IEC61499兼容的信息物理系统(CPS)

CPS (Cyber-Physical Systems)信息物理系统是工业4.0 的重要概念。我国工信部发布了《信息物理系统白皮书2017》,并且组织了专家宣讲团,来宣讲CPS。按照专家的定义:

信息物理系统通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术,构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统,实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。

这个定义够学术气。个人理解CPS是物理设备的数字化,协同化和网络化。未来的生产线将有一大批CPS 设备组成,它们通过网络交换信息,协同操作。 CPS设备不同于未联网的设备,也不同于没有物理输入输出部件的单纯网络。发展CPS 系统的目的是提高系统灵活性,降低复杂性。

在将传统物理设备转换成为CPS的构成中,软件将扮演最重要的角色。CPS 将物理设备(诸如,电机,传感器)和通信,计算机,控制技术相结合。并且使用数字化技术为物理设备建立数字化模型。使物理设备能够像计算机中的软件对象一样通过程序来引用,组合,控制,仿真。

大多数专家还停留在概念,框架的阶段。而对与工程师而言,概念是廉价的。我们需要的技术路线图。最近笔者学习研究欧盟地平线H2020 计划中的一些项目,看到欧盟在工业4.0 发展方面已经开始了深入的研究和规划。其中涉及CPS 方面的项目有4个,它们分别是:

H2020 FAR-EDGE ( http://www.far-edge.eu/ ),

H2020 DAEDALUS ( http://daedalus.iec61499.eu )

H2020 AUTOWARE ( http://www.autoware-eu.org/ )

H2020 MAYA project (http://www.maya-euproject.com/).

 其中 DAEDALUS 项目是关于IEC61499 兼容的CPS 设备。由于涉及我最近的研究课题IEC61499 标准。在这里比较详细地介绍一下:

   DAEDALUS 项目提出以IEC61499 标准构建新型的分布式自动控制平台,并且提出了所谓IEC61499 兼容的CPS 概念。形成所谓多边生态系统(multi-sided digital platform)。

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IEC61499 CPS 控制器的模型

  IEC61499 CPS 控制器不仅是控制算法,还包括了系统的其它方面,例如HMI,行为模型和硬件抽象。CPS控制器集成了面向服务接口(service Oriented interface)使能开发CPS 的虚拟智能概念。提升了与其它数字化模块的连接。例如将模拟模块(simulation modules)作为一种服务。

     Daedalus项目将IEC61499 的自动控制任务称为实时(real time)部分,而面向服务的接口称为anytime 任务 。大概是表示任何时候都能调用或者被调用自动控制系统中的其它单元。

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   到目前为止,工厂自动化是一种分层结构,如下

-ERP

-MES

-SCADA

-PLC

-现场设备

  导入了CPS 设备以后,控制系统更加的扁平化,CPS 能够和所有控制层通信。

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        从控制系统的布局上看,采取了分布式工业PC(IPC)架构。通过工业以太网通信平台连接。每个IPC都集成了一个IEC61499 运行环境,而这个运行环境运行在实时Linux之上。IEC61499 运行环境提供所有读写物理IO信号的软件,执行IEC61499 功能块的控制逻辑,以及控制器之间的数据交换。

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多边生态系统

 

传统的工厂自动化的市场现状是几个大公司提供了硬件和软件的全套解决方案(例如西门子,ABB 等等),大型和中型公司提供了PC机为基础的自动化解决方案(例如Beckhoff, B&R, 等。余下的是大量中小型企业,主要是系统集成企业。在大多数工业自动系统的顶层是通过分销商销售的,Daedalus项目的愿景是建立一个去中心化的多边生态系统,在这个系统中包括了IPC制造商,软件开发商,集成商和用户。在这样的系统中,不再是由大公司主宰工业控制市场。小型企业可以将他们的专有技术,know how 通过功能块或者服务模块的软件形式提供,也就是所谓的CPS  App。它们可以在各种CPS 控制器上运行。

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   当然,要打破大公司的垄断和控制地位是不容易的。比较大公司在工业控制领域的投入也是非常巨大的。最近几年,大公司通过大量的资本收购活动,巩固自身在工业控制领域的强大力量。但是既然有了一个好的目标,我们就能够找到到达的路。我觉的小型公司可以从设备端切入。开发符合IEC61499 兼容的CPS控制器。扩展设备的数字化能力。这样的设备显然能够通过一些标准的工业控制协议(比如OPC UA,modbus等等)融入到大公司现有的工业控制系统中去。并且提供比传统控制设备更强的数字化能力。

  可以设想,未来的设备制造商除了提供物理的设备以外,还提供各种配套的IEC61499 控制功能块。面向服务的接口。能够与工业控制的其它单元协同操作。

 

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