2.1 車間物聯架構

2.1.1 制造系統控制結構發展過程

制造系統控制結構是制造系統設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的性能和生產的效率。常見的制造系統控制結構有以下三種。

1.集中式控制結構

集中式控制結構如圖 2-1 所示。中央控制計算機是整個制造系統的核心，系統所有數據的處理、生產調度任務分配和系統監控等功能都在中央控制計算機上完成，產生的決策指令則由各個設備控制器進行執行。

集中式控制結構的優點如下。

● 易于實現全局優化；

● 需要的控制器少，實施方便。

集中式控制結構的缺點如下。

● 可擴展性和柔性較差；

● 中央控制計算機承載負荷大。

2.分層遞階控制結構

集中式控制結構難以適應車間制造系統不斷增加新的設備資源的情況，因此分層遞階控制結構出現了，如圖 2-2 所示。分層遞階控制結構采用自上而下的控制方式，將制造系統的控制功能進行分解，使得控制任務分攤到不同的控制器上。上層決策命令一層層向下發送，直到最終的設備控制器；設備生產狀態也一層層向上反饋。最高層是由一臺主控制計算機負責全局目標的規劃。

分層遞階控制結構的優點如下。

● 相比于集中式有較高的可靠性。

● 降低了整體控制的難度。

分層遞階控制結構的缺點如下。

● 控制層數較多，對環境變化反應緩慢，導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.分布式控制結構

分布式控制結構如圖 2-3 所示。它把制造系統中的設備資源當成一些獨立的個體，并且不存在從屬關系。個體間建立了通信網絡，當系統中有新的生產任務到達時，個體之間進行通信，并協商出任務分配的方案。分布式控制結構有效提升了系統的適應性和自治性。

分布式控制結構的優點如下。

● 高可靠性和擴展性好；

● 實體有充分的自治權，易于維護和修改；

● 可以采用模塊化開發系統軟件，開發周期短。

分布式控制結構的缺點如下。

● 難以實現全局優化；

● 需要高效的通信網絡支持。

2.1.2 物聯調度系統架構設計

通過上述對三種制造系統控制結構的分析可知，分布式制造系統具有高可靠性、高柔性和擴展性好的優點，易于實現對制造系統的改造。分布式控制結構通常以 MAS 的形式實現，由于各設備資源個體具有良好的自治性和反應性，使系統能夠快速響應擾動事件。目前，分布式控制結構已成為物聯制造系統的主要控制架構。

近年來，伴隨互聯網技術和大數據的快速發展，諸如云計算、工業云、云制造、智能制造云端化等理念不斷興起。國內很多企業也推出了一些云計算平臺產品，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的網絡化制造新模式—云制造；張映鋒等人研究了制造加工設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；劉強等人設計了云制造服務平臺的訪問控制模型，定義了系統級別的宏安全策略及訪問控制與響應的流程；張霖等人研究了云制造模式下分散資源的感知、虛擬接入、服務化和云服務部署等關鍵問題。隨著云技術的不斷提升，將云技術運用到制造系統中已成為趨勢。

圖2-4所示為一種基于MAS分布式控制結構的自治物聯調度系統架構。其結合云技術，將車間層物聯系統與云端系統相融合，實現制造云端化。

該物聯調度系統分為車間層和云端系統層兩層。該系統將傳統車間中ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）的功能集成到云端系統，云端系統可以服務于客戶，客戶在云端定制的訂單經系統排產后直接下達車間生產。對于受擾動因素影響最大的車間層，采用MAS實現分布式控制。同時將MAS運用在車間調度上，具有計算速度快、實時性高等優勢，使車間系統能夠快速響應各種擾動事件，有利于提升車間層制造系統的適應性、自治性和可重構性。

在該物聯調度系統架構中，云端系統層主要負責訂單的收集、預排產及狀態追蹤；車間層主要負責實際生產調度和運行，并對車間系統運行狀態進行三維可視化實時監控。