CN109933010A - 一种面向个性化定制的工业cps系统和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向个性化定制的工业CPS系统和方法，系统包括设备层、监测控制层和计划层；设备层表示具有可调用的接口的自动化物理设备，实现设备间、以及设备层与监测控制层之间的信息传递；监测控制层接收计划层发生的事件并进行处理，接收设备层反馈的信号并显示；计划层动态自主规划任务执行的顺序生成工作流，通过事件的方式触发监测控制层。本发明中提到的功能块库、知识库和认知模块均可以复用，功能块库可以不断的添加新的设备功能块，逐渐完备，方便工程应用的直接使用。

Description

一种面向个性化定制的工业CPS系统和实现方法

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，特别涉及一种面向个性化定制的工业生产线CPS系统框架。

背景技术

目前，为了满足个性化定制的需求，制造业正在不断地调整以提供最大的生产灵活性实现大规模定制生产，提升企业的竞争力。随着消费电子等产品的出现，制造业也面临着诸多挑战。例如，产品的更新换代速度加快；产品与研发相关联的制造技术愈加复杂；产品批次转换时间越来越短；消费者要求产品质量提升和价格下降等。因此，一种能够纵向集成、横向柔性的快速可重构系统对企业保持竞争力至关重要。

信息物理系统(Cyber physical system，简称CPS)集成计算、通信与控制于一体，被认为是下一代的智能系统。CPS通过计算过程和物理过程的相互影响、反馈循环以及实时交互，实现计算过程和物理过程的深度融合，促进实现物理系统的信息化以及计算系统的物理化。即，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治的功能；计算系统与物理资源的紧密结合，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。CPS在工业生产线控制系统中，将自动化设备与产线控制系统通过传感器，RFID等技术实现信息物理世界间的交互，并且可以通过互联网，云平台与大数据分析技术实现故障诊断分析，生产工艺流程改进等进一步优化工作。因此，CPS技术通过设备管理，灵活决定生产过程等途径辅助生产线系统实现系统的柔性和灵活性。

但是，在工业物理信息系统中，面向个性化定制的工业生产线CPS系统框架尚未有统一的架构，其实现方法也大多数是依赖于专业工程师。针对制造业对快速可重构系统的需求和降低工业生产线CPS系统实现的复杂度，本发明提出了一种面向个性化定制的工业CPS系统框架及其实现方法。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，提出了一种面向个性化定制的工业生产线CPS系统框架及其实现方法。针对个性化定制生产，工业生产线对重构能力的需求以及快速实现生产线控制系统的要求，提供了一种由模块化的组件组成的CPS系统架构，该架构能够准确地根据不同的产品要求动态生成生产流程以适应不同产品的需求；以及一种对可编程逻辑控制器(PLC)进行拖拽式编程的实现方式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向个性化定制的工业CPS系统，包括设备层、监测控制层和计划层；

所述设备层，用于表示具有可调用的接口的自动化物理设备，实现设备间、以及设备层与监测控制层之间的信息传递；

所述监测控制层，用于接收计划层发生的事件并进行处理，接收设备层反馈的信号以及监测显示设备状态；

所述计划层，用于动态自主规划任务执行的顺序生成工作流，通过事件的方式触发监测控制层。

所述监测控制层包括PLC和功能块库；将设备功能调用方法封装成功能块构成功能块库；每个现场设备有对应的功能块对其操作，PLC通过驱动功能块的运行实现对设备层的调用。

所述计划层包括：

知识库模块，用于存储生产线支持生产的各种产品工艺知识和生产线中设备的能力以及设备布局关系信息，为智能认知模块提供知识库；

人机交互，用于根据每道工序以及底层设备，在界面中进行展示并通过用户拖拽的方式，配置生产线的工序流程以及设备连接关系；将配置好的流程建立树形结构的关系形成配置文件，发送至智能认知模块；

所述智能认知模块，用于根据配置文件和数据库中的目标产品类型动态自主规划任务执行的顺序；首先，根据产品的信息类型和知识库自动生成加工序列；其次，当设备占用引起的产品生产受阻时，对生产任务进行重新规划；

所述数据库模块，用于存储产品订单数据和系统历史数据。

所述智能认知模块包括：

计划调度功能模块，用于根据订单数据和当前系统状态信息进行装配任务分配：首先，从数据库获取需要加工的产品信息；其次，利用该产品信息到知识库模块检索相应的生产序列以及生产约束信息；最后，根据返回的生产序列和生产约束条件确定调度策略；

系统状态分析模块，首先，根据人机交互接口拖拽式配置的生产线的工序流程以及设备连接关系，确定系统中的设备组成与分布信息；其次，通过获取设备层设备状态、以及当前正在生产的产品类型、数量以及加工进度，统计系统总体的吞吐量以及完成单个产品需要的设备占用情况；最后，根据统计结果对计划调度功能模块的调度策略中任务计划进行动态调整；

系统感知执行模块，对设备层传感器信息进行采集与处理，反馈至系统状态分析模块；并实时地根据调度策略触发相应的功能块对底层设备调用。

一种面向个性化定制的工业CPS实现方法，包括以下步骤：

计划层动态自主规划任务执行的顺序生成工作流，通过事件的方式触发监测控制层；

监测控制层根据接收计划层发生的事件驱动设备层设备，接收设备层反馈的信号以及监测显示设备状态；

设备层根据监测控制层的控制指令控制相应设备。

所述计划层动态自主规划任务执行的顺序生成工作流包括以下步骤：

通过人机交互根据每道工序以及底层设备，在界面中进行展示并通过用户拖拽的方式，配置生产线的工序流程以及设备连接关系；将配置好的流程建立树形结构的关系形成配置文件，发送至智能认知模块；

智能认知模块根据配置文件和数据库中的目标产品类型动态自主规划任务执行的顺序；首先，根据产品的信息类型和知识库自动生成加工序列；其次，当设备占用引起的产品生产受阻时，对生产任务进行重新规划。

智能认知模块执行以下步骤：

计划调度功能模块根据订单数据和当前系统状态信息进行装配任务分配：首先，从数据库获取需要加工的产品信息；其次，利用该产品信息到知识库模块检索相应的生产序列以及生产约束信息；最后，根据返回的生产序列和生产约束条件确定调度策略；

系统状态分析模块，首先，根据人机交互接口拖拽式配置的生产线的工序流程以及设备连接关系，确定系统中的设备组成与分布信息；其次，通过获取设备层设备状态、以及当前正在生产的产品类型、数量以及加工进度，统计系统总体的吞吐量以及完成单个产品需要的设备占用情况；最后，根据统计结果对计划调度功能模块的调度策略中任务计划进行动态调整；

系统感知执行模块对设备层传感器信息进行采集与处理，反馈至系统状态分析模块；并实时地根据调度策略触发相应的功能块对底层设备调用。

通过建立一种或多种功能块构成功能块库，所述功能块的建立如下：

根据事件的逻辑定义功能块的输入接口和输出接口，用于实现功能块之间、功能块与计划层间的关联；其中，将事件的输入、变量值作为功能块的输入接口，用于输入工艺信息；将事件的输出、状态值作为功能块的输出接口，用于输出设备命令和工作状态。

所述功能块的建立还包括以下步骤：

建立功能块与计划层的通信；

定义与计划层通信的格式；

根据计划层和工艺实现功能块的内部逻辑，通过事件触发。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、本发明提出的生产线CPS系统不针对单一类型的制造系统，该框架适用于多种类型相似或相关的制造系统。

2、本发明提出的生产线CPS系统可根据产品类型的不同或者设备的故障情况动态地进行生产任务重新规划与调整。

3、本发明中提到的功能块库、知识库和认知模块均可以复用，功能块库可以不断的添加新的设备功能块，逐渐完备，方便工程应用的直接使用。

4、本发明提出的实现方法，在基本系统组件存在的前提下，可以快速地通过拖拽的方式进行构建。节省大量的开发时间以及开发的复杂程度，有利于推广。

附图说明

图1为本发明实施例所述生产线CPS系统总体框架图。

图2为本发明实施例所述生产线CPS系统中智能认知模块的工作原理图。

图3为本发明实施例所述生产线CPS系统实现方法步骤示意图。

图4为本发明实施例所述知识信息本体模型示意图。

图5为本发明的一个实施例示意图。

图6是生产线控制的框架示意图。

图7是获取订单功能块接口定义示意图。

图8是挡停功能块接口定义示意图。

图9是转台功能块接口定义示意图。

图10是工序控制功能块接口定义示意图。

图11是订单投入上线产能控制算法流程图。

图12是订单上线算法流程图。

图13是转台控制功能块中模块结构示意图。

图14是工序控制功能块加工过程算法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种面向个性化定制的工业生产线CPS系统框架，包括：设备层、监测控制层和计划层。

所述的设备层，用于表示标准的自动化物理设备。这些设备具有独立的功能，能够完成特定的任务(例如，机械手可以抓取组装、停止器能够升降等)，并且具有可调用的接口以实现设备间以及设备层与监测控制层之间的信息传递包括触发信号的监听，控制信号的传输以及完成信号的反馈。

所述的监测控制层，用于监测系统运行中发生的事件并进行处理与显示，对系统中所有设备能力进行有效整合。根据产品生产的工作流程，PLC有序地调用工作流程中需要进行操作的设备，实现CPS系统对整体的控制。该部分的实现采用IEC61499标准框架，利用事件驱动和设备功能模块化可以灵活快速地对系统进行重构和调整。用于接收计划层发生的事件并进行处理，接收设备层反馈的信号以及监测显示设备状态；设备层反馈的信号是指设备完成操作之后的确认信号；监测显示设备状态包括设备运行速度(传送带)，当前设备的功耗情况以及是否在运行等状态。

所述的监测控制层中的模块化是指对设备功能调用方法封装成功能块，即每个现场设备均有对应的功能块可对其操作。PLC应用通过驱动功能块的运行实现对设备层的调用。

所述的计划层，用于动态自主规划任务执行的顺序生成工作流。该层由知识库模块，智能认知模块和数据库模块组成。

所述计划层的知识库模块，用来存储生产线支持生产的各种产品工艺知识和生产线中设备的能力以及设备布局关系信息，为认知模块提供知识库。

所述计划层的智能认知模块，用于动态自主地规划任务执行的顺序。首先，可以根据产品的信息类型和知识库自动生成加工序列。其次，由于系统设备占用等原因引起的产品生产受阻，认知模块可以迅速对生产任务进行重新规划。

所述计划层的数据库模块，用于存储产品订单数据和系统历史数据。

所述的工业生产线CPS系统框架，各层之间可以通过分布式实时工业以太网连接，部分现场设备可以通过现场总线或I/O与监测控制层建立通信关系。

根据本发明的另一方面，本发明针对上述系统架构提供了一种实现方法。实现步骤包括：

步骤S1：建立设备功能块库；

步骤S2：获取知识库；

步骤S3：获取认知模块；

步骤S4：拖拽式编程构建监测控制层应用；

所述步骤S1进一步包括，设备功能块由通信客户端、本地逻辑和设备服务接口三部分组成。单个设备可以通过通信连接获取操作指令，有本地逻辑指导对设备的调用序列。

所述步骤S2进一步包括，知识库的获取。通过获取产品工艺知识以及设备描述相关知识构建。也可以通过现有的知识库复用，为决策提供支持。

所述步骤S3进一步包括，认知模块主要是认知系统，可以通过创建或复用已有的来获取。

所述的步骤S1-S3可以并行执行没有先后顺序，完成后得到的功能块库，知识库和认知模块，具有统一的接口，利用该接口通信的具体协议格式可以根据自己需要选择或者自定义。在系统重新构建时，可以多次重复使用。

所述的步骤S4进一步包括：拖拽式编程中，通过将功能组件连接并自动生成控制代码映射到物理设备的连接，实现监测控制应用程序快速构建。

在本发明的一个实施例中，生产线为装配线，能够实现不同的乐高积木的个性化装配方案。为实现快速搭建和满足个性化要求，我们采用了本发明提出的框架如图1所示。该产线的具体结构如图4、图5所示，包括7个工站，包括W1初始化，为每个订单分配订单编号；W2放置底板，底板作为乐高积木的拼接平台；W3-5机器人装配台R1-3，按照订单要求拼接积木块；W6质检，检验产品效果；w7下线工位。以及7个转台T1-T7，12条单向传送带L1-L12，3条双向传送带DL1-DL3。系统框架的设备层，包括7个工站的所有机械手，7个转台设备以及所有传送带设备。每个设备的具体功能的调用由各自对应的功能块调用

根据本发明所提出的实现方法，具体实现步骤为(如图3所示)：

步骤S1：建立设备功能块库。由于本发明初次使用该方法，没有已有的功能块库可以复用，故需要建立功能块库。功能块的主要由通信客户端、本地逻辑和设备服务接口三部分组成，以增强单个设备的能力，方便灵活地组建分布式系统。例如，转台可以通过订单号，查询数据库决定是否将到达订单转入机器人装配位置。功能块功能实现采用IEC61499标准，底层代码由C++和ST语言实现。

通信客户端采用Socket接口，实现方式通过使用Linux环境下的socket编程方法，包含的头文件包括“sys/socket.h”、“netinet/in.h”和“arpa/inet.h”。客户端访问服务器的格式可以自定义，该实施例中的通信格式为：请求编号_请求代码_工艺代码_工序代码。运行时阶段，共产生四种不同的请求即请求新订单、开始加工订单、请求当前应该执行的工序以及当前已经完成的工序。

本地逻辑部分和设备服务接口部分，用来对实际设备的控制，接口数量以及方式需要根据实际物理设备的控制方式设计。

功能块的命名规范根据自己需要自定义，该实施例中命名方式为：设备名_XX。“XX”表示为同一种类型设备的不同型号。并且每个功能块内部需要定义一个静态变量用来标识该功能块，该静态变量的值为该功能块的名字。

本实例中包含四类不同的功能块：初始功能块、转台功能块、挡停功能块和工位功能块。初始功能块是产线的起始功能块，负责统筹管理整条产线的加工订单，从数据库中不断获取订单，投入生产。每条产线有且仅有一个初始申请订单功能块。初始功能块处理逻辑包括：启动产线；通过socket请求数据库中未生产的订单并发送订单号投入生产；解决产线托盘冲突问题。

转台功能块是负责处理转向的功能块。该实施例中规划的转台最多有2个进口，2个出口。订单到达转台后通过询问数据库来获得转台的出口，从而控制转台的转向。产线中的每一个转台都是转台功能块的一个实例，提高功能块的复用。转台功能块处理逻辑包括：通过socket请求获得托盘的输入口(1口还是2口)，解决两个入口同时进入托盘时的冲突，处理旋转放行。

挡停功能块是控制产线中的挡停，每一个挡停开关可以理解为此功能块的实例，通过不同的触发事件，触发相同逻辑的操作。挡停功能块中的处理逻辑包括：发送托盘到位、发送当前挡停状态、请求下一个挡停状态、接收放行命令、处理放行指令，解决产线托盘冲突。

工位功能块是负责控制工位加工的功能块。工位功能块处理逻辑包括：通过socket获得订单是否需要当前工位加工，处理加工过程，处理加工完成放行。

步骤S2：获取知识库。与产品相关的产品工艺，生产约束，任务序列，控制底层设备功能块的信息以及相关的规则等存入知识库，生产约束是指生产某类产品时应该采用的调度策略，例如按照先到先服务、加工时间最短、优先级等调度策略。用于支持认知模块的计划调度。这些知识通过以往生产要求和经验获取。

该实施例中采用OWL本体描述语言对上述的知识信息进行本体建模和SWRL规则描述语言对相应的规则进行描述。通过本体模型可以建立产品到控制生产设备功能块之间的关系网络，通过规则描述可以快速查找支持库中产品的类型。

知识信息本体模型进一步包含产品模型、功能块模型以及关联属性。产品模型是多种产品的概念集合，具体产品是产品模型的一个实例，继承了产品模型具有的所有属性；功能块模型是功能块的概念集合，具体功能块是功能块模型的一个实例，继承功能块模型的所有属性；关联属性是指生产的具体产品与所需要的功能块之间的关联以及功能块与功能块之间的关联。

具体产品与所需要的功能块之间的关联关系，用于生成生产该产品需要进行的加工序列，以及单个加工操作需要的工艺参数。

功能块之间的关联属性表示功能块之间的连接关系，该部分作为步骤S4中，代码转换工具使用的连线知识。知识信息本体模型的结构如图

规则描述，是指在语义搜索时使用规则对知识库中的产品类型检索。

知识库的操作通过SPAPQL查询语言实现，主要包括：

1、功能块之间关系查询

2、产品类型查找

3、生成产品加工序列

功能块之间关系查询，该操作由步骤S4中涉及的代码转换工具执行。是指在设计时阶段自动生成IEC61499系统应用文件时，需要根据步骤S4中拖拽节点的顺序，获取不同节点对应不同功能块之间的事件驱动接口和数据连接接口之间的连线关系。

产品类型查找，该操作由认知模块执行。是指在运行时阶段，需要加工某种产品时，通过语义搜索获取知识库中产品模型中是否包含该产品。语义搜索具体通过分词识别产品的关键字，通过SWRL规则对关键字进行逻辑推理，进而找到所需要的产品类型。

假如知识库中包含一种产品x，x的工艺参数中包含y，且y有greenColor颜色实例，那么产品x具有greenColor颜色。规则描述可为：

Product(？x)^hasProcessPara(？x,？y)^hasColor(？y,greenColor)→AbleToProduce(？x,greenColor)

例如，要查询能否支持要生产一种水果糖，其颜色是绿色的。

查询判断语句为：

Ask{“+Candy+”rdf:type Product.“+Candy+”hasProcessPara？y.？y hasColorgreenColor}

生成产品加工序列，该操作由认知模块执行。上述判断结果返回为“真”时，则表示该知识库支持该产品的生产。进而会通过产品匹配查找该产品对应的加工序列并将结果返回认知模块用于调度。

步骤S3：获取认知模块。认知模块主要包括计划调度功能，系统状态分析功能，系统感知和执行功能。

计划调度功能根据订单信息和当前系统状态信息进行装配任务分配；计划调度功能具有订单交互接口和知识库查询接口。首先，通过订单交互接口获取需要加工的产品信息；其次，利用该产品信息到知识库检索相应的生产序列以及生产约束信息；最后，根据返回的生产序列和生产约束条件确定合理的调度策略。达到应对不同批次产品可以动态地使用不同的调度策略的目的。

系统状态分析功能通过通信网络获取底层设备状态、以及当前正在生产的产品类型、数量以及加工进度，对系统总体的吞吐量上限评估以及完成单个产品需要的设备占用情况进行评估。

系统感知是指对底层物理系统中传感器信息的采集与处理；执行功能是指调度结果的传递，具体执行动作由底层设备执行。系统感知和执行功能实现了信息系统与物理系统的连接。

认知模块在运行时，与底层功能块之间的交互采用TCP/IP协议进行，以服务器/客户端的形式交互。其工作原理如图2所示，计划调度功能通过订单信息和设备信息，从知识库中抽取该种类型订单装配的执行顺序；通过通信网络获取底层设备状态，订单完成状态等进行分析评估，如果分析结果符合预期状态，则系统按照原任务计划执行。如果出现未知状态，则在原有装配序列的基础上进行动态调整。最终达到目标状态，即订单完成。

步骤S4：拖拽式编程构建监测控制层应用。该实施例中自定义开发了一种拖拽式编程工具，该工具中包含了与IEC61499功能块对应的组件。通过拖拽工具中的组件可以构造一个完整的产线。代码转换工具利用拖拽之后得到的JSON字符串以及功能块之间的连线规则生成IEC 61499系统应用文件代码。

JSON字符串有两种类型：节点数组和连线数组。节点数组中对应存储的是前端拖拽的每一个组件，每个节点都对应自身不同的类型(初始化、工序、转台、挡停)，节点的属性有编号、类型、(转台的出入口)信息。连线数组中存储的是节点之间的连接关系，有起点和终点，通过遍历连线数组可得到完整的连接关系。

系统在运行时，智能认知模块计划调度产生的任务序列以工作流的形式在生产线上执行，完成特定的产品。当生产线的布局需要调整时，二次构建生产线的控制系统时仅需要步骤S4就可以完成控制系统的开发，极大地减少了时间成本。

综上所述，在面向个性定制的生产线系统中，本发明提出了一个基于组件的开放式生产系统架构以及拖拽式的PLC应用程序开发方法，引入认知技术，IEC61499标准，拖拽式组件技术使得系统具有了以下几个优点：1)能够动态实时分析系统状态和进行任务调度，面向多样化产品混线生产具有灵活的调整能力；2)可以动态地在线修改PLC逻辑，不用停机重启，增加产线控制系统的灵活性；3)快速创建PLC应用程序，减少时间投入；4)PLC编程难度系数降低，非专业人员也可以使用，有利于推广。

本发明采用如下步骤来完成产线控制知识库的建立：

1)功能块间事件驱动接口定义。

2)生产订单获取功能块的建立。

3)挡停控制功能块的建立。

4)转台控制功能块的建立。

5)工序控制功能块的建立。

其中，功能块间事件驱动接口定义的具体步骤是：

1)生产订单获取功能块的接口定义。生产订单获取功能块与挡停功能块相关联。

2)挡停控制功能块的接口定义。挡停控制功能块可与挡停控制功能块、工序控制功能块、转台控制功能块、以及生产订单获取功能块相关联。

3)转台控制功能块的接口定义。转台控制功能块可与挡停控制功能块相关联。

4)工序控制功能块的接口定义。工序控制功能块可与挡停控制功能块相关联。

其中，生产订单获取功能块建立的具体方法是：

1)封装socket连接，保证生产线与计划层能够进行通信。

2)与计划层通信格式建立。

3)生产订单上线控制算法的建立。

4)订单上线算法的封装。

其中，挡停控制功能块建立的具体步骤是：

1)挡停获得订单号处理算法。

2)挡停接收到达信号处理算法。

3)挡停放行算法。

4)挡停接收加工工位加工完成信号算法。

5)挡停接收状态请求算法。

其中，转台控制功能块建立的具体步骤是：

1)处理转向模块的建立。

2)传感器服务模块的建立。

3)处理接收数据模块的建立。

4)转台旋转模块的建立。

5)处理接收状态请求模块的建立。

6)转台放行模块的建立。

其中，工序控制功能块建立的具体步骤是：

1)建立与计划层的socket通信。

2)与计划层通信格式的定义。

3)建立与加工机器人的socket通信。

4)工序加工过程算法的建立。

参见附图6，是本发明的整体架构图，产线控制知识库包括获取订单功能块、挡停控制功能块、转台控制功能块以及工序控制功能块。产线控制知识库是可编程逻辑控制器中逻辑代码的封装，基于面向对象思想以及IEC61499编程规范，实现产线逻辑控制的高级应用，为应用层语义化编程提供研究基础。减少生产人员的工作量，提高工作效率，增加了生产灵活性，能够实现离散生产线的快速重构。不同种类的功能块之间存在基于事件驱动的接口，一个生产线逻辑控制程序需要多种类的功能块共同构成。

下面，针对产线控制知识库中不同功能块的建立以及功能块之间的接口定义过程作详细说明。

首先，四种功能块间事件驱动接口的定义。生产线控制逻辑的建立需要多类控制功能块的协调完成。功能块间的连接采用基于事件驱动的信息传递。功能块间事件驱动接口定义的步骤如下。

步骤1：生产订单获取功能块的接口定义。生产订单获取功能块与挡停功能块相关联。如图7所示，为生产订单获取功能块接口示意图。输入事件有“接收下一个挡停状态recvNextState”,“产线开始sysStart”,“获得工艺ID getProcessId”，输出事件有“发送订单号sendId”，“请求下一个挡停状态reqNextState”，“订单初始化生产init”。

步骤2：挡停控制功能块的接口定义。挡停控制功能块可与挡停控制功能块、工序控制功能块、转台控制功能块以及生产订单获取功能块相关联。如图8所示，为挡停控制功能块接口示意图。输入事件有“接收订单号recvID”,“接收状态请求recvReq”，“接收放行指令go”，“接收到达指令recvArrive”，“接收完成传送到加工工序指令completeRise”，“接收完成指令recvReqDown”，“接收下一个挡停状态recvNextState”。输出事件有“托盘到位指令palletIn”，“请求下一个挡停状态指令reqNextState”，“放行完成指令goComplete”，“输出状态指令outputState”，“发送到达指令sendArrive”，“发送加工指令sendCmd”。

步骤3：转台控制功能块的接口定义。转台控制功能块可与挡停控制功能块相关联。如图9所示，为转台控制功能块接口示意图。假定生产线中的转台设备存在两个进入方向，两个放行方向。输入事件有两个方向的“接收到达指令recvArrive”，两个方向的“接收下一个挡停状态指令recvNextState”，两个方向的“接收订单号recvID”，两个方向的“接收上一个状态请求recvReq”。输出事件有两个方向的“发送到达指令sendArrive”，两个方向的“放行完成指令goComplete”，两个方向的“请求下一个设备状态指令reqNextState”，两个方向的“输出当前状态指令outputState”。

步骤4：工序控制功能块的接口定义。工序控制功能块可与挡停控制功能块相关联。如图10所示，为工序控制功能块接口示意图。输入事件有“托盘到位指令palletIn”，“接收可以传送至挡停指令recvDown”，输出事件有“完成指令complete”，“不装配指令noAssemble”，“请求下降指令reqDown”，“到达工位通知指令completeRise”。

图7-图10中的其它接口表示输入变量值、输出状态值。

接着，生产订单获取功能块的建立。与计划层交互获得生产订单是生产线的驱动，是生产线的起始部分，负责统筹管理整个产线的加工订单，从计划层数据库中不断获取订单，投入生产。获得生产订单功能块建立步骤如下：

步骤1：建立生产线与计划层的socket通信协议连接，通过socket通信协议与计划层建立信息交互。

步骤2：通信格式的建立。生产线发送信息格式为[车间ID,产线ID，工艺ID\n]，其中车间ID为自定义车间编号，产线ID为生产线自定义编号，工艺ID为当前正在加工的产品所属工艺的编号。计划层通过socket通信协议获得生产线发送的信息进行解析后返回的信息格式为[工艺ID，订单号]。

步骤3：生产订单上线控制。如图11所示，获得订单号，并投入上线算法示意图。当生产线启动，首先判断在线的订单个数，当大于等于N时，停止获得订单。当订单个数小于N时，获取生产订单功能块需要从计划层请求获得订单号，并投入上线。N为可配置的订单个数，客户根据生产线的产能自行设置订单个数。

步骤4：订单上线算法封装。如图12所示。首先触发输出事件reqNextState，接着不断接收输入事件recvNextState，如果后续设备状态nextState为空闲状态，则进行订单上线。

然后，挡停控制功能块的建立。挡停控制功能块即是产线控制中的挡停设备的逻辑封装，是生产线物流系统必不可少的设备之一。需要处理托盘到位检测、挡停、放行等事件。挡停控制功能块可与挡停控制功能块、工序控制功能块、转台控制功能块以及订单获取功能块相关联。

挡停控制功能块的建立步骤如下：

步骤1：接收订单号处理算法。触发挡停功能块接收订单号recvID事件，即是前一个设备已经放行，此时挡停功能块需要重置内部变量订单号ID＝IDUnfinished。并且开启挡停传感器监听，不断监听传感器的输出信号值，判断托盘是否到达当前挡停。一旦监听托盘到位信号，并且判断reqDown＝0,则输出palletIn事件，并输出sendArrive事件，并将localsState置为1(忙碌)。当reqDown＝1时，仅将localstate置为1(忙碌)，直接请求挡停放行。

步骤2：接收到达信号处理算法。触发挡停功能块接收托盘到达下一个设备信号recvArrive事件。此时挡停功能块需要重置内部变量到达标识arrive＝1。

步骤3：挡停放行算法。触发挡停功能块放行go事件。即挡停获得放行指令，挡停放行条件为(arrive＝1&&ID！＝0&&localstate＝忙碌&&nextstate＝空闲),一旦放行之后，ID＝0，arrive＝0，如果reqDown＝1则置为0。并且开启挡停传感器监听，不断监听传感器的输出信号值，判断托盘是否离开当前挡停。当监听到托盘离开信号，判断arrive是否为1，如果arrive为1，则将localstate＝空闲，arrive＝1，ID＝0，reqDown＝0。否则挡停状态localstate置为0空闲。

步骤4：接收加工工位加工完成信号算法。触发挡停功能块recvReqDown事件，即加工工位加工完成信号。此时置reqDwon为1。不断判断内部变量ID是否为0，如果ID＝0则输出可以传送至挡停sendCmd事件。

步骤5：接收状态请求算法。触发挡停功能块接收状态请求recvReq事件。即前一个设备请求当前挡停的状态，获得是空闲还是占用状态。当内部变量reqDown＝0&&localState＝空闲时，输出outputState事件返回挡停空闲。当条件不满足时，输出outputState事件，返回挡停占用。

接着，转台控制功能块的建立。转台是生产线中的重要物流设备。保证产品在生产线按顺序进行加工生产。在原有的可编程逻辑控制器中，转台控制逻辑很复杂。需要耗费大量时间进行冗余编写。本发明针对这一问题，对转台逻辑进行封装，为应用层的语义编程提供基础。转台功能块的内部模块如图13所示。本产线控制知识库中仅能处理存在两个进入方向，两个放行方向的转台。

转台控制功能块的建立步骤如下：

步骤1：处理转向模块的建立。转向模块根据产品的订单号以及当前产线的工艺路线来判断转台的转向，使得产品能够有序地在生产线进行加工生产。

步骤1.1：建立转台功能块与生产车间计划层的socket通信，通过socket通信协议与计划层进行信息交互。

步骤1.2：通信格式的建立。转台功能块的发送信息格式为[转台ID，订单号ID，生产工艺ID]。其中转台ID为转台的唯一编号，订单号为订单编号，生产工艺号为当前订单的生产工艺编号。转台功能块接收信息的格式为[订单号ID，输出口ID]，其中输出口ID即为转台需要转向放行的出口编号。

步骤1.3：信息的解析算法。转向功能块能够完成步骤1.2中对接收信息的解析，获得输出口ID。

步骤2：传感器服务模块的建立。不断监听传感器输入值，如果监听到托盘到位信号，与转向模块关联，输出订单号给处理转向服务块，localstate置为1忙碌，并输出sendArrive1或sendArrive2事件。如果监听到托盘离开的信号，内部变量localstate置为0空闲，转台挡停置为挡停状态。

步骤3：处理接收数据模块的建立。触发recvArrive1或recvArrive2事件，转台功能块需要分别重置内部变量arrive1或arrive2为1，表示1输出口托盘已经到达下一个设备，2输出口的托盘已经到达下一个设备。触发recvID1和recvID2事件，转台功能块分贝重置内部变量ID1和ID2，表示1输入口即将获得订单号为ID1的产品，2输入口即将获得订单号为ID2的产品。

步骤4：转台旋转模块的建立。本产线控制知识库仅能够处理两个输入口，两个输出口。所以转台中输入口以及输出口的的角度固定。输入口1转台处于0度状态。输入口2需要转台处于-90度状态。输出口1需要转台处于0度状态，输出口2需要转台处于90度状态，其中顺时针方向为正，逆时针角度为负，转台的默认角度为0度状态，转台旋转模块根据其他模块的指令，与旋转设备进行通信，进行一定角度的旋转。

步骤5：处理接收状态请求模块的建立。触发处理状态请求事件recvReq1和recvReq2。如果触发recvReq1的事件，则判断如果当前角度angle＝＝0&&当前状态localState为空闲，则输出空闲。否则输出忙碌，并且如果angle！＝0&&localstate为空闲则与转台旋转模块通信，使转台旋转至0度。如果触发recvReq2的事件，则判断如果当前角度angle＝＝-90&&当前状态localState为空闲，则输出空闲。否则输出忙碌，并且如果angle！＝-90&&localstate为空闲则与转台旋转模块通信，使转台旋转至-90度。

步骤6：转台放行模块的建立。获得处理转向模块的放行输出口，如果获得输出口1，则判断当前转台角度是否为0度，并且nextState＝空闲&&arrive＝1，如果angle！＝0&&nextState＝＝空闲&&arrive＝1,则与转台旋转模块通信，让转台旋转至0度；如果获得输出口2，则判断当前转台角度是否为90度，并且nextState＝空闲&&arrive＝1，如果angle！＝90&&nextState＝＝空闲&&arrive＝1,则与转台旋转模块通信，让转台旋转至90度。一旦放行成功输出goComplete事件，置内部变量arrive＝0，nextstate＝忙碌。

最后，工序控制功能块的建立。工序控制功能块是生产线的加工控制。加工机器人以及装配手是加工的重要设备，并且种类繁多，原有的可编程逻辑控制器代码复杂。本发明对工序控制逻辑进行封装，解耦合。工序控制功能块建立的具体步骤如下：

步骤1：建立与计划层的socket通信。通过与计划层的信息交互，将订单号包装成当前工位加工机器人可以识别的信息，发送给加工机器人，从而实现了产线控制与生产加工的解耦合。

步骤2：与计划层通信格式的定义。工序控制功能块发送消息的格式定义为[工位ID，工艺ID，订单ID]，其中工位ID为工位的唯一编号，工艺ID为产品工艺编号，订单ID为订单的唯一编号。工序控制功能块的接收消息为机器人可以识别的自定义格式字符串。

步骤3：建立与加工机器人的socket通信。工序控制功能块获得计划层发送的自定义格式字符串，通过socket通信与加工机器人进行交互，启动加工机器人进行加工。

步骤4：工序加工过程算法的建立。如图14所示，为工序控制功能块加工过程算法流程图。当产品到达加工工位后，首选需要从计划层判断当前产品是否需要在当前工位进行加工，如果不需要加工，则输出noAssembel事件；如果需要则继续通过socket通信协议获得机器人指令，并发送给机器人进行加工。当获得加工完成信号时，则输出reqDown事件，请求传输回挡停。当关联的挡停设备同意时，输出complete事件，完成加工过程。

Claims (9)

1.一种面向个性化定制的工业CPS系统，其特征在于包括设备层、监测控制层和计划层；

所述设备层，用于表示具有可调用的接口的自动化物理设备，实现设备间、以及设备层与监测控制层之间的信息传递；

所述监测控制层，用于接收计划层发生的事件并进行处理，接收设备层反馈的信号以及监测显示设备状态；

所述计划层，用于动态自主规划任务执行的顺序生成工作流，通过事件的方式触发监测控制层。

2.根据权利要求1所述的一种面向个性化定制的工业CPS系统，其特征在于所述监测控制层包括PLC和功能块库；将设备功能调用方法封装成功能块构成功能块库；每个现场设备有对应的功能块对其操作，PLC通过驱动功能块的运行实现对设备层的调用。

3.根据权利要求1所述的一种面向个性化定制的工业CPS系统，其特征在于所述计划层包括：

知识库模块，用于存储生产线支持生产的各种产品工艺知识和生产线中设备的能力以及设备布局关系信息，为智能认知模块提供知识库；

人机交互，用于根据每道工序以及底层设备，在界面中进行展示并通过用户拖拽的方式，配置生产线的工序流程以及设备连接关系；将配置好的流程建立树形结构的关系形成配置文件，发送至智能认知模块；

所述智能认知模块，用于根据配置文件和数据库中的目标产品类型动态自主规划任务执行的顺序；首先，根据产品的信息类型和知识库自动生成加工序列；其次，当设备占用引起的产品生产受阻时，对生产任务进行重新规划；

所述数据库模块，用于存储产品订单数据和系统历史数据。

4.根据权利要求1所述的一种面向个性化定制的工业CPS系统，其特征在于所述智能认知模块包括：

计划调度功能模块，用于根据订单数据和当前系统状态信息进行装配任务分配：首先，从数据库获取需要加工的产品信息；其次，利用该产品信息到知识库模块检索相应的生产序列以及生产约束信息；最后，根据返回的生产序列和生产约束条件确定调度策略；

系统状态分析模块，首先，根据人机交互接口拖拽式配置的生产线的工序流程以及设备连接关系，确定系统中的设备组成与分布信息；其次，通过获取设备层设备状态、以及当前正在生产的产品类型、数量以及加工进度，统计系统总体的吞吐量以及完成单个产品需要的设备占用情况；最后，根据统计结果对计划调度功能模块的调度策略中任务计划进行动态调整；

系统感知执行模块，对设备层传感器信息进行采集与处理，反馈至系统状态分析模块；并实时地根据调度策略触发相应的功能块对底层设备调用。

5.一种面向个性化定制的工业CPS实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

计划层动态自主规划任务执行的顺序生成工作流，通过事件的方式触发监测控制层；

监测控制层根据接收计划层发生的事件驱动设备层设备，接收设备层反馈的信号以及监测显示设备状态；

设备层根据监测控制层的控制指令控制相应设备。

6.根据权利要求5所述的一种面向个性化定制的工业CPS实现方法，其特征在于，所述计划层动态自主规划任务执行的顺序生成工作流包括以下步骤：

通过人机交互根据每道工序以及底层设备，在界面中进行展示并通过用户拖拽的方式，配置生产线的工序流程以及设备连接关系；将配置好的流程建立树形结构的关系形成配置文件，发送至智能认知模块；

智能认知模块根据配置文件和数据库中的目标产品类型动态自主规划任务执行的顺序；首先，根据产品的信息类型和知识库自动生成加工序列；其次，当设备占用引起的产品生产受阻时，对生产任务进行重新规划。

7.根据权利要求6所述的一种面向个性化定制的工业CPS实现方法，其特征在于，智能认知模块执行以下步骤：

计划调度功能模块根据订单数据和当前系统状态信息进行装配任务分配：首先，从数据库获取需要加工的产品信息；其次，利用该产品信息到知识库模块检索相应的生产序列以及生产约束信息；最后，根据返回的生产序列和生产约束条件确定调度策略；

系统状态分析模块，首先，根据人机交互接口拖拽式配置的生产线的工序流程以及设备连接关系，确定系统中的设备组成与分布信息；其次，通过获取设备层设备状态、以及当前正在生产的产品类型、数量以及加工进度，统计系统总体的吞吐量以及完成单个产品需要的设备占用情况；最后，根据统计结果对计划调度功能模块的调度策略中任务计划进行动态调整；

系统感知执行模块对设备层传感器信息进行采集与处理，反馈至系统状态分析模块；并实时地根据调度策略触发相应的功能块对底层设备调用。

8.根据权利要求5所述的一种面向个性化定制的工业CPS实现方法，其特征在于，通过建立一种或多种功能块构成功能块库，所述功能块的建立如下：

根据事件的逻辑定义功能块的输入接口和输出接口，用于实现功能块之间、功能块与计划层间的关联；其中，将事件的输入、变量值作为功能块的输入接口，用于输入工艺信息；将事件的输出、状态值作为功能块的输出接口，用于输出设备命令和工作状态。

9.根据权利要求5所述的一种面向个性化定制的工业CPS实现方法，其特征在于所述功能块的建立还包括以下步骤：

建立功能块与计划层的通信；

定义与计划层通信的格式；

根据计划层和工艺实现功能块的内部逻辑，通过事件触发。