基于CPS的可重构制造系统在互联工厂的应用

王 超，鲁效平，刘伦明，孙 明，景大智，王玉梅

(卡奥斯工业智能研究院(青岛)有限公司，山东 青岛 266500)

0 引言

随着新一代信息技术的发展以及人民日益增长的消费需求，对现代企业的生产模式产生了重大影响，越来越多的企业将从大规模生产的模式转变为大规模个性化定制的模式[1]。通过深度定制将用户需求和企业生产制造过程相连接，实现按需柔性化定制生产，并且互联工厂实现生产互联、产品互通和数据采集，促进了制造业企业加速向服务领域拓展，有效拓展企业的价值链，优化企业存量的同时带动利润增长[2]。这就需要企业通过产品结构调整和生产系统的重构将用户个性化定制的部分产品全部转化为批量生产，而传统制造系统并不能适应新型的生产模式，因此，亟需发展一种新型制造系统。在这种背景下，一种可以实现制造系统快速重构的可重构制造系统就被提出了，成为主流的革新方向[3]。

目前，以海尔互联工厂为代表的智能制造新模式是实现从大规模生产向大规模个性化定制转型的重要路径。2012年，海尔进入网络化战略阶段，积极探索新型智能制造模式[4]。在完成战略转变的同时，为了快速满足对个性化用户需求，海尔探索和实践的方向是互联工厂。互联工厂与传统工厂的差异在于不是简单的机器换人，而是由物理空间变成用户交互的网络空间，通过满足用户最佳体验、实现大规模定制以及柔性化生产，最终实现产消合一[5]。海尔互联工厂模式通过可重构的智能系统，可实现依据产品生产自动匹配不同的模块参数，使得设备、物料和人员自动调整相应的计划、动作等。

本文研究了基于CPS的可重构制造系统在互联工厂的应用，通过建立完整的模块化制造系统，解决个性化定制与大规模生产的矛盾。采用柔性可变的模块化制造单元解决传统工厂数据信息庞杂低效和制造资源可控性低等问题，支持大规模个性化产品定制。CPS可重构制造技术将生产制造的复杂行为转换为实际数据信息，通过重构分析、智能决策，动态优化调整模块化制造单元，使整个生产环节的制造资源处于有序可控状态，形成工业解决方案，并进行落地应用。

1 基于CPS的可重构系统的特性及架构

基于CPS的可重构制造系统采用模块化制造单元解决传统工厂生产线硬连接问题，根据生产计划、资源使用和产品工艺情况，通过模块制造单元重构分析、智能决策以及过程的虚拟仿真，动态优化调整生产线布局，使整个生产环节的制造资源处于有序可控状态，保证高质量、高效率、低成本地完成生产任务[6]。基于CPS的可重构制造系统架构如图1所示。

图1 基于CPS的可重构制造系统架构

可重构柔性制造系统包括大数据层、重构分析层和边缘层。

大数据层主要包括客户定制模块、数据融合模块和大数据分析模块。其主要是进行用户数据采集、数据判断分析以及可视化展示工作，可以将用户数据预测后的结果通过可视化接口进行展示。大数据层通过研究结构化的数据(用户注册、购买、配送安装、使用和保修保养等)和非结构化的数据(用户查看、浏览和点击等行为数据)整合分析，形成准确的用户画像，合理预判用户的消费行为。

重构分析层包括能力评估模块、资源管理模块、制造重构分析模块、虚拟重构模块、生产调度模块和仿真模块。其中任务管理模块根据产品自身的特点分解、分配工作任务，并协调各部门的工作。制造重构分析模块根据能力评估模块提供的产品信息分解生产步骤以及调度规划、根据资源管理模块提供的工装信息进行生产工艺的重构。虚拟重构模块以及仿真模块则对整个制造过程建模、模拟仿真，从而诊断并优化制造系统的重构方案。生产调度模块根据产品工艺、资源现状和仿真结果，通过对可重构制造单元的调度实现制造系统的重构，并将具体任务传达到制造单元模块，各制造单元模块根据任务指令开始生产[7]。

边缘层包括CPS总线和可重构制造单元模块，具体包括数控加工单元、在线分拣单元、产品输送单元、在线组装单元、产品检测单元、智慧物流单元、仓储一体化单元以及各类型步进电机、伺服电机、传动零部件等[8]。

深度融合了信息化和工业化的CPS系统，通过集成先进的感知、计算、通信和控制等信息自动化技术，实现互联工厂人、机、物、环境以及信息等要素在物理空间与信息空间中相互映射、适时交互、高效协同，动态优化调度制造系统内的生产资源，最终达到最优配置[9]。互联工厂的 CPS系统原理如图2所示，通过智能控制与硬件集成，以及实现数据采集、设备互联和智慧物流等技术融合，实现用户数据与制造数据集成、制造系统间协同服务等，是用户个性化定制、高效柔性生产服务融合的系统。系统基于MQTT协议的生产线控制器与MES和ERP系统集成和协同运行，提升设备接入数量，提高协同效率。同时，CPS系统通过信息、网络、控制统一模型，分析互联工厂生产计划、资源使用和产品工艺情况，进行工艺分解、生产过程编排、动作组合以及单步控制，动态优化生产线布局。基于CPS的可重构制造系统利用模块化制造单元解决传统工厂生产线硬连接问题，通过模块制造单元重构分析、智能决策以及过程的虚拟仿真，实现有序调控整个生产环节的制造资源。基于CPS的可重构柔性制造系统具有以下特点：系统模块设计；工业控制技术的齐全性；工业技术的同步性；工业标准化程度高；程序设计的便利性[10]。

图2 互联工厂 CPS系统原理

2 基于CPS的可重构系统的关键技术

面向大规模个性化定制的可重构系统以大规模定制原理和技术为基础，通过CPS重构技术实现车间设备、工厂布局的柔性管理。根据生产车间不同层面的需求将可重构系统分为3个层面：控制层、应用层及设备层。互联工厂设备层包含设备以及各类工厂机器人，它是应用层的载体，通过工控系统实现设备行为动作的有效控制，以此为基础利用执行层的软件系统及网络通信实现各设备、物流小车等高效执行。应用层主要对车间各执行层进行系统管理，通过PLM及CPS重构技术实现车间设备、工厂布局的柔性管理，最后将整个工厂执行过程产生的数据上传至控制层，构建基于用户个性化需求的生产控制与管理平台，实现整个可重构系统的智能决策。每个层面均涉及一些可重构生产技术，通过各层级关键技术的研究和突破，以此为基础支撑基于CPS的可重构系统的构建，实现互联工厂数字化和智能化生产。其中的关键核心技术如图3所示。

图3 基于CPS的可重构系统技术框架

2.1 设备制造单元模块化归类技术

可重构制造系统包括各类软件和硬件模块。通过设备制造单元模块化归类技术对系统的软件和硬件模块进行拓展和拆分，在降低重构次数、精简系统架构的同时，提高单元模块的功能匹配度，减少重构所需时间，提升生产效率。

2.2 可重构制造单元的边缘感知技术

通过将基于边缘计算的智能感知传感器嵌入制造模块单元边缘节点，可以满足可重构系统各单元的特征提取、信息采集和智能调度的需要，同时有效缓解现场大量非结构化数据的分析计算带给制造系统的巨大压力，确保各单元模块的敏捷响应[11]。

2.3 基于组态式的制造单元阵列式布局结构设计

采用比并串联复合布局具有更强柔性的组态式的制造单元，组成基于组态式阵列式布局的架构体系，降低生产质量波动，提升工序质量的稳定性，利于产品质量控制和生产调度。

2.4 可重构制造系统的建模、调度和运行仿真协调优化技术

建模、调度和运行仿真技术是可重构制造系统的一个重要支撑。生产过程中，各单元模块不断随时间变化的特点使可重构制造系统难以进行实时的生产调度与控制，因此，必须建立完善的仿真预测模型。通过构建精准揭示制造内在联系的动态仿真模型，可以对市场的波动性、用户需求的多样性及在生产过程中的各种随机突发因素进行仿真、预测、优化和控制[12]。

3 基于CPS的可重构系统的应用方案及效果

3.1 系统应用方案

根据企业实际需求以及现有信息化平台、通过增加硬件设施和深化信息调度，实现物流管理信息化、标准化、可视化、智能化和自动化，实现可重构制造系统智能决策与动态优化、生产过程自适应系统诊断与调度和虚实融合可重构系统的柔性控制。典型的可重构生产线布局案例如图4所示。

图4 可重构生产线布局案例

基于CPS的可重构系统大规模个性化定制生产中的具体应用分为以下3步：

a.将制造单元划分为若干模块，以模块为基本单元进行设计，对模块化制造单元的生产效率、通用化程度以及成本的影响进行评估，最终实现生产线的设备层柔性设计。可重构制造单元遵循“特性原则、典型部件原则和独立性原则”对模块进行划分与功能设计，优先考虑设计单元模块的性能、效率和质量等级[13]。

b.在解决设备模块化问题之后，采用基于组态式的阵列制造单元技术以及生产组织可重构性，实现生产线在布局和功能上的柔性可变。如果生产线的布局变化，则在随后的生产过程中，各工序都会遵照一定的方法进行改变和适配，从而实现生产产品的快速切换。系统具有较强的柔性，并且对产品质量影响较少，便于生产调度优化和质量控制。

c.在实现了生产线总体和设备模块化设计后，针对客户需求的多样性、市场的波动性以及各种在生产过程中不可预知的因素，通过构建精确动态仿真模型，对制造系统的重构和协调过程进行诊断和优化，预测系统在不同调度策略下的生产效率。

3.2 系统应用效果

目前，基于CPS的可重构制造系统已在某家电互联工厂进行了推广应用，通过构建自适应高柔性生产线以及满足不同业务流程的个性化开发，可依据产品生产自动匹配不同的模块参数，使得设备、物料和人员自动调整相应的计划、动作等，在冰箱、洗衣机和空调等不同产品中快速切换，如图5所示。

图5 可重构系统在互联工厂的典型应用

具体应用效果如下所述：

a.面对生产线重新部署时，生产线设备、工站以及整体布局的建模、设计和验证分析时间由30天缩短至15天。

b.面对生产线产品换型时，生产工艺编排和仿真测试时间由12天缩短至7天，可重构设备的设计效率提升20%。

c.面对生产线快速设计时，可重构工装、夹具和移动工站单元的部件互通适配性达到90%。

d.经过CPS的系统测试分析和实际测算后，柔性生产线的设备综合效率可达80%。

4 结束语

模块化制造技术是实现制造柔性化的基础，本文应用CPS技术和模块化制造单元，建立完整的模块化制造系统，解决个性化定制与大规模生产的矛盾，支持大规模个性化产品定制，实现制造生产流程的高效协同优化。该系统通过将柔性布局、模块化设备和建模仿真等集成设计应用，可以完成多设备的协同控制及定制化生产任务。系统根据用户个性化需求，将生产制造的复杂行为转换为实际数据信息，通过重构分析、智能决策和动态优化调整模块化制造单元，使整个生产环节的制造资源处于有序可控状态，最终生产计划、生产调度和生产资源最优配置，实现制造系统重构和协调。因此，相比传统的并串联复合布局系统具有更强的柔性，有效降低生产调度对产品质量的影响，对我国离散制造业的数字化、智能化发展起到积极的促进作用。