基于CPS的車間智能制造系統(tǒng)架構(gòu)及實(shí)施研究

傅磊，曲曉峰

（哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150028）

0 引言

信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）近年來成為工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，目前普遍認(rèn)為企業(yè)智能制造系統(tǒng)建設(shè)的核心是CPS建設(shè)，CPS將在智能制造發(fā)展過程中起到重要的引領(lǐng)作用。眾多學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)基于CPS的智能制造系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行了研究。例如智能制造的總體架構(gòu)研究[1-3]，制造行業(yè)CPS參考體系結(jié)構(gòu)研究[4]，給出了智能制造總體架構(gòu)和CPS參考體系；基于CPS的智能制造系統(tǒng)功能架構(gòu)研究[5]，提出了智能制造系統(tǒng)層次模型和體系結(jié)構(gòu)；此外還有基于CPS的智能工廠、智能產(chǎn)線、智能制造單元等研究[6-10]。對(duì)于工廠/車間智能制造系統(tǒng)建設(shè)，許多文獻(xiàn)也在智能制造理論和技術(shù)基礎(chǔ)上開展了廣泛研究，例如針對(duì)工廠/車間智能制造及物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃，提出智能制造體系和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案[11-13]；針對(duì)數(shù)控機(jī)床智能化，研究CPS參考模型和監(jiān)控技術(shù)[14-16]；針對(duì)智能制造背景下MES建設(shè)，進(jìn)行智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施研究[17-20]，此外，還有眾多文獻(xiàn)對(duì)工廠/車間設(shè)備互聯(lián)、信息集成、狀態(tài)監(jiān)測、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等進(jìn)行了深入研究[21-26]。

對(duì)于基于CPS的智能制造系統(tǒng)建設(shè)，有的研究側(cè)重總體理論架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)環(huán)節(jié)實(shí)施缺少具體考慮，有的研究側(cè)重智能制造單點(diǎn)應(yīng)用，對(duì)于總體架構(gòu)缺少整體掌控，綜合這兩方面問題，本文針對(duì)工廠/車間智能制造系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施問題，基于CPS實(shí)現(xiàn)機(jī)理，根據(jù)工廠/車間層級(jí)劃分方法，提出了一種智能制造系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并基于所提出的架構(gòu)研究了系統(tǒng)實(shí)施問題，為工廠/車間智能制造系統(tǒng)建設(shè)提供了設(shè)計(jì)和實(shí)施路徑，也為企業(yè)智能制造體系建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

1 CPS實(shí)現(xiàn)原理

在智能制造的背景下，CPS是綜合利用感知技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)，構(gòu)建信息空間和物理空間相關(guān)要素的全息映射、動(dòng)態(tài)交互和高度協(xié)同的復(fù)雜混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效資源配置及動(dòng)態(tài)、快速響應(yīng)和迭代優(yōu)化。CPS的本質(zhì)是由信息空間和物理空間的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行的數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)；狀態(tài)感知是指利用物理系統(tǒng)配置的各種傳感器獲取和收集物理系統(tǒng)的狀態(tài)；實(shí)時(shí)分析是指信息系統(tǒng)利用物理系統(tǒng)的信息映射模型及信息系統(tǒng)的期望控制和優(yōu)化模型分析物理系統(tǒng)的狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)信息、數(shù)據(jù)、知識(shí)的轉(zhuǎn)化；科學(xué)決策是指通過實(shí)時(shí)分析得到物理系統(tǒng)能夠滿足期望需求的最優(yōu)控制和決策指令；精準(zhǔn)執(zhí)行是指通過執(zhí)行器操作物理系統(tǒng)達(dá)到期望的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)和資源配置。閉環(huán)數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的根本目的是持續(xù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)和智能服務(wù)的資源配置效率，實(shí)現(xiàn)智能制造應(yīng)用水平的螺旋式上升。CPS理論上劃分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)等3個(gè)層次，單元級(jí)CPS聚合構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)，系統(tǒng)級(jí)CPS聚合構(gòu)成系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)，通過逐級(jí)聚合構(gòu)成智能制造系統(tǒng)核心技術(shù)框架[27]。

單元級(jí)CPS是構(gòu)成CPS的最小單元，如圖1所示。單元級(jí)CPS是由信息單元、物理系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行器、初始配置、相關(guān)資源構(gòu)成的一個(gè)最基本完整閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)感知-分析-決策-執(zhí)行的閉環(huán)運(yùn)行。其中：物理系統(tǒng)是指現(xiàn)實(shí)實(shí)體物理設(shè)備或系統(tǒng)；信息單元包含實(shí)體物理系統(tǒng)的信息模型及對(duì)滿足物理系統(tǒng)感知或控制需求的功能信息描述，其中信息模型是實(shí)體物理系統(tǒng)的特征描述模型，例如幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型等等。初始配置模塊用于信息系統(tǒng)初始化，相關(guān)資源模塊是信息單元維持運(yùn)行所需的內(nèi)外部資源。傳感器用于感知物理系統(tǒng)的狀態(tài)，執(zhí)行器用于控制和指導(dǎo)物理系統(tǒng)的行為。單元級(jí)CPS的運(yùn)行過程是：信息單元進(jìn)行初始配置和調(diào)取相關(guān)資源后，通過對(duì)物理系統(tǒng)的感知，分析物理系統(tǒng)的狀態(tài)，根據(jù)信息單元期望的行為需求，將控制指令或者行為決策信息傳遞給物理系統(tǒng)，使物理系統(tǒng)達(dá)到期望的目標(biāo)。單元級(jí)CPS的典型特征是不能劃分為更小的CPS，是構(gòu)成CPS的最小閉環(huán)系統(tǒng)，在工廠/車間智能制造系統(tǒng)中，單元級(jí)CPS 由車間物理設(shè)備或系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的CPS 信息單元及輸入輸出通信模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備或部件自身的最優(yōu)資源配置和運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 單元級(jí)CPS結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)級(jí)CPS是在單元級(jí)CPS基礎(chǔ)上，由單元級(jí)CPS通過CPS網(wǎng)絡(luò)集成互聯(lián)構(gòu)成，如圖2所示。多個(gè)單元級(jí)CPS均能夠連接到CPS網(wǎng)絡(luò)中，CPS網(wǎng)絡(luò)可以是企業(yè)中的工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)場總線、無線網(wǎng)絡(luò)等物理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單元級(jí)CPS物理層面的互聯(lián)互通，也可以是基于實(shí)體網(wǎng)絡(luò)的軟件通信總線、數(shù)據(jù)總線等虛擬通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單元級(jí)CPS邏輯層面的互聯(lián)互通。所有單元級(jí)CPS通過CPS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信和信息數(shù)據(jù)交互，每個(gè)單元級(jí)CPS可以獨(dú)立完成整個(gè)系統(tǒng)的特定目標(biāo)任務(wù)，多個(gè)單元級(jí)CPS可以通過協(xié)同方式共同完成整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)。系統(tǒng)級(jí)CPS著重用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元級(jí)CPS 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運(yùn)行，以及更廣范圍的閉環(huán)運(yùn)行和數(shù)據(jù)的自動(dòng)流動(dòng)。

圖2 系統(tǒng)級(jí)CPS結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS如圖3所示，構(gòu)成系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS的元素為多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS、CPS網(wǎng)絡(luò)及CPS智能服務(wù)平臺(tái)，與系統(tǒng)級(jí)CPS的工作機(jī)制類似，多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS均能夠接入到CPS網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS可以是同質(zhì)系統(tǒng)，也可以是異質(zhì)系統(tǒng)，CPS網(wǎng)絡(luò)類型與系統(tǒng)級(jí)CPS中的CPS網(wǎng)絡(luò)相同，可以是物理硬件網(wǎng)絡(luò)或者邏輯軟件網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)CPS的互聯(lián)互通，以及系統(tǒng)級(jí)CPS與CPS智能服務(wù)平臺(tái)的互聯(lián)互通。每個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS也可以獨(dú)立完成系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS的目標(biāo)任務(wù)，多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS也可以通過協(xié)同方式共同完成系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS的目標(biāo)任務(wù)。從圖3中可以看出，與系統(tǒng)級(jí)CPS的構(gòu)成方式不同，系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS包含了CPS智能服務(wù)平臺(tái)，CPS智能服務(wù)平臺(tái)的主要目標(biāo)是保證多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS的調(diào)配和協(xié)同工作，同時(shí)對(duì)多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS進(jìn)行統(tǒng)一的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，以及集中管理和監(jiān)督控制，實(shí)現(xiàn)比系統(tǒng)級(jí)CPS范圍更廣的資源配置和優(yōu)化及數(shù)據(jù)的自動(dòng)流動(dòng)。從系統(tǒng)的角度來看，系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS實(shí)現(xiàn)了跨系統(tǒng)的互聯(lián)互通和互操作，為全局范圍內(nèi)同構(gòu)或異構(gòu)系統(tǒng)的集成提供了有效的解決途徑。

圖3 系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS結(jié)構(gòu)

2 工廠/車間組織結(jié)構(gòu)層級(jí)

按照國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南白皮書的劃分方法[28]，可以根據(jù)與企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)的組織結(jié)構(gòu)將制造企業(yè)內(nèi)部層級(jí)由下到上劃分為5個(gè)層次，分別是設(shè)備層、單元層、工廠/車間層、企業(yè)層和協(xié)同層。其中設(shè)備層是指工廠/車間內(nèi)的感知設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、儀器儀表檢測裝置、倉儲(chǔ)設(shè)備、物流設(shè)備等物理設(shè)備或系統(tǒng)所屬的層級(jí)，用于實(shí)現(xiàn)車間實(shí)體物理系統(tǒng)本體并提供滿足物理系統(tǒng)感知和控制要求的功能。單元層是指工廠/車間內(nèi)處理信息數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測及物理系統(tǒng)操作控制過程的物理設(shè)備或系統(tǒng)所屬的層級(jí)，通常包含模擬控制系統(tǒng)（MCS），可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）等。工廠/車間層是指工廠/車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程的管理，并與企業(yè)相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的物理系統(tǒng)，通常包含制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）、物流管理系統(tǒng)（LMS），以及企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）中與生產(chǎn)設(shè)備管理和生產(chǎn)過程管理相關(guān)的數(shù)據(jù)交互和管理模塊。企業(yè)層是指工廠/車間外部實(shí)現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)經(jīng)營管理的物理系統(tǒng)，通常包含企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM），以及客戶關(guān)系管理系統(tǒng)（CRM）等。協(xié)同層是指企業(yè)內(nèi)部或者企業(yè)與企業(yè)之間實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)、資源共享及運(yùn)營協(xié)同的物理設(shè)備或系統(tǒng)，通常包含企業(yè)數(shù)據(jù)中心/服務(wù)器、私有云平臺(tái)、公有云平臺(tái)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)等。本文主要針對(duì)工廠/車間層面的智能制造系統(tǒng)建設(shè)問題開展研究，從工廠/車間覆蓋的企業(yè)層級(jí)看，包含了設(shè)備層、單元層和工廠/車間層，因此工廠/車間智能制造系統(tǒng)主要包含這3個(gè)層級(jí)，對(duì)于企業(yè)層和協(xié)同層智能制造系統(tǒng)的建設(shè)問題在本文中不作論述。

圖4 企業(yè)生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)層級(jí)劃分

3 工廠/車間智能制造系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

從CPS的構(gòu)成角度看，一個(gè)工廠/車間內(nèi)可以包含許多單元級(jí)CPS或者系統(tǒng)級(jí)CPS，眾多各種類型的CPS利用CPS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了一個(gè)基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)集成混合系統(tǒng)，沒有明確清晰的層次結(jié)構(gòu)，也沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，由此為智能制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施增加了困難。從工廠/車間的建設(shè)角度看，智能制造系統(tǒng)架構(gòu)需要符合工廠/車間的業(yè)務(wù)流程和運(yùn)行機(jī)制，能夠最大程度地與現(xiàn)有生產(chǎn)制造系統(tǒng)匹配，滿足生產(chǎn)制造的要求。

基于上述考慮，本文的研究提出了一種新的基于CPS的工廠/車間智能制造系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施的分層規(guī)劃方法，所提出的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)基于企業(yè)生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)層級(jí)的劃分方法，首先從設(shè)備層、單元層和工廠/車間層不同層級(jí)的角度，每個(gè)層級(jí)分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的單元級(jí)CPS或者系統(tǒng)級(jí)CPS，或者CPS智能服務(wù)平臺(tái)，然后基于CPS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各層級(jí)內(nèi)部CPS或者不同層級(jí)之間CPS的互聯(lián)互通，以及各層級(jí)CPS與CPS智能服務(wù)平臺(tái)之間的互聯(lián)互通，由此構(gòu)成工廠/車間全局層面的系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS，最終形成的系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS作為工廠/車間智能制造系統(tǒng)總體架構(gòu)?；诖朔椒ㄋO(shè)計(jì)的智能制造系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)清晰，各層級(jí)智能制造系統(tǒng)建設(shè)能夠獨(dú)立逐級(jí)進(jìn)行或并行進(jìn)行，同時(shí)能夠?qū)嵤┤炕蛘卟糠种悄苤圃煜到y(tǒng)建設(shè)內(nèi)容，甚至可以進(jìn)行典型系統(tǒng)的單點(diǎn)實(shí)施，從而提高了工廠/車間根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營條件進(jìn)行智能制造系統(tǒng)建設(shè)的靈活性和敏捷性。

工廠/車間智能制造系統(tǒng)建設(shè)的總體架構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)總體上包括設(shè)備層單元級(jí)CPS、單元層系統(tǒng)級(jí)CPS、工廠/車間層系統(tǒng)級(jí)CPS、CPS智能服務(wù)平臺(tái)及CPS網(wǎng)絡(luò)等5個(gè)部分，設(shè)備層單元級(jí)CPS由工廠/車間現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、儀器儀表、機(jī)器、裝置等物理設(shè)備及與它們一一對(duì)應(yīng)的CPS信息單元構(gòu)成，CPS信息單元包含物理設(shè)備的信息模型和物理設(shè)備與外部進(jìn)行交互的規(guī)則和條件信息描述，例如傳感器CPS信息單元包含傳感器數(shù)據(jù)感知模型信息和與外部進(jìn)行信息交互的感知規(guī)則和感知條件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)CPS信息單元包含執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型信息和與外部信息交互的操作執(zhí)行規(guī)則和條件等。單元層系統(tǒng)級(jí)CPS由多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS構(gòu)成，通常可包括MCS、SCADA、PLC、DCS、FCS的軟硬件物理系統(tǒng)及與它們一一對(duì)應(yīng)的CPS信息子系統(tǒng)構(gòu)成，相對(duì)于設(shè)備層以單元級(jí)CPS描述，各種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、控制系統(tǒng)均是包含了多個(gè)基本單元級(jí)CPS的系統(tǒng)級(jí)CPS，每個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS均是單元層的子系統(tǒng)，因此所對(duì)應(yīng)的CPS信息系統(tǒng)定義為單元層CPS信息子系統(tǒng)。工廠/車間層系統(tǒng)級(jí)CPS與單元層系統(tǒng)CPS構(gòu)成形式類似，由多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS構(gòu)成，包括MES、ERP、PLM、WMS、LMS等軟硬件物理系統(tǒng)及相對(duì)應(yīng)的CPS信息子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)均包含多個(gè)閉環(huán)單元級(jí)CPS，其CPS信息系統(tǒng)定義為工廠/車間層CPS信息子系統(tǒng)。CPS智能服務(wù)平臺(tái)主要由設(shè)備層CPS信息系統(tǒng)、單元層CPS信息系統(tǒng)、工廠/車間層CPS信息系統(tǒng)構(gòu)成，主要包含了設(shè)備層、單元層、工廠/車間層所有CPS信息單元或CPS信息子系統(tǒng)中用于工廠/車間所有CPS統(tǒng)一系統(tǒng)監(jiān)督和管理及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和共享的信息、數(shù)據(jù)、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、指令等資源，根據(jù)工廠/車間智能制造系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營狀況和要求，CPS智能服務(wù)平臺(tái)可以抽取和集成設(shè)備層CPS信息單元、單元層CPS信息子系統(tǒng)、工廠/車間層CPS信息子系統(tǒng)的部分或者全部信息。CPS智能服務(wù)平臺(tái)在某種意義上可以以工廠/車間層面上的數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的形式體現(xiàn)。CPS網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備層、單元層、工廠/車間層所有單元級(jí)CPS和系統(tǒng)級(jí)CPS的互聯(lián)互通，以及所有CPS與CPS智能服務(wù)平臺(tái)的互聯(lián)互通，從工廠/車間通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類型的角度，工廠/車間CPS網(wǎng)絡(luò)可以是包含了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等多種類型網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的異構(gòu)集成網(wǎng)絡(luò)，但CPS網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目的本質(zhì)上均是以實(shí)現(xiàn)工廠/車間CPS網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信息互通為根本目的。

圖5 基于CPS的工廠/車間智能制造系統(tǒng)架構(gòu)圖示

4 工廠/車間智能制造系統(tǒng)實(shí)施

在CPS實(shí)施過程中，要充分考慮企業(yè)當(dāng)前狀況和企業(yè)所處的行業(yè)背景情況，從企業(yè)自身特點(diǎn)出發(fā)，在CPS的應(yīng)用模式、層次結(jié)構(gòu)，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、保障措施等方面明確的前提下，對(duì)企業(yè)CPS實(shí)施的現(xiàn)有條件、實(shí)施周期、資源配置、期望目標(biāo)、遠(yuǎn)景規(guī)劃等方面作合理的規(guī)劃，制定最符合企業(yè)現(xiàn)實(shí)狀況的CPS實(shí)施方案，形成最符合企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的智能制造系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)[29]。從基于CPS的工廠/車間智能制造系統(tǒng)的總體架構(gòu)及構(gòu)成要素可以看出，各層級(jí)CPS的實(shí)施是工廠/車間智能制造系統(tǒng)的核心內(nèi)容。關(guān)鍵實(shí)施內(nèi)容主要包括以下幾方面。

設(shè)備層CPS主要包括各物理設(shè)備及其單元級(jí)CPS信息單元，因此設(shè)備層CPS的實(shí)施主要是進(jìn)行單元級(jí)CPS實(shí)施。對(duì)于單元級(jí)CPS，首先需要明確各單元級(jí)CPS功能，在滿足單元級(jí)CPS物理設(shè)備的功能需求基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)信息單元與外部CPS的交互功能。通常單元級(jí)CPS需要通過物理硬件、嵌入式軟件及通信功能構(gòu)成CPS閉環(huán)，各種現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化，以及在數(shù)字化的基礎(chǔ)上進(jìn)行感知設(shè)備和操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝配置是單元級(jí)CPS的重點(diǎn)實(shí)施內(nèi)容。通過升級(jí)或改造設(shè)備層設(shè)備，加強(qiáng)設(shè)備對(duì)外部環(huán)境的智能感知和智能控制能力，是設(shè)備層智能制造系統(tǒng)建設(shè)的前提，也是工廠/車間生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)過程智能化的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)備層相關(guān)的生產(chǎn)過程及工藝數(shù)字化是提高制造資源配置效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過工業(yè)軟件對(duì)工藝、生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化，能夠?yàn)樵O(shè)備層設(shè)備的信息收集和處理提供條件，通過對(duì)生產(chǎn)過程、業(yè)務(wù)流程的信息采集、分析、處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制造資源的優(yōu)化配置。

單元層CPS以系統(tǒng)級(jí)CPS的形式實(shí)現(xiàn)，由數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(tǒng)及各種類型的控制系統(tǒng)CPS構(gòu)成，感知數(shù)據(jù)的監(jiān)測、采集、處理、計(jì)算、分析及控制與決策指令的執(zhí)行是系統(tǒng)級(jí)CPS的重點(diǎn)實(shí)施內(nèi)容。對(duì)于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(tǒng)，其信息子系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測物理系統(tǒng)的信息模型及數(shù)據(jù)采集、處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測模型；對(duì)于控制系統(tǒng)，其信息子系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制對(duì)象的信息模型及計(jì)算分析和控制決策模型。此外，對(duì)于單元層CPS的系統(tǒng)級(jí)CPS信息子系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)與外部CPS信息單元或系統(tǒng)的信息輸入輸出交互規(guī)則和約定的信息交互接口，以滿足內(nèi)外部信息交互需求。

工廠/車間層CPS同樣以系統(tǒng)級(jí)CPS的形式實(shí)現(xiàn)，包含工廠/車間生產(chǎn)系統(tǒng)及企業(yè)運(yùn)營系統(tǒng)相關(guān)部分CPS構(gòu)成，工廠/車間層CPS以工業(yè)軟件系統(tǒng)為主，各工業(yè)軟件應(yīng)用系統(tǒng)在生產(chǎn)流程的各環(huán)節(jié)輸入輸出信息模型及信息流的建立及自動(dòng)流動(dòng)是其CPS信息子系統(tǒng)實(shí)施的重點(diǎn)內(nèi)容，例如MES、WMS、LMS等生產(chǎn)管理系統(tǒng)的輸入輸出信息模型，ERP、PLM等業(yè)務(wù)系統(tǒng)相對(duì)工廠/車間生產(chǎn)管理的輸入輸出信息模型，等等。信息輸入輸出功能可以采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、文件傳輸共享、中間件轉(zhuǎn)換及中間數(shù)據(jù)庫共享等相關(guān)應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

CPS智能服務(wù)平臺(tái)以系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)CPS的形式實(shí)現(xiàn)，由設(shè)備層、單元層、工廠/車間層的所有單元級(jí)或系統(tǒng)級(jí)CPS信息模型的部分或者整體構(gòu)成，是工廠/車間單元級(jí)和系統(tǒng)級(jí)CPS的有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)CPS的分布式協(xié)同和資源共享是CPS智能服務(wù)平臺(tái)的重點(diǎn)實(shí)施內(nèi)容，其實(shí)施方法主要通過建立工廠/車間級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或者工廠/車間工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)通常需要實(shí)現(xiàn)工廠/車間信息全面感知、數(shù)據(jù)集成采集和平臺(tái)接入、大數(shù)據(jù)分析與管理、應(yīng)用服務(wù)集成和共享、輔助決策支持等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)閉環(huán)流動(dòng)、應(yīng)用協(xié)同和資源共享。

CPS網(wǎng)絡(luò)是工廠/車間內(nèi)各種類型的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成和綜合應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)相同或不同類型CPS互聯(lián)互通的重要保障，工廠/車間內(nèi)典型的CPS實(shí)施技術(shù)包括點(diǎn)到點(diǎn)串行或并行通信、藍(lán)牙、Zigbee、現(xiàn)場總線、有線或無線工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，等等。由于工廠/車間內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)類型種類繁多，因此異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和集成是CPS網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的關(guān)鍵，依靠互聯(lián)互通的CPS網(wǎng)絡(luò)，保證關(guān)鍵感知信息和控制執(zhí)行指令的實(shí)時(shí)、安全傳輸，海量數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸，以及各組成CPS的協(xié)同控制和共享。

5 結(jié)語

基于CPS的工廠/車間智能制造系統(tǒng)建設(shè)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)施方法，能夠基于工廠/車間生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)需求，利用先進(jìn)信息技術(shù)和物理系統(tǒng)的深度融合應(yīng)用，打破企業(yè)傳統(tǒng)的固定生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)過程的智能化管理、監(jiān)督控制和動(dòng)態(tài)調(diào)控，整合企業(yè)內(nèi)有效資源，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配和靈活配置，提高企業(yè)生產(chǎn)制造的柔性和敏捷性，最大程度提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和資源利用率，對(duì)制造企業(yè)智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)和持續(xù)創(chuàng)新提供了一種行之有效的建設(shè)途徑。