【CPS】CPS制造升级案例

2020 年 5 月 21 日 产业智能官

东方电气在智慧风电领域的CPS应用


	智慧风电系统的应用以安全运行为前提；以延长机组寿命、提高机组可靠性和发电量、降低运维成本为宗旨；以提高风能利用率为条件。通过预测性分析及人工智能技术进行风电装备的智能化运维管理、挖掘机组极限潜能，实现对风电装备的性能评估、预测性诊断、机队管理、调度优化和维护策略优化，从而实现风场的无忧运营。通过预测性维护机制的建立，优化运维策略，减少运营维护费用。智慧风电的定位是通过信息化和智能化驱动研发、生产及运维技术革新，提升企业价值，助力企业向服务型制造业转型。

突破困局，达成高效

中国的风电行业在过去10年中飞速发展，目前已经成为风电行业装机规模和增长速度最快的国家。2017年风电行业新增装机容量达到19.5GW，仍然稳居新增和累计装机容量的世界第一。但是风电行业的蓬勃发展背后也存在着非常大的挑战，目前主要在于风电高昂的成本。其中运维成本和管理成本占比超过25%，因此基于远程监控和预测性分析等技术手段实现风机的预测性维护，降低运维费用和提升发电效率，是整个风电行业的发展方向。

算法驱动，智能运营

智慧风电系统的应用能够有效延长机组运行寿命、提高可靠性、提升发电量、降低运维管理成本。用软件定义硬件，提高机组工作能力、拓展机组工作范围，让风机、风场具有感知、记忆、思维、联想、学习、适应和决策能力。以多源数据为基础，结合建立在5C上的CPS，风电机组在人工智能的建模及预测分析技术的帮助下，实现无忧的运营状态。该状态包含了CPS对风电装备的PHM（预测性诊断及健康管理）和维护策略的优化。智慧风电相较于传统的风电系统管理优势明显，定将成为风电甚至整个电力领域运维的趋势，推动企业向服务型制造业转型。

建设无忧，引领潮流

作为总体架构设计理念的核心支撑，CPS是一个具有清晰架构和使用流程的技术体系，针对工业大数据的特点和分析要求，能够实现对数据进行收集、汇总、解析、排序、分析、预测、决策、分发的整个处理流程，以及具有对实体系统进行流水线式的实时分析能力。CPS的应用也具有清晰的层级化特征，基于5C架构，智慧风场CPS的整体架构设计及功能层级包括智能感知层、智能分析层、智能网络层、智能认知层和智能决策与执行层，如图所示。

推广意义

基于CPS架构的智慧风电系统目前已经在东方电气望江坪风场进行部署和测试，实现对风机叶片、传动链、偏航、变桨、测风仪、发电机等核心大部件的故障预测，大部件故障预警准确率超过85%。风功率预测功能可实现对未来72小时风场功率预测，均方根误差低于15%。风场运维计划优化功能结合风功率预测结果对任务队列进行排程优化和资源调度优化，可降低30%综合维护成本及发电功率损失。

中车青岛四方机车在智能轨道交通服务领域的CPS应用


	本方案基于CPS的5C技术体系架构，开展了高速列车轴箱轴承故障预测与健康管理项目，通过PHM故障预测与管理、数据驱动的分析技术、多源混合信号的高速并发采集、振动分析算法以及边缘计算等核心技术，进一步提高车辆运维的安全性和经济性，提升技术创新能力，助推中国高端装备走向世界。

提升安全性与经济性，保障中国高铁的高价值可持续运营

2016年，中国中车启动了科研计划重大专项《轨道交通装备故障预测与健康管理技术研究及应用》研究，其中中车青岛四方承担了动车组子课题的研究及应用，目的是：

一是研发动车组车载PHM系统对车辆运行状态进行实时监测，对可能出现的故障进行诊断、预警和预测，避免影响车辆运行安全的重大问题发生，从而提高车辆运行安全性。

二是研究动车组的检修方式向状态维修、预测性维修的转变，降低运维成本，增强企业服务能力，从而提高车辆运维经济性。

轴箱轴承的状态监测与健康管理，开启高铁智能运维模式

轴箱轴承是高速列车装备核心关键部件之一，是动车组转向架系统的关键旋转部件，轴箱轴承的健康状态是动车组运行安全的重要保障。中车青岛四方正在开展轴箱轴承的故障预测与健康管理（PHM）系统研究，以确保其平稳、安全和高效运营。

开发针对轴箱轴承的PHM系统，对进一步提高车辆运维安全性和经济性具有非常重要的意义。通过车载PHM系统进行高速采集数据，用边缘计算技术将数据处理成有效的信息，传输到地面中心，用户可以运用模式识别算法等实现远程的数据采集方案配置，并且可以对数据进行分析，最终实现对轴箱轴承故障的诊断、预测及健康管理。

建设高铁轴箱轴承PHM系统，引领更安全、更可靠和更经济的高铁运营

轴箱轴承PHM原型系统基于CPS技术架构搭建而成。CPS技术主要承担了集成与应用环境的功能，共分为5个层次的构架，即：智能连接层、信息转换层、网络层、智能认知层和智能决策层。将CPS的5C架构映射到一个软件平台或者物理的系统当中如图所示。

推广意义

轴箱轴承PHM的率先实施仅仅是一个点，在此之后，将由点及面逐步扩展，实现转向架系统、牵引系统、制动系统、车体系统、门系统等的预测性维护，从而有效提高车辆运维安全性与经济性。基于CPS架构的实时在线监测及预测性维护解决方案，将为中车实现更加智能化的理想未来提供坚实的保障，助力中国中车打造节能、环保、智能化的列车，为乘客提供更安全、更绿色、更舒适的乘车体验。

电子标准院在共性关键技术领域的CPS测试应用


	本案例面向信息物理系统（CPS）的物理单元建模、数据互操作、标准协议兼容、异构系统集成、工业信息安全五项共性关键技术，研究并构建测试验证方法、工具集和用于测试验证支撑的制造单元知识库、模型库和资源库，并建设一个面向设计、仿真、工艺、试验、质量、生产、能耗等环节的系统数字化模型，针对信息物理系统共性关键技术测试验证的特殊及复杂性需求，打造一套在技术上国际先进，在规划和资源储备上达到国内首创的信息物理系统共性关键技术测试验证平台，并针对机械、汽车、航空等重点行业开展了推广应用。本案例的价值，一是提升对CPS共性技术的测试验证能力，二是打造对外提供测试验证服务的能力，三是对共性技术与测试规范进行推广应用，四是推动行业应用示范与测试验证，最终带动CPS产业生态的健全完善。

以测试带动技术攻关，稳步推动CPS技术发展

信息物理系统是多种高新技术的有机融合，具备复杂系统的各类特点，对系统的建模和测试成为突破的重点领域。对于CPS的建设发展，急需剥离出CPS建设中的共性关键技术如物理单元建模、数据互操作、标准协议兼容、异构系统集成、工业信息安全等，并对共性关键技术进行描述定义并能够实现对其测试验证的能力，进而指导机械、汽车、航空等重点行业发展CPS和明确建设方向。目前国外的爱达荷国家实验室、橡树岭国家实验室、西北太平洋国家实验室等均已开展研究，而我国在CPS领域起步较晚，体系化研究不足，急需研究测试技术规范、测试工具及测试环境，从而构建全面的测试体系。

以测试验证平台为切入点，促进CPS

行业应用与推广

建设CPS测试验证平台，推动CPS

解决方案落地

本案例的技术方案整合了多个与信息物理系统相关的不同专业，如信息技术、网络技术、控制技术以及信息安全技术等。建设覆盖物理单元建模、数据互操作、标准协议兼容、异构系统集成、工业信息安全等方面共性关键技术的测试验证方法、工具集和用于测试验证支撑的制造单元知识库、模型库和资源库，并建设一个面向设计、仿真、工艺、试验、质量、生产、能耗等环节的系统数字化模型，针对信息物理系统共性关键技术测试验证的特殊及复杂性需求，打造一套在技术上国际先进，在规划和资源储备上，达到国内首创的信息物理系统共性关键技术测试验证平台并进行推广应用。

如图所示，本平台从逻辑构成上主要分为数字化模型、重点技术标准、测试工具与测试用例、支撑资源库和测试验证服务门户五大部分内容，其中前四部分又为信息物理系统共性关键技术相关标准符合性测试与验证提供了支撑。

推广意义

测试验证平台建设与应用推广可有效加快信息物理系统在行业应用推广。通过对信息物理系统共性关键技术测试验证，有效保障和验证关键共性技术的可靠性、有效性和安全性；同时通过重点标准研制能够有效的推动共性关键技术的落地，对技术要求的关键环节和要素进行固化，切实帮助企业理解 CPS 的内涵，促进 CPS 行业应用和推广。行业应用推广是牵引信息物理系统相关技术应用测试和标准体系建立的有效手段，而目前国内仍缺乏相应的渠道和方法。以信息物理系统核心组件为对象，建立通用性和专业性相结合的测试验证平台，有利于加速信息物理系统关键软硬件技术应用和产业化。

东风汽车在高效装备制造领域的CPS应用


	东风装备公司智能制造系统是基于系统级CPS设计和实施，基于数据自动流动的底层设备的状态感知、数据上传的实时分析、灵活建模的科学决策、指令下达的精准执行形成闭环赋能体系，解决生产制造环节中的计划管理、物料协同、设备监控，以及应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，实现质量追溯过程透明化，杜绝生产黑洞的发生，提高资源配置效率，实现资源优化。

信息实时交互、打造智能工厂

东风装备公司在其旗下的通用铸锻厂、设备制造厂、刃量具厂、模冲公司等单位中，实施了高级排程系统（APS）、制造执行系统（MES）等解决方案，并与东风装备公司的战术系统（ERP）、设备数据采集系统（EDS）等进行了异构系统的集成，使用先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了信息空间与物理空间中的人、机、物、环境、信息等要素的相互映射、适时交互、高效协同的复杂CPS，为东风装备公司打造了集团级的目视化管理工具，实现了数据采集系统化，为生产管理者提供车间的全局视图和整体监控工具，实现了车间生产透明化，便于企业对过程作业绩效进行有依据的衡量和改进。

以数字化为核心，为装备制造（汽车零部件）保驾护航

东风汽车有限公司装备公司应用APS/MES等解决方案实现系统级CPS，该方案的创新性、先进性主要体现在以下三个方面：

（一）基于智能数据采集盒子等技术实现CPS的状态感知功能。系统通过工业以太网与车间底层设备自动化通讯，自动记录各个设备的故障状况、停机状况和检定周期，为维修部门提供预防性维修计划，减少设备停机时间，保证产品质量，实现了车间设备层面的透明化管理。

（二）通过SCADA监控平台控制系统以及高级排产算法，实现了定时、按单柔性生产、自动下达与分解任务，同时实现了多类型、多种配置的同时排产和共线生产，减少人工操作参与和失误，使全厂具有柔性化生产制造的功能，大幅度提高了生产效率，是CPS实时分析和科学决策的良好诠释。

（三）该方案也使中、高层管理人员从过去听人工汇报为主，到能够实时在线了解各产线生产状态，从而迅速、准确地做出决策。APS/MES与ERP、产品数据管理（PDM）等异构系统实现数据共享与物理连接，实现了规划、生产、后勤保障和资金流的协调一致，使企业的业务流程更高效，在更高的全局层级上实现了CPS的科学决策功能。

建设FlexEngine平台套件，引领装备制造转型升级

本方案实施的计划排程系统（APS）和制造执行系统（MES）是CPS核心环节“实时分析”的基石，其与东风装备原有的企业资源管理系统（ERP）、设备数据采集系统（EDS）等进行了集成，共同构成了东风装备“数字装备”系统项目群，是CPS“科学决策”环节的大脑。而射频识别技术（RFID）、PLC、安灯（ANDON）、各种自动化设备接口等是CPS“状态感知”的技术基础，也是精准执行信息上传下达的核心通道，数控机床、自动分拣机等设备对科学的决策指令进行精准执行。各系统业务范围与数据交换体现在如图1整体架构中：

推广意义

东风装备生产制造模式在机械加工行业是典型的多品种、小批量生产特点。该案例的多个子方案中，通用铸锻厂的冲压、铸铁是典型的离散型生产加工特点，低压铸造是典型的流程型加工特点，设备制造厂的机床、焊装、保全属于典型的项目型制造生产特点，刃量具厂属于离散和流程结合的生产加工特点。本案例通过APS/MES解决方案的实施建立柔性化系统级CPS，解决了机械加工行业多品种、小批量，多种制造模式共生的局面，达到了降低成本、提升效益、制造过程透明化、智能化的管理目标，越早在机械加工全行业推广这一案例模式，将会越快使整个行业实现产业升级。

ANSYS在泵系统领域基于数字孪生的CPS应用


	本解决方案基于CPS技术体系，利用真实泵系统上集成的传感器数据，通过PTC公司的IoT平台进行数据交互和互联，将真实的工作数据反馈到仿真分析模型中，实现真实世界系统与数字世界系统的同步运行。ANSYS软件提供三维物理场模型并进行模拟，包含从系统到部件，从硬件到软件完整的数字孪生，为操作人员提供全面的性能数据，实现操作标准化、可视化，摆脱了基于直觉与经验的操作模式，帮助操作人员快速、准确的预测泵系统潜在的故障点。

打破技术限制，反映产品全生命周期

仿真软件的传统应用领域是在产品的设计阶段。通过CPS技术体系，可将仿真软件的应用领域推广到产品的运行维护阶段，从而提高产品的运行效率、延长产品寿命及提高现场排故效率。

在传统的产品系统运行与维护过程中，操作人员须通过对安装在各个位置处的传感器数据进行判断，进行日常维护、故障预警与排故诊断工作。由于传感器技术本身的限制，某些关键部位的特性数据无法获知，例如泵内流场分布，对于泵的工况判断极为重要，但却无法通过安装传感器获得。因此，传统运行维护过程中的故障报警与排故工作，与操作人员的经验极为相关，且操作本身带有较多的不确定性，难以实现标准化操作流程。通过CPS技术体系，可把仿真软件的应用领域从产品研发阶段扩展到整个产品生命周期，从而极大拓展仿真软件的使用环境。

建立数字孪生，摆脱传统操作模式

在数字世界建立一个与真实世界泵系统运行性能完全一致，且可实现实时仿真的仿真模型。利用安装在真实泵系统上的传感器数据作为仿真模型的边界条件，实现真实世界的泵系统与数字世界的泵系统的同步运行。对于传感器无法获得的泵系统数据，可通过仿真结果获得，从而为操作人员提供全面的泵系统性能数据，实现操作标准化，摆脱依靠直觉与经验的操作模式。

通过IoT平台，将实物泵系统与数字泵系统连接在一起，并增加了监控平台、增强现实功能，从而开发出完整的泵系统数字孪生。

数字孪生的构建

CPS工厂建设的整体框架图及方案：

采用福斯（Flowserve）泵系统作为实物系统，通过布置于系统上的传感器采集数据，并通过美国国家仪器有限公司的数据采集系统将数据通过网线传递给PTC公司的IoT平台，在IoT平台上实现数据监控和仿真应用的实施。数据在到达IoT平台后传递给由ANSYS软件建模的Flowserve泵系统的虚拟系统。该虚拟系统中的泵内流场分析、电机电磁场分析和电机散热采用三维降阶模型，实现了高精度高速度仿真，为实物系统与虚拟系统的同步运行提供了可能。另外，为了增加虚拟系统的可操作性，ANSYS软件为虚拟系统设计了一套虚拟控制台，既可实现虚拟系统的离线仿真，也可实现与实物系统连接的交互式仿真与操作。

推广意义

（1）数字孪生可实现有限传感器下的无限数据获取。对于大多数产品，传感器数量有限，且无法直接获得关键参数。通过采用高端仿真技术的数字孪生模型，可实现基于有限传感器数据的全系统仿真。通过获取仿真数据，实现全系统数据检测。

（2）数字孪生可实现恶劣工况下的设备管理。由于数字孪生对实物系统的全数据检测能力，因此可大大减少运行维护人员工作量。对于恶劣工况下的设备，可通过数字孪生获取准确检测数据。

（3）数字孪生可为新一代产品的研发提供最准确的实际工况数据 。传统产品研发的设计点往往是通过分析获得的某一额定工况。通过数字孪生可全面获得产品在实际工况下的运行环境数据，从而为新一代产品的研发提供更符合实际工况的额定工作点。

（4）数字孪生可实现更可靠更高效的排故操作。如前述案例介绍，通过采用数字孪生，操作人员可不仅仅通过传感器数据而是大量仿真数据，分析故障原因，从而为更准确高效的排故提供必要条件。

玲珑轮胎在高性能子午线轮胎智能工厂领域的CPS应用


	高性能子午线轮胎领域下的CPS，是玲珑轮胎在多品种、小批量的定制化生产背景下提出的面向轮胎行业系统级的CPS应用探索，该项目借助标准协议兼容、异构系统集成技术，实现了机加工设备、立体仓库、 AGV 等单元级 CPS 之间数据的互联互通。建成了涵盖轮胎生产现场数据感知、轮胎生产大数据分析、轮胎生产能效评估等轮胎生产智能制造工厂核心业务系统。建成工业互联、数据驱动、协同高效的汽车轮胎样板智能工厂，形成信息化与工业化相结合，实现人流、物流、信息流、资金流的优化集成与协同控制。

突破汽车行业困境，提高质量与效能

汽车轮胎属于多品种、小批量的定制化产品，产品制作过程中人工作业程度高，是典型的劳动力密集型企业。当前我国产品制作工艺水平与装配精度、整体外在质量及细节处理，与一流汽车制造企业相比仍然存在不小的差距，质量稳定性差，受人为因素影响仍非常明显，同时因施工或工艺保障所出现的市场质量问题仍然较多。另外海外市场也对产品提出了更为苛刻、更加严厉的新要求，产品不仅要功能完善、安全可靠、持久耐用，而且对细节质量要求颇高。

因此以“解放人力，提高效能与质量”的智能制造技术在现代制造企业中的应用显得尤为迫切，同时随着生活水平的提高，人们不断追求车辆自身的安全与舒适，势必将推动产业结构迈向中高端。

以数据为驱动，建设自治平台

通过工业互联网将状态感知、传输、计算与制造过程融合起来，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。结合物联的传感器，对制造过程、物流配送过程，离散制造流程进行数据采集，建立轮胎制造大数据平台，进一步对整个生产过程实时、动态信息进行分析和控制，实现装备生产过程中信息可靠感知、数据实时传输，以及产品数据、生产制造数据、质量控制数据、产品营销与售后服务等大数据的多源异构数据集成、可靠存储与处理。

建立制造大数据在计划调度与市场预测等方面的智能分析模型与辅助决策支持系统，为轮胎生产产业利用大数据分析与经营预测来实现精细化运营管理、科学化决策提供有效支撑，从而最终实现各组成 CPS 之前的协同控制能力。构建从感知、分析、决策到精准执行的闭环的生产管理体系，实现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系统级CPS建设，帮助企业基于数据分析能力建立数字化决策的竞争优势。

建设CPS工厂，引领汽车行业新发展

CPS工厂建设的整体框架图及路径：

1.一体化采集设备研发

研发一体化采集设备作为与生产状况采集终端、能耗采集终端等现场采集终端通信的唯一接口。

2.轮胎生产智能制造工厂关键技术研究

对生产现场感知与互联集成技术、轮胎全生命周期管理分析技术、基于物联网的企业能效管理技术等进行研究，将基础研究、重大共性关键技术研究应用到轮胎生产产业创新链。

3.轮胎生产智能制造工厂基础信息化系统及安全可控核心智能制造设备建设

在玲珑轮胎各分厂区内建设ERP综合管理系统、MES制造执行系统、CRM客户关系系统、SRM供应商关系系统、WMS仓库执行系统、TMS运输执行系统。完成一体化采集终端、成型机、硫化机、智能分拣机器人等安全可控核心智能制造设备的创新应用。

4.轮胎生产智能制造工厂大数据分析系统研发

研发轮胎生产智能制造工厂大数据分析系统，全面覆盖轮胎企业生产流程，实现生产过程、销售环节、用能情况的横向交互。

5.绿色环保高性能子午线轮胎智能制造新模式应用与示范进行试点

提升轮胎生产行业的生产管理、能效管理过程的管控水平，实现真正的实时化轮胎生产情况洞察与获取，推动轮胎生产产业智能化发展。

6.基于NB-IoT的新一代工业物联网技术

使用NB-IoT物联网实现玲珑轮胎5个数字化车间的水平和垂直集成，实现对轮胎生产现场感知、轮胎智能制造、工厂能效管理、科技服务进行全链条的一体化设计。

7.工业大数据技术的落地应用

通过物联的传感器，对制造过程、物流配送过程，离散制造流程的数据采集，建立轮胎制造大数据平台。实现产品数据、生产制造数据、质量控制数据、产品营销与售后服务等大数据的多源异构数据集成、可靠存储与处理。建立制造大数据在计划调度与市场预测等方面的智能分析模型与辅助决策支持系统，为轮胎生产产业利用大数据分析与经营预测来实现精细化运营管理、科学化决策提供有效支撑，帮助企业基于数据分析能力建立数字化决策的竞争优势。

8.基于嵌入式操作系统的效能管理系统

效能管理系统针对轮胎生产产业能源利用效率低，环境污染等问题，利用能耗感知、能效评估等相关技术，将大大节省煤、水、电、气等资源消耗，降低轮胎生产企业的生产经营成本，提高轮胎生产企业能效和产品的竞争力，减少污染排放量。

9.三维设计贯穿产品设计和生产

本案例从设计，制造过程，到最终流转安装、运行维护，实现统一数据源，采用MBD数字孪生体，集成物联传感器的制造信息，形成制造过程全追踪。

推广意义

本案例将基于工业互联网技术对玲珑轮胎广西生产基地的5个车间进行智能化升级改造与建设。针对轮胎生产智能制造工厂建设需求，突破轮胎智能制造三大关键技术：轮胎生产现场数据感知、轮胎生产大数据分析、轮胎生产能效评估，完成智慧生产、智慧能效两大系统的研发。整合轮胎全生命周期中销售、生产、能耗等数据，在玲珑轮胎各分厂区内建设ERP综合管理等系统，完成一体化采集终端、成型机、硫化机、智能分拣机器人等安全可控核心智能制造设备的创新应用，并基于大数据完成轮胎销售预测、生产计划优化调度、轮胎全过程质量追溯、轮胎生产能耗分析、轮胎生产能耗预测、轮胎生产用能远程控制等功能。

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。