文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）05-068-06中圖分類號：TP273

★左志軍（廣州明珞智能制造研究院，廣東廣州510000）

關(guān)鍵詞：嵌入式控制系統(tǒng)；分布式控制體系；汽車自動化生產(chǎn)線

1　前言

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)一般采用PLC集中式的控制模式^[1]，但集中式控制系統(tǒng)中存在著主控PLC故障，整個系統(tǒng)將停止工作的問題，且需要配置更多的I/O及設(shè)備，這就導(dǎo)致了整個系統(tǒng)的調(diào)試時間變多、控制標(biāo)準(zhǔn)化難等問題。

隨著汽車生產(chǎn)線的自動化程度越來越高，嵌入式控制系統(tǒng)^[9]借助芯片技術(shù)的發(fā)展，集成實時控制系統(tǒng)與非實時軟件應(yīng)用，其性能更加強(qiáng)大，內(nèi)存占用更少，可以配置不同的要求，滿足控制要求，在未來幾年內(nèi)必將獲得長足的發(fā)展^[2]。但分布式系統(tǒng)本身在地理位置上比較分散，一般使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，由于網(wǎng)絡(luò)延時存在著很大的不確定性，所以提高分布式控制體系的實時性是目前需要解決的熱點(diǎn)問題。

基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的分布式控制顯然更符合未來自動化生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢。由于IEC 61499具有對事件驅(qū)動功能塊FB重新配置的支持，基于此特性，未來有望可以實現(xiàn)對嵌入式控制系統(tǒng)在分布式控制體系中的控制軟件建模，從而實現(xiàn)可靠的領(lǐng)域特定控制建模。

2　嵌入式控制系統(tǒng)的介紹

芯片技術(shù)是嵌入式控制系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)^[2]，正是隨著芯片技術(shù)的提高，算法和軟件才能有所進(jìn)步，嵌入式控制系統(tǒng)才能得以迅速發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)是以實際應(yīng)用為中心，嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等均受到應(yīng)用要求的制約。在智能控制設(shè)備、便攜式智能儀器等應(yīng)用場合，出于對產(chǎn)品體積、成本等諸因素的考慮，往往要求將智能控制部分安裝于設(shè)備內(nèi)部，且占用的空間盡可能小，在這種情況下，處理器沒有自帶一定容量的硬盤，只有有限容量的內(nèi)存及常用的Flash電子盤。

嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，也就是軟件與硬件的一體化^[3]。嵌入式系統(tǒng)目的性或針對性很強(qiáng)，具有軟件代碼量少、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，這也是與通用計算機(jī)系統(tǒng)的最主要區(qū)別。

汽車生產(chǎn)線各個工位具有很強(qiáng)的相似性，模塊化設(shè)計各個工位的控制，可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備可復(fù)制，可提高控制軟件編程、設(shè)備安裝調(diào)試和日后檢修的效率。

3　嵌入式控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計方案

3.1　架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)以嵌入式處理器為核心，應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，通過個人PC進(jìn)行編程調(diào)試，通過WEB實現(xiàn)人機(jī)交互。重要數(shù)據(jù)可以文件形式保存在硬盤中，數(shù)據(jù)和報警信息還可通過EtherCat工業(yè)以太網(wǎng)總線向上位機(jī)傳輸。用戶通過WEB界面查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3.2　硬件設(shè)計

硬件運(yùn)行平臺是嵌入式控制器開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)，整個主控制板采用基于NPX-i-MX8MP處理器的“核心板+底板”分層式架構(gòu)，通過RS-485與IO擴(kuò)展板進(jìn)行串接。嵌入式控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

針對工業(yè)自動化控制，芯片選擇NXP的I-MX8MP處理器。這是一款高性價比的微處理器，其芯片架構(gòu)為四核ARMCortex-A53+Cortex-M7，主頻可達(dá)1.8GHz帶有神經(jīng)處理單元（NPU），AI算力可達(dá)2.3TOPS；其通過Cortex-M7進(jìn)行實時控制，采用CANFD和雙千兆以太網(wǎng)的強(qiáng)大控制網(wǎng)絡(luò)，具有時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）；其核心板上還集成了2個USB3.0、1個PCIe3.0、2個SDIO3.0和2個CAN-FD等高速通信接口，可滿足5G網(wǎng)絡(luò)、高清視頻、雙頻Wi-Fi、高速工業(yè)以太網(wǎng)等應(yīng)用場景。

底板硬件設(shè)計如圖3所示，包括：

USB接口：USB TypeA座子引出，僅用作Host；

Ethernet：支持10/100/1000Mbps自適應(yīng)，通過RJ45引出，其中一路支持TSN；

Uart：通過電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為485電平信號；

PCIe：采用標(biāo)準(zhǔn)PCIex1卡接口，支持PCI ExpressGen3；

RS485：用于主控制板與IO擴(kuò)展板之間的串行鏈接；

HDMI：支持HDMI2.0a顯示，分辨率高達(dá)4K@30fps，支持HDMI2.1eARC；

TFCard：支持一路TFCard，可支持UHS-I的TF卡，速率最高可達(dá)104MB/s；

RTC：板載獨(dú)立RTC芯片，底板斷電后可通過紐扣電池記錄時間；

Debug Uart：對核心板載Cortex-A53和M7的調(diào)試串口，默認(rèn)波特率為115200；

LED：用作主控制板的狀態(tài)指示。

圖3 底板硬件設(shè)計圖

3.3　軟件設(shè)計

嵌入式軟件系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心^[4]。完整的嵌入式Linux解決方案應(yīng)包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核、編程開發(fā)環(huán)境IDE、運(yùn)行環(huán)境Runtime、人機(jī)交互界面等。軟件架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 軟件架構(gòu)圖

整個軟件系統(tǒng)主要由實時操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境和人機(jī)交互界面組成。其中，開發(fā)環(huán)境可實現(xiàn)控制程序的開發(fā)調(diào)試以及HMI組態(tài)等，它以用戶易用性為核心，打造功能齊全、操作友好的開發(fā)環(huán)境；運(yùn)行環(huán)境以高穩(wěn)定、高可靠性為重點(diǎn)，設(shè)計具備實時和非實時任務(wù)處理的穩(wěn)定系統(tǒng)。

3.3.1　實時操作系統(tǒng)

實時性是嵌入式操作系統(tǒng)的基本要求^[5]。由于Linux還不是一個真正的實時操作系統(tǒng)，其內(nèi)核不支持事件優(yōu)先級和搶占實時特性，所以在開發(fā)嵌入式Linux的過程中，首要問題是擴(kuò)展Linux的實時性能。對Linux實時性的擴(kuò)展可以從兩方面進(jìn)行：向外擴(kuò)展和向上擴(kuò)展。向外擴(kuò)展即從范圍上擴(kuò)展，讓實時系統(tǒng)支持的范圍更廣，支持的設(shè)備更多。向上擴(kuò)展是擴(kuò)充Linux內(nèi)核，從功能上擴(kuò)充Linux的實時處理和控制系統(tǒng)。實時任務(wù)不同于Linux普通進(jìn)程，它是以Linux的可裝載的內(nèi)存來實現(xiàn)，以核模塊的形式來存在的。需要運(yùn)行實時任務(wù)的時候，將這個實時任務(wù)的內(nèi)核模塊插入到內(nèi)核中去，實時任務(wù)和Linux一般進(jìn)程之間的通信通過共享內(nèi)存或者FIFO通道來實現(xiàn)。Xenomai是一種采用雙內(nèi)核機(jī)制的Linux強(qiáng)實時擴(kuò)展，優(yōu)先級高于Linux系統(tǒng)，如圖5所示，在性能上硬件支持、API、實時任務(wù)支持度優(yōu)于其他同類型實時擴(kuò)展。

圖5 Linux實時內(nèi)核擴(kuò)展方式對比圖

3.3.2　開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境以IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境為基礎(chǔ)，支持IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)、C++等高級編程語言，IEC 61499定義了用于開發(fā)分布式工業(yè)控制解決方案的特定領(lǐng)域建模語言^[6]。IEC 61499通過改進(jìn)軟件組件的封裝以提高重用性，提供了獨(dú)立于供應(yīng)商的格式以及簡化對控制器到控制器通信的支持，擴(kuò)展了IEC 61131-3，其分發(fā)功能和對動態(tài)重新配置的固有支持為工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了所需的基礎(chǔ)設(shè)施。該開發(fā)環(huán)境既滿足傳統(tǒng)IEC 61131編程方式的簡易化，也滿足新一代編程標(biāo)準(zhǔn)和高級編程語言編程的高效率及多樣性。

如圖6所示，IEC 61499模型是通過一個或多個通信網(wǎng)絡(luò)相互通信的設(shè)備的集合。分布式工業(yè)過程測控系統(tǒng)（IPMCS）執(zhí)行的功能被模型化為應(yīng)用。一個應(yīng)用可存在于一個單獨(dú)的設(shè)備中，或者分布在多個設(shè)備中，即通過分配功能塊實例網(wǎng)絡(luò)到一個或多個設(shè)備的不同資源中，一個應(yīng)用或子應(yīng)用可以是分布式的。

圖6 IEC-61499現(xiàn)場架構(gòu)模型圖

開發(fā)環(huán)境的主要模塊包括工程管理器、功能塊管理、應(yīng)用管理、變量管理、設(shè)備管理以及編譯器、連接器、仿真器、裝載器等。工程管理主要功能是為工程、設(shè)備、資源、應(yīng)用、功能塊類型的管理總體調(diào)度其他模塊等，是所有子模塊的入口，與所有子模塊以標(biāo)準(zhǔn)文件交流信息；功能塊管理主要用于編程過程的功能塊及庫管理；應(yīng)用管理主要用于應(yīng)用程序管理和協(xié)同管理相關(guān)設(shè)備資源。

3.3.3　運(yùn)行環(huán)境

基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備資源調(diào)度管理架構(gòu)，負(fù)責(zé)調(diào)度該設(shè)備中的資源和資源中的功能塊網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)維護(hù)資源調(diào)度，擁有操作系統(tǒng)的設(shè)備，可以方便地設(shè)置資源的調(diào)度優(yōu)先級，可以方便地實現(xiàn)對不同控制任務(wù)的實時調(diào)度，以打造輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、可配置性運(yùn)行時環(huán)境。

以Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對不需要的組件和模塊進(jìn)行裁剪，同時增加實時任務(wù)處理擴(kuò)展Xenomai以滿足設(shè)備實時控制任務(wù)處理需求^[5]。Xenomai是基于一個抽象的實時操作系統(tǒng)核心。它可以被用來在一個有通用實時操作系統(tǒng)調(diào)用的核心上構(gòu)建任意的實時接口。用來給用戶程序提供接口的任意多個（可以是不同的）實時操作系統(tǒng)的接口被構(gòu)建在同一個核心上，所有通用的系統(tǒng)調(diào)用都是由這個核心來實現(xiàn)的。用戶層分別通過glibc和libcoalt接收非實時和實時任務(wù)，然后內(nèi)核層Xenomai與Linux通信并通過硬件抽象層ADEOS分配硬件資源。

圖7 Linux和Xenomai雙內(nèi)核架構(gòu)圖

3.3.4　人機(jī)交互

該界面針對特定的設(shè)備如夾具等實現(xiàn)簡易化控制和調(diào)試^[8]，通過WEB服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備高效配置和管理。通過夾具配方式管理，上級PLC只需要發(fā)送簡單的操作指令即可實現(xiàn)對夾具的手動和自動控制。夾具配置內(nèi)容如圖8所示。

圖8 夾具配置內(nèi)容示例圖

該界面通過簡單的配置即可實現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立和聯(lián)動運(yùn)行，可減少上級PLC編程，節(jié)省設(shè)備調(diào)試時間。

4　應(yīng)用案例

系統(tǒng)研發(fā)成功后，我們選取了某國內(nèi)知名整車廠焊裝車間底板生產(chǎn)線為應(yīng)用對象。將系統(tǒng)按照流程部署完畢后，通過測試和試用，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案而言，該系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的一致性、可讀性和可移植性，提高了控制系統(tǒng)的編程效率和焊裝生產(chǎn)線的調(diào)試效率，降低了系統(tǒng)的調(diào)試時間和應(yīng)用成本。

4.1　底板線

底板線負(fù)責(zé)將車身前底板總成、后底板總成、發(fā)動機(jī)艙總成焊接拼合成車身下部底板，其生產(chǎn)工藝布局如圖9所示。

圖9 底板線生產(chǎn)工藝布局圖

4.2　系統(tǒng)架構(gòu)

從工藝和布局上看，焊裝車間底板總成生產(chǎn)線都有相同或相似的設(shè)備或運(yùn)行方式等，各工位具有很強(qiáng)的相似性。采用分布式控制，可提高現(xiàn)場布線、PLC軟件編程、安裝調(diào)試和檢修的效率。分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

該架構(gòu)將各工位的氣缸組邏輯動作、模式的控制封裝到獨(dú)立的嵌入式控制器中，使各工位夾具氣缸組的控制標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，其核心思想是將工位夾具的控制模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，并通過可復(fù)制性和堆積木的方式組成整個生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。工位模塊化控制可減少整個系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計周期，便于設(shè)備的調(diào)試和維修。整個區(qū)域采用“PLC集中控制+工位夾具分布式獨(dú)立控制”模式，向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，使整個控制系統(tǒng)的安全性更高、柔性化更強(qiáng)和成本更低。

4.3　數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析以嵌入式控制系統(tǒng)在底板線的應(yīng)用為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從技術(shù)性維度和產(chǎn)業(yè)化維度與傳統(tǒng)控制方案進(jìn)行對比分析。

4.3.1　技術(shù)性維度

基于PC/ARM架構(gòu)的嵌入式控制器，相對于傳統(tǒng)控制方案，嵌入式控制系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度與便于擴(kuò)展的系統(tǒng)內(nèi)存，同時非實時系統(tǒng)支持?jǐn)U展基于Linux平臺的數(shù)字化應(yīng)用。

表1 嵌入式控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制方案對比

傳統(tǒng)控制方案一般都是基于IEC 61131-3的標(biāo)準(zhǔn)，但是目前工業(yè)自動化控制系統(tǒng)逐漸向分布式控制體系的趨勢發(fā)展，顯然獨(dú)立運(yùn)行的PLC難以支持分布式控制體系[10]。IEC 61499是針對分布式系統(tǒng)開發(fā)的，只要建立一個統(tǒng)一的分布式網(wǎng)絡(luò)，功能塊就可以在各個控制器中運(yùn)行。

表2 IEC 61499與IEC 61131-3對比

通過表1和表2中數(shù)據(jù)的對比，我們可以看出，嵌入式控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快、內(nèi)存更大、擴(kuò)展性能更強(qiáng)，具備數(shù)據(jù)采集和分析應(yīng)用的先決條件；同時IEC61499標(biāo)準(zhǔn)比IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)有更強(qiáng)的靈活性、可復(fù)制性以及網(wǎng)絡(luò)通信和分布式功能，可為現(xiàn)場終端實現(xiàn)智能控制提供必要的控制基礎(chǔ)。

4.3.2　產(chǎn)業(yè)化維度

以該底板線項目為例，采用嵌入式控制系統(tǒng)方案后還可從以下三方面改善工程以實現(xiàn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)工時。

表3 標(biāo)準(zhǔn)工時改善

由表3數(shù)據(jù)可知，嵌入式控制系統(tǒng)總實施工時縮減約75%，可有效幫助縮減工程交付期。

5 結(jié)論

近年來，隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式技術(shù)日漸普及，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，而且具有開發(fā)周期短、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。汽車產(chǎn)業(yè)鏈長期作為一個國家制造業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，汽車車身焊裝生產(chǎn)線是汽車制造領(lǐng)域中自動化程度最高、控制復(fù)雜性也相對比較高的一個領(lǐng)域^[7]。采用一種實時、高效、擴(kuò)展性強(qiáng)的嵌入式控制系統(tǒng)將更好地支撐分布式控制體系在汽車自動化生產(chǎn)線的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。對于焊裝車間生產(chǎn)線的大型控制系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量增多但是大多具有相似性，為了提高控制系統(tǒng)的一致性、可讀性、可移植性和編程效率等，汽車廠家一般都要求焊裝設(shè)備集成商采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、分布式控制架構(gòu)，因此分布式控制體系較于傳統(tǒng)的集中式控制體系更適合應(yīng)用于汽車生產(chǎn)線。

作者簡介：

左志軍（1985-），男，河北石家莊人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于廣州明珞智能制造研究院，主要從事智能制造與工業(yè)大數(shù)據(jù)方面的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王家軍, 王志濤. 分布式控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)的實際應(yīng)用[J]. 設(shè)備管理與維修, 2018 (15) : 103 - 104.

[2] Jin Guang Yin, Zhi Qiang Zhang. The Research of Embedded System in Industrial Control[J]. Advanced Materials Research, 2014, 3470 (10301032) : 1570 - 1573.

[3] 解周凱. 基于嵌入式平臺的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所), 2010.

[4] 劉澤建, 程良倫. 基于Linux的嵌入式控制器在工業(yè)控制中的設(shè)計與應(yīng)用[C]. 中國企業(yè)自動化和信息化建設(shè)論壇暨中南六省區(qū)自動化學(xué)會 學(xué)術(shù)年會專輯.2004 : 383 - 386.

[5] 沐多. Xenomai內(nèi)核解析-嵌入式實時Linux概述[J]. CSDN, 2020.

[6] 黃雪梅. 基于IEC 61499的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)線底層生產(chǎn)設(shè)備分布式控制[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2011 (07) : 52 - 56.

[7] Zhou N, Li D, Vyatkin V, et al. Toward Dependable Model-Driven Design of Low-Level Industrial Automation Control Systems[J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2020, PP (99) : 1 - 16.

[8] 吳椿. 嵌入式控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)備自動化控制中的應(yīng)用[J]. 中國建材科技, 2016, 25 (01) : 29, 46.

[9] 施耐德電氣. 汽車焊裝車間側(cè)圍生產(chǎn)線電氣自動化系統(tǒng)處理方案[Z].

[10] 方雙蓮. 工程機(jī)械中嵌入式控制器的應(yīng)用研究[J]. 無線互聯(lián)科技, 2013 (03) : 125.

摘自《自動化博覽》2023年5月刊