基于CPS的智能制造系统功能架构研究

关键词 ：信息物理融合 系统 ；智能制 造系统 ；层级 ；架构 ；协 同
中图分类号 ：ＴＰ ２０２ 文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：２０９５。２４８１（２０１６）Ｏ２—０１３８一Ｏ５
“工业 ４．０”、“互联 网＋制造”其本质 旨在通过信息物理融合系统 （Ｃｙｂｅｒ—Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ，ＣＰＳ）实现 智能制造 ．ＣＰＳ是工业 ４．０智 能制造 的核心．通过 ＣＰＳ将物理设备与云安全 网络（互联网、移动互联网 、 物联网及无线 网络）互联 ，使物理设备具有感知 、推理 、分析 、判断、远程协调 、决策和控制等智能功能 ，将 人与资源、信息 、服务和物理设备等紧密融为一体 ，协助企业建立全球 网络 ，使产品设计 、制造 、仓储 、物 流与 生产设 备 等制 造要 素互 联互 通 ，形 成 智能制 造 系统．
１基 于ＣＰＳ的智厶Ｉ￣匕出ｍ＇Ｊ 造 系统层级模型
智ｆｉｎｎ造系统是虚拟现实的智能化制造 网络 ，其体系架构是智能制造系统研究 、发展和应用的基础 ， 是实 现智 能制 造 的骨架 和灵 魂 ．须 基 于制 造企业 的功 能层 次模 型进行 构 建．基 于 ＣＰＳ的智 能制 造 系统虽 已提 出若干年 ，也启动了不少相关研究 ，但是至 目前还没有通用完整的参考体系架构 ，构建智能制造系 统参 考架 构 时 ，要 充分 体现 制造 企业 的层 次 功能 ．国际标 准化 组织 （ＩＳＯ）和 国际 电工 协会 （ＩＥＣ）联 合制 订 的 ＩＥＣ／ＩＳ０６２２６４＜＜企业 控制 系统 集 成 》标准 提 出 了制造 企业 功能 层 次模 型 ，该 标 准将 制造 企 业 的功 能 分 为 ５个 层次 ：第 ０层 是 物理 加工 层 ：第 １层 是生 产过 程感 知 和操 控层 ；第 ２层 是 生产 过 程 的监测 和控 制 层 ；第 ３层是制造执行控制层 ：第 ４层是 业务计划和物流管理层嘲．为构建通用 的智能制造系统体系架 构 ，国内外数字化与智能制造领域专家做 了大量 的研究 ，杜宝瑞等提出了构建装备级 、生产线 级 、车间 级 、工 厂级 以及 联 盟级 的 ５个 层 级 功 能架 构 １４１．李 杰 提 出 了基 于 ＣＰＳ的 ５ｃ技 术 体 系 架 构 （智 能 感 知 层 （Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）、信 息 挖 掘 层 （Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）、网 络 层 （Ｃｙｂｅｒ）、认 知 层 （Ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）和 配 置 执 行 层 （Ｃｏｎｆｉｇｕｒａ． ｔｉｏｎ））ｌ５】．工信部 、国标委于 ２０１５年 １２月 ２９日联合发布《国家智能制造标准体系建设指南｝（２０１５年版 ）， 提出智能制造 系统层级 自下而上共五层 ，分别为设备层 、控制层、车间层 、企业层和协 同层．
第 ２８卷 第 ２期 ２０１６年 ５月
宁德师范学院学报（自然科学 版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｉｎｇｄｅ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖ０１．２８ Ｎｏ．２ Ｍ ａｖ ２０１６
基于 ＣＰＳ的智能制造 系统功能架构研究
张 明建
（漳州职业技术学 院 机械系 ，福建 漳州 ３６３０００）
一１３９一
实现产品研发 、生产与服务的智能化 ，通过网络与有线 、无线等通信技术 ，实现设备与设备之间 、设备与 控制 系 统之 间 、企业 与企 业 之 间的互 联互 通 和 集成 ，建 立智 能化 的 制造企 业 创值 网络 ，具有 高度 灵 活性 和可持续优化特征．《国家智能制造标 准体系建设指南》虽为我 国制造业企业构建智能制造系统体系架 构指 明 了方 向 ，但 其 企业 层 包含 了企业 资 源计 划 （Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，ＥＲＰ）和 ＰＬＭ 两 个层 次 功 能 。根据 我 国制造 企业 的组 织架 构 与管理 层次 功能 ，有 必要 将企 业层 细 分为计 划 层与 ＰＬＭ管 控层 ，利 于实现智能制造系统各层次功能要素的优化配置和系统 自上而下依次映射的垂直集成．结合 ＩＥＣ／ＩＳＯ ６２２６４ 《企业控制系统集成》标准、数字化与智能制造领域专家研究成果和《国家智能制造标准体系建设指南》 （２０１５年 版 ），本 文 提 出如 图 １所 示基 于 ＣＰＳ的智 能 制 造 系统 自上 而 下依 次 映射 的 ６个 层级 ：网络协 同 层 、ＥＲＰ计 划层 、ＰＬＭ 管控 层 、制造 执行 层 、控制 层 和 感知 设 备层 ．该智 能 制 造系 统层 级模 型 基 于云 安全 网络 （互 联 网 、移动互 联 网 、物联 网和无线 网络 ），利 用 大数 据 、云计算 实现 产 品生产 制造过 程海量 制造数 据信息的分析 、挖掘 、评估 、预测与优化 ，实现系统智能制造的横 向集成 、垂直集成和端到端集成 ，信息融 合 构建 制造 企业 的智 能化 创值 体 系．
智能制 造系统是 一种 由智能 机器 和人类专 家共 同组成 的人 机一体化 智能 系统 ，它在制 造过程 中能 以 一 种高度柔性与集成的方式借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理 、判断 、构思和决策，从 而取代或延伸制造环境 中人的部分脑力劳动 ，同时收集 、存贮 、完善 、共享 、继承和发展人类专家的智能ｌ１１． 智能制造 系统实现智能制造 的典型特征是“状态感知 、实时分析 、自主决策、精准执行”嘲，须具备 国内智 能制造领域专 家朱铎先等所提出的 ６维智能标志 ：计划排产智能 、生产过程协 同智能 、设备互联互通智 能 、生产 资源 管控 智能 、质量 过程 控制 智能 、决 策支 持智 能．
摘要 ：基 于信息物理融合 系统（ＣＰＳ）提出了智能制造系统层级模 型 ，根据 介 绍了智 能制造 系统 各层 级功 能及其有机融合协 同智能制造 的模式与特征．
在此基础上 ．讨论 了构建智能制造系统亟需解决 的技术 问题及技 术演进方 向．
智能制造系统是以产品全寿命周期管理 （Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｌｉｆｅｃｙｃｌｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎ，ＰＬＭ）为核心形成创值链 ，
收稿 日期 ：２０１６—０４—１９ 作者简介 ：张 明建（１９６８一），男 ，副教授．Ｅ—ｍａｉｄ：８４４２０９７ １２＠ｑｑ．ｃｏｍ．
第 ２期
张明建 ：基于ＣＰＳ的智能制造 系统功能架构研究