【CPS】CPS解决方案案例

2019 年 9 月 8 日 产业智能官

极熵物联在动力车间智能服务模式下的CPS应用


	江苏极熵物联科技有限公司基于CPS核心技术要素自主研发并拥有完整知识产权的动力设备智能服务云平台（DbPE-CPS）是工信部重点工业产品和设备上云试点示范平台。平台面向动力车间，聚焦高能耗、通用性强、优化价值潜力高的通用动力设备，采用即插即用的服务模式，以快速见效为目标，实现从物理设备层接入到通讯装备，到云平台、大数据应用的端到端集成。平台重点围绕空压机、锅炉等通用动力设备，基于平台开展数据采集、特征提取、模型优化，建设设备运行与故障知识库，开展运行监测、故障预警、预测性维护、运行能效分析优化等服务，保障设备安全、可靠、稳定、高效运行。

节能减排，践行绿色制造

极熵物联动力设备智能服务云平台（DbPE-CPS）主要功能包括动力车间边缘计算系统、智能终端远程管理系统、动力车间数据监控与分析系统以及AI智能数据监管系统。动力车间中的空压机、干燥机、电表、流量计及环境传感器等数字化设备基于平台实现互联互通，包括设备状态的远程自动采集、控制策略的网络化传输、设备大数据智能化分析与可视化展现。动力设备由信息化孤岛变为一个个信息化节点，物理设备通过可信云平台融入到赛博空间。在赛博空间，智能优化决策信息将通过可信云精准执行到物理空间的每个空压机及其辅助设备，构成了一个动力车间系统层面的CPS。

数据驱动，共创动力设备能效优化和无人运维

为了探索通用动力设备远程运维和压缩空气综合能效优化的转型发展方案，从根本上解决设备生产商、设备运维商、节能服务商与制造业之间的动力能源稳定运行和能源消耗之间的矛盾，共创“动力设备能效优化”和“无人运维”场景，平台基于系统级CPS的体系架构，结合动力设备和压缩空气生产和运行技术和应用特点，以平台为中心，聚焦设备的使用价值，通过动力设备互联互通和压缩空气生产和运行的智能化数据分析，帮助每个人理解动力车间产生的大量数据，与设备互动，实现设备的云端运营和模式创新，提供从设备接入、运行监控、资产管理、数据可视、能耗优化、设备数据预知分析等一站式SaaS服务，全面提升动力设备安全、可靠、稳定、高效运行。此外，通过数据驱动的在线核心设备运行绩效榜单和最佳工艺方案，帮助企业提升设备运行管理能力。

极熵物联动力设备智能服务云平台（DbPE-CPS）以CPS为技术核心，以数据驱动为基础，利用硬件、软件、网络和云平台等资源构建起状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的CPS，为动力设备生产商、运维商、节能服务商以及终端用户提供以运行监测、故障预警、预测性维护、运行能效分析优化等服务为核心的智能服务平台，实现了从数据到信息到知识再到价值的转化。

平台引领，打造动力车间运营新模式

极熵物联在构建动力设备智能服务云平台（DbPE-CPS）时，遵循极熵物联一直以来对智能化生产和服务的总体设计理念，即一个工业生产用的CPS必须达成稳定的系统、完备的数据及高效的算法这三个层面的整合，才能够真正达到最终的价值。以上任何一个层次的缺失，都将会影响到这个系统的最终落地。这种架构设计的理念来源于极熵长期从事工业人工智能和深度学习数据分析的经验。首先稳定的系统是工业无人化、自动化、智能化的基础，任何需要大量人为干预，随时可能出现问题和故障需要依赖相关工作人员进行实时监督和处理的系统，是无法作为一个稳定可靠的工业人工智能系统单独工作的。

针对极熵物联动力设备智能服务云平台（DbPE-CPS），极熵物联整体构建了三个层次总体架构，如下图所示：

模式创新，形成动力设备运营商的行业新业态

采用AI赋能的云端和边缘端数据同步管理和处理的技术架构，重点针对设备端系统开展集成感知、融合等要素的CPS支撑技术研究，重点研究基于数据驱动、软件定义、异构共融的CPS架构、CPS节点多源精准保障感知和数据融合管理、可扩展的故障测试用例精细描述，通过边缘计算技术、雾计算技术、大数据分析等技术，研究并设计以CPS自组织协同理论为指导的动力设备智能服务和动力车间能源管控平台，形成面向动力车间智能服务的系统级CPS。

明匠智能基于加工单元的CPS应用


	本解决方案对传统的机床做智能化改造将其改造成智能的生产单元。通过在信息空间中建立机床的数字化模型，以实际车间生产场景的数据作为驱动，实现信息空间与物理空间的虚实同步，完成对非标机加工生产的全流程追溯和跟踪管理，实现柔性生产。该单元级CPS加工单元具有以下特点：一是在机床电控柜部署CPS标准协议兼容网关，通过机床数控系统专用通信协议实时采集机床的设备状态信息和产品的加工工艺信息。二是对机床的属性做抽象，创建机床的物理单元模型，通过模型可以实时的同步分析机床的加工过程和能效状态。三是为机床配置扫码枪，识别工件标识，上传到边缘计算控制器。四是为每个机床配置边缘计算控制器，通过该边缘计算控制器实现对加工程序和工艺流转信息的闭环管理。边缘计算控制器根据工件的标识自动调取加工程序，下载到机床存储卡，启动加工，实现对机加工设备的精准控制和自治管理。 CPS信息空间中的机床物理单元模型通过CPS标准协议兼容网关与物理空间中的机床建立通讯，以获得机床的实时信息，例如机床各轴坐标、转速、负载信号等。经解析后驱动信息空间中物理单元模型的同步动作，并实时展示刀头轨迹、各轴负载信息，完成对非标机加工生产的全流程追溯和跟踪管理，最终实现柔性生产。

突破非标加工困局，缩减生产加工成本

目前，以缩短产品生产准备时间、缩短产品交货时间、提高设备生产效率、降低产品成本为目的的智能制造，正在结合互联网技术、通信技术与机械技术，已经实现了生产、销售、设计以及管理等部门的数据在一个网络下流动和共享。但伴随着非标需求和定制化生产需求的不断增加，机加工生产制造难度越来越大。在多品种小批量的生产制造场景下，需要对产品的生产工艺和机加工设备自身状态实时采集分析，并与异构系统做集成，实现信息的互操作，经过科学决策后进行精准的控制设备执行。所以，需要借助CPS技术实现对机加工设备管控，建设具有系统自治能力的CPS机加工单元。

实现数据互操作，树立单元级CPS标杆

通过工业互联网将状态感知、传输、计算与制造过程融合，实现机加工设备、立体仓库、 AGV 等单元级 CPS 之间数据的互联互通，进一步对整个生产过程实时、动态信息进行分析和控制，以实现装备生产过程中信息可靠感知、数据实时传输、海量信息数据处理，从而最终实现单元级CPS 之间的协同控制能力，构建了从感知、分析、决策到精准执行的闭环的生产管理体系，实现了整个系统的独立控制。通过标准协议兼容、异构系统集成、数据互操作和物理单元建模等技术的应用完成了单元级CPS的建设，也为今后的系统级CPS建设提供单体设备和技术基础。

突破虚实映射技术瓶颈，引领机加工新发展

将产品制造从客户端开始贯穿整个产品生命周期，覆盖面广，可加工的零部件、关键构件尺寸规格全，在产品智能设计、生产智能调度、物流智能调度、设备故障智能诊断与运行维护、关键工艺操作参数智能设定等关键环节具有显著的先进性和智能性。方案中依据CPS中的相关概念和各项关键技术，搭建出“感知-分析-决策-执行”的数据闭环，实现了子资源优化。建设的机加工CPS单元制造智能化工厂处于国内首创，国际先进水平，其主要工作如下：

1）通过标准协议兼容工具实时采集机床的设备状态信息、产品的加工工艺信息、能耗信息和机台设备的其他基础信息，并将这些信息通过标准的协议OPC-UA与智能物流系统TCS软件、MES软件做交互，实现了CPS中的状态感知和科学决策环节。

2）通过工业软件定义生产加工的流程，实现机加工设备管理和产品生产工艺管理，通过机加设备测头和对刀仪对工件进行测量。在工业软件对设定工艺参数和实测参数作比对，优化加工工艺。

3）创建机床的物理单元模型，通过模型可以实时的同步分析机床的加工过程和能效状态，通过孪生的机加设备分析和优化工件的加工工艺，分析生产过程对设备和刀具带来的影响，完成了CPS中的实时分析。

4）通过软件接口与MES系统和TCS系统集成，完成生产的管理和物流调度，此项功能实现了CPS中的精准执行环节。

5）通过识别工件标识自动调取加工程序，下载到机床存储卡，启动加工，实现对机加工设备的精准控制。

实施效果

通过“一硬”（数控机床）、“一软”（嵌入式软件）构成了“感知-分析-决策-执行”的数据闭环，具备了可感知、可计算、可交互、可延展、自治的功能，是一个可被识别、定位、访问、联网的信息载体。单元级CPS的成功构造，相当于创造了虚拟世界：信息空间。制造业数字化、网络化、智能化的过程，是在信息空间重建制造流程，并基于此不断提升制造效率的过程。未来制造，将是基于信息物理系统的制造，将是数据驱动、软件定义、平台支撑的制造，将是实体制造与虚拟制造实时交互的制造，无论是产品、设备、工艺流程都将以数字孪生的形态出现。CPS将会经历从碎片化到一体化、从局部到全局、从静态到动态的过程，逐渐涵盖研发设计、制造过程、服务运营的全流程。

海尔模具在设备管理领域的CPS应用


	海尔模具CPS以提高设备利用率为目的，在设备互联互通的基础上，充分融入CPS先进理念，通过信息化手段将车间生产的各环节进行集成管理，优化了生产组织及管理模式，实现人人协同、机机协同、人机协同，并在此基础上实现设备的预测性维护。通过本CPS对生产设备进行状态感知、实时分析，并能预测设备将来可能发生的故障，在一定程度上做到“感知现在、预知未来”。实现了生产过程协同化、少人化、高效化，显著地提升了企业的竞争力。

转型升级，势在必行

随着竞争加剧以及人力成本的快速提升，制造企业面临着非常大的经营压力。招工难成为制约企业发展的瓶颈因素之一，存在着熟练工人难以招到。新员工培养周期长，生产效率与质量不高等情况。关键设备出现突发故障，易造成生产的停滞，影响交货期。围绕成本、交货期、客户满意度这些指标带来的压力，企业需要对原有的生产模式进行变革，需要对原有的管理系统进行升级。

为响应国家智能制造的号召，顺应智能化转型升级的趋势，打造绿色节能工厂，保证可持续性发展，海尔模具从新一轮产业变革的全局出发，基于多年两化融合实践经验，综合集成硬件、软件、网络、工业云等一系列信息通信和自动控制技术，借助CPS技术理念并结合企业实际，逐渐向“数字化”、“智能化”、“知识化”战略转型，即在公司逐步实现自动化、少人化工厂目标，从而支持集团白电产品全球第一竞争力的战略目标。

实施两步走，设备效能优

为解决以上问题，海尔模具打造了国内领先的CPS，分两步实施。

第一步以设备为主线，实现生产设备的互联互通与生产过程的协同管理，以提高设备利用率为目的，以少人化为关键指标，在设备互联互通的基础上，以人—人、人—机协同为特色，实现了信息系统与物理系统之间的深度融合，包括数控设备的网络化通讯、远程实时状态采集、工业大数据分析与可视化展现，通过协同平台对计划、排产、派工、物料、夹具等相关人员进行数字化、网络化、智能化管理，设备、物料、质量等出现问题时，系统自动通知相关人员，从而消除了各种等待时间。基于数据自动流动，构建了一套信息空间与物理空间之间的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的协同制造体系，实现了计划、排产、派工、生产制造过程中的智能化管理，保证了一个“流”的生产。达成了企业生产数字化、网络化、高效化、少人化的目标，明显提升了企业的生产效率与市场竞争力，取得了良好的经济与社会效益。

第二步实现机床的主动、精准、智能化的维护，为企业搭建无忧的制造环境。

虚实融合，协同生产

系统以提升设备生产效率为核心，以CPS理念为指导思想，以设备互联互通为基础，以生产过程的协同为主要管理思想，实现生产过程中的可视化、协同化、智能化。并在设备数据采集的基础上，对关键设备实现预测性维护。如图所示。

本系统很好地体现了CPS的理念，具体如下：

状态感知：通过对设备的数据采集，可实时地感知机床的状态，包括开关机、故障，以及生产进度等信息。通过协同管理平台，可以及时获知加工程序、物料、刀具、电极、夹具等生产资源的准备状态。通过本系统，实现对生产设备、生产资源及相关人员状况的状态感知，为科学管理提供数据基础。

实时分析：CPS会对设备出现的故障、生产资源准备不及时、生产进度等信息进行实时的分析处理，并进行相关事件的触发。

科学决策：系统基于各种算法，在对采集数据进行分析的基础上，按照相关触发条件，为相关人员提供各种决策支持。比如，生产资源没准备好，机床出现故障，加工工艺参数异常、生产进度延期等等，系统均会以短信、报表等不同形式为不同角色的人员提供及时的决策依据。

精准执行：一方面，系统会触发相关的事件，比如程序的自动传输、程序在不同机床之间的自动格式转换，预测到机床即将发生故障提前预警等等，系统通过自动的精准执行完成相关的工作，实现高效、精准的执行。另一方面，借助于系统中的数据、信息、智能化的决策支持报表等形式，相关人员会进行及时而精准的处理，比如，及时处理机床故障，及时干预各种异常操作，及时进行生产准备的就绪等等，人机结合，虚实融合，实现生产过程的精准执行。

实施效果

通过实施本CPS，企业在经济与社会效益方面取得明显的提升。

（一）实现了信息系统与生产设备的深度融合

本系统将海尔模具所有的数控设备全部联入了DNC网络，设备由以前的信息化孤岛变为了信息化节点，所有加工程序实现了安全的集中管理、严格的流程审批、高效的自动传输、可靠的虚拟仿真，并对设备进行了24小时全天候的状态实时监控，包括设备开关机、故障信息、生产件数、机床进给倍率等信息均在第一时间及时获知，有效地减少了信息不透明导致的沟通时间，实现了生产过程信息最大程度的共享，生产过程中的生产准备情况、程序信息、机床状态、异常情况、生产进度等各类信息均实现了实时化、透明化、精益化的管理。

（二）以设备为中心，以协同生产为主线，实现了多部门的协作管理

将产品加工由传统的串行作业优化为并行作业，生产管理、CAD/CAM、工艺、计划、班组、质量、设备各部门紧紧围绕产品制造这一核心目标，全面实现了数字化的并行管理，最大程度地减少了等待等时间浪费，明显地提升了生产效率。系统支持手机短信、邮件自动发送、客户端登录提示等方式的交互方式，使班组长、操作工、设备维修组、电极准备室、刀具室的响应速度提高30%以上。

（三）实现了基于大数据分析的决策支持

系统实施后，企业管理者可在办公室实时、直观地查看到产品加工计划的准备情况、工序状态、在制品信息、任务生产进度、生产过程中设备的详细运行参数等信息，并通过系统的大数据分析功能，从海量数据中提取、分析出各种图形与报表，设备的各种数据、运行趋势、异常情况等一目了然，管理者的决策建立在真实、量化、透明、智能分析的基础上，从而可以很好地实现生产过程的科学管理。

（四）经济效益明显

1.模具加工准备平均时间从1小时缩短到0.5小时，缩短了50%的生产准备时间；

2.编程部、计划科、各个线体实现了90%以上的信息共享，缩短了沟通时间50%；

3.实施系统后，操作工1人可以操作5台设备，用工数量减少25%以上；

3.实现了100%的程序自动传输，设备有效利用率(OEE)平均达到75%。OEE已经远超国内企业40%的平均水平，也高于欧美发达国家70%的标准，逼近日本企业80%的最高水准。

4.通过对关键部件的预测性维护，关键部件的意外故障率降低80%，设备总的意外维修时间降低50%，维修成本降低30%。

北汽新能源在汽车精益生产领域的CPS应用


	该系统级CPS基于多个单元级CPS的状态感知、信息交互、实时分析，实现了局部制造资源的自组织、自配置、自决策、自优化，同时还包含了互联互通、边缘计算、数据互操作、协同控制、监视与诊断等功能。针对采育基地生产计划、制造过程、生产物流配送、生产制造质量和成品管控等五大领域实现了全面的精益生产智能化管理。

应用系统级CPS，开发新一代智能车

本案例是系统级CPS在汽车制造行业的典型应用，通过实施北汽新能源CPS案例，建成了支持汽车制造物流准时化及大批量多车型、多配置混线生产的现代化智能产线，构建一个以泛在感知和泛在智能服务为特征的新一代汽车生产环境，将各环节传感器、智能硬件、控制系统、计算设施、通信设备、信息终端构成的单元级CPS连接成一个智能网络，构成系统级CPS，实现了企业、人、设备、服务之间的互联互通，最大限度地开发、整合和利用各类信息资源、知识、智慧，实现了汽车生产装配的精益生产。在软件应用层，本案例的一大特点是智能移动终端的在工业制造领域的大范围应用，减少了有线网络布线和工控机等部署，方便了人与设备的连接及后续终端点的扩容；手机APP报表功能使得北汽新能源中高层管理人员不但可以随时随地了解企业各方面业务运行情况和宏观指标数据，而且可以实时掌握车间现场生产状态，发生异常情况时可以第一时间进行处理。

推进两化深度融合，共建智能工厂

为满足北汽新能源精益制造及准时化物流的要求，根据北汽新能源信息化建设的整体规划，需要建立一套全面、高效、协同统一的制造物流系统，以实现优化计划管理、作业指导信息化、生产过程可视化、库存信息透明化，支持生产装配柔性化及高效生产运作、大批量混线的生产与物流模式。信息系统建设将围绕集团战略目标，实现工艺和设备运行技术、人的深度集成融合，提升全面感知、预测预警、协同优化、科学决策的四项关键能力，以更加精细和动态的方式提升工厂运营管理水平，并推动形成新的制造和商业模式创新，为最终实现创立国内一流、国际知名的汽车品牌，成为真正具有国际竞争力的北汽核心业务单元提供信息化支撑。

建设FlexEngine平台套件，引领新能源汽车制造转型升级

案例主要通过实、虚感知设备，RFID、传感器等多源感知技术实现状态感知，对汽车制造全过程中人、物料、生产设备、生产过程、产品及服务等繁杂信息进行采集，实现制造资源物物互感，其中混杂动态环境下感知节点部署优化与非确定性过程协同感知机制是关键。本案例借助于AVI、PMC、ANDON等功能，实现了制造业中复杂物理过程实时的、精确化分析和控制，对制造业生产过程的反馈控制过程进行管理和服务，实现了实时分析和科学决策。状态感知、实时分析、科学决策、精准执行形成了一个反馈控制过程，构建了物理空间与信息空间高效协同的复杂系统，实现了制造业物理过程与计算过程的无缝融合。

实现精益化的生产制造，必须掌握两个核心，即整流化生产和标准化生产。北汽新能源基地正好满足这两个基本条件，并且通过CPS体系得到落地。

推广意义

在新能源汽车制造业快速发展的大背景下，面对残酷的市场竞争，基于CPS的、支持混线生产的柔性生产及物流模式，以及移动化在汽车制造过程中的广泛应用，提高了企业对市场的响应速度，强化了企业的制造执行力，同时也使产品质量、库存成本得到了有效的控制，这是一条汽车制造行业转型升级、经过实践证明行得通的有效路径。

航空工业制造院在航空产品研制领域的CPS测试应用


	针对航空行业特点，搭建了面向行业的共性技术平台，开发和研制了一系列通用和专用软件工具集以及单元级CPS装置，形成了面向行业的CPS整体架构和典型应用模式。针对产品的制造质量，打通了从工艺设计到制造生产以及检验过程的数据链，实现产品和制造过程中质量相关数据的统一管理和闭环控制。本解决方案有效解决了航空产品研制过程中普遍存在的数据处理实时性差、工况状态反馈缓慢、运行决策粗放易变等问题，提升了航空产品制造过程的数据处理准确性、制造质量稳定性和产品状态一致性。

聚焦航空制造行业特点，提高航空产品研制能力

航空产品的研制是一个庞大的系统工程，具有工艺环节多、生产周期长、质量要求高等特点，数据传递、工艺设计、现场操作和状态监控、制造资源和物料配置等因素，都会影响到产品的质量和研制进度。目前国内航空企业生产组织管理复杂且具有多品种小批量生产等特点，使得航空制造企业对制造系统的适应性、制造质量稳定性、产能提升等方面有着更加迫切的需求。一方面，需要建立面向产品全生命周期的优化组织，实现资源的最优利用和制造过程的最佳模式运作，进一步降低装备制造成本。另一方面，需要通过科学合理的管控机制有效统筹、管理、控制生产节拍和运行方式，提升装备研制的快速反应能力。

探索CPS行业应用模式，实现产品研制过程提质增效

针对航空产品研制过程中的实际需求，展开了航空行业CPS解决方案的测试验证与应用推广工作。以实现更为广泛的状态感知能力、实时的信息分析能力、基于分析结果的自主决策能力和后续的精准执行能力为目标，搭建了面向行业的CPS共性技术平台，针对行业重点领域开发了建模/仿真、MBD（基于模型的定义）、信息系统集成、生产过程统计/评价及可视化等工具集，研制了面向航空制造现场的单元级CPS装置，并通过对工具和单元典型应用模式的探索，形成了面向行业的CPS架构和规范，大幅度提升了典型航空产品的研制效率和产品质量。

构建CPS整体解决方案，由点到面展开测试验证

该系统面向航空典型制造场景，构建系统级CPS，其整体架构如图所示。其中，信息层包括产品及生产过程仿真平台、开发制造一体化平台以及产品研制和生产过程信息系统。物理层包括面向具体产品生产的制造生产线/车间，由人、机、料等物理设备和单元级CPS装置构成。信息层和物理层的交互作用过程涉及产品、生产现场和生产资源的数据传递、过程控制和过程监测，以智能控制为核心手段实现人机交互、机机交互和控制信号在不同层级的传递，实现虚拟制造与实物制造的智能融合和交互，驱动产品研制和生产的高效运行。

首先进行航空基础共性技术工具及单元的开发，再针对航空典型应用需求开展了应用模式的研究与建设，选择了具有代表性的航空典型产品对象和制造系统，建立CPS测试验证环境，形成具有行业特色的信息物理系统整体解决方案，最后进行项目成果的推广应用。项目实施方案如下图所示。

航空行业应用推广，助力装备制造业成功转型

该解决方案面向航空行业，以信息物理系统相关的工具、系统、集成平台在飞机产品制造中的研究和应用为主线，将单元级和系统级CPS应用于产品的研发、制造、检验等全生命周期以及生产系统从规划设计到运行过程中，达到提升产品质量和提高生产效率的目的。项目以正在研制的相关航空产品为应用验证对象，代表了我国装备制造业的较高水平。

该解决方案技术架构、工具和单元、应用模式等具有通用性和可扩展性，可推广应用到我国新一代飞机、航空发动机等领域。项目建设成果在相关行业的推广，可以有效促进我国装备制造业的成功转型，对我国装备制造业发展具有深远的意义和价值。

先进制造业+工业互联网

产业智能官 AI-CPS

加入知识星球“产业智能研究院”：先进制造业OT（自动化+机器人+工艺+精益）和工业互联网IT（云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）产业智能化技术深度融合，在场景中构建“状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升”的产业智能化平台；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。

产业智能化平台作为第四次工业革命的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎；重构设计、生产、物流、服务等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生 新技术、新产品、新产业、新业态和新模式； 引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。

产业智能化技术分支用来的今天，制造业者必须了解如何将“智能技术”全面渗入整个公司、产品、业务等商业场景中， 利用工业互联网形成数字化、网络化和智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和焕然新生。