基于CPS的智能日化工廠關(guān)鍵技術(shù)研究

張濤 張立臣

摘 要：目前，國內(nèi)傳統(tǒng)日化工廠主要通過人機操作，人為控制生產(chǎn)流水線及產(chǎn)品包裝與運輸，該模式造成了工廠生產(chǎn)需要大量的人力和時間成本，極大限制了工廠生產(chǎn)效率和發(fā)展速度。為了緊跟《中國制造2025》計劃，將CPS系統(tǒng)融入工廠未來發(fā)展，逐步向智能工廠轉(zhuǎn)型。通過研究CPS的結(jié)構(gòu)特性，融合目前先進的裝備技術(shù)和信息技術(shù)，針對傳統(tǒng)日化工廠生產(chǎn)模式缺陷，提出一種融合CPS的智能工廠解決方案。該方案能夠幫助傳統(tǒng)工廠實現(xiàn)智能化、自動化建設，智能工廠在提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)能耗以及改善產(chǎn)品服務質(zhì)量方面均優(yōu)于傳統(tǒng)工廠。

關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng);智能工廠;工廠轉(zhuǎn)型

DOI：10. 11907/rjdk. 201148

中圖分類號：TP301文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0098-04

Abstract： At present， the traditional daily chemical plants in China are mainly operated by man-machine which artificially controls the production line and product packaging and transportation， and the labor and time costs for factory production is huge， which has greatly limited the production efficiency and development speed of the factory. In order to keep up with the “Made in China 2025” plan， the CPS system is integrated into the future development of the factory and smart factory can be gradually formed. By studying the structural characteristics of CPS， and integrating the current advanced equipment technology and information technology， in order to analyze the defects of the traditional daily chemical plant production mode， we propose a smart factory solution that integrates CPS. This solution can help traditional factories achieve intelligent and automated construction， which can greatly improve production efficiency， reduce production energy consumption， and improve product and service quality compared with traditional factories.

Key Words： cyber-physical systems; smart factory; factory transformation

0 引言

近年來，世界上涌現(xiàn)了許多新生代信息技術(shù)，如云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。有效利用上述技術(shù)提高工廠生產(chǎn)力，促進工廠節(jié)能減排，已成為現(xiàn)代工廠發(fā)展的首要目標，由此產(chǎn)生了一種新的框架系統(tǒng)——信息物理融合系統(tǒng)（CPS）[1]。我國緊跟世界發(fā)展潮流，《中國制造2025》[2]明確提出在工業(yè)四大核心部分加強 CPS技術(shù)研發(fā)與應用，對接德國“工業(yè)4.0”，推進制造強國戰(zhàn)略全面實施。CPS在許多重點領(lǐng)域都有深入應用，如電網(wǎng)[3]、航天調(diào)度[4]、鐵路交通[5]、制造工業(yè)[6]等。CPS將互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)緊密聯(lián)系在一起，開啟了工業(yè)4.0的革命，為現(xiàn)代智能工廠提供了發(fā)展方向。

目前，針對工廠如何實現(xiàn)智能化，以及如何利用CPS進行融合的解決方案被眾多學者研究探討。彭鵬等[7]強調(diào)在工廠智能化改造設計中，對加工原材料進行信息化管理，但未針對整個工廠組織結(jié)構(gòu)提出有效建設方案;崔洋等[8]提出日化行業(yè)智能工廠設計方案，對工廠各系統(tǒng)中如何采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行設計，但未能有效結(jié)合信息技術(shù)進行融合，也未能有效地將CPS特性融合在設計方案中;周慶紅等[9]提出智能工廠CPS系統(tǒng)構(gòu)建模型，強調(diào)CPS單元在生產(chǎn)設備中的應用及設備管理，無法從宏觀上為日化工廠提供有效解決方案。本文著重分析CPS核心要素、智能工廠的智能化結(jié)構(gòu)，提出整個工廠的組織層次模型，并在相應層級上結(jié)合當前優(yōu)秀裝備技術(shù)或信息技術(shù)，完善工廠管理—生產(chǎn)—服務數(shù)據(jù)鏈，為日化工廠智能化建設提供組織架構(gòu)層面上的技術(shù)解決方案。

1 智能工廠

智能工廠最初是在德國“工業(yè)4.0”中被正式提及，為德國“工業(yè)4.0”兩大主題之一。其闡述了智能工廠的概念和目標，提出智能工廠是以信息物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能化生產(chǎn)，并認為智能工廠是傳統(tǒng)工廠的升級轉(zhuǎn)型發(fā)展方向。建設智能工廠的核心是將生產(chǎn)系統(tǒng)智能化、過程制造系統(tǒng)信息化，實現(xiàn)生產(chǎn)設備分布式通信。

智能工廠在學術(shù)界并無統(tǒng)一定義，但許多學者認為智能工廠在生產(chǎn)過程中體現(xiàn)出人類智能， 具有自我感知、分析、控制、調(diào)控、通信等功能，能夠?qū)φ麄€生產(chǎn)過程進行智慧管控。在智能工廠的概念被提出后，許多學者對智能工廠在各領(lǐng)域的研究與應用進行了探討。 游伴奏[10]對基于三大特征的智能工廠在印刷廠的應用進行了研究，總結(jié)出印刷工廠智能化的轉(zhuǎn)型方向及設計方案;何歡[11]對《中國制造2025》下的民用航空智能工廠建設進行了研究，提出智能工廠是智能制造的載體和依托，是工廠實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的根本途徑。生產(chǎn)自動化、制造集成化、管理智能化、服務主動化等是智能工廠的主要特征，其核心框架如圖1所示，可分為智能管理系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)、產(chǎn)后服務系統(tǒng)。

智能管理系統(tǒng)作為智能工廠的基礎(chǔ)系統(tǒng)，主要承載整個工廠業(yè)務經(jīng)營、生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品服務的生命樞紐。生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)是整個工廠的核心，調(diào)控著產(chǎn)品生產(chǎn)周期。產(chǎn)后服務系統(tǒng)作為集售后服務系統(tǒng)、產(chǎn)品功能改善系統(tǒng)等一系列針對產(chǎn)品性能優(yōu)化的功能系統(tǒng)，是整個工廠生產(chǎn)的前進方向。

2 CPS

德國“工業(yè)4.0”中詳細解釋了CPS的定義，認為 CPS是將物理設備互聯(lián)到各式互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自我管理功能，實現(xiàn)虛擬世界與物理世界融合。美國國家科學基金會（ NSF）認為，信息物理系統(tǒng)是一種集成了先進的感知、計算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)的系統(tǒng)。如圖2所示，CPS能夠?qū)⑽锢硎澜缗c信息世界中的人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射，搭建人機交互、高效協(xié)同的實時控制系統(tǒng)。

CPS是將信息世界與物理世界高度融合的自動化系統(tǒng)，整個系統(tǒng)可分為4層：物理層、感知層、網(wǎng)絡層、應用層。物理層主要由機器設備構(gòu)成，是主要執(zhí)行單元;感知層通過傳感器設備實時感知物理世界，并將設備信息，即物理信息轉(zhuǎn)化為信息數(shù)據(jù)，通過感知層的網(wǎng)絡通信傳輸?shù)綉脤酉鄬臄?shù)據(jù)應用系統(tǒng)，運用相關(guān)信息處理技術(shù)處理后回傳給響應的執(zhí)行單元，實現(xiàn)對物理世界的反饋調(diào)節(jié)，以高效處理和應對各類物理世界出現(xiàn)的狀況。

CPS有四大核心技術(shù)要素，分別是感知和自動控制、工業(yè)軟件、工業(yè)網(wǎng)絡、工業(yè)云和智能服務平臺。感知指通過傳感設備和技術(shù)獲取生產(chǎn)過程的所有工業(yè)數(shù)據(jù)，為CPS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持;自動控制在數(shù)據(jù)采集、指令傳遞、分析調(diào)度上提供精確化的執(zhí)行動作，如監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。工業(yè)軟件作為智能工廠數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡化、智能化的核心，對工廠生產(chǎn)計劃、資源調(diào)節(jié)起決定作用，工業(yè)軟件設計影響整個工廠的生產(chǎn)效益，工業(yè)網(wǎng)絡是連接各生產(chǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡要素。 工業(yè)網(wǎng)絡主要通過總線、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)等進行互聯(lián)互通，用于支撐工業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸和應用。

CPS在學術(shù)界研究中有幾類比較主流的體系結(jié)構(gòu)，在文獻[12]關(guān)于CPS體系結(jié)構(gòu)的研究中，分別針對不同類型的系統(tǒng)特點、信息交互方式定義不同層次的CPS體系結(jié)構(gòu)。比如，根據(jù)計算型組件和物理實體之間的反饋環(huán)機制，提出一種基于嵌入式控制循環(huán)的體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)適用于對物理實物進行形態(tài)調(diào)控，如溫室種植等。交互由事件控制，CPS通過事件檢測和決策機制對事件進行調(diào)控，這種情形的系統(tǒng)被定義為基于事件驅(qū)動的CPS體系結(jié)構(gòu)，這類體系結(jié)構(gòu)被應用于協(xié)同駕駛等特殊場景。

3 基于CPS的智能日化工廠建設

3.1 傳統(tǒng)日化工廠缺陷

傳統(tǒng)日化工廠只有一個記錄生產(chǎn)計劃的 ERP系統(tǒng)，其生產(chǎn)過程通過人工操作機器完成，并且包裝和裝箱都需要人力成本。因此，傳統(tǒng)日化工廠在人力資源管理、生產(chǎn)資源管理等方面無法統(tǒng)籌兼顧，且不能合理安排生產(chǎn)。在生產(chǎn)方面，未能有效利用生產(chǎn)信息將造成人力和資源浪費、效率過低、成本過高，導致無法在已經(jīng)實施智能化的工廠競爭中獲取優(yōu)勢。傳統(tǒng)日化工廠在當前社會發(fā)展下，必定要向智能工廠升級和轉(zhuǎn)型。

3.2 基于CPS的智能工廠解決方案

CPS作為《中國制造2025》中的核心工業(yè)制造技術(shù)，是目前各大產(chǎn)業(yè)對工廠升級轉(zhuǎn)型的首選方案。智能工廠基于CPS平臺，加強各系統(tǒng)協(xié)同生產(chǎn)，極大強化了產(chǎn)品生產(chǎn)過程控制自動化和智能化。作為日化工廠，其對生產(chǎn)計劃安排、資源調(diào)度、人工管理以及生產(chǎn)過程控制等方面有極高要求。而CPS能實現(xiàn)物理設備和信息系統(tǒng)的深度融合，集成智能工廠核心系統(tǒng)，加強各系統(tǒng)之間的緊密聯(lián)系，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的循環(huán)鏈接，以及生產(chǎn)過程的高效準確協(xié)調(diào)。因此，應根據(jù)CPS四大核心技術(shù)設計智能工廠CPS建設方案。

3.2.1 感知與自動控制

感知和自動控制作為CPS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流動起點和終點，依賴于擁有感知技術(shù)的設備對工廠中人、機、物等生產(chǎn)設備進行信息采集，對工廠各大結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)化。其核心宗旨是保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對物理層設備進行精確的數(shù)據(jù)采集，并滿足實時性和可靠性要求。針對傳統(tǒng)傳感器設備在實時性上無法滿足CPS系統(tǒng)要求的情況，文獻[13]提出一種基于OPC協(xié)議的數(shù)據(jù)采集方案，并針對石油化工企業(yè)如何在DCS系統(tǒng)接入OPC協(xié)議提供實施方案，此方案同樣適用于日化工廠在其生產(chǎn)系統(tǒng)中的DCS系統(tǒng)。在PLC系統(tǒng)中接入OPC協(xié)議，還需要一個數(shù)據(jù)采集應用平臺對采集系統(tǒng)進行調(diào)控，文獻[14]提出采用新一代信息技術(shù)和架構(gòu)的數(shù)據(jù)綜合采集與應用開發(fā)平臺——Hia SCADA。Hia SCADA平臺不僅具有對企業(yè)范圍內(nèi)各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、建模、處理和轉(zhuǎn)發(fā)等數(shù)據(jù)處理功能，還能提供可視化監(jiān)控、高級數(shù)據(jù)分析和定制化應用開發(fā)等服務，融合兩者的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)足以對大多數(shù)工廠的生產(chǎn)過程進行高性能的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享。

在設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，需明確數(shù)據(jù)采集對象，避免數(shù)據(jù)鏈缺失。智能工廠必須對工廠所有可調(diào)控的機器設備進行采集，采集對象除攝像頭、機器信號、設備屏幕等常規(guī)對象外，還需增加對原材料和員工的信息采集，針對原材料信息數(shù)據(jù)采集，將原材料轉(zhuǎn)換為信息數(shù)據(jù)，詳細記錄原材料在入庫、生產(chǎn)使用、成品出庫過程中的消耗記錄，以免造成資源浪費。 針對員工的數(shù)據(jù)采集包括工作時間、工作狀態(tài)、工作任務等，以加強員工與智能工廠融合，提高工作效率。

3.2.2 工業(yè)軟件

工業(yè)軟件是智能工廠數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡化、智能化的核心。文獻[15]強調(diào)在工業(yè)4.0的大背景下，一個工廠如果要提高自身智能化生產(chǎn)水平，必須研發(fā)滿足自身生產(chǎn)個性化需求的高智能、高水平工業(yè)軟件。工業(yè)軟件體系基于信息技術(shù)的發(fā)展而逐漸成熟，分為嵌入式軟件、系統(tǒng)軟件、中間件和應用軟件。一個優(yōu)秀的CPS系統(tǒng)必須有一個符合自身工廠生產(chǎn)特點的應用軟件，如定制化的ERP系統(tǒng)，融合目前流行互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，集成大數(shù)據(jù)分析、服務云等新興技術(shù)概念的網(wǎng)絡化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，工業(yè)仿真和監(jiān)測等軟件。在生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)和過程控制中，嵌入式軟件設計與應用將極大提高整個生產(chǎn)環(huán)境的信息化程度，也為CPS系統(tǒng)信息采集提供了物理基礎(chǔ)。工業(yè)軟件能合理安排生產(chǎn)計劃，提高人力及生產(chǎn)資源使用率，甚至可結(jié)合大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)提供優(yōu)秀的經(jīng)營策略，在將工廠自身業(yè)務數(shù)字化、信息化的過程中，注重物理世界中業(yè)務邏輯和生產(chǎn)設備的精準轉(zhuǎn)換，避免產(chǎn)生信息遺漏，造成CPS信息循環(huán)環(huán)路斷裂。

3.2.3 工業(yè)網(wǎng)絡

工業(yè)網(wǎng)絡作為連接生產(chǎn)系統(tǒng)和產(chǎn)品相關(guān)系統(tǒng)的連接線，是CPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)和前提，其包含工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡和異構(gòu)網(wǎng)絡集成等技術(shù)，實現(xiàn)工廠內(nèi)所有生產(chǎn)設備和信息系統(tǒng)通信，以及對生產(chǎn)物料、產(chǎn)品、人員的無縫集成。在基于CPS系統(tǒng)的智能工廠方案中，要求各信息系統(tǒng)能夠?qū)崟r進行數(shù)據(jù)通信，因此在工廠網(wǎng)絡線路設計方面，應提高信息傳輸速率和廣度。文獻[16]提出基于光纖傳輸?shù)墓I(yè)傳感器網(wǎng)絡，利用光纖極快的傳輸速率和強大的抗電磁干擾能力，提高數(shù)據(jù)采集和傳輸速度，以達到CPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)較好的實時性。

3.2.4 工業(yè)云與智能服務平臺

工業(yè)云和智能服務平臺作為智能工廠的數(shù)據(jù)處理中心，集成了數(shù)據(jù)集散、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)共享服務。在工業(yè)云作為整合工廠硬件資源和承載軟件應用的樞紐點，能夠讓工廠加速資源整合、主導行業(yè)規(guī)則、加強競爭點，是工廠的決策中心。目前，工廠的工業(yè)云和智能服務平臺建設還不夠成熟，主要依托大數(shù)據(jù)和云計算等信息技術(shù)加以解決。文獻[17]提出如何有效地對工廠大數(shù)據(jù)進行利用，并提供了目前最佳解決方案。該方案要求工廠結(jié)合自身發(fā)展特點進行云平臺設計與研發(fā)，為平臺定制一套標準和規(guī)范，使用成熟穩(wěn)定且有效的開發(fā)技術(shù)，形成高效實用的工廠大數(shù)據(jù)管理體系。實力強厚的工廠可以組建研發(fā)中心，專門為工廠智能云服務平臺提供創(chuàng)新發(fā)展和技術(shù)服務支持。

4 結(jié)語

CPS作為傳統(tǒng)日化工廠升級轉(zhuǎn)型的首選方案，應依據(jù)自身條件，合理設計廠房布局。在組織架構(gòu)上要滿足CPS的三層組織結(jié)構(gòu)，在組織結(jié)構(gòu)上選擇適合自己產(chǎn)品的工業(yè)軟件，設計合理的數(shù)據(jù)傳輸通道，以及一套完善的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析應用系統(tǒng)，最重要的是整合工廠資源和信息系統(tǒng)搭建高效精準的云服務平臺。由于當前優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和信息技術(shù)實現(xiàn)成本偏高，中小型日化工廠實現(xiàn)基于CPS系統(tǒng)的智能工廠還需要足夠的資金支持，以形成有利于工廠智能化的可持續(xù)發(fā)展路徑。提高員工與CPS系統(tǒng)深度結(jié)合，也是暫時解決數(shù)據(jù)采集技術(shù)不完善等問題的一種方案。中小型日化工廠智能化建設，是其發(fā)展的必然趨勢和長期目標，完善CPS系統(tǒng)、優(yōu)化生產(chǎn)過程，是后續(xù)升級發(fā)展的方向。

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（責任編輯：孫 娟）