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基于嵌入式系统的工业控制CPS架构研究
资料介绍
为了提高企业生产的智能化,将信息物理系统(CPS, Cyber-physical system)应用到工业控制领域,提出基于嵌入式系统的工业控制CPS系统架构.根据CPS体系特征及属性,以嵌入式系统为基础,从CPS微控制单元及体系模型内部各关联单元之间的通信、互联、数据处理与共享等方面构建了CPS架构,从微观和宏观两个维度阐述了CPS系统在信号处理、实时通信、精准控制以及自主协调等方面的强大能力.以四川某油品配送中心的智能油库系统为例,结果表明:CPS可提高工作效率25%,降低运营成本13%,并保证零质量事故.
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第
４
期
·１０７·
卫柯丞，等：基于嵌入式系统的工业控制ＣＰＳ 架构研究
基于嵌入式系统的工业控制 ＣＰＳ 架构研究
卫柯丞，刘
ꢀ
文，邱旭蒙，许娟娟，吉ꢀ
（四川大学 化学工程学院，四川 成都ꢀ ６１００６５
旭
）
摘要：为了提高企业生产Ｃ的Ｐ智Ｓ 能化，将信息物理系统（ＣＰＳ
数据处理与共享等方面构建了 架构，从微观和宏观两个维度阐述了 系统在信号处理、实时通信、精准控制以及自主协调等方面
，
Ｃｙｂｅｒ － ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）应用到工业控制领域，提出基于嵌入式系统的工业控
制
ＣＰＳ 系统架构。 根据 体Ｃ系Ｐ特Ｓ 征及属性，以嵌入式系统为基础，从ＣＣＰＰＳＳ微控制单元及体系模型内部各关联单元之间的通信、互联、
的强大能力。 以四川某油品配送中心的智能油库系统为例，结果表明：ＣＰＳ 可提高工作效率２５％ ，降低运营成本１３％ ，并保证零质量事
故。
关键词：：ＣＰＳ；嵌入式ꢀ系ꢀ统ꢀ；ＡꢀＲＭ 芯片；工业控制
中图分类号：ＴＰ３０２ꢀ
文献标识码：Ａꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
文章编号：１００８ － ０２１Ｘ
（
２０１７
）
０４ － ０１０７ － ０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＣＰＳ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ
Ｗｅｉ Ｋｅｃｈｅｎｇ
，
Ｌｉｕ Ｗｅｎ
，
Ｑｉｕ Ｘｕｍｅｎｇ
，
Ｘｕ Ｊｕａｎｊｕａｎ
，
Ｊｉ Ｘｕ
（
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
，
Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
，
Ｃｈｅｎｇｄｕꢀ ６１００６５
，
Ｃｈｉｎａ
）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
：
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
ｏｆ ａｌｌ ｒｅｌａｔｅｄ ＣＰＳ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌ － Ｕｎｉｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ
ｔｉｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
，
ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ
，
ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｓｈａｒｉｎｇ
，
ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＣＰＳ ｗａｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｅａｌ －
，
，
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．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
：
ＣＰＳ
；
ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ
；
ＡＲＭ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ
；
ꢀ ꢀ 近年来，随着信息技术与网络技术的快速发展，信息物理 （ＣＰＳＭ
，
ＣＰＳ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ － Ｕｎｉｔ）构成。 其运行方式如图
１
所
系统（ＣＰＳ， Ｃｙｂｅｒ － ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）得到人们的广泛关注。 ＣＰＳ
示，在物理系统中融入ＡＲ嵌Ｍ入式系统，ＣＰＳＭ 可通过嵌入式系统的
是一种高效能网络化智能信息平台，在网络互连环境下，基于
嵌入式设备，经由相互关联的计算单元和与之相对应的物理载
体，实现信息全面感知、实时传递、在线处理、精准控制以及组
核心－ － 微处理器（ 芯片）来实现计算进程与物理进程的协
同。
］
件自协调［１ － ２ 。 国内外学者针对 ＣＰＳ 有很多最新研究成果：
［
［４］
Ｇｅｉｌｅｎ Ｍ ３］等人围绕时序模块接口设计 ＣＰＳ 系统；ＹＣｉｎＰｇＳ Ｔａｎ
等人从嵌入式系统网络化的角度构建出一种简单的 结Ｃ构ＰＳ；
的智能单元模型。
吉旭［５ 等人将ＣＰＳ 系统应用到化学工业中，并构架了基于
］
而目前ＣＰＳ 尚没有一个面向工业控制领域的通用模型体
系。 基于此，本文从工业生产控制角度出发，结合嵌入式系统和
ＣＰＳ 理论框架，提出基于嵌入式系统的工业控制ＣＰＳ 系统架构。
１ꢀ 面向工业控制的ＣＰＳ 基本架构研究
征［６ ：稳定性、安全性、系统性；具备十大属性：层次化、并发性、
］
同步与通信、时序行为、异常行为、异构性、自治性、分布性、隐
私性、动态重组和重配置。
图
１ꢀ ＣＰＳ 运行方式
ꢀ ꢀ ＣＰＳＭ 是指在ＣＰＳ 系统中具有感知、执行或两者兼具的最
小控制单元，可被视为应用具有逻辑运算能力及离散特性的计
算机来监督与控制具有连续动态变化特征的物理系统。 ＣＰＳＭ
一个具有良好弹性机制的 ＣＰＳ 系统模型，应存在三大特
依靠传感器 执行器实现物理过程与计算过程的紧密联系。 其
／
针对ＣＰＳ 概念及相应模型特征与属性需求，本文将从微观
和宏观两个角度讨论ＣＰＳ 系统的构架。
中传感器监视物理环境变化，执行器改变物理参数变量。 通过
嵌入式ＡＲＭ 芯片可实现传感器与执行器之间的数据处理与信
息交互，它们之间主要存在三种通信方式：Ｓ － Ｓ
，
ｓｅｎｓｏｒ － ｔｏ －
１． １ꢀ ＣＰＳ 微观架构
ｓｅｎｓｏｒ，传感器与其他传感器进行通信，提供电流分析；Ｓ － Ｃ
，
微观上，ＣＰＳ 系统由基于嵌入式系统的 ＣＰＳ 微控制单元
ꢀ ꢀ 收稿日期：２０１７ － ０１ － １０
作者简介：卫柯丞（１９９１—），山西运城人，在读硕士研究生，主要从事过程系统工程研究；通信联系人：吉 旭（１９６８—），四川成
ꢀ
都人，四川大学教授，获博士学位，主要从事过程系统工程的理论研究与应用工作。
万方数据
ＳＨＡＮＤ山ＯＮＧ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹꢀ
ꢀ
东
ꢀ
化
ꢀ
工
·
１０８
·
ꢀ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ２０１７ 年第４６
卷
ｓｅｎｓｏｒ － ｔｏ － ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，－分ｔｏ析－从ｃｏ传ｎｔｒ感ｏｌｌ器ｅｒ中获取的数据，执行器做出 反馈至物理层元件。 应用层将经由数据分析和挖掘之后的设
，执行器之间进行协同以便 备运行状态反馈至用户，并协助用户处理相关问题。
发放一连串的控制决策。 所以，传感器 执行器之间的关系可
以描述成一个具备输入（传感器数据）和输出（控制指令）的网 设备、执行设备或者兼具两种功能的设备构成，在此视为
响应；Ｃ － Ｃ
，
／
在
ＣＰＳ 系统中，物理层由众多的相互之间紧密联系的感知
络控制系统。
ＣＰＳＭ。 换言之，ＣＣＰＰＳＳ系Ｍ统是由众多具备某种功能并直接与外部
环境进行交互的 构成。 如图
２ 所示，通过 ＣＰＳＭ 实现对
１． ２ꢀ ＣＰＳ 宏观架构
所处物理世界的实时感知，ＣＰＳＭ 之间通过网络层实现实时交
互，从而实现并发控制，满足系统并发性要求；其次，ＣＰＳ 发挥全
局时钟的重要作用，围绕统一的时间标识描述事件发生顺序，
确定每一个任务完成的最终期限，从而保障系统对实时性的要
求；此外，通过计算控制感知、执行和通信体现了系统的自治
性，分布式存在的各种终端设备能够根据应用层的应用需求自
动重组和重配置。
宏观上，ＣＰＳ 系统由具有感知、决策和控制等功能的各种嵌
入式设备及相关软硬件构成。
结合ＣＰＳ 定义及特征，提出由物理层、网络层和应用层构
］
成的 ＣＰＳ 系统结构［７ 。 其中，物理层负责感知设备运行状态，
并将相应信息通过网络层传送至应用层中；同时对应用层中下
达的指令做出回应，以达到对设备实时监控的目的。 网络层将
ＣＰＳ 中不断流动的信息传输至物理层，为应用层无缝地共享资
源，确保用户及时获取所需信息；同时将用户下达的指令实时
图
２ꢀ ＣＰＳ 体系结构
构成，而信息计算过程则具有很强的时序性。 由于在物理世界
２ꢀ 面向工业控制的ＣＰＳ 关键技术
２． １ꢀ 嵌入式信息物理系统
中极少存在程序化的过程，因此需构建物理单元
计算单元 模型。 通过实时通信将 模型中物理世界参数变
量与信息计算单元 模型中的参数进行关联对应，确保计算过
程与信息过程协同，其基本流程图如下［１２ ：
Ｐ
模型与信息
Ｃ
Ｐ
嵌入式系统是嵌入式信息物理系统的理论基础，它是将微
处理器、操作系统、应用软件嵌入到硬件设备内部，从而使宿主
］
设备实现智能化控制的一种计算机应用形式［８ 。 嵌入式系统
Ｃ
］
通过软硬件一体化实现软件与硬件的高效率协同，提高宿主设
备的性能。 其中，微处理器是嵌入式系统的核心。 在微处理器
领域，ＡＲＭ 芯片以其优异的性能和成熟的结构框架在众多微处
］
理器中脱颖而出，成为嵌入式解决方案的首选与标准［９ 。
嵌入式信息物理系统，更强调信息处理与物理环境的协
同。 其作为与物理世界直接交互的结构单元，通过传感器从物
理环境中采集信息，并输出连续模拟信号，通过模
－
数（Ａ － Ｄ
转换将连续模拟量转换为离散数字量，信息以数字量的形式经
）
ＡＲ－Ｍ 芯片分析处理，将处理结果呈现在显示设备上；同时，经过
行器对实际物理量的闭环控制。
模
数（Ａ － Ｄ）转换后，数字信号转变成模拟信号，从而实现执
图
３ꢀ 物理、信息融合模型
３ꢀ 基于ＣＰＳ 架构的智能油库系统
油站是石油企业面向终端市场的核心内容之一，为提升客
２． ２ꢀ 计算过程与物理过程协同
ＣＰＳ 系统除了嵌入式系统的闭环控制之外，更加强调信息
［
１０ － １１］
过程与物理过程之间的协同 。 物理过程由许多并发组件 户体验及品牌知名度，多数企业已开始大力发展油品配送中心
万方数据
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