(diào)用，以保證實(shí)時(shí)性。

大數(shù)據(jù)層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的主動(dòng)/被動(dòng)收集、質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)化組織、過濾/加工、打包發(fā)布。在沒有大量數(shù)據(jù)支持的狀態(tài)下，大數(shù)據(jù)層更多的任務(wù)是數(shù)據(jù)有效性保障，也就是說，對(duì)于外系統(tǒng)訪問的信息，涉及到的數(shù)據(jù)組織必須通過大數(shù)據(jù)層的認(rèn)定和調(diào)整。

圖2 單元級(jí)CPS邏輯功能架構(gòu)

訪問層：負(fù)責(zé)提供云端/本地服務(wù)器上的公共數(shù)據(jù)訪問，包括 MQTT/TCP協(xié)議或啟動(dòng)OPC 數(shù)據(jù)服務(wù)。訪問層保證的是組織數(shù)據(jù)的訂閱，考慮數(shù)據(jù)的保密性，但訪問安全由安全互操作層來控制。訪問層在多用例并發(fā)的情況下，通常會(huì)增加緩沖機(jī)制來保證同步性。但在與邊緣控制層交互時(shí)，必須快速直接以保證實(shí)時(shí)性。因此訪問層會(huì)基于多優(yōu)先級(jí)別的訪問權(quán)限來構(gòu)建應(yīng)用交互。

安全互操作層：負(fù)責(zé)保證數(shù)據(jù)訪問和設(shè)備訪問的安全，通過電子密鑰鑒權(quán)和介質(zhì)密鑰鑒權(quán)方式保證設(shè)備端的操控許可，同時(shí)把對(duì)外發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)置，進(jìn)行數(shù)據(jù)二次加密。從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢上看，設(shè)備間的互聯(lián)互操作將是必不可少的設(shè)備級(jí)CPS能力，因此安全互操作層還需要提供設(shè)備安全接入的安全管控。

為了驗(yàn)證上述框架，特以FANUC系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床為對(duì)象，包括臺(tái)灣榮田精機(jī)VL-400CM、起亞SKT28、臺(tái)中精機(jī)V26，基于Arduino平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)備接入和單元級(jí)CPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。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。使用的Arduino UNO R3邊緣集成平臺(tái)擴(kuò)展無線以太網(wǎng)模塊ESP8266WiFi，并安裝標(biāo)準(zhǔn)MQTT庫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。具體可獲得的參數(shù)可參考表1。

參數(shù)中報(bào)警信息是作為主動(dòng)推送數(shù)據(jù)，其他都是采用被動(dòng)訪問機(jī)制來釋放數(shù)據(jù)獲取能力。在大數(shù)據(jù)層會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行快速判別，壞數(shù)據(jù)處理會(huì)基于設(shè)置的兩種數(shù)據(jù)模式來決定是否采用插值方式補(bǔ)全。在訪問層，采用了最基礎(chǔ)的入口單次權(quán)限判定，并不用交互過程權(quán)限判定。

可進(jìn)行的遠(yuǎn)程參數(shù)控制可參考表2。

表1 數(shù)控機(jī)床狀態(tài)參數(shù)表

表2 數(shù)控機(jī)床調(diào)控參數(shù)表

為保證安全性，關(guān)鍵的CNC 程序下傳控制增加了指令過程的權(quán)限判定。

目前3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)械加工過程無人化進(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)。

除此之外，結(jié)合傳統(tǒng)紡織卷繞機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)改造項(xiàng)目，也進(jìn)行了最小系統(tǒng)級(jí)CPS的驗(yàn)證。實(shí)施的對(duì)象是典型的通過WinCC/組態(tài)王基于工控機(jī)完成隔離后控制的卷繞機(jī)控制系統(tǒng)。由于已有WinCC和工控機(jī)系統(tǒng)是單任務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)通用的產(chǎn)線多卷繞機(jī)（作為執(zhí)行系統(tǒng)）的感知和控制能力，更無法把控制能力抽象出來和上層的MES系統(tǒng)對(duì)接，因此，從結(jié)構(gòu)上，通過一個(gè)PAC 完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臒o縫移植，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)和使用習(xí)慣的約束，控制接口和控制界面暫時(shí)還是維持原有的型態(tài)，但CPS之間進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并支持觸屏快速設(shè)置、手機(jī)移動(dòng)端的設(shè)置、多產(chǎn)線聯(lián)動(dòng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)CPS的感知、控制、分享、協(xié)同的要求。該方案適用于POY、FDY 等不同的紡絲生產(chǎn)線，并在6個(gè)客戶系統(tǒng)上進(jìn)行了驗(yàn)證（見圖3、圖4）。

圖3 原卷繞機(jī)控制硬件拓?fù)?/p>

圖4 加入系統(tǒng)級(jí)CPS的卷繞機(jī)控制硬件拓?fù)?/p>

4 結(jié)語與展望

智能制造是CPS應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，而機(jī)械加工行業(yè)是智能制造的基礎(chǔ)領(lǐng)域，本文圍繞機(jī)械加工行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行了CPS多層架構(gòu)設(shè)計(jì)，并圍繞單設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營所需要的單元級(jí)CPS進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

四層CPS應(yīng)用架構(gòu)雖然能夠很好地覆蓋當(dāng)前的機(jī)械加工業(yè)大中小企業(yè)進(jìn)行智能制造轉(zhuǎn)型的需求，但未考慮小型企業(yè)在不形成產(chǎn)線能力，只是針對(duì)單個(gè)加工能力向外企業(yè)提供CPS應(yīng)用的情況。在沒有產(chǎn)線管控信息系統(tǒng)如MES的參與下，單元級(jí)CPS應(yīng)當(dāng)本身具備跳級(jí)交互的能力，如外企業(yè)直接基于標(biāo)準(zhǔn)加工數(shù)據(jù)接口，對(duì)接本企業(yè)的數(shù)控加工中心。

機(jī)械加工行業(yè)CPS的應(yīng)用很大程度上局限于CPS的自身設(shè)計(jì)，尤其當(dāng)不同層級(jí)的CPS被當(dāng)作一套簡單的信息系統(tǒng)，而沒考慮到與上下游的交互和互操作要求。為了保證未來機(jī)械加工行業(yè)的CPS應(yīng)用，每個(gè)層級(jí)都應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和模塊接口要求，從頂層實(shí)現(xiàn)對(duì)快速入網(wǎng)、安全接入、自動(dòng)感知等能力的保障。