CN106527383A - 一种用于工业的cps控制系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于工业的CPS控制系统及其实现方法。系统包括：控制模块、感测模块、语义建模模块，动态连接模块，数据库模块，以及，输入输出模块；所述语义建模模块，用于将工业生产涉及的数据贴上语义的标签，通过设备本身的功能进行关联。本发明针对以工业柔性化生产复杂系统对信息物理融合的需求，提供一种动态环境下的分布式组件动态发现与自组织、基于组件的信息物理融合系统功能封装与驱动的工业控制器，适用范围更广，操作简单能给工业生产带来更多的便利。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化技术领域，特别涉及一种用于工业的CPS控制系统及其实现方法。
背景技术
互联网与信息技术的高速发展正迅速影响着整个世界。尤其是在消费领域，网络消费模式重新定义了人们的购买方式，也推进了消费理念与偏好的升级。个性化消费需求的倾向正越来越明显，大规模定制化生产成为新一代智能生产的根本诉求。
信息物理系统(cyber physical systems,简称CPS)作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。
信息物理系统包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些智能系统上如设备互联，物联传感，智能家居，机器人，智能导航等。
CPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体。
工业物理信息系统(Industry Cyber-Physical System，ICPS)是新一代工业革命的技术核心，既通过物联网、信息通讯技术与大数据分析，把配备有感测器、无线和RFID通信技术的智能制造设备通过数据交互连接到一起，让工厂内部，甚至工厂之间都能成为一个整体，在自动化之上，使得工厂设备脱离固有生产线的束缚，可以不断做出智能的调整，从而使得一次性生产的产品也可以通过颇具收益的方式制造出来，打破了标准化生产的成本优势，形成制造的智能化，最终实现的是制造模式的变革。
运用ICPS技术，每一个产品将承载其整个供应链和生命周期中所需的各种信息。设备将由整个生产价值链所继承，可实现自组织。管理能够根据当前的状况，灵活决定生产过程。产品能够自动记录其生产过程的一切。同时，它还能够辅助操作步骤与监测周围环境。但工业界还没有针对CPS技术的运行载体，相应的工业控制器尚属空白。
因此，针对以工业柔性化生产复杂系统对信息物理融合的需求，研究动态环境下的分布式组件动态发现与自组织、基于组件的信息物理融合系统功能封装与驱动技术研究，突破复杂信息物理系统设计建模与控制器硬件代码生成等核心技术，形成新一代以复杂信息物理融合系统为核心的工业控制器具有重大意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种用于工业的CPS控制系统及其实现方法。针对以工业柔性化生产复杂系统对信息物理融合的需求，提供一种动态环境下的分布式组件动态发现与自组织、基于组件的信息物理融合系统功能封装与驱动的工业控制器，适用范围更广，操作简单能给工业生产带来更多的便利。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于工业的CPS控制系统，包括：控制模块、感测模块、语义建模模块，动态连接模块，数据库模块，以及，输入输出模块；
所述语义建模模块，优选用于将工业生产涉及的数据贴上语义的标签，通过设备本身的功能进行关联；
所述动态连接模块，优选用于以自定义的逻辑规则为依据，动态连接模块的各个接口，所维护的规则定义封装在数据库模块中；当程序下载到所述控制系统中，该模块进一步用于确保工业控制器的各部分之间的信息交互。
所述数据库模块，优选用于存储设备信息；所述设备信息包括：设备的描述信息，功能信息和生产信息。
所述输入输出模块，优选具有统一标准的输入输出模块接口。
所述控制系统可以通过分布式实时工业以太网与工业现场设备相连。
所述控制系统可以通过网络与云端功能库相连；
所述控制模块可以用于依据运行规则实现功能块的动态重组；功能块包括本地功能块、由设备功能发现提供的现场设备功能块、以及从云端根据需要下载的云端功能块。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种如前述任一项所述用于工业的CPS控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：底层设备检索；
步骤S2：设备功能发现；
步骤S3：工艺流程实现；
步骤S4：云端功能库检索；
步骤S5：订单生产运行。
所述步骤S1可以进一步包括：底层设备检索，ICPS型智能控制器上电后，通过分布式实时工业以太网检索底层设备，建立通讯连接。
所述步骤S2可以进一步包括：底层设备提供支持Web Service技术的功能服务，ICPS型智能控制器检索后形成可用的功能库列表。
所述步骤S3可以进一步包括：根据生产订单的加工工艺需求，结合检索到的功能库列表，ICPS型智能控制器计算出底层设备所需的运行参数；如果订单工艺不在功能列表中，则进行步骤S4。
所述步骤S4可以进一步包括：当现有功能库列表无法满足订单加工工艺需求时，检索云端功能库，根据设备型号检索相应的功能服务，补全订单加工需求，并下载到ICPS控制器中；若仍不满足订单加工需求，提示给技术人员进行本地封装，退出流程；
所述步骤S5可以进一步包括：ICPS型智能控制器根据确定的工艺流程，通过EtherCAT总线与实际物理系统连接，控制底层设备完成相应的任务，完成该项生产任务，直到有新的任务下达。
本发明有益的技术效果包括但不限于：
1、本发明的控制系统不针对某一个别型号的智能设备，其标准化、模块化的设计理念适用于多种环境的智能生产控制应用。
2、本发明的控制、关联、逻辑可以根据需要实时变更，可以针对不同的生产任务，进行系统级的仿真验证以及目标代码的快速生成与下载运行。
3、本发明可以很好地应对工业4.0小批量、定制化、个性化的生产需求，增加了工业生产的灵活性，是一种新的快速设计解决方案，利于推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例所述控制系统总体框图；
图2为本发明实施例所述实现的动态重组逻辑图；
图3为本发明实施例所述基于自定义规则的动态服务自组织原理图；
图4为本发明实施例所述智能控制器工作流程图；
图5为本发明的一个实施实例示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。为使本发明的目的、技术方案及有点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
在本发明的一实施例中，采用的技术方案是：一种用于复杂信息物理融合系统的工业控制器，其中主要涉及针对配备有感测器、无线和RFID通信技术的智能制造设备进行语义建模，通过规则建立模块间的动态连接。
所述的语义建模，是将工业生产涉及的数据贴上语义的标签，通过设备本身的功能进行关联，涵盖设备的描述信息，功能信息，生产信息等，模型具有统一标准的输入输出模块接口。
所述的模块间动态连接，以自定义的逻辑规则为依据，动态连接模块的各个接口，所维护的规则定义封装在动态链接库模块中。当程序下载到控制器中，该模块确保工业控制器的各部分模型的信息交互。
本发明的另一实施例中，提供了一种用于工业的CPS控制系统，包括：控制模块、感测模块、语义建模模块，动态连接模块，数据库模块，以及，输入输出模块；
所述语义建模模块，优选用于将工业生产涉及的数据贴上语义的标签，通过设备本身的功能进行关联；
所述动态连接模块，优选用于以自定义的逻辑规则为依据，动态连接模块的各个接口，所维护的规则定义封装在数据库模块中；当程序下载到所述控制系统中，该模块进一步用于确保工业控制器的各部分之间的信息交互。
所述数据库模块，优选用于存储设备信息；所述设备信息包括：设备的描述信息，功能信息和生产信息。
所述输入输出模块，优选具有统一标准的输入输出模块接口。
所述控制系统可以通过分布式实时工业以太网与工业现场设备相连。
所述控制系统可以通过网络与云端功能库相连；
所述控制模块可以用于依据运行规则实现功能块的动态重组；功能块包括本地功能块、由设备功能发现提供的现场设备功能块、以及从云端根据需要下载的云端功能块。
本发明的再一实施例中，还提供了一种如前述任一项所述用于工业的CPS控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：底层设备检索；
步骤S2：设备功能发现；
步骤S3：工艺流程实现；
步骤S4：云端功能库检索；
步骤S5：订单生产运行。
所述步骤S1可以进一步包括：底层设备检索，ICPS型智能控制器上电后，通过分布式实时工业以太网检索底层设备，建立通讯连接。
所述步骤S2可以进一步包括：底层设备提供支持Web Service技术的功能服务，ICPS型智能控制器检索后形成可用的功能库列表。
所述步骤S3可以进一步包括：根据生产订单的加工工艺需求，结合检索到的功能库列表，ICPS型智能控制器计算出底层设备所需的运行参数；如果订单工艺不在功能列表中，则进行步骤S4。
所述步骤S4可以进一步包括：当现有功能库列表无法满足订单加工工艺需求时，检索云端功能库，根据设备型号检索相应的功能服务，补全订单加工需求，并下载到ICPS控制器中；若仍不满足订单加工需求，提示给技术人员进行本地封装，退出流程；
所述步骤S5可以进一步包括：ICPS型智能控制器根据确定的工艺流程，通过EtherCAT总线与实际物理系统连接，控制底层设备完成相应的任务，完成该项生产任务，直到有新的任务下达。
在本发明的另一实施例中，如图1所示，为本发明用于复杂信息物理融合系统的控制系统总体框图。ICPS型智能控制器可以通过分布式实时工业以太网与工业现场设备相连，也可以通过网络与云端功能库相连。控制的核心是依据运行规则实现功能块的动态重组，功能块包括本地功能块(固化在控制器内)、由设备功能发现提供的现场设备功能块、以及从云端根据需要下载的云端功能块。ICPS型智能控制器基本操作步骤如下：
步骤S1：底层设备检索，ICPS型智能控制器上电后，通过分布式实时工业以太网检索底层设备，例如工业机器人，移动AGV，工业PLC等，建立通讯连接。
步骤S2：设备功能发现，底层设备提供支持Web Service技术的功能服务，ICPS型智能控制器检索后形成可用的功能库列表，例如机器人点到点移动功能、AGV移动功能，PLC所控制的工位具备的产品加工功能等。
步骤S3：工艺流程实现，根据生产订单的加工工艺需求，结合检索到的功能库列表，ICPS型智能控制器计算出底层设备所需的运行参数，例如机器人移动位置、执行顺序，移动AGV的目的位置，工业PLC所控工位的工艺参数等。如果订单工艺不在功能列表中，则进行步骤S4。
步骤S4：云端功能库检索，当现有功能库列表无法满足订单加工工艺需求时，检索云端功能库，根据设备型号检索相应的功能服务，补全订单加工需求，并下载到ICPS控制器中。若仍不满足订单加工需求，提示给技术人员进行本地封装，退出流程。
步骤S5：订单生产运行，ICPS型智能控制器根据确定的工艺流程，通过EtherCAT总线与实际物理系统连接，控制底层设备完成相应的任务，完成该项生产任务，直到有新的任务下达。
在本发明的又一实施例中，为本发明实施例所述实现的动态重组逻辑图；通过语义建模的方式将工业现场设备进行多层次语义功能描述，包括物理设备级、传感信息级、服务级三大类，形成本体库、语义数据库、服务库和规则库等四个基本库。
所述本体库，针对智能工业设备海量异构数据以及设备的集成与分析需求，形成的具有知识共享和重用的统一的语义描述集。
所述的语义数据库，作为检索和分析的语义基础单元术语集，是工业设备语义描述的最小单元。
所述的服务库，指智能工业现场设备所能提供的功能集，包括功能描述和调用接口。
所述的规则库，进行事件重组的根本原则和条件，用以指导复杂事件处理。实际应用中可以通过选择不同的规则库条件实现服务的动态调整。
上述基本库可以通过云端进行更新和修改。
步骤S1：确定输入输出接口，包括接口数据格式、数据类型，模型配置参数，模块输出数据格式、数据类型等。
步骤S2：函数功能实现，底层采用C代码编写模型的功能，包括底层设备驱动、运行、Web Serveice服务实现等。
步骤S3：功能块封装，在MATLAB环境中采用S-function模型封装技术，建立功能块。
步骤S4：功能库封装，对功能块进行分类，包括语义库、服务库、规则库等。
如图3所示，为本发明实施例所述基于自定义规则的动态服务自组织原理图。本发明是基于自定义规则的动态服务自组织原理。动态服务自组织处于整体架构的中间层，负责对实时数据按照预定义规则与语义推理进行处理，进而触发一个事件来通知服务组合模块进行生产流程服务组合。执行过程如图所示。数据流通过处理模块时按照预定义事件规则进行过滤，由简单事件形成复杂事件。CEP服务器对事件规则预定义，与场景相关的事件映射转为对领域本体的语义查询过程。最后，新事件通过事件服务总线发布给事件订阅者，如服务组合模块。驱动调度任务的进一步进行。
如图4所示，为本发明实施例所述智能控制器工作流程图。系统初始化后，通过载入自定义规则，确定工业产线的任务要求，明确图像识别、RFID识别(射频识别，RFID(RadioFrequency Identification)技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触)、位置传感器、机器人本体等工业设备需要的执行任务。通过动态功能重组，生成模块连接关系，建立整体的控制闭环回路，涉及各模块之间的数据流交互。自动生成实时运行代码，并下载到控制机中，在QNX实时环境(由加拿大QSSL公司(QNX Software System Ltd.)开发的分布式实时操作系统。)中运行。通过EtherCAT总线连接物理实物，形成整理的工业产线的柔性解决方案。
EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。
如图5所示，为本发明的一个实施实例，示例产线完成定制化模型车的装配过程，包括7个主要工站，包括1)RFID初始化、模型车底盘立体仓储管理和组装；2)模型车上盖立体仓储管理和组装；3)模型车前风挡尺寸激光扫描；4)模型车前风挡打磨；5)模型车外观检测；6)模型车人工返修；7)模型车成品下料、入库。具有提供功能服务的底层设备包括5台工业机器人、2台AGV移动平台以及7个工业PLC，其中机器人主要负责物料的抓取和装配，AGV平台提供工位的移动功能，7个PLC分别对应7个工站。
工业生产针对复杂任务需求使用ICPS控制器实现的步骤具体为：
步骤S1：根据具体的生产任务及订单信息，按照语义本体库基本原则进行描述。例如模型车装配所需的材料清单、以及装配工艺等。
步骤S2：任务解析，根据语义本体库解析，获取图像识别、RFID识别、位置传感器、机器人本体等产线组成需要执行任务流程。。
步骤S3：结合ICPS控制器初始化得到的功能库列表，完成工艺流程的组合，同时可以根据需要从云端进行基本库的下载更新
步骤S4：程序加载，将解决方案下载到ICPS控制器。程序包含了模型车装配过程中所需要的产线控制信息。
步骤S5：实时运行，启动程序后，控制机通过EtherCAT总线与实际物理系统连接，获取相应的生产数据，通过控制机计算操作工业机器人完成相应的任务，完成该项生产任务，直到有新的任务下达。
综上所述，本发明的方法针对以工业柔性化生产复杂系统对信息物理融合的需求，引入复杂事件处理技术、语义推理技术，使智能工业系统具有以下几方面的优势：1实时性：基于内存对事件流进行直接处理；2高吞吐量：事件的关联分析，在条件允许情况下进行事件并行处理，提高事件处理效率；3高利用性：通过模式对比，找出简单事件流的常用处理模式，封装成事件模型，通过对事件因果关系的分析，由特定规则触发模型，达到某类事件处理动作的或处理流程的复用，可以给工业生产带来更多的便利。本发明不会影响原有的产线设备，可以很好地应用在工业4.0小批量、个性化、定制化的工业需求，增加了工业产线的灵活性，是一种新的快速设计解决方案，利于推广使用。
以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种用于工业的CPS控制系统，其特征在于，包括：控制模块、感测模块、语义建模模块，动态连接模块，数据库模块，以及，输入输出模块；
所述语义建模模块，用于将工业生产涉及的数据贴上语义的标签，通过设备本身的功能进行关联；
所述动态连接模块，用于以自定义的逻辑规则为依据，动态连接模块的各个接口，所维护的规则定义封装在数据库模块中；当程序下载到所述控制系统中，该模块进一步用于确保工业控制器的各部分之间的信息交互。
2.根据权利要求1所述用于工业的CPS控制系统，其特征在于，所述数据库模块，用于存储设备信息；所述设备信息包括：设备的描述信息，功能信息和生产信息。
3.根据权利要求1所述用于工业的CPS控制系统，其特征在于，所述输入输出模块，具有统一标准的输入输出模块接口。
4.根据权利要求1所述用于工业的CPS控制系统，其特征在于，所述控制系统通过分布式实时工业以太网与工业现场设备相连。
5.根据权利要求1所述用于工业的CPS控制系统，其特征在于，所述控制系统通过网络与云端功能库相连；
所述控制模块用于依据运行规则实现功能块的动态重组；功能块包括本地功能块、由设备功能发现提供的现场设备功能块、以及从云端根据需要下载的云端功能块。
6.一种如权利要求1～5中任一项所述用于工业的CPS控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：底层设备检索；
步骤S2：设备功能发现；
步骤S3：工艺流程实现；
步骤S4：云端功能库检索；
步骤S5：订单生产运行。
7.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：底层设备检索，ICPS型智能控制器上电后，通过分布式实时工业以太网检索底层设备，建立通讯连接。
8.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：底层设备提供支持Web Service技术的功能服务，ICPS型智能控制器检索后形成可用的功能库列表。
9.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：根据生产订单的加工工艺需求，结合检索到的功能库列表，ICPS型智能控制器计算出底层设备所需的运行参数；如果订单工艺不在功能列表中，则进行步骤S4。
10.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，
所述步骤S4进一步包括：当现有功能库列表无法满足订单加工工艺需求时，检索云端功能库，根据设备型号检索相应的功能服务，补全订单加工需求，并下载到ICPS控制器中；若仍不满足订单加工需求，提示给技术人员进行本地封装，退出流程；
所述步骤S5进一步包括：ICPS型智能控制器根据确定的工艺流程，通过EtherCAT总线与实际物理系统连接，控制底层设备完成相应的任务，完成该项生产任务，直到有新的任务下达。
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