本發(fā)明涉及工業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于工業(yè)的CPS控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)的高速發(fā)展正迅速影響著整個世界。尤其是在消費領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)消費模式重新定義了人們的購買方式，也推進了消費理念與偏好的升級。個性化消費需求的傾向正越來越明顯，大規(guī)模定制化生產(chǎn)成為新一代智能生產(chǎn)的根本訴求。

信息物理系統(tǒng)(cyber physical systems,簡稱CPS)作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體。

信息物理系統(tǒng)包含了將來無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治功能。它注重計算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)，主要用于一些智能系統(tǒng)上如設(shè)備互聯(lián)，物聯(lián)傳感，智能家居，機器人，智能導(dǎo)航等。

CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。

工業(yè)物理信息系統(tǒng)(Industry Cyber-Physical System，ICPS)是新一代工業(yè)革命的技術(shù)核心，既通過物聯(lián)網(wǎng)、信息通訊技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析，把配備有感測器、無線和RFID通信技術(shù)的智能制造設(shè)備通過數(shù)據(jù)交互連接到一起，讓工廠內(nèi)部，甚至工廠之間都能成為一個整體，在自動化之上，使得工廠設(shè)備脫離固有生產(chǎn)線的束縛，可以不斷做出智能的調(diào)整，從而使得一次性生產(chǎn)的產(chǎn)品也可以通過頗具收益的方式制造出來，打破了標準化生產(chǎn)的成本優(yōu)勢，形成制造的智能化，最終實現(xiàn)的是制造模式的變革。

運用ICPS技術(shù)，每一個產(chǎn)品將承載其整個供應(yīng)鏈和生命周期中所需的各種信息。設(shè)備將由整個生產(chǎn)價值鏈所繼承，可實現(xiàn)自組織。管理能夠根據(jù)當前的狀況，靈活決定生產(chǎn)過程。產(chǎn)品能夠自動記錄其生產(chǎn)過程的一切。同時，它還能夠輔助操作步驟與監(jiān)測周圍環(huán)境。但工業(yè)界還沒有針對CPS技術(shù)的運行載體，相應(yīng)的工業(yè)控制器尚屬空白。

因此，針對以工業(yè)柔性化生產(chǎn)復(fù)雜系統(tǒng)對信息物理融合的需求，研究動態(tài)環(huán)境下的分布式組件動態(tài)發(fā)現(xiàn)與自組織、基于組件的信息物理融合系統(tǒng)功能封裝與驅(qū)動技術(shù)研究，突破復(fù)雜信息物理系統(tǒng)設(shè)計建模與控制器硬件代碼生成等核心技術(shù)，形成新一代以復(fù)雜信息物理融合系統(tǒng)為核心的工業(yè)控制器具有重大意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供了一種用于工業(yè)的CPS控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。針對以工業(yè)柔性化生產(chǎn)復(fù)雜系統(tǒng)對信息物理融合的需求，提供一種動態(tài)環(huán)境下的分布式組件動態(tài)發(fā)現(xiàn)與自組織、基于組件的信息物理融合系統(tǒng)功能封裝與驅(qū)動的工業(yè)控制器，適用范圍更廣，操作簡單能給工業(yè)生產(chǎn)帶來更多的便利。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種用于工業(yè)的CPS控制系統(tǒng)，包括：控制模塊、感測模塊、語義建模模塊，動態(tài)連接模塊，數(shù)據(jù)庫模塊，以及，輸入輸出模塊；

所述語義建模模塊，優(yōu)選用于將工業(yè)生產(chǎn)涉及的數(shù)據(jù)貼上語義的標簽，通過設(shè)備本身的功能進行關(guān)聯(lián)；

所述動態(tài)連接模塊，優(yōu)選用于以自定義的邏輯規(guī)則為依據(jù)，動態(tài)連接模塊的各個接口，所維護的規(guī)則定義封裝在數(shù)據(jù)庫模塊中；當程序下載到所述控制系統(tǒng)中，該模塊進一步用于確保工業(yè)控制器的各部分之間的信息交互。

所述數(shù)據(jù)庫模塊，優(yōu)選用于存儲設(shè)備信息；所述設(shè)備信息包括：設(shè)備的描述信息，功能信息和生產(chǎn)信息。

所述輸入輸出模塊，優(yōu)選具有統(tǒng)一標準的輸入輸出模塊接口。

所述控制系統(tǒng)可以通過分布式實時工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備相連。

所述控制系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)與云端功能庫相連；

所述控制模塊可以用于依據(jù)運行規(guī)則實現(xiàn)功能塊的動態(tài)重組；功能塊包括本地功能塊、由設(shè)備功能發(fā)現(xiàn)提供的現(xiàn)場設(shè)備功能塊、以及從云端根據(jù)需要下載的云端功能塊。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種如前述任一項所述用于工業(yè)的CPS控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

步驟S1：底層設(shè)備檢索；

步驟S2：設(shè)備功能發(fā)現(xiàn)；

步驟S3：工藝流程實現(xiàn)；

步驟S4：云端功能庫檢索；

步驟S5：訂單生產(chǎn)運行。

所述步驟S1可以進一步包括：底層設(shè)備檢索，ICPS型智能控制器上電后，通過分布式實時工業(yè)以太網(wǎng)檢索底層設(shè)備，建立通訊連接。

所述步驟S2可以進一步包括：底層設(shè)備提供支持Web Service技術(shù)的功能服務(wù)，ICPS型智能控制器檢索后形成可用的功能庫列表。

所述步驟S3可以進一步包括：根據(jù)生產(chǎn)訂單的加工工藝需求，結(jié)合檢索到的功能庫列表，ICPS型智能控制器計算出底層設(shè)備所需的運行參數(shù)；如果訂單工藝不在功能列表中，則進行步驟S4。

所述步驟S4可以進一步包括：當現(xiàn)有功能庫列表無法滿足訂單加工工藝需求時，檢索云端功能庫，根據(jù)設(shè)備型號檢索相應(yīng)的功能服務(wù)，補全訂單加工需求，并下載到ICPS控制器中；若仍不滿足訂單加工需求，提示給技術(shù)人員進行本地封裝，退出流程；

所述步驟S5可以進一步包括：ICPS型智能控制器根據(jù)確定的工藝流程，通過EtherCAT總線與實際物理系統(tǒng)連接，控制底層設(shè)備完成相應(yīng)的任務(wù)，完成該項生產(chǎn)任務(wù)，直到有新的任務(wù)下達。

本發(fā)明有益的技術(shù)效果包括但不限于：

1、本發(fā)明的控制系統(tǒng)不針對某一個別型號的智能設(shè)備，其標準化、模塊化的設(shè)計理念適用于多種環(huán)境的智能生產(chǎn)控制應(yīng)用。

2、本發(fā)明的控制、關(guān)聯(lián)、邏輯可以根據(jù)需要實時變更，可以針對不同的生產(chǎn)任務(wù)，進行系統(tǒng)級的仿真驗證以及目標代碼的快速生成與下載運行。

3、本發(fā)明可以很好地應(yīng)對工業(yè)4.0小批量、定制化、個性化的生產(chǎn)需求，增加了工業(yè)生產(chǎn)的靈活性，是一種新的快速設(shè)計解決方案，利于推廣使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例所述控制系統(tǒng)總體框圖；

圖2為本發(fā)明實施例所述實現(xiàn)的動態(tài)重組邏輯圖；

圖3為本發(fā)明實施例所述基于自定義規(guī)則的動態(tài)服務(wù)自組織原理圖；

圖4為本發(fā)明實施例所述智能控制器工作流程圖；

圖5為本發(fā)明的一個實施實例示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例詳述本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于這些實施例。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及有點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。

在本發(fā)明的一實施例中，采用的技術(shù)方案是：一種用于復(fù)雜信息物理融合系統(tǒng)的工業(yè)控制器，其中主要涉及針對配備有感測器、無線和RFID通信技術(shù)的智能制造設(shè)備進行語義建模，通過規(guī)則建立模塊間的動態(tài)連接。

所述的語義建模，是將工業(yè)生產(chǎn)涉及的數(shù)據(jù)貼上語義的標簽，通過設(shè)備本身的功能進行關(guān)聯(lián)，涵蓋設(shè)備的描述信息，功能信息，生產(chǎn)信息等，模型具有統(tǒng)一標準的輸入輸出模塊接口。

所述的模塊間動態(tài)連接，以自定義的邏輯規(guī)則為依據(jù)，動態(tài)連接模塊的各個接口，所維護的規(guī)則定義封裝在動態(tài)鏈接庫模塊中。當程序下載到控制器中，該模塊確保工業(yè)控制器的各部分模型的信息交互。

本發(fā)明的另一實施例中，提供了一種用于工業(yè)的CPS控制系統(tǒng)，包括：控制模塊、感測模塊、語義建模模塊，動態(tài)連接模塊，數(shù)據(jù)庫模塊，以及，輸入輸出模塊；

所述語義建模模塊，優(yōu)選用于將工業(yè)生產(chǎn)涉及的數(shù)據(jù)貼上語義的標簽，通過設(shè)備本身的功能進行關(guān)聯(lián)；

所述動態(tài)連接模塊，優(yōu)選用于以自定義的邏輯規(guī)則為依據(jù)，動態(tài)連接模塊的各個接口，所維護的規(guī)則定義封裝在數(shù)據(jù)庫模塊中；當程序下載到所述控制系統(tǒng)中，該模塊進一步用于確保工業(yè)控制器的各部分之間的信息交互。

所述數(shù)據(jù)庫模塊，優(yōu)選用于存儲設(shè)備信息；所述設(shè)備信息包括：設(shè)備的描述信息，功能信息和生產(chǎn)信息。

所述輸入輸出模塊，優(yōu)選具有統(tǒng)一標準的輸入輸出模塊接口。

所述控制系統(tǒng)可以通過分布式實時工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備相連。

所述控制系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)與云端功能庫相連；

所述控制模塊可以用于依據(jù)運行規(guī)則實現(xiàn)功能塊的動態(tài)重組；功能塊包括本地功能塊、由設(shè)備功能發(fā)現(xiàn)提供的現(xiàn)場設(shè)備功能塊、以及從云端根據(jù)需要下載的云端功能塊。

本發(fā)明的再一實施例中，還提供了一種如前述任一項所述用于工業(yè)的CPS控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

步驟S1：底層設(shè)備檢索；

步驟S2：設(shè)備功能發(fā)現(xiàn)；

步驟S3：工藝流程實現(xiàn)；

步驟S4：云端功能庫檢索；

步驟S5：訂單生產(chǎn)運行。

所述步驟S1可以進一步包括：底層設(shè)備檢索，ICPS型智能控制器上電后，通過分布式實時工業(yè)以太網(wǎng)檢索底層設(shè)備，建立通訊連接。

所述步驟S2可以進一步包括：底層設(shè)備提供支持Web Service技術(shù)的功能服務(wù)，ICPS型智能控制器檢索后形成可用的功能庫列表。

所述步驟S3可以進一步包括：根據(jù)生產(chǎn)訂單的加工工藝需求，結(jié)合檢索到的功能庫列表，ICPS型智能控制器計算出底層設(shè)備所需的運行參數(shù)；如果訂單工藝不在功能列表中，則進行步驟S4。

所述步驟S4可以進一步包括：當現(xiàn)有功能庫列表無法滿足訂單加工工藝需求時，檢索云端功能庫，根據(jù)設(shè)備型號檢索相應(yīng)的功能服務(wù)，補全訂單加工需求，并下載到ICPS控制器中；若仍不滿足訂單加工需求，提示給技術(shù)人員進行本地封裝，退出流程；

所述步驟S5可以進一步包括：ICPS型智能控制器根據(jù)確定的工藝流程，通過EtherCAT總線與實際物理系統(tǒng)連接，控制底層設(shè)備完成相應(yīng)的任務(wù)，完成該項生產(chǎn)任務(wù)，直到有新的任務(wù)下達。

在本發(fā)明的另一實施例中，如圖1所示，為本發(fā)明用于復(fù)雜信息物理融合系統(tǒng)的控制系統(tǒng)總體框圖。ICPS型智能控制器可以通過分布式實時工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備相連，也可以通過網(wǎng)絡(luò)與云端功能庫相連。控制的核心是依據(jù)運行規(guī)則實現(xiàn)功能塊的動態(tài)重組，功能塊包括本地功能塊(固化在控制器內(nèi))、由設(shè)備功能發(fā)現(xiàn)提供的現(xiàn)場設(shè)備功能塊、以及從云端根據(jù)需要下載的云端功能塊。ICPS型智能控制器基本操作步驟如下：

步驟S1：底層設(shè)備檢索，ICPS型智能控制器上電后，通過分布式實時工業(yè)以太網(wǎng)檢索底層設(shè)備，例如工業(yè)機器人，移動AGV，工業(yè)PLC等，建立通訊連接。

步驟S2：設(shè)備功能發(fā)現(xiàn)，底層設(shè)備提供支持Web Service技術(shù)的功能服務(wù)，ICPS型智能控制器檢索后形成可用的功能庫列表，例如機器人點到點移動功能、AGV移動功能，PLC所控制的工位具備的產(chǎn)品加工功能等。

步驟S3：工藝流程實現(xiàn)，根據(jù)生產(chǎn)訂單的加工工藝需求，結(jié)合檢索到的功能庫列表，ICPS型智能控制器計算出底層設(shè)備所需的運行參數(shù)，例如機器人移動位置、執(zhí)行順序，移動AGV的目的位置，工業(yè)PLC所控工位的工藝參數(shù)等。如果訂單工藝不在功能列表中，則進行步驟S4。

步驟S4：云端功能庫檢索，當現(xiàn)有功能庫列表無法滿足訂單加工工藝需求時，檢索云端功能庫，根據(jù)設(shè)備型號檢索相應(yīng)的功能服務(wù)，補全訂單加工需求，并下載到ICPS控制器中。若仍不滿足訂單加工需求，提示給技術(shù)人員進行本地封裝，退出流程。

步驟S5：訂單生產(chǎn)運行，ICPS型智能控制器根據(jù)確定的工藝流程，通過EtherCAT總線與實際物理系統(tǒng)連接，控制底層設(shè)備完成相應(yīng)的任務(wù)，完成該項生產(chǎn)任務(wù)，直到有新的任務(wù)下達。

在本發(fā)明的又一實施例中，為本發(fā)明實施例所述實現(xiàn)的動態(tài)重組邏輯圖；通過語義建模的方式將工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備進行多層次語義功能描述，包括物理設(shè)備級、傳感信息級、服務(wù)級三大類，形成本體庫、語義數(shù)據(jù)庫、服務(wù)庫和規(guī)則庫等四個基本庫。

所述本體庫，針對智能工業(yè)設(shè)備海量異構(gòu)數(shù)據(jù)以及設(shè)備的集成與分析需求，形成的具有知識共享和重用的統(tǒng)一的語義描述集。

所述的語義數(shù)據(jù)庫，作為檢索和分析的語義基礎(chǔ)單元術(shù)語集，是工業(yè)設(shè)備語義描述的最小單元。

所述的服務(wù)庫，指智能工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備所能提供的功能集，包括功能描述和調(diào)用接口。

所述的規(guī)則庫，進行事件重組的根本原則和條件，用以指導(dǎo)復(fù)雜事件處理。實際應(yīng)用中可以通過選擇不同的規(guī)則庫條件實現(xiàn)服務(wù)的動態(tài)調(diào)整。

上述基本庫可以通過云端進行更新和修改。

步驟S1：確定輸入輸出接口，包括接口數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型，模型配置參數(shù)，模塊輸出數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型等。

步驟S2：函數(shù)功能實現(xiàn)，底層采用C代碼編寫模型的功能，包括底層設(shè)備驅(qū)動、運行、Web Serveice服務(wù)實現(xiàn)等。

步驟S3：功能塊封裝，在MATLAB環(huán)境中采用S-function模型封裝技術(shù)，建立功能塊。

步驟S4：功能庫封裝，對功能塊進行分類，包括語義庫、服務(wù)庫、規(guī)則庫等。

如圖3所示，為本發(fā)明實施例所述基于自定義規(guī)則的動態(tài)服務(wù)自組織原理圖。本發(fā)明是基于自定義規(guī)則的動態(tài)服務(wù)自組織原理。動態(tài)服務(wù)自組織處于整體架構(gòu)的中間層，負責對實時數(shù)據(jù)按照預(yù)定義規(guī)則與語義推理進行處理，進而觸發(fā)一個事件來通知服務(wù)組合模塊進行生產(chǎn)流程服務(wù)組合。執(zhí)行過程如圖所示。數(shù)據(jù)流通過處理模塊時按照預(yù)定義事件規(guī)則進行過濾，由簡單事件形成復(fù)雜事件。CEP服務(wù)器對事件規(guī)則預(yù)定義，與場景相關(guān)的事件映射轉(zhuǎn)為對領(lǐng)域本體的語義查詢過程。最后，新事件通過事件服務(wù)總線發(fā)布給事件訂閱者，如服務(wù)組合模塊。驅(qū)動調(diào)度任務(wù)的進一步進行。

如圖4所示，為本發(fā)明實施例所述智能控制器工作流程圖。系統(tǒng)初始化后，通過載入自定義規(guī)則，確定工業(yè)產(chǎn)線的任務(wù)要求，明確圖像識別、RFID識別(射頻識別，RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸)、位置傳感器、機器人本體等工業(yè)設(shè)備需要的執(zhí)行任務(wù)。通過動態(tài)功能重組，生成模塊連接關(guān)系，建立整體的控制閉環(huán)回路，涉及各模塊之間的數(shù)據(jù)流交互。自動生成實時運行代碼，并下載到控制機中，在QNX實時環(huán)境(由加拿大QSSL公司(QNX Software System Ltd.)開發(fā)的分布式實時操作系統(tǒng)。)中運行。通過EtherCAT總線連接物理實物，形成整理的工業(yè)產(chǎn)線的柔性解決方案。

EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動化技術(shù))是一個以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，EtherCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology(控制自動化技術(shù))首字母的縮寫。最初由德國倍福自動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。

如圖5所示，為本發(fā)明的一個實施實例，示例產(chǎn)線完成定制化模型車的裝配過程，包括7個主要工站，包括1)RFID初始化、模型車底盤立體倉儲管理和組裝；2)模型車上蓋立體倉儲管理和組裝；3)模型車前風擋尺寸激光掃描；4)模型車前風擋打磨；5)模型車外觀檢測；6)模型車人工返修；7)模型車成品下料、入庫。具有提供功能服務(wù)的底層設(shè)備包括5臺工業(yè)機器人、2臺AGV移動平臺以及7個工業(yè)PLC，其中機器人主要負責物料的抓取和裝配，AGV平臺提供工位的移動功能，7個PLC分別對應(yīng)7個工站。

工業(yè)生產(chǎn)針對復(fù)雜任務(wù)需求使用ICPS控制器實現(xiàn)的步驟具體為：

步驟S1：根據(jù)具體的生產(chǎn)任務(wù)及訂單信息，按照語義本體庫基本原則進行描述。例如模型車裝配所需的材料清單、以及裝配工藝等。

步驟S2：任務(wù)解析，根據(jù)語義本體庫解析，獲取圖像識別、RFID識別、位置傳感器、機器人本體等產(chǎn)線組成需要執(zhí)行任務(wù)流程。。

步驟S3：結(jié)合ICPS控制器初始化得到的功能庫列表，完成工藝流程的組合，同時可以根據(jù)需要從云端進行基本庫的下載更新

步驟S4：程序加載，將解決方案下載到ICPS控制器。程序包含了模型車裝配過程中所需要的產(chǎn)線控制信息。

步驟S5：實時運行，啟動程序后，控制機通過EtherCAT總線與實際物理系統(tǒng)連接，獲取相應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過控制機計算操作工業(yè)機器人完成相應(yīng)的任務(wù)，完成該項生產(chǎn)任務(wù)，直到有新的任務(wù)下達。

綜上所述，本發(fā)明的方法針對以工業(yè)柔性化生產(chǎn)復(fù)雜系統(tǒng)對信息物理融合的需求，引入復(fù)雜事件處理技術(shù)、語義推理技術(shù)，使智能工業(yè)系統(tǒng)具有以下幾方面的優(yōu)勢：1實時性：基于內(nèi)存對事件流進行直接處理；2高吞吐量：事件的關(guān)聯(lián)分析，在條件允許情況下進行事件并行處理，提高事件處理效率；3高利用性：通過模式對比，找出簡單事件流的常用處理模式，封裝成事件模型，通過對事件因果關(guān)系的分析，由特定規(guī)則觸發(fā)模型，達到某類事件處理動作的或處理流程的復(fù)用，可以給工業(yè)生產(chǎn)帶來更多的便利。本發(fā)明不會影響原有的產(chǎn)線設(shè)備，可以很好地應(yīng)用在工業(yè)4.0小批量、個性化、定制化的工業(yè)需求，增加了工業(yè)產(chǎn)線的靈活性，是一種新的快速設(shè)計解決方案，利于推廣使用。

以上所述，僅是本發(fā)明的幾個實施例，并非對本發(fā)明做任何形式的限制，雖然本發(fā)明以較佳實施例揭示如上，然而并非用以限制本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)，利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許的變動或修飾均等同于等效實施案例，均屬于技術(shù)方案范圍內(nèi)。