衛(wèi)柯丞，劉 文，邱旭蒙，許娟娟，吉 旭

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制CPS架構(gòu)研究

衛(wèi)柯丞，劉 文，邱旭蒙，許娟娟，吉 旭*

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

為了提高企業(yè)生產(chǎn)的智能化，將信息物理系統(tǒng)(CPS, Cyber-physical system)應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，提出基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制CPS系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)CPS體系特征及屬性，以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，從CPS微控制單元及體系模型內(nèi)部各關(guān)聯(lián)單元之間的通信、互聯(lián)、數(shù)據(jù)處理與共享等方面構(gòu)建了CPS架構(gòu)，從微觀和宏觀兩個(gè)維度闡述了CPS系統(tǒng)在信號(hào)處理、實(shí)時(shí)通信、精準(zhǔn)控制以及自主協(xié)調(diào)等方面的強(qiáng)大能力。以四川某油品配送中心的智能油庫(kù)系統(tǒng)為例，結(jié)果表明：CPS可提高工作效率25%，降低運(yùn)營(yíng)成本13%，并保證零質(zhì)量事故。

CPS；嵌入式系統(tǒng)；ARM芯片；工業(yè)控制

近年來，隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，信息物理系統(tǒng)(CPS, Cyber-physical system)得到人們的廣泛關(guān)注。CPS是一種高效能網(wǎng)絡(luò)化智能信息平臺(tái)，在網(wǎng)絡(luò)互連環(huán)境下，基于嵌入式設(shè)備，經(jīng)由相互關(guān)聯(lián)的計(jì)算單元和與之相對(duì)應(yīng)的物理載體，實(shí)現(xiàn)信息全面感知、實(shí)時(shí)傳遞、在線處理、精準(zhǔn)控制以及組件自協(xié)調(diào)[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CPS有很多最新研究成果：Geilen M[3]等人圍繞時(shí)序模塊接口設(shè)計(jì)CPS系統(tǒng)；Ying Tan[4]等人從嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的角度構(gòu)建出一種簡(jiǎn)單的CPS結(jié)構(gòu)；吉旭[5]等人將CPS系統(tǒng)應(yīng)用到化學(xué)工業(yè)中，并構(gòu)架了基于CPS的智能單元模型。

而目前CPS尚沒有一個(gè)面向工業(yè)控制領(lǐng)域的通用模型體系。基于此，本文從工業(yè)生產(chǎn)控制角度出發(fā)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和CPS理論框架，提出基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制CPS系統(tǒng)架構(gòu)。

1 面向工業(yè)控制的CPS基本架構(gòu)研究

一個(gè)具有良好彈性機(jī)制的CPS系統(tǒng)模型，應(yīng)存在三大特征[6]：穩(wěn)定性、安全性、系統(tǒng)性；具備十大屬性：層次化、并發(fā)性、同步與通信、時(shí)序行為、異常行為、異構(gòu)性、自治性、分布性、隱私性、動(dòng)態(tài)重組和重配置。

針對(duì)CPS概念及相應(yīng)模型特征與屬性需求，本文將從微觀和宏觀兩個(gè)角度討論CPS系統(tǒng)的構(gòu)架。

1.1 CPS微觀架構(gòu)

微觀上，CPS系統(tǒng)由基于嵌入式系統(tǒng)的CPS微控制單元(CPSM, CPS Microcontroller-Unit)構(gòu)成。其運(yùn)行方式如圖1所示，在物理系統(tǒng)中融入嵌入式系統(tǒng)，CPSM可通過嵌入式系統(tǒng)的核心--微處理器(ARM芯片)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的協(xié)同。

圖1 CPS運(yùn)行方式

CPSM是指在CPS系統(tǒng)中具有感知、執(zhí)行或兩者兼具的最小控制單元，可被視為應(yīng)用具有邏輯運(yùn)算能力及離散特性的計(jì)算機(jī)來監(jiān)督與控制具有連續(xù)動(dòng)態(tài)變化特征的物理系統(tǒng)。CPSM依靠傳感器/執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)物理過程與計(jì)算過程的緊密聯(lián)系。其中傳感器監(jiān)視物理環(huán)境變化，執(zhí)行器改變物理參數(shù)變量。通過嵌入式ARM芯片可實(shí)現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)處理與信息交互，它們之間主要存在三種通信方式：S-S，sensor-to-sensor，傳感器與其他傳感器進(jìn)行通信，提供電流分析；S-C，sensor-to-controller，分析從傳感器中獲取的數(shù)據(jù)，執(zhí)行器做出響應(yīng)；C-C，controller-to-controller，執(zhí)行器之間進(jìn)行協(xié)同以便發(fā)放一連串的控制決策。所以，傳感器/執(zhí)行器之間的關(guān)系可以描述成一個(gè)具備輸入(傳感器數(shù)據(jù))和輸出(控制指令)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

1.2 CPS宏觀架構(gòu)

宏觀上，CPS系統(tǒng)由具有感知、決策和控制等功能的各種嵌入式設(shè)備及相關(guān)軟硬件構(gòu)成。

結(jié)合CPS定義及特征，提出由物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成的CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7]。其中，物理層負(fù)責(zé)感知設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并將相應(yīng)信息通過網(wǎng)絡(luò)層傳送至應(yīng)用層中；同時(shí)對(duì)應(yīng)用層中下達(dá)的指令做出回應(yīng)，以達(dá)到對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。網(wǎng)絡(luò)層將CPS 中不斷流動(dòng)的信息傳輸至物理層，為應(yīng)用層無縫地共享資源，確保用戶及時(shí)獲取所需信息；同時(shí)將用戶下達(dá)的指令實(shí)時(shí)反饋至物理層元件。應(yīng)用層將經(jīng)由數(shù)據(jù)分析和挖掘之后的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反饋至用戶，并協(xié)助用戶處理相關(guān)問題。

在CPS 系統(tǒng)中，物理層由眾多的相互之間緊密聯(lián)系的感知設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備或者兼具兩種功能的設(shè)備構(gòu)成，在此視為CPSM。換言之，CPS系統(tǒng)是由眾多具備某種功能并直接與外部環(huán)境進(jìn)行交互的CPSM構(gòu)成。如圖2所示，通過CPSM實(shí)現(xiàn)對(duì)所處物理世界的實(shí)時(shí)感知，CPSM之間通過網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，從而實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制，滿足系統(tǒng)并發(fā)性要求；其次，CPS發(fā)揮全局時(shí)鐘的重要作用，圍繞統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)識(shí)描述事件發(fā)生順序，確定每一個(gè)任務(wù)完成的最終期限，從而保障系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求；此外，通過計(jì)算控制感知、執(zhí)行和通信體現(xiàn)了系統(tǒng)的自治性，分布式存在的各種終端設(shè)備能夠根據(jù)應(yīng)用層的應(yīng)用需求自動(dòng)重組和重配置。

圖2 CPS體系結(jié)構(gòu)

2 面向工業(yè)控制的CPS關(guān)鍵技術(shù)

2.1 嵌入式信息物理系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是嵌入式信息物理系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，它是將微處理器、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件嵌入到硬件設(shè)備內(nèi)部，從而使宿主設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化控制的一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用形式[8]。嵌入式系統(tǒng)通過軟硬件一體化實(shí)現(xiàn)軟件與硬件的高效率協(xié)同，提高宿主設(shè)備的性能。其中，微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。在微處理器領(lǐng)域，ARM芯片以其優(yōu)異的性能和成熟的結(jié)構(gòu)框架在眾多微處理器中脫穎而出，成為嵌入式解決方案的首選與標(biāo)準(zhǔn)[9]。

嵌入式信息物理系統(tǒng)，更強(qiáng)調(diào)信息處理與物理環(huán)境的協(xié)同。其作為與物理世界直接交互的結(jié)構(gòu)單元，通過傳感器從物理環(huán)境中采集信息，并輸出連續(xù)模擬信號(hào)，通過模-數(shù)(A-D)轉(zhuǎn)換將連續(xù)模擬量轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字量，信息以數(shù)字量的形式經(jīng)ARM芯片分析處理，將處理結(jié)果呈現(xiàn)在顯示設(shè)備上；同時(shí)，經(jīng)過模-數(shù)(A-D)轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器對(duì)實(shí)際物理量的閉環(huán)控制。

2.2 計(jì)算過程與物理過程協(xié)同

CPS系統(tǒng)除了嵌入式系統(tǒng)的閉環(huán)控制之外，更加強(qiáng)調(diào)信息過程與物理過程之間的協(xié)同[10-11]。物理過程由許多并發(fā)組件構(gòu)成，而信息計(jì)算過程則具有很強(qiáng)的時(shí)序性。由于在物理世界中極少存在程序化的過程，因此需構(gòu)建物理單元P模型與信息計(jì)算單元C模型。通過實(shí)時(shí)通信將P模型中物理世界參數(shù)變量與信息計(jì)算單元C模型中的參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)，確保計(jì)算過程與信息過程協(xié)同，其基本流程圖如下[12]：

圖3 物理、信息融合模型

3 基于CPS架構(gòu)的智能油庫(kù)系統(tǒng)

油站是石油企業(yè)面向終端市場(chǎng)的核心內(nèi)容之一，為提升客戶體驗(yàn)及品牌知名度，多數(shù)企業(yè)已開始大力發(fā)展油品配送中心的智能化來實(shí)現(xiàn)區(qū)域油站的現(xiàn)代化管理。因此，基于上述CPS架構(gòu)開發(fā)智能油庫(kù)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)油站收、發(fā)、存、運(yùn)等環(huán)節(jié)的精細(xì)化智能管理。

在油站管理中，由于油品在儲(chǔ)運(yùn)過程中存在氧化、蒸發(fā)及乳化等諸多問題，除了需要在數(shù)量上保障油品供應(yīng)之外，還應(yīng)在質(zhì)量上對(duì)油品進(jìn)行把控；同時(shí)，對(duì)于油品配送中心來說，還需綜合考量加油站需求、槽罐車運(yùn)營(yíng)等狀態(tài)信息?；谏鲜鲆蛩兀瑯?gòu)建油品配送最優(yōu)決策方案模型，表述如下：

其中S代表配送最優(yōu)決策方案；N代表方案系統(tǒng)中的數(shù)量變量；Q代表方案系統(tǒng)中的質(zhì)量變量。模型中數(shù)量變量約束方程包含：加油站油料庫(kù)存量i、市場(chǎng)需求量d、加油機(jī)狀態(tài)e條件；質(zhì)量約束方程包含：油池及油庫(kù)成品油質(zhì)量q、最佳庫(kù)存質(zhì)量保障周期t條件。

目前，如何高效獲取需求模型中的油品相關(guān)約束條件參數(shù)是困擾油站管理人員的最大問題。圖4所示的油品配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過搭建智能化的油品配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為油庫(kù)管理提供了解決方案。

圖4 油品配送網(wǎng)絡(luò)

微觀上，油品配送網(wǎng)絡(luò)由油站CPSM、油庫(kù)中心CPSM、罐槽車CPSM三個(gè)CPSM組成。其中油庫(kù)中心、罐槽車、人、分類油池、加油箱等元素構(gòu)成系統(tǒng)的物理主體，電腦、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)等元素構(gòu)成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)主體。

油庫(kù)中心CPSM是整個(gè)油品配送網(wǎng)絡(luò)的核心，油庫(kù)中心CPSM控制系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)與裝置物理系統(tǒng)聯(lián)接的樞紐?？刂葡到y(tǒng)在采集油庫(kù)油料數(shù)據(jù)和裝置運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，接收智能管理信息和控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的運(yùn)行調(diào)度，因此智慧控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)油庫(kù)智能調(diào)度的基礎(chǔ)。油庫(kù)中心CPSM通過ARM芯片可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)油庫(kù)中心的油料質(zhì)量、數(shù)量以及油站、罐槽車等相關(guān)信息的自我感知，對(duì)油料狀況進(jìn)行自我分析，對(duì)油品配送網(wǎng)絡(luò)的油料配送提供解決方案(或自我控制)，并在智能油庫(kù)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自我優(yōu)化、自我改進(jìn)。油站CPSM、罐槽車CPSM是智能油庫(kù)系統(tǒng)的有效組成，油站CPSM通過ARM芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)油站油料質(zhì)量、數(shù)量等信息的自我感知，同時(shí)將處理后的油料信息實(shí)時(shí)傳輸給油庫(kù)中心；罐槽車CPSM通過GPS芯片實(shí)現(xiàn)與人、油站、油庫(kù)中心的實(shí)時(shí)交互。

圖5展示了實(shí)際運(yùn)營(yíng)中所開發(fā)的油庫(kù)中心控制系統(tǒng)的核心--基于ARM芯片的控制板塊，該芯片具有控制精度高、兼容性好、低成本升級(jí)、善處理復(fù)雜邏輯、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 油庫(kù)中心ARM芯片

宏觀上，油品配送網(wǎng)絡(luò)涉及產(chǎn)品流、信息流、物流等多層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。油品配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將當(dāng)前庫(kù)存信息(使用量、時(shí)間點(diǎn)、質(zhì)量等)、產(chǎn)品流信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，形成成品油使用信息記錄，為油品配送中心實(shí)現(xiàn)智能化管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。首先，利用SPSS對(duì)產(chǎn)品流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，智能預(yù)測(cè)加油站每天或某一特殊情況下的成品油需求狀況，從而為形成網(wǎng)絡(luò)中各加油站點(diǎn)成品油實(shí)時(shí)流量信息提供依據(jù)。其次，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)油品數(shù)據(jù)分析，可智能判斷油品質(zhì)量，如果系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生泄露或者由于儲(chǔ)藏時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致質(zhì)量出現(xiàn)問題等異?，F(xiàn)象，配送系統(tǒng)將動(dòng)態(tài)調(diào)整該時(shí)刻的油品輸送量，從而保證系統(tǒng)具有很好的魯棒性能，從感知、通訊、存儲(chǔ)、分析、控制等角度實(shí)現(xiàn)收、發(fā)、存、運(yùn)等環(huán)節(jié)的精細(xì)化實(shí)時(shí)在線智能管控。為驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性，四川某油品配送中心于2016年6月搭建智能油庫(kù)系統(tǒng)，整理該中心3～9月運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)：搭建系統(tǒng)后該中心員工每日有效工作時(shí)間由5小時(shí)降低為4小時(shí)，工作效率提高25%；根據(jù)月成本核算，7～9月平均運(yùn)營(yíng)成本比3～5月降低13%；搭建系統(tǒng)后該中心因油品質(zhì)量導(dǎo)致的事故降為0。由此可見，應(yīng)用CPS 體系在信息通信、數(shù)據(jù)處理等方面的優(yōu)勢(shì)，可從感知、傳輸、處理和執(zhí)行等方面實(shí)現(xiàn)油庫(kù)智能調(diào)度。

4 總結(jié)

(1)從工業(yè)控制角度出發(fā)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和CPS理論框架，提出基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制CPS系統(tǒng)架構(gòu)。

(2)將工業(yè)控制CPS系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用到智能油庫(kù)系統(tǒng)中，通過四川某油品配送中心的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)可得：CPS提高工作效率、降低運(yùn)營(yíng)成本、減少質(zhì)量事故。

(3)隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，利用企業(yè)云數(shù)據(jù)的共享，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法，提高生產(chǎn)管理的智能化，無疑將是未來工業(yè)控制領(lǐng)域的方向所在。

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(本文文獻(xiàn)格式：衛(wèi)柯丞，劉 文，邱旭蒙，等.基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制CPS架構(gòu)研究[J].山東化工，2017，46(04)：107-109，115.)

Research on Industrial Control CPS Architecture Based on Embedded System

WeiKecheng，LiuWen，QiuXumeng，XuJuanjuan，JiXu*

(School of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

The intelligent of enterprise production was improved with the architecture of Cyber-physical system(CPS) based on embedded system applied to the industrial control field. According to the characteristics and attributes of CPS, a new CPS architecture based on embedded system is advanced, which is characterized by real time interaction, data processing and sharing of all related CPS Microcontrol-Units in the system. Moreover, the ability of CPS was illustrated in the signal processing, real-time communication, precision control and autonomous coordination from the micro and macro aspects. Effectiveness of the intelligent oil depot system was verified by the practice data of an oil distribution center in Sichuan. According to the result, CPS increased work efficiency by 25%, reduced operation cost by 13%, and ensured zero quality accident in that time.

CPS；embedded system；ARM；industrial control

2017-01-10

衛(wèi)柯丞(1991—)，山西運(yùn)城人，在讀碩士研究生，主要從事過程系統(tǒng)工程研究;通信聯(lián)系人：吉 旭(1968—)，四川成都人，四川大學(xué)教授，獲博士學(xué)位，主要從事過程系統(tǒng)工程的理論研究與應(yīng)用工作。

TP302

A

1008-021X(2017)04-0107-03