面向智能机床及服务的CPS参考模型

刘广杰+洪月蓉

摘要：随着机床的的快速发展，智能机床已经成为了未来机床发展的必然趋势。在文中介绍了CPS系统，并就面向智能机床以及服务的CPS参考模型进行了论述，以期可以为智能机床的发展提供借鉴。

【关键词】智能机床 CPS 服务

1 特点

CPS是系统的系统，其一个基本的特征就是物理空问的对象都可以在CPS中找到虚拟的映像。而虚拟的映像又会对实际的物理空问产生影响。目前，传统的数控机床的控制结构和逻辑基本上遵循分布式控制系统的特点，如图1所示。

2 结构

主控制器（CNC）负责整个机床的运动控制和逻辑控制，处于分布式控制结构的第一层，第二层由逻辑控制器、伺服驱动器、主轴控制器组成，其负责将主控制器的指令转换成执行机构可以理解的方式（开关信号或者电流信号），第三层由执行机构组成，比如伺服电机、主轴电机、冷却液泵、照明等。然后是各种反馈信息，用于检测执行机构是否执行到位。因此信息存在三个传递的层次。

从CPS基本定义的角度来看，数控机床具备了一个CPS系统的基本特征。人的指令通过数控系统的计算后变成机器可以理解的信息传递到各个运动控制和逻辑控制部件上，运动控制或者逻辑控制部件经过信号处理和运算来控制执行机构，执行机构的传感器将反馈信号传回运动控制或逻辑控制部件，完成控制闭环。

3 特征

在而向智能机床及服务的CPS这种网络状的结构中，非常明显的表现出以下的一些特征，这是传统数控机床CPS所不具备的特征，同时這些特征与前述讲过的传统数控机床CPS的特征并不矛盾和冲突，甚至是前述特征的继承和发展。

（1）全局虚拟化，彻底打破物理空问的束缚，每一个实际的物理设备都在虚拟空问里而有一个相应的映像，这个映像是对物理设备的各种状态和能力的一种数据化。每一个网络中的节点将变成一个服务发布的点，这种服务的发布将使网络中的其他节点能够读懂这个节点可以做的事情，当前的状态等等，全局虚拟化是后而的机器自组态、机器自治的基础。每个设备都可以通过修改虚拟空问中对应的映像的参数而对物理空问中的设备产生相应的影Ⅱ向。

（2）标准的语义和标准的数据接口，设备互连的一个基础就是相互之问能够“读懂”对方的信息，就像人类世界一样，必须有大家都能够懂得的语言或者动作进行交流，才能够相互理解彼此。那么在全局虚拟化的基础上，通过采用统一标准的语义描述，通过标准的数据接口进行相互之问的信息传输，才能够实现设备之间的互联互通。

（3）全局时问的同步性和局部的实时性，由于工业制造的特性，其设备相互之问的配合需要有一定的时序，否则容易因为时序的混乱和不一致而导致不合格产品的产生。因此在网络中的设备，需要对时问保持同步，才能保证制造过程中的时序不会产生混乱。同时对于智能机床来说，其属于运动控制的配合部分依然需要毫秒甚至微秒级的实时同步。

（4）设备自治和自组态，在基于设备互联互通基础上，形成以服务为需求发起的设备自治形式将是未来智能制造非常重要的基础。由于传统的分布式控制结构在虚拟空问中被打破，不同的服务可以根据需求随时重组各种所需要的组建进行服务，关于这部分，还可以进行更深入的讨论，如下图所示仅作为概念展示。

（5）组件化和服务化，组件化的概念类似于模块化，在物理空问里，功能相关的部件将以组件的形式出现，每一个组件就是可以完成某一项功能和服务的模块，组件之问通过相互组合产生新的功能和形态。

（6）广域性，由于智能机床的组件化以及组件的智能化和网络化，使这些组件在虚拟空问中都有相应的映像，因此在虚拟空问中，很多分布在不同物理空问中的组件，可以连接起来从而产生新的服务。

（7）安全性，在设备互联互通的时代，网络在工业上的应用也将而临和互联网一样的挑战，就是安全性，安全性体现在比如信息传输的安全性，信息存储的安全性，设备的操作权限的安全性。由于设备在虚拟空问里都有相应的映像，而且对这些映像的操作则物理空问里实际上也会产生同样的操作。因此设备虚拟映像的操作权限的安全性也就变得跟信息传输和存储的安全性同样重要，甚至更为重要。

（8）数据的操作性，由于全局虚拟化的应用，使得一切的在物理空问的活动都可以在虚拟空问中以数据的形式存在，因此对这些海量数据的协作、分析、应用等操作将产生极大的应用价值。未来大量的服务将基于对于数据的操作而进行，因为通过数据的分析，不仅可以知道现在，更可以预测未来，这将在未来智能机床的维护服务中取得非常重要的应用。

参考文献

[1]毕筱雪，于东，胡毅等.面向CPS架构的数控机床智能监控系统的设计[J].组合机床与自动化加工技术，2017（03）：121-124.

[2]黎小华，曾国平，燕继明等，数控机床智能监控CPS构建技术研究[J].航空制造技术，2015（08）： 53-58.endprint