基于CPS的智能日化工厂关键技术研究

张涛 张立臣

摘 要：目前，国内传统日化工厂主要通过人机操作，人为控制生产流水线及产品包装与运输，该模式造成了工厂生产需要大量的人力和时间成本，极大限制了工厂生产效率和发展速度。为了紧跟《中国制造2025》计划，将CPS系统融入工厂未来发展，逐步向智能工厂转型。通过研究CPS的结构特性，融合目前先进的装备技术和信息技术，针对传统日化工厂生产模式缺陷，提出一种融合CPS的智能工厂解决方案。该方案能够帮助传统工厂实现智能化、自动化建设，智能工厂在提高生产效率、降低生产能耗以及改善产品服务质量方面均优于传统工厂。

关键词：信息物理融合系统;智能工厂;工厂转型

DOI：10. 11907/rjdk. 201148

中图分类号：TP301文献标识码：A 文章编号：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，世界上涌现了许多新生代信息技术，如云计算、大数据、人工智能、物联网等技术。有效利用上述技术提高工厂生产力，促进工厂节能减排，已成为现代工厂发展的首要目标，由此产生了一种新的框架系统——信息物理融合系统（CPS）[1]。我国紧跟世界发展潮流，《中国制造2025》[2]明确提出在工业四大核心部分加强 CPS技术研发与应用，对接德国“工业4.0”，推进制造强国战略全面实施。CPS在许多重点领域都有深入应用，如电网[3]、航天调度[4]、铁路交通[5]、制造工业[6]等。CPS将互联网与制造业紧密联系在一起，开启了工业4.0的革命，为现代智能工厂提供了发展方向。

目前，针对工厂如何实现智能化，以及如何利用CPS进行融合的解决方案被众多学者研究探讨。彭鹏等[7]强调在工厂智能化改造设计中，对加工原材料进行信息化管理，但未针对整个工厂组织结构提出有效建设方案;崔洋等[8]提出日化行业智能工厂设计方案，对工厂各系统中如何采集关键数据进行设计，但未能有效结合信息技术进行融合，也未能有效地将CPS特性融合在设计方案中;周庆红等[9]提出智能工厂CPS系统构建模型，强调CPS单元在生产设备中的应用及设备管理，无法从宏观上为日化工厂提供有效解决方案。本文着重分析CPS核心要素、智能工厂的智能化结构，提出整个工厂的组织层次模型，并在相应层级上结合当前优秀装备技术或信息技术，完善工厂管理—生产—服务数据链，为日化工厂智能化建设提供组织架构层面上的技术解决方案。

1 智能工厂

智能工厂最初是在德国“工业4.0”中被正式提及，为德国“工业4.0”两大主题之一。其阐述了智能工厂的概念和目标，提出智能工厂是以信息物理系统为基础的智能化生产，并认为智能工厂是传统工厂的升级转型发展方向。建设智能工厂的核心是将生产系统智能化、过程制造系统信息化，实现生产设备分布式通信。

智能工厂在学术界并无统一定义，但许多学者认为智能工厂在生产过程中体现出人类智能， 具有自我感知、分析、控制、调控、通信等功能，能够对整个生产过程进行智慧管控。在智能工厂的概念被提出后，许多学者对智能工厂在各领域的研究与应用进行了探讨。 游伴奏[10]对基于三大特征的智能工厂在印刷厂的应用进行了研究，总结出印刷工厂智能化的转型方向及设计方案;何欢[11]对《中国制造2025》下的民用航空智能工厂建设进行了研究，提出智能工厂是智能制造的载体和依托，是工厂实现高质量发展和转型升级的根本途径。生产自动化、制造集成化、管理智能化、服务主动化等是智能工厂的主要特征，其核心框架如图1所示，可分为智能管理系统、生产调度系统、生产控制系统、产后服务系统。

智能管理系统作为智能工厂的基础系统，主要承载整个工厂业务经营、生产调度、产品服务的生命枢纽。生产调度系统和生产控制系统是整个工厂的核心，调控着产品生产周期。产后服务系统作为集售后服务系统、产品功能改善系统等一系列针对产品性能优化的功能系统，是整个工厂生产的前进方向。

2 CPS

德国“工业4.0”中详细解释了CPS的定义，认为 CPS是将物理设备互联到各式互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自我管理功能，实现虚拟世界与物理世界融合。美国国家科学基金会（ NSF）认为，信息物理系统是一种集成了先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术的系统。如图2所示，CPS能够将物理世界与信息世界中的人、机、物、环境、信息等要素相互映射，搭建人机交互、高效协同的实时控制系统。

CPS是将信息世界与物理世界高度融合的自动化系统，整个系统可分为4层：物理层、感知层、网络层、应用层。物理层主要由机器设备构成，是主要执行单元;感知层通过传感器设备实时感知物理世界，并将设备信息，即物理信息转化为信息数据，通过感知层的网络通信传输到应用层相对应的数据应用系统，运用相关信息处理技术处理后回传给响应的执行单元，实现对物理世界的反馈调节，以高效处理和应对各类物理世界出现的状况。

CPS有四大核心技术要素，分别是感知和自动控制、工业软件、工业网络、工业云和智能服务平台。感知指通过传感设备和技术获取生产过程的所有工业数据，为CPS系统提供数据支持;自动控制在数据采集、指令传递、分析调度上提供精确化的执行动作，如监控系统、数据采集系统、控制系统等。工业软件作为智能工厂数据化、网络化、智能化的核心，对工厂生产计划、资源调节起决定作用，工业软件设计影响整个工厂的生产效益，工业网络是连接各生产系统的网络要素。 工业网络主要通过总线、以太网、无线网等进行互联互通，用于支撑工业数据的传输和应用。

CPS在学术界研究中有几类比较主流的体系结构，在文献[12]关于CPS体系结构的研究中，分别针对不同类型的系统特点、信息交互方式定义不同层次的CPS体系结构。比如，根据计算型组件和物理实体之间的反馈环机制，提出一种基于嵌入式控制循环的体系结构，这种体系结构适用于对物理实物进行形态调控，如温室种植等。交互由事件控制，CPS通过事件检测和决策机制对事件进行调控，这种情形的系统被定义为基于事件驱动的CPS体系结构，这类体系结构被应用于协同驾驶等特殊场景。

3 基于CPS的智能日化工厂建设

3.1 传统日化工厂缺陷

传统日化工厂只有一个记录生产计划的 ERP系统，其生产过程通过人工操作机器完成，并且包装和装箱都需要人力成本。因此，传统日化工厂在人力资源管理、生产资源管理等方面无法统筹兼顾，且不能合理安排生产。在生产方面，未能有效利用生产信息将造成人力和资源浪费、效率过低、成本过高，导致无法在已经实施智能化的工厂竞争中获取优势。传统日化工厂在当前社会发展下，必定要向智能工厂升级和转型。

3.2 基于CPS的智能工厂解决方案

CPS作为《中国制造2025》中的核心工业制造技术，是目前各大产业对工厂升级转型的首选方案。智能工厂基于CPS平台，加强各系统协同生产，极大强化了产品生产过程控制自动化和智能化。作为日化工厂，其对生产计划安排、资源调度、人工管理以及生产过程控制等方面有极高要求。而CPS能实现物理设备和信息系统的深度融合，集成智能工厂核心系统，加强各系统之间的紧密联系，实现工业生产环节的循环链接，以及生产过程的高效准确协调。因此，应根据CPS四大核心技术设计智能工厂CPS建设方案。

3.2.1 感知与自动控制

感知和自动控制作为CPS系统中数据流动起点和终点，依賴于拥有感知技术的设备对工厂中人、机、物等生产设备进行信息采集，对工厂各大结构进行数据化。其核心宗旨是保证数据采集系统对物理层设备进行精确的数据采集，并满足实时性和可靠性要求。针对传统传感器设备在实时性上无法满足CPS系统要求的情况，文献[13]提出一种基于OPC协议的数据采集方案，并针对石油化工企业如何在DCS系统接入OPC协议提供实施方案，此方案同样适用于日化工厂在其生产系统中的DCS系统。在PLC系统中接入OPC协议，还需要一个数据采集应用平台对采集系统进行调控，文献[14]提出采用新一代信息技术和架构的数据综合采集与应用开发平台——Hia SCADA。Hia SCADA平台不仅具有对企业范围内各类多源异构数据的采集、建模、处理和转发等数据处理功能，还能提供可视化监控、高级数据分析和定制化应用开发等服务，融合两者的数据采集系统足以对大多数工厂的生产过程进行高性能的实时监控和数据共享。

在设计数据采集系统时，需明确数据采集对象，避免数据链缺失。智能工厂必须对工厂所有可调控的机器设备进行采集，采集对象除摄像头、机器信号、设备屏幕等常规对象外，还需增加对原材料和员工的信息采集，针对原材料信息数据采集，将原材料转换为信息数据，详细记录原材料在入库、生产使用、成品出库过程中的消耗记录，以免造成资源浪费。 针对员工的数据采集包括工作时间、工作状态、工作任务等，以加强员工与智能工厂融合，提高工作效率。

3.2.2 工业软件

工业软件是智能工厂数据化、网络化、智能化的核心。文献[15]强调在工业4.0的大背景下，一个工厂如果要提高自身智能化生产水平，必须研发满足自身生产个性化需求的高智能、高水平工业软件。工业软件体系基于信息技术的发展而逐渐成熟，分为嵌入式软件、系统软件、中间件和应用软件。一个优秀的CPS系统必须有一个符合自身工厂生产特点的应用软件，如定制化的ERP系统，融合目前流行互联网信息技术，集成大数据分析、服务云等新兴技术概念的网络化生产管理系统，工业仿真和监测等软件。在生产调度系统和过程控制中，嵌入式软件设计与应用将极大提高整个生产环境的信息化程度，也为CPS系统信息采集提供了物理基础。工业软件能合理安排生产计划，提高人力及生产资源使用率，甚至可结合大数据分析系统提供优秀的经营策略，在将工厂自身业务数字化、信息化的过程中，注重物理世界中业务逻辑和生产设备的精准转换，避免产生信息遗漏，造成CPS信息循环环路断裂。

3.2.3 工业网络

工业网络作为连接生产系统和产品相关系统的连接线，是CPS系统的基础和前提，其包含工业现场总线、工业以太网、工业无线网络和异构网络集成等技术，实现工厂内所有生产设备和信息系统通信，以及对生产物料、产品、人员的无缝集成。在基于CPS系统的智能工厂方案中，要求各信息系统能够实时进行数据通信，因此在工厂网络线路设计方面，应提高信息传输速率和广度。文献[16]提出基于光纤传输的工业传感器网络，利用光纤极快的传输速率和强大的抗电磁干扰能力，提高数据采集和传输速度，以达到CPS系统数据较好的实时性。

3.2.4 工业云与智能服务平台

工业云和智能服务平台作为智能工厂的数据处理中心，集成了数据集散、数据存储、数据分析和数据共享服务。在工业云作为整合工厂硬件资源和承载软件应用的枢纽点，能够让工厂加速资源整合、主导行业规则、加强竞争点，是工厂的决策中心。目前，工厂的工业云和智能服务平台建设还不够成熟，主要依托大数据和云计算等信息技术加以解决。文献[17]提出如何有效地对工厂大数据进行利用，并提供了目前最佳解决方案。该方案要求工厂结合自身发展特点进行云平台设计与研发，为平台定制一套标准和规范，使用成熟稳定且有效的开发技术，形成高效实用的工厂大数据管理体系。实力强厚的工厂可以组建研发中心，专门为工厂智能云服务平台提供创新发展和技术服务支持。

4 结语

CPS作为传统日化工厂升级转型的首选方案，应依据自身条件，合理设计厂房布局。在组织架构上要满足CPS的三层组织结构，在组织结构上选择适合自己产品的工业软件，设计合理的数据传输通道，以及一套完善的数据采集和数据分析应用系统，最重要的是整合工厂资源和信息系统搭建高效精准的云服务平台。由于当前优秀的数据采集技术和信息技术实现成本偏高，中小型日化工厂实现基于CPS系统的智能工厂还需要足够的资金支持，以形成有利于工厂智能化的可持续发展路径。提高员工与CPS系统深度结合，也是暂时解决数据采集技术不完善等问题的一种方案。中小型日化工厂智能化建设，是其发展的必然趋势和长期目标，完善CPS系统、优化生产过程，是后续升级发展的方向。

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（责任编辑：孙 娟）