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基于嵌入式系统的工业控制CPS架构研究

更新时间：2019-12-30 19:39:24 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：嵌入式系统工业控制 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

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－ｐｈｙｓｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ）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^Ｃ_Ｃ^Ｐ_Ｐ^Ｓ_Ｓ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_ꢀ；^Ａ_ꢀ^ＲＭ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

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｎｔｒｏｌＣＰＳＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍ

ＷｅｉＫｅｃｈｅｎｇ

，

ＬｉｕＷｅｎ

，

ＱｉｕＸｕｍｅｎｇ

，

ＸｕＪｕａｎｊｕａｎ

，

ＪｉＸｕ^

（

ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

，

ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

，

Ｃｈｅｎｇｄｕꢀ ６１００６５

，

Ｃｈｉｎａ

）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

：

ＴｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｏｆｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆＣｙｂｅｒ－ｐｈｙｓｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ

（

ＣＰＳ

）

ｂａｓｅｄｏｎ

ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｔｒｏｌｆｉｅｌｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｔｔｒｉｂｕｔｅｓｏｆＣＰＳ

，

ａｎｅｗＣＰＳ

ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｉｓａｄｖａｎｃｅｄ

ｏｆａｌｌｒｅｌａｔｅｄＣＰＳＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌ－Ｕｎｉｔｓｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ

ｔｉｍｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

，

ｗｈｉｃｈｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｒｅａｌｔｉｍｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ

，

ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｓｈａｒｉｎｇ

，

ｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆＣＰＳｗａｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｒｅａｌ－

，

ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｍｉｃｒｏａｎｄｍａｃｒｏａｓｐｅｃｔｓ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅ

ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｏｉｌｄｅｐｏｔｓｙｓｔｅｍｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｄａｔａｏｆａｎｏｉｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｅｎｔｅｒｉｎＳｉｃｈｕａｎ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔＣＰＳ

，

ｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｙ２５％

，

ｒｅｄｕｃｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｓｔｂｙ１３％

，

ａｎｄｅｎｓｕｒｅｄｚｅｒｏｑｕａｌｉｔｙａｃｃｉｄｅｎｔｉｎｔｈａｔｔｉｍｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

：

ＣＰＳ

；

ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ

；

ＡＲＭｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｔｒｏｌ

；

ꢀ ꢀ 近年来，随着信息技术与网络技术的快速发展，信息物理（ＣＰＳＭ

，

ＣＰＳＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ－Ｕｎｉｔ）构成。其运行方式如图

１

所

系统（^ＣＰＳ， ^{Ｃｙｂｅｒ－ｐｈｙｓｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ}）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］

^{ＧｅｉｌｅｎＭ}^３］等人围绕时序模块接口设计 ^ＣＰＳ系统；^Ｙ_Ｃ^ｉｎ_Ｐ^ｇ_Ｓ^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_{ＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹꢀ}

ꢀ

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，^Ｃ_Ｃ^Ｐ_Ｐ^Ｓ_Ｓ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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