基于CPS的车间设备物联网架构及技术研究

傅磊，曲晓峰

（哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150028）

0 引言

随着智能制造在制造领域的快速发展和深入应用，信息物理系统（Cyber-physical System，CPS）作为智能制造体系建设的核心[1-2]，受到了日益广泛的关注，众多学者对基于CPS的企业智能制造体系建设，以及智能工厂和智能车间的智能制造应用进行了广泛深入的研究。文献[3]针对制造业智能制造体系建设，给出信息物理系统参考体系结构。文献[4]针对智能制造功能架构设计问题，以企业信息化系统为主线，给出基于CPS的功能架构设计方法。文献[5]针对智能工厂的异构通信技术应用现状，给出了基于CPS的实现技术研究。此外，众多学者还针对制造单元监测、管控和机床智能监控进行了基于CPS的系统设计及实现研究[6-9]。

互联互通是开展智能制造的重要基础，通过设备互联和信息互通实现数据的闭环自动流动是智能制造的本质要求。物联网技术以互联互通为基本原则，为企业设备互联提供了有力的解决方案，将物联网应用到工厂/车间的设备互联得到了普遍认可。例如，针对工厂智能制造和物联网系统的总体规划设计和实施研究[10]，针对离散制造行业车间物联网系统的关键技术研究[11-12]，利用物联网实现车间监测、控制，以及故障预警的研究[13-14]，此外，更多的研究集中在利用物联网技术实现车间数据采集和管理方面[15-19]。

基于上述研究成果，本文从智能制造系统本质要求的角度出发，基于CPS实现原理，结合物联网参考体系架构，提出了一种基于CPS的车间设备物联网系统架构，并对架构的关键实施技术进行了研究，旨在为智能车间设备互联提供一种可借鉴的参考解决方案。

1 系统理论基础

1）物联网参考体系架构[20]。

物联网参考体系架构如图1所示，由感知及控制层、网络层，平台服务层及应用层构成。

图1 物联网参考体系架构

感知及控制层通过物联网终端获取环境、设备、系统、过程的状态信息，经处理后通过网络层向外传输；同时也通过网络层接收执行指令，传递给控制系统以实现设备、系统、过程的控制。典型的物联网终端包括传感器、控制器、执行器、计量器等，例如二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等。

网络层由各种通信网络构成，例如各种广域网、局域网、有线网、无线网、移动通信网及网关设备等，用于信息、数据、指令在感知及控制层、平台服务层和应用层之间的传输，此外还包括网络管理、云计算、专家系统、信息中心等信息和数据处理系统。

平台服务层是物联网系统中的物联网平台，是物联网体系架构和产业链中的关键环节，不仅实现对物联网终端和企业资产的管控和运营，而且实现与感知及控制层的连接以及为应用层提供开发和应用接口，并通过平台设备、平台系统、相关业务及管理为产业链相关行业提供数据路由、处理、挖掘、仿真优化，以及业务应用开发和设备维护等服务。

应用层是根据业务需求，在平台服务层基础上建立的物联网应用集合，提供企业内部和相关上下游企业的业务应用、业务管理、业务服务及内容服务等。应用服务层是实现企业智能化应用的解决方案集合，用以实现信息技术与行业技术的深度融合以及行业智能化。

2）信息物理系统原理[1-2]。

CPS是由信息系统和物理系统及相关组件构成的状态感知、实时分析、科学决策和精准执行的数据自动流动闭环系统。CPS包含单元级、系统级、系统之系统级3个层次。

单元级CPS结构如图2所示，是由信息系统、物理系统、传感器、执行器、期望目标、初始配置、关联资源构成的最小闭环系统。信息系统包含物理系统的信息模型以及满足物理系统感知或控制需求的功能描述模型，其中信息模型是物理系统的特征描述模型，例如几何特征、物理特征、行为特征、规则特征等。期望目标是物理系统的期望响应，初始配置用于信息系统初始化，关联资源是信息系统维持运行所需内外部资源，传感器用于感知物理系统状态，执行器用于控制物理系统行为。信息系统根据期望目标进行初始配置，调取关联资源后，通过对物理系统的感知，分析物理系统的状态，将控制或决策指令传递给物理系统，使物理系统产生期望的响应。

图2 单元级CPS结构

系统级CPS由单元级CPS通过CPS网络互联构成，每个单元级CPS可独立完成系统的特定目标任务，多个单元级CPS可共同完成整个系统的目标任务。系统级CPS实现多个单元级CPS的协同运行，以及更广范围的闭环运行和数据的自动流动。

系统之系统级CPS由多个系统级CPS、CPS网络及CPS智能服务平台构成，每个系统级CPS可独立完成特定目标任务，多个系统级CPS可通过协同方式共同完成系统的目标任务。 CPS智能服务平台保证系统级CPS的调度和协同工作，对多个系统级CPS进行统一监测、数据分析、集中管理和监督控制，实现比系统级CPS范围更广的资源配置优化以及数据自动流动。系统之系统级CPS实现跨系统的互联互通，为全局范围内同构或异构系统集成提供了解决途径。

2 系统总体架构

基于CPS原理和物联网参考架构的车间设备物联网系统总体架构如图3所示，包括终端层、CPS信息系统层、CPS智能服务层等3个层次。依据制造企业生产要素的划分方法，将车间终端层对象分为3类，第一类由人员、物料、工装和相应的管控系统构成，第二类由生产设备和对应的管控系统构成，第三类由环境感知装置和对应的管控系统构成。3类终端层对象分别和对应的CPS信息系统构成系统级CPS，每个系统级CPS均可根据功能需求包含多个单元级CPS。CPS信息系统与物理系统通过车间工业通信网络互联，不同的物理系统可以采用相同或不同的网络通信技术。CPS信息系统层由车间所有系统级CPS的信息系统构成，CPS信息系统由感知接口、执行接口、采集接口、控制接口和CPS信息模型构成，其中感知接口用于接收物理系统传递的状态信息和数据，执行接口用于向物理系统下发指令，改变物理系统的状态，采集接口用于向CPS智能服务平台传递终端层的采集信息和数据，控制接口用于接收CPS智能服务平台下发的指令。CPS信息模型包含了满足感知、执行、采集、控制功能的模型，以及终端层对象的内部状态描述模型。CPS智能服务平台通过对3个信息子系统的监控，实现在车间生产、管理、运行过程中对终端层对象的状态监测、集中管理，以及控制和调度。CPS智能服务平台由数据接入层、数据管理层、服务层和应用层构成，其中数据接入层用于信息和数据的收集、解析、处理。数据管理层用于信息和数据的清洗、融合、存储。服务层提供车间生产和管理业务服务以及业务服务配置和服务资源管理。应用层用于提供车间物联网系统的状态监测、数据分析、辅助决策、控制调度等企业应用。CPS智能服务层和CPS信息系统层以及终端层共同构成系统之系统级CPS。

图3 车间设备物联网系统总体架构

通过车间设备物联网的构建，使车间的人员、物料、工装、设备、环境的信息和数据通过对应的管控系统获得，利用车间各种类型的工业通信网络，经过对应的CPS信息系统感知接口上传到CPS信息子系统，CPS信息子系统根据功能需求，通过CPS信息模型处理上传的数据，根据CPS智能服务平台的采集需求，利用采集接口经过工业互联网接入CPS智能服务平台，CPS智能服务平台对上传数据采集、汇聚、解析、清洗、融合、存储后，根据不同的业务服务需求提供所需数据，应用层基于不同的应用目标，利用业务服务的分析、计算、处理、控制、决策等结果实现相应的企业应用功能。对需要进行决策控制干预的生产和管理活动，由CPS智能服务平台将指令信息分发到对应的CPS信息子系统，CPS信息子系统通过控制接口接收下传信息、指令、数据，根据功能需求经过CPS信息模型处理后经由执行接口传递到终端层对象管控系统，由管控系统实现对终端层对象的状态更新和控制调度。经过以上数据流转过程，实现车间设备物联网架构内数据的闭环自动流动。

3 系统实施技术

车间设备物联网系统技术架构如图4所示，人员、物料、工装、设备、环境等物联网终端与管控系统的典型通信方式包括如RS232、RS485、Modbus、Profibus、Modbus TCP、Profinet、WiredWireless Ethernet、WSN、Zigbee、RFID、OPC等。管控系统与CPS信息系统的感知和执行接口通信方式由管控系统自身与外部通信方式确定。各CPS信息系统通过基于MQTT通信的采集和控制接口实现与CPS智能服务平台接入层的通信，分别负责CPS信息系统的数据采集和决策指令接收任务，CPS智能服务平台接入层通过MQTT通信实现数据接入和数据发送接口，分别负责终端数据的接入和决策指令的下发任务。MQTT是构建在TCP/IP协议基础之上的轻量级通信协议，随着物联网技术的广泛应用，MQTT成为物联网应用最主要的通信协议，其原因在于MQTT开发过程简单，通信过程占用带宽资源较少，同时能够在物联网终端之间提供可靠、实时的消息传输服务。MQTT协议采用客户端/服务器模式，客户端既可以是消息发布者也可以是消息订阅者，MQTT代理服务器作为消息接收和转发的代理。客户端和服务器端也可以同时是发布者和订阅者，通过这种机制实现了一对多、多对一及一对一等通信方式。灵活的通信方式使得MQTT 满足信息和数据闭环要求，成为车间物联网系统的首选通信方式[21-24]。

图4 车间设备物联网系统技术架构

CPS 智能服务平台数据管理层负责物联网数据的清洗、融合、存储。通常采用主流的数据库系统，例如Mysql、MongoDB、Hbase等。Mysql数据库适用于存储关系型数据，数据具有复杂查询需求。MongoDB数据库适用于存储非关系型数据，数据查询具有高速、实时性需求。HBase数据库适用于存储历史数据，包括结构化数据和非结构化数据。其优点是能够存储海量数据，同时有利于海量数据查询分析，并且Hadoop架构具备丰富的数据挖掘、大数据分析、数据仓库等组件或软件支持，特别适用于数据挖掘、数据分析应用。在数据管理层设计过程中，可以依据数据不同特征和需求选择使用一种或多种数据库建立数据管理系统[25-28]。

CPS智能服务平台服务层包含车间要素和业务管理服务、平台资源管理服务，同时具有服务管理和配置功能。当前服务层主流实现技术是微服务架构，例如基于Docker的微服务架构等。对于车间设备物联网来讲，CPS智能服务平台包含了车间众多要素和相关业务服务的管理、综合、协调和调度，可看作是众多单元级或系统级CPS的信息系统构成的大系统，通过微服务架构设计模式可以将其分解为多个能够独立运行的子系统，各子系统可以独立完成某项任务，也可以通过协调共同完成某项任务，各个子系统之间以及外部与系统之间可以通过REST API进行数据交互，不同子系统可以根据不同的业务需求采用不同的设计方案，系统不会特别依赖某一固定架构或者某一编程语言，各子系统微服务升级或改动时，不会对系统整体规划产生过多影响，当需要增加或减少子系统时，可以独立编译部署，不会影响到其他子系统，从而降低技术风险，提高实施效率，缩短实施周期[29-30]。

CPS智能服务平台应用层提供车间物联网系统的监测、管理、分析、诊断、预警、配置、调度、控制的交互功能，通常采用基于WEB 的可视化技术，WEB可视化开发和应用的主流技术框架包括AngularJS、React和Vue等3种。其中AngularJS适用于MVC架构的WEB应用，能够开发动态WEB应用程序，其优点是零配置和深度整合设计模式。React适用于构建数据会随时间而变化的大型应用程序，开发过程简单，界面简洁清晰，可以随数据变化高效地更新渲染界面。Vue适用于开发单页面应用程序，还可以作为WEB应用框架，简化WEB开发。同时Vue提供数据绑定和组件系统，具有简单灵活的应用程序接口。在应用层构建过程中，可以根据具体的业务特征选择相对适合的技术框架。

4 结语

企业智能制造的发展是各个行业先进制造技术与信息技术的深度融合，大数据、云计算、物联网、人工智能、移动通信、信息物理系统等计算、通信、控制、信息技术将不断推动智能制造向纵深发展。基于CPS的车间设备物联网架构将信息物理系统原理和物联网架构有机融合，实现智能车间的设备互联，以及数据的感知、分析、决策、执行的闭环自动流动，体现了智能制造的本质要求，为制造企业开展智能制造，建立设备互联网，实现互联互通提供了一种可供参考的解决方案。