2.1 車間物聯(lián)架構(gòu)

2.1.1 制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)發(fā)展過程

制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)是制造系統(tǒng)設(shè)計過程中需要考慮的一個重要因素，它將直接影響整個系統(tǒng)的性能和生產(chǎn)的效率。常見的制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)有以下三種。

1.集中式控制結(jié)構(gòu)

集中式控制結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。中央控制計算機是整個制造系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的處理、生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)分配和系統(tǒng)監(jiān)控等功能都在中央控制計算機上完成，產(chǎn)生的決策指令則由各個設(shè)備控制器進行執(zhí)行。

集中式控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下。

● 易于實現(xiàn)全局優(yōu)化；

● 需要的控制器少，實施方便。

集中式控制結(jié)構(gòu)的缺點如下。

● 可擴展性和柔性較差；

● 中央控制計算機承載負荷大。

2.分層遞階控制結(jié)構(gòu)

集中式控制結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)車間制造系統(tǒng)不斷增加新的設(shè)備資源的情況，因此分層遞階控制結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了，如圖 2-2 所示。分層遞階控制結(jié)構(gòu)采用自上而下的控制方式，將制造系統(tǒng)的控制功能進行分解，使得控制任務(wù)分攤到不同的控制器上。上層決策命令一層層向下發(fā)送，直到最終的設(shè)備控制器；設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)也一層層向上反饋。最高層是由一臺主控制計算機負責(zé)全局目標(biāo)的規(guī)劃。

分層遞階控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下。

● 相比于集中式有較高的可靠性。

● 降低了整體控制的難度。

分層遞階控制結(jié)構(gòu)的缺點如下。

● 控制層數(shù)較多，對環(huán)境變化反應(yīng)緩慢，導(dǎo)致工作效率低和靈敏性差；

● 上層故障時，下層不能正常工作。

3.分布式控制結(jié)構(gòu)

分布式控制結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示。它把制造系統(tǒng)中的設(shè)備資源當(dāng)成一些獨立的個體，并且不存在從屬關(guān)系。個體間建立了通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)中有新的生產(chǎn)任務(wù)到達時，個體之間進行通信，并協(xié)商出任務(wù)分配的方案。分布式控制結(jié)構(gòu)有效提升了系統(tǒng)的適應(yīng)性和自治性。

分布式控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下。

● 高可靠性和擴展性好；

● 實體有充分的自治權(quán)，易于維護和修改；

● 可以采用模塊化開發(fā)系統(tǒng)軟件，開發(fā)周期短。

分布式控制結(jié)構(gòu)的缺點如下。

● 難以實現(xiàn)全局優(yōu)化；

● 需要高效的通信網(wǎng)絡(luò)支持。

2.1.2 物聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

通過上述對三種制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的分析可知，分布式制造系統(tǒng)具有高可靠性、高柔性和擴展性好的優(yōu)點，易于實現(xiàn)對制造系統(tǒng)的改造。分布式控制結(jié)構(gòu)通常以 MAS 的形式實現(xiàn)，由于各設(shè)備資源個體具有良好的自治性和反應(yīng)性，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)擾動事件。目前，分布式控制結(jié)構(gòu)已成為物聯(lián)制造系統(tǒng)的主要控制架構(gòu)。

近年來，伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，諸如云計算、工業(yè)云、云制造、智能制造云端化等理念不斷興起。國內(nèi)很多企業(yè)也推出了一些云計算平臺產(chǎn)品，如阿里巴巴的阿里云、百度的百度云、中國移動的大云平臺、華為的云帆計劃等。當(dāng)前對云制造的研究工作已有較多成果。李伯虎等人提出了一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式—云制造；張映鋒等人研究了制造加工設(shè)備云端化封裝與云端化接入方法，使得制造過程信息透明和實時可訪問；劉強等人設(shè)計了云制造服務(wù)平臺的訪問控制模型，定義了系統(tǒng)級別的宏安全策略及訪問控制與響應(yīng)的流程；張霖等人研究了云制造模式下分散資源的感知、虛擬接入、服務(wù)化和云服務(wù)部署等關(guān)鍵問題。隨著云技術(shù)的不斷提升，將云技術(shù)運用到制造系統(tǒng)中已成為趨勢。

圖2-4所示為一種基于MAS分布式控制結(jié)構(gòu)的自治物聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)。其結(jié)合云技術(shù)，將車間層物聯(lián)系統(tǒng)與云端系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)制造云端化。

該物聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)分為車間層和云端系統(tǒng)層兩層。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)車間中ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計劃）的功能集成到云端系統(tǒng)，云端系統(tǒng)可以服務(wù)于客戶，客戶在云端定制的訂單經(jīng)系統(tǒng)排產(chǎn)后直接下達車間生產(chǎn)。對于受擾動因素影響最大的車間層，采用MAS實現(xiàn)分布式控制。同時將MAS運用在車間調(diào)度上，具有計算速度快、實時性高等優(yōu)勢，使車間系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)各種擾動事件，有利于提升車間層制造系統(tǒng)的適應(yīng)性、自治性和可重構(gòu)性。

在該物聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)中，云端系統(tǒng)層主要負責(zé)訂單的收集、預(yù)排產(chǎn)及狀態(tài)追蹤；車間層主要負責(zé)實際生產(chǎn)調(diào)度和運行，并對車間系統(tǒng)運行狀態(tài)進行三維可視化實時監(jiān)控。