自动导引柔性工业互联网
摘 要：工业4.0最大的创新在于，引入了新技术—信息物理融合系统，它可以大幅度提升大规模定制的个性化水平和经济指标。柔性制造系统具有生产负荷平衡调度和对制造过程实时监控以及制造多种零件族的柔性自动化功能。作为直接
控制柔性制造系统制造活动的单位控制器，其结构必须具有时间上和空间上的开放性。数据采集系统主要用于测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控。所有这些为最终打造自动导引柔性工业互联网创造了条件。
关键词：信息物理融合系统；柔性制造；自动导引小车；单元控制器；数据采集系统；人机界面
Abstract The biggest innovation of industrial 4.0 is the introduction of a new technology - CPS, which can greatly improve the individualization level and economic indicators of mass customization. Flexible Manufacturing System (FMS) has the functions of production load balancing and scheduling, real-time monitoring of manufacturing process and flexible automation of manufacturing a variety of parts families. As a unit controller directly controlling the manufacturing activities of flexible manufacturing systems, its structure must be open in time and space. SCADA system is mainly used for the monitoring of production process or equipment with scattered measuring and control points and wide distribution. Finally, we will build the flexible industrial Internet with automatic guidance.
Key words CPS, FMS, AGV, Unit Controller, SCADA, HMI
引言
随着市场需求的改变和制造技术的进步，传统的大批量按库存生产的方式逐步被淘汰，取而代之的是更加个性化或定制化的生产。
为实现这一目标，在工业3.0时代，其解决方案是建立在模块化的产品和标准化的工艺基础上，通过互联网将供应链上的各个成员和物流环节连接起来，从而推动整个生产和供应链的精确运行。
工业4.0最大的创新在于，引入了新技术—信息物理融合系统（CPS），它可以大幅度提升大规模定制的个性化水平和经济指标。 CPS是整个工业4.0最重要的理论基础，可以被应用在其他许多场景中。
1 CPS
CPS是对计算进程与物理进程进行集成所形成的综合系统，其行为由系统的信息部分及物理部分共同定义。从技术发展路线来看，CPS是在切入式系统、传感器技术和网络技术的基础上发展起来的。
计算机与网络监测并控制物理进程，且通常情况下这些物理进程与计算进程在反馈环路中相互影响。CPS主要是关于物理和信息的交互，而非简单的合成。
因此，独立地理解物理组件和计算组件远远不够，必须深入理解它们之间的交互特性。
1.1 CPS定义
CPS的狭义内涵是实体系统里面的物理规律以信息的方式来表达。CPS的广义内涵是对实体系统内变化性、相关性和参考性规律的建模、预测、优化和管理。
CPS的基础在可见的世界中包括物联网、普适计算和执行机构，它们定义了实体系统的功能性，是感知和反馈的基础。
CPS以多源数据的建模为基础，以智能连接、智能分析、智能网络、智能认知和智能配置与执行的5C体系为架构。建立虚拟与实体系统之间关系性、因果性和风险性的对称管理，以持续优化决策系统的可追踪性、预测性、精确性和强韧性，实现对实体系统活动的全局协同优化。
1.2 CPS的五层次结构
CPS的五层次结构提供了一种逐步渐进的在制造行业中开发和部署CPS的指南。
（1） 智能连接层
从设备及其零部件中获取准确可靠的数据是开发CPS的第一步。
（2） 数据—信息的转换层
必须从数据中获得有意义的信息，开发预测算法，通过计算，可给设备带来感知的能力。
（3） 网络层
网络层在这个结构中起着中央信息连接的作用。
（4） 认知层
在这个层面上实施CPS会对被监控的系统产生完整的知识。
（5） 配置层
配置层是来自网络空间对物理空间的反馈，其作用是监管控制，让设备做出自配置和自适应。
图1
1.3 基于服务和实时运行的CPS
CPS是一个分布式的系统，它通过基于CPS的实时联网，实现对物理世界的数据搜集和感知，然后在虚拟世界中进行分析，从而对物理世界进行控制。
沿着IT从业的视角来看，这是一种典型的面向服务的架构。提供服务的一方和接收服务的一方是一种松耦合的体系结构。
图2
虚拟世界由一系列驻留在云中的业务对象构成，通过联网向外提供服务。物理世界的实体通过实时联网，在云中建立类似于“双胞胎”的业务对象，持续地向云端传递相关的数据和信息，而虚拟世界中的业务对象则向物理世界中的实体提供服务。
2 柔性制造系统
当柔性制造系统在直观上可定义为一个在中央计算机控制下，由两台以上配有自动换刀及自动换工件托盘的数控机床，以及供应刀具和工件托盘的物料运送装置组成的制造系统，它具有生产负荷平衡调度和对制造过程实时监控以及制造多种零件族的柔性自动化功能。
2.1 柔性制造系统定义
柔性制造系统（FMS）是由数控加工设备、物流储运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产，能适应加工对象变换，在加工自动化的基础上实现物质流和信息流的自动化。
柔性制造系统具备下面这些特征。
（1） 从硬件形式上看由三部分组成
1) 两台以上的数控机床或加工中心、其他加工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机以及各种特种加工设备等。
2) 一套能自动装卸的储运系统。
3) 一套计算机控制系统。
（2） 数据—信息的转换层
1) FMS的运行控制。
2) FMS的质量保证。
3) FMS的数据管理和通信网络。
（3） FMS的功能
1) 能自动进行零件的批量生产。
2) 简单地改变软件，便能制造出某一零件族的任何零件。
3) 物料的运输和储存必须是自动的。
4) 能解决多机条件下零件的混合比，且无须增加费用。
柔性制造系统是高度融合现有的信息技术，集管理、业务、技术和数据于一体，软、硬件高度集成的生产系统。
2.2 柔性制造系统的运储系统
柔性制造系统的运储系统的任务主要有以下三方面：
1) 原材料、半成品及成品的运输和储存。
2) 刀具、夹具的运输和储存。
3) 托盘、辅助材料、废品和备件的运输和储存。
自动运输系统主要用于完成两种性质不同的工作，一是将零件的毛胚、原材料由外界搬运进系统以及将加工好的成品从系统中搬走；二是零件在系统内部的搬运。
自动运输系统的基本形式从自动运输系统的布局来看，可将它们分为串行工作方式和随机工作方式两大类。而网格式则利用自动导引小车（AGV）或搬运机器人来实现。
在柔性制造系统中，使用AGV有以下四方面的优点：
1) 较高的柔性。
2) 实时监视和控制。
3) 安全可靠。
4) 维护方便。
2.3 柔性制造运行控制系统
美国国家标准局（NIST）在其计算机集成制造系统（CIMS）参考模型中提出的递阶控制结构概念已在国际上被广泛地认可。NIST对CIMS提出的五层（工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层）递阶控制结构如图3所示。
图3
柔性制造控制系统是一个多级递阶控制系统。它的第一级是设备级控制器。第二级是工作站控制器。第三级是单位控制器。
作为直接控制柔性制造系统制造活动的单位控制器，其结构必须具有时间上和空间上的开放性，以满足企业因外界发生的变化而调整经营过程对管理和控制单元在结构上、功能上所提出的要求。
单元控制器的空间开放性是指它对不同的硬件环境是开放的，软件能够运行在不同制造厂商的异构计算机系统中，即在空间上具有互连性。单元控制器的时间开放性是指它能适应新技术的发展，容纳新设备的能力，即在时间上具有连续性。
图4所示是一种符合开放性概念的单元控制器模型，它由核心功能服务、通信服务、信息服务和前端服务四大部分组成。
图4
2.4 信息系统和数据管理
在复杂的柔性制造系统中，信息流的管理系统是及其重要的，它是柔性制造系统的神经中枢。为了适应三级控制的需要，必须有数据和网络两个管理子系统来支持。
为适应开放性体系结构，需有符合标准的应用程序接口（API）。这样才能保证让单位控制器、工作站控制器和设备控制器之间的信息得到共享和传输。图5所示为柔性制造信息系统的原理模型。
图5
在柔性制造系统中，系统数据管理是十分重要的，它关系到信息是否通畅，数据的冗余度是否恰当，以及对各执行机构的控制是否行之有效等一系列问题。为了解决好这些问题，必须在柔性制造系统中采用数据库技术。
柔性制造系统数据库与制造资源计划（MRPII）、计算机辅助设计（CAD）以及库存控制等之间的信息关系如图6所示。
图6
3 工业控制系统
典型的工业控制系统包括集散控制系统（DCS）和数据采集系统（SCADA）。SCADA系统指分布式计算机测控系统，主要用于测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控。
3.1 SCADA系统的概念
SCADA系统是一类功能强大的计算机远程监督控制与数据采集系统，它综合利用了计算机技术、控制技术、通信技术与网络技术，完成了对测控点分散的各种过程或设备的实时数据采集，本地或远程的自动控制，以及运行过程的全面实时监控、管理、安全控制和故障诊断，并为上级MES系统提供必要的数据接口和支持。
SCADA系统在控制层面上至少具有两层结构以及连接这两层子系统的通信系统，这两层子系统是处于测控现场的数据采集与控制终端设备和位于中控室的集中监视、管理和远程监控计算机。
复杂的SCADA系统可以有多个现场监控中心，每个监控中心与一定数量的现场控制站通信，完成一定范围内设备监控。上一层的调度中心再和现场监控中心通信，对整个现场设备进行远程监控，对整个被控设备、过程进行集中管理。
3.2 工业以太网
在以太网802.3标准中，规定了OSI参考模型中物理层和数据链路层中MAC子层的网络协议。其中，物理层定义了传输介质、连接器、电信号类型和网络拓扑，用于完成数据的编译码和信道访问。数据链路层规定了介质访问协议和数据传输的帧格式，主要实现数据拆装和链路的管理，保证数据帧在链路上无差错地可靠传输。
所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的速度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。
工业以太网的功能要求
（1） 通信实时性和确定性
确定性是指网络中任何节点、在任何负载情况下都能在规定的时间内得到数据发送的机会，任何节点都不能独占传输媒介。而实时性主要通过响应时间和循环时间来反映。
（2） 网络弹性
网络弹性是指以太网应用于工业现场控制时，必须具有较强的网络可用性。
3.3 人机界面
人机界面（HMI）是指人和机器在信息交换和功能上接触或相互影响的人机结合面。
在工业自动化领域，主要有两种类型的人机界面。
1) 在制造业流水线及机床等单体设备上，大量采用了PLC作为控制设备，但是PLC自身没有显示、键盘输入等人机交互功能，因此，通常需要配置触摸屏或嵌入式工业计算机作为人机界面，它们通过与PLC通信，实现对生产过程的现场监视和控制，同时还可进行参数设置、参数显示、报警、打印等功能。
2) 工业控制系统通常是分布式控制系统，各种控制器在现场设备附近安装，为了实现全厂的集中监控和管理，需要设立一个统一监视、监控和管理整个生产过程的中央监控系统。
3.4 过程控制系统
过程控制系统采用从低到高的分层结构。总体包含3个层次：过程控制系统概述（层次1）、过程控制实施（层次2）以及过程控制校验和启动（层次3）.
层次1主要是过程控制系统概况，包括对系统层次和被控对象的综合定义。层次1是进行预算估计、资源需求评估和项目时间计划等操作的基础。该层次包括以下几个关键问题：
l 控制系统需求。
l 过程的启动和停止。
l 扰动和报警处理策略。
l 过程约束。
l 监管和安全需求。
层次1中形成的文档资料是层次2实施具体控制策略的基础。层次1描述项目的范围和目的，包括该过程控制系统的基本信息。
项目文档中包含过程控制系统实施的所有相关信息，例如软件设计、硬件配置以及使用的通信协议，还包括提供给系统所有者的项目实施合作和沟通机制。
在过程控制实施（层次2）阶段所作的假设，以及在校验和启动（层次3）阶段对假设所作的进一步确认、说明和补充都必须写入项目文档中。尚未解决的且需要继续跟进或咨询的问题应明显标识出来。这些问题也必须在进行校验和启动（层次3）阶段之前，也就是在过程控制实施阶段完全解决。
层级3主要关注系统的故障排除和调试。自动控制系统向用户进行最终的技术移交也是一个关键的环节。该项工作在项目的初始阶段，也就是层级1就要做出计划安排。所有校验工作都必须在现场设备的实时运行情况下进行。
4 自动导引柔性工业互联网
信息物理融合系统是对计算进程与物理进程进行集成所形成的综合系统。柔性制造系统具有生产负荷平衡调度和对制造过程实时监控以及制造多种零件族的柔性自动化功能。作为直接控制柔性制造系统制造活动的单位控制器，其结构必须具有时间上和空间上的开放性。数据采集系统主要用于测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控。所有这些为最终打造自动导引柔性工业互联网创造了条件。
4.1 系统开发平台
由于自动导引柔性工业互联网平台是建立在互联网基础上，故其建立的过程与计算机网络技术息息相关，实现模式在很大程度上受到网络技术的影响和制约。对一个远程的控制系统而言，能提供动态网页在互联网上进行数据显示是最基本的要求。
所谓动态网页是指由服务器根据用户提交的要求和选择与后台数据库进行交互，通过数据库动态地产生处理结果，并以网络形式返还至用户的页面。
目前绝大多数网站采用的都是动态网页技术，如ASP、JSP、ASP.NET和PHP等。其中，微软公司开发的ASP.NET，因具有操作简单、性能优良、支持多语言等优点，深受广大网络开发人员的欢迎，被世界公认为建立动态站点的有效工具。其工作原理如图7所示。
图7
4.2 主要功能模块
构建自动导引柔性工业互联网平台的总体思想为，本地用户端在本地通过设置控制参数对自动导引小车和柔性机械臂进行有效的模糊自适应控制，并将所得的数据实时存储到网络服务器的数据库中，然后通过互联网技术快速、准确地发布到远程浏览器上。
异地客户端则通过计算机网络进入系统后，不仅可以查看包括本地用户端等其他客户端的控制数据，还可以远程设置参数对自动导引柔性工业互联网平台进行模糊自适应控制，并将所得数据存储网络服务器的数据库中。
根据系统的总体思想，设计如图8所示的自动导引柔性工业互联网平台的主要功能模块。
图8
4.3 自动导引柔性工业互联网平台模型优化
首先采用结构优化模型作物理模型的优化，然后在优化出的物理机构模型基础上进行控制系统优化设计。串行的设计方法虽然能够分别到达结构系统和控制系统最优，但没有考虑到结构系统和控制系统之间复杂的耦合关系，实际上并未达到最优。因此，为了使系统设计到达最优，应该将结构系统与控制系统进行集成优化。自动导引柔性工业互联网平台机构集成优化的流程如图9所示，其设计过程如下所述。
图9
1) 参数化建模是对自动导引小车和柔性机械臂的几何特征、运动学及动力学进行分析，建立自动导引小车和柔性机械臂的运动学模型和动力学模型。
2) 在已知各结构参数几何关系的基础上，对自动导引小车和柔性机械臂的工作空间进行分析，进而对末端执行器进行轨迹规划，保证末端执行器的运行轨迹在自动导引小车和柔性机械臂的工作空间内。
3) 根据运动学模型确定影响末端执行器的结构参数；根据自动导引小车和柔性机械臂特征和动力学模型选取合适的控制算法，进而确定控制参数。
4) 确定设计变量的上、下界。
5) 执行优化程序观察是否满足收敛条件，如果满足则输出优化结果，如果不满足则重新确定设计变量的上、下界，继续执行优化程序。
5 结论
工业4.0最大的创新在于，引入了新技术—信息物理融合系统，它可以大幅度提升大规模定制的个性化水平和经济指标。
柔性制造系统具有生产负荷平衡调度和对制造过程实时监控以及制造多种零件族的柔性自动化功能。作为直接控制柔性制造系统制造活动的单位控制器，其结构必须具有时间上和空间上的开放性。
数据采集系统主要用于测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控。所有这些为最终打造自动导引柔性工业互联网创造了条件。
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