机械加工行业单元级CPS的研究与设计

摘要：信息物理系统CPS（Cyber-Physical Systems）在高端装备制造业和复杂流程制造业，尤其是航空航天、国防、船舶、电力、石油化工等行业的应用研究，主要集中在安全和高性能架构、建模与分析上。在传统机械加工行业，由于其离散制造的特质，CPS应用首先要实现单元级数控机床的可视、可控、可互操作。现结合机械加工行业在智能制造方向的发展前景分析，提出一种单元级CPS的思路和框架，并基于Fanuc数控机床进行非嵌入外挂式的单元级CPS实现，最后从应用扩展和实效性角度讨论了机械加工行业单元级CPS的几点关键挑战。

关键词：CPS;信息物理系统;机械加工;智能制造

0    引言

CPS是将网络化信息系统和配套物理系统进行深度融合与析构的技术研究方向和应用组织形式。根据美国国家科学基金会（NSF）的定义，CPS是将计算与物理资源紧密结合所构成的系统，应具有对大规模互联物理系统进行实时监视、仿真、分析和控制的功能，最终目标是使未来的物理系统具有目前尚不具备的灵活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性[1]。更多研究学者认为，CPS是集成了计算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统[2]。但撇去规模支持的表述，CPS其根本是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务[3]。

目前，对CPS在高端装备制造业和复杂流程制造业，尤其是航空航天、国防、船舶、电力、石油化工等行业的应用研究主要集中在安全和高性能架构、建模与分析上[4-5]。而对于离散制造的典型行业，机械加工在支持国家智能制造体系的要求下，必须首先实现CPS的贯彻和实施。

1    机械加工业CPS核心应用体系

基础的CPS是将物理系统里的感知单元和执行单元通過可信任网络与CPS单元进行交互，其核心在于物理系统与CPS的实时事件消息定义以及中心化数据处理和存储设计[6]。对于一个智能化CPS的应用，它的能力不应仅限于设计之初就实现的信息组织逻辑，比如设备运行状态信息和控制指令。CPS应当可以在持续迭代更新甚至扩展的制造系统里，承担数据服务和边缘端处理任务。因此，结合机械加工行业以数控机床为基础的离散订单式作业形态，CPS应用体系可以分为三层结构：单元级、系统级和平台级，如图1所示。

单元级CPS应用重点解决数控机床或工业机器人或热处理设备的有效高效运行，包括从设备状态感知、状态实时分析、执行命令决策到精准控制操作的全过程，同时为系统级或外部设备提供本设备数据服务。单元级CPS的核心在于其数据开放层次，初级的数据开放是原始数字甚至是电脉冲信号，外部可以极速截获真实的设备数据，大部分商用设备会提供比如串口的原始数据。中级的数据开放是单数据栈信息化处理后数据，这些数据都带有内容标志，比如功率/转速，外部可以很容易理解。这些数据是经过了CPS初步质量清理后输出的，比如插值/过滤。高级的数据开放是通过功能模型处理后的数据，可以部分甚至直接指导分析决策，比如工差/完成度。

系统级CPS应用围绕自动化流水线或智能仓库[7]。一方面可以从单元级CPS那感知设备状态，同时从制造执行系统（MES）里感知工序进度，并基于此完成动态排程优化。另一方面，数据动态组织提供生产计划状态分析能力，管理者可以在CPS上完成工序智能排程，并快速实施到MES里，指导系统内各工序对应设备以及原料/半成品的供应。

平台级CPS应用面向多车间或多企业的协同生产，感知的数据不再是生产过程，而是来自ERP的生产能力体现[8]。该CPS仍然和物理世界做关联，关联的因素包括生产方人员和设备、供应商的原料、消费商的订单。该级别的CPS从这些数据上进行产能实时分析，并完成供需结构调整，最终指导生产组织实施。该实施过程可以基于系统级CPS，也可以通过别的通信能力传达到具体的产线和仓库。

从智能制造的规模层次上看，三层的CPS应用设计更能体现分级3C的松耦合原则，也更容易被智能制造能力参差不齐的企业现状所接受。

2    单元级CPS架构

单元级CPS作为信息物理系统最小单元，除感知和业务处理外，需重点实现设备的数字化联网和控制，典型的如智能轴承、智能机器人、智能数控机床等。通常单元级CPS需要边缘端设备或设备内嵌应用两种方式实现，如具备传感、控制功能的机械臂和传动轴承等。现在大部分单元级CPS只是针对特定业务逻辑，虽具备了可感知、可计算、可交互、自决策的能力[9]，但在可被识别、定位、访问、联网以及可扩展性上的考虑不多不多[10]。因此，有必要在保证实时性和可操作性的基础上，提出适合单元级轻量CPS的五层架构，包括基础支撑层、感知层、边缘控制层、大数据层和访问层，如图2所示。

（1）基础支撑层：负责提供业务组织和访问服务，包括数据访问、操作事务嵌入、用户鉴权、事务触发机制等。它为感知层、控制层和大数据层提供微服务结构的事务打包，同时为访问层提供API网关形式的外部信息访问和控制接入。

（2）感知层：负责CPS里对自动化设备的数据获取，通常基于RS485或以太网接口，上面适配不同的协议栈，比如Modbus RTU/Profibus DP。为了保证数据可靠和可信，需要内嵌基础的维护模块和转置模块，比如电压转安全等级、功率转负载数量等。同时，为了保证边缘控制的快速实施，需要进行必要的数据组织，通过内部接口定义开放给控制层做逻辑基础判断。

（3）边缘控制层：负责实施安全相关的实时控制以及来自访问层的远程控制指令。内嵌的安全策略是数据组织基础上的安全模型定义，可以快速制动或更改设备参数。而为了达到本地和远程的控制统一，按照应用服务的方式，采用可靠订阅发布的质量标准进行，本地安全策略也会按应用服务的形式进行注册、调用，并最终通过执行接口完成具体安全操作。远程的控制指令可以按照单一应用部署，也可以多重关联或嵌套，只要保证服务接口的数据一致性得到满足。

（4）大数据层：负责数据的收集、组织、加工、发布，一方面这些事务都以组件方式进行设计，可以快速发布成服务支持外部访问;另一方面组件化设计可以快速支撑内部交互合作。大数据层可支持各类数据库和数据形式，只要数据组件保证不同数据库的接入，并确保内部组件调用的数据一致性。

（5）访问层：负责提供桌面网页客户端或移动客户端的信息服务，部署在服务器上，通过MQTT与边缘端进行数据通信，并开放OPC数据接口，以支持CPS的外部感知能力。

3    单元级CPS应用验证

基于FANUC系统应用的多类型数控机床进行了综合验证，包括台湾荣田精机VL-400CM、起亚SKT28、台中精机V26，如图3所示。其中，VL-400CM支持直接以太网接口，SKT28支持PCMCIA接口，V26支持RS232C接口。边缘端需兼容这些接口并支持互联网数据传输，但不需要太强大的计算能力，因此采用轻量化Arduino平台进行验证。使用Arduino UNO R3边缘集成平台扩展无线以太网模块ESP8266 Wi-Fi，并安装标准MQTT库PubSubClient。

边缘端基于MQTT协议与数据服务端进行信息通信，数据服务端作为MQTT Server和OPC Server部署在云上。监控客户端基于OPC协议从数据服务端获得数控机床的实时状态，并可进行远程的参数控制。目前三个型号数控机床均完成了CPS改造，经试验，本地的分类报警消息和人为设定用时超限报警比原机床更加直观，同时远程程序传输使得机械加工过程无人化进程在数控机床环节得到充分的实施验证。该单元级CPS验证为系统级CPS的应用设计打下了基础。

4    结语

单元级CPS是智能制造应用的基础，它负责连接个体设备并提供被感知和控制的能力，同时，支持内嵌业务逻辑应用的设计将有利于系统级CPS的集成和实施。由数控机床、机器人、AGV小车、传送带等构成的智能生产线作为系统级CPS，可通过制造执行系统（MES）对人、机、物、料、环等生产要素进行生產调度、设备管理、物料配送、计划排产和质量监控。

虽然本单元CPS设计完成了实时感知、本地分析处理、快速操作以及外部感知控制的能力，但在安全性和自动化程度上还有很多需要提升的，包括通信数字签名、自适配接口和实时断网恢复。

[参考文献]

[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] 赵俊华，文福拴，薛禹胜，等.电力CPS的架构及其实现技术与挑战[J].电力系统自动化，2010，34（16）：1-7.

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[9] 林骁元，郭其一，黄世泽.基于CPS的中小型电动机故障诊断系统的实现[J].机电一体化，2011，17（7）：80-84.

[10] 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（3）：121-124.

收稿日期：2020-06-10

作者简介：樊淑萍（1978—），女，山东人，工程师，研究方向：纺织机械设备电气自动化、智能控制系统、智能制造体系在纺织机械行业的应用等。