CPS在工业控制信息化过程中的应用

黄捷　吉顺平　陈志广

摘 要 信息物理融合系统CPS（Cyber-Physic System）是融合了传感器及网络、通信系统、计算机网络等多种网络与技术的新型复杂系统。工业控制信息化是必然发展趋势，以太网在工业控制领域非常普遍，物联网和工业以太网的标准数据部分是基于标准TCP/IP模型的，而工业以太网协议的实时数据部分是基于扩展TCP/IP模型的， 本文结合CPS在工业控制上的应用，进行了研究分析。

关键词 物联网 CPS 工业控制

Abstract CPS （Cyber-Physic System） is a new complex system which integrates sensors and networks， communication systems， computer networks and other networks and technologies. Informatization is the inevitable trend of the development of industrial control， Ethernet is very common in the field of industrial control， standard data networking and industrial Ethernet standard part is based on the TCP/IP model， and the real-time data of industrial Ethernet protocol is based on the extended TCP/IP model， combined with the application of CPS in industrial control， are analyzed.

Keywords Internet of things； CPS； industrial control

随着大数据处理、云终端计算、移动互联的科技发展及应用，现在的工业控制及其制造正在悄然发生着巨大的变化。从制造到智造的转变，技术的不断更新发展，工业化地物联技术也随之产生。不论是德国提出的工业4.0、美国提出的再工业化进程，还是中国提出的新型工业化进程“中国制造2025”，这些理念的提出，都与现在提出的万物互联有着共同的交汇关联点，可理解为信息物理融合系统——CPS，它是多维异构的计算单元与实际物理对象，在网络环境下高度集成而又交互的复杂新型智能系统，具有计算及数据处理、相互通信、协同控制及自我调节反馈等特点，是多层面的交叉系统科学，其与传统物联网、传感网络、ARM嵌入式系统相互关联，是融合了多种已知网络和信息技术的新型复杂系统，但范围更加宽泛。

我国是从2008年开始投入研究CPS的，09年关注于在工业领域的发展，2010年863项目组织专题论坛，《中国制造2025》与《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》都要求加强信息物理系统的研发与应用。同时，工信部信软司指导中国电子技术标准化研究院，联合国内的相关单位，编辑形成了《信息物理系统白皮书（2017）》。本文首先介绍工业以太网与物联网互联模型的研究，在此基础上对工业控制过程中CPS与类似系统的区别进行阐述，再结合CPS在工业控制信息化过程中的应用，进行研究分析，最后进行小结。

1 工业以太网与物联网互联研究

工业以太网与物联网是两个概念。以工业以太网为例，工业网络（Field network）主要是在工业生产环境中，能够实现全数字化、双向数据、多站的通信系统，它主要完成I/O数据的传送、设备指示及现有的通断开闭控制等。现有的工业控制网络按照应用场合分类，主要有5类：SensorBus；DeviceBus；FieldBus；ControlBus；EnterpriseNet。用得最多的是第二種，只要能对工业现场网络化的设备，提供通信及诊断功能的，都属于这种类型的工控网络，例如：德国西门子采用的是Profibus、美国罗克韦尔采用的是DeviceNet、日本三菱采用的是CC-link。

物联网简单的理解就是物物相连的网络；深究其意则是指，通过各种信息传感设施及装备，实时采集各种需要的信息，与互联网形成的另一个网络。它的目的是实现物品与物品、物品与人，所有相关物品与网络进行互联，方便识别及管控。

工业以太网与物联网互联模型的研究，从以太网入手，在通信网络上可以实现互联，两者融合后构建起统一的网络体系结构，如图1。

1.1 网络互联的难点

从第一次工业革命蒸汽机的引入，机械化进程；到电气化将电能引入，实现电动大规模生产；再到自动化，将电子及信息技术引入，进一步实现自动化的生产。

每一次革新都对传统的理念造成冲击，正如信息物理系统地使用，如何将前期的所有工作继续进行，同时对各自子系统进行相互关联，关联的难点在于将所有信息实现联通，怎样将完全自动化及部分信息化，过渡到完全自动化及完全信息化。

从部分信息化到完全信息化，实现万物互联，这之间需要解决通信协议的问题，现有的互联网通信协议为TCP/IP，在与工业生产对比看来，其传输速度、精度及安全性等方面都存在问题，因此这部分问题解决后，会给万物互联创造很好的条件。下一代的互联网IP标准（IPv6）号称可以为全球每粒沙子编入IP地址，这一特点将现有的标准（IPv4）网络地址资源的局限性进行了很好的拓展。

1.2 互联后引申出的问题

互联前的工业控制网络中，存在的控制器、驱动器都在现场总线中通过特定的终端PC及人机界面进行实时在（内网）监测 ，互联后很多外设单元属于随即添加，例如无线的仪表检测等，其数据内容基本通过无线网络进行终端的回馈，其数据的采集、此数据与内网的数据如何交互，中间数据的处理尤为重要；物品的自动识别及信息的互联共享，在物联网的范畴内实现后，如何引入工控网络，中间环节很重要；大批量的数据处理最终肯定是在云处理中心完成，主控制系统、现场总线通讯系统、无线控制系统、反馈系统等产生的数据由统一的协议及网关，在工业云服务器进行处理，处理后的数据，可以调动互联在网的各外部设备整体协同完成最终的执行任务；数字化的智能工厂，一个物品从设想的虚拟方案，到工业化生产变为具体的商品，数据会实时不断产生，将其生命周期内所有的数据，按统一标准收集整理，在该商品身上植入档案信息，设计与生产协同进行，人、物、网络相融合。endprint

2 工业控制信息化过程中的CPS

CPS在实际应用的过程中，与相近的其他系统相互接触，但彼此又有实际的区别：就嵌入式系统而言，其侧重点在于强调计算单元，计算单元与物理对象之间的连接考虑不多，CPS作为终端物理设备与PC技术结合的融合体，使得计算对象可以从数字到模拟、离散到连续、静态到动态、由分布到统一转变，如同是网络系统、控制系统与嵌入式系统的动态重组与整体融合。而物联网中的具体物品不具备控制与自治能力，通信在具体实物与服务器之间发生，物品之间不能相互间协同操作，物联网可以看作是CPS的某种功能的简单应用。CPS与软件系统的区别，CPS侧重的是对各物理进程进行实时控制，必要时反馈信息，在信息处理与交互方面有动态的响应过程。

在工业控制方面，依靠机器制造机器的过程，基本上体现了工业自动化控制的一个新高度，CPS利用物联网的特定功能，完成工业控制过程中信息化的进程十分有效。在汽车车架的生产过程中，数据是实时产生的，但实现其数据共享、实时添加的外设数据与之建立相应的关联，这些内容值得研究，运用CPS以及通过互联网等通信技术，把现有的传感器、运动控制器、执行部件、操作人员和物理信息中的物等信息，通过新方式联系在一起，最终形成人与物相关联、物与物相关联，实现工业信息化、工业远程管理控制及终端制造智能化的网络，可以很好的将双网的信息资源与实际应用建立对应的关联，提高生产效率，降低生产成本。

以汽车车架的生产为例，从原材料采购，到板材的冲压成型加工，再到车架总成的焊接、除锈、喷漆涂装，传统的物理设备在进行基础板材加工过程中，开卷（料）是第一步，目前的车企中，上海大众及少数汽车企业拥有自己独立的开卷车间，这一步如果实现数据共享及实时在线控制的话，基础待冲压成型板材，可以根据不同车型及模具要求，完成不同钢卷的采购，同时在专门的钢板板材加工厂完成不同形状的板材加工，可降低产品成本。在冲压成型过程中实时数据会随之产生，这些数据如果能够及时在板材上标记的话，会对后期的溯源跟踪方面，提供有效的数据支持，目前只有极少数的汽车企业会在会在板材上进行激光二维码的蚀刻，正因为这些物理数据没有和整体云端数据进行共享，个性化的定制汽车只是少众选择，大多数还停留在日订单完成量上。成型后的板材单元，靠工业机器人进行搬运及焊接完成车架总成。在成型的车架单元运输过程中，有的靠人力叉车进行相对效率低下的转场，有的车企则依靠无线蓝牙运输车进行车架板材的转场。这一过程中，工位上循迹搬运车发现物料缺少，它会及时进行物料的补缺，点到点的无线循迹运输效率非常高，且保证24小时连续运行。但是与整车的生产速度及实时控制前端的材料加工生产，互不干涉，必要时可闭环控制的反馈机制不能够很好的体现，不能构成闭环系统，对原有控制及时调整实时数据从而影响偏差，CPS系统的加入通过数据云，将数据进行实时的分析及互联共享，整合出有效的方案，信息化的生产设备，通过CPS协同调度分段运行，对应的整车生产线可以让同一生产线，在同一时间，不同工位生产不同的车型，或者根据终端4S店提供的个人专属信息，在生产线上生产一台属于用户个人专属的定制版车型。

3 结束语

CPS在未来的发展还有很广阔的空间，传统的硬件加软件的基础单元控制方式，已逐渐被由CPS构成的硬件加软件再加网络的系统控制方式所取代，后期的发展肯定会向系统控制方式加上智能云平台服务方向发展，可见CPS的发展在工业控制信息化过程中，能够可以起到非常重要的作用，实现未来的智能制造和智能工厂。对于科研人员来说，构建一套在信息空间与物理空间之间，基于云服务数据的如：基础单元的状态感知、实时数据的科学分析、科学有效的判断决策、极致而精准执行的闭环智能控制体系，还有很多方面需要研究，在工业控制信息化过程的应用及其他方面，CPS还会发挥其作用，促进中国制造2025的实现。

参考文献

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