支撐智能制造的PLCopen規(guī)范和技術(shù)

彭 瑜

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1，上海 200233；PLCopen中國(guó)組織2,北京 100011)

支撐智能制造的PLCopen規(guī)范和技術(shù)

彭 瑜1,2

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1，上海 200233；PLCopen中國(guó)組織2,北京 100011)

PLCopen長(zhǎng)期致力于提高工業(yè)控制軟件的效率，在構(gòu)建結(jié)構(gòu)化、模塊化的軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，促使運(yùn)動(dòng)控制、橫向通信和縱向通信、功能安全、不同軟件的數(shù)據(jù)交換等諸多方面趨向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和高效率。因此可以得出以下結(jié)論：PLCopen在軟件規(guī)范方面的工作完全能夠滿(mǎn)足智能制造環(huán)境下對(duì)工業(yè)控制軟件的要求，使未來(lái)所要求的技術(shù)現(xiàn)在就可以使用。

智能制造 工業(yè)4.0 IEC 61131-3 運(yùn)動(dòng)控制 功能安全 IEC 61131-3的OPC UA信息模型 IEC 61131-3的XML格式

OPC UA information model for IEC 61131-3 XML formats for IEC 61131-3

0 引言

成立于1992年的非盈利國(guó)際組織PLCopen，在構(gòu)筑工控編程環(huán)境的開(kāi)放性的同時(shí)，還孜孜不倦地為提高工業(yè)自動(dòng)化的工作效率進(jìn)行最基礎(chǔ)性的規(guī)范工作。其最主要的成果之一就是構(gòu)筑工控編程軟件包的開(kāi)發(fā)環(huán)境；同時(shí)，在這些編程系統(tǒng)的基礎(chǔ)上為進(jìn)一步發(fā)展統(tǒng)一工程平臺(tái)做了許多基礎(chǔ)性的開(kāi)創(chuàng)工作。其中與智能制造緊密相關(guān)的主要有：運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范、機(jī)械安全規(guī)范、IEC 61131-3 的XML格式規(guī)范和IEC 61131-3的OPC信息模型。

1 工業(yè)4.0和智能制造對(duì)PLC系統(tǒng)的要求

德國(guó)政府制定和大力推行工業(yè)4.0，強(qiáng)調(diào)其特征是工業(yè)自動(dòng)化和信息通信技術(shù)的緊密結(jié)合，并建立在物理信息系統(tǒng)(CPS)的基礎(chǔ)之上。這為智慧工廠的實(shí)現(xiàn)指明了一條清晰的途徑。德國(guó)專(zhuān)家還特別指出，發(fā)起于1970年的第三次工業(yè)革命(工業(yè)3.0)，其特征是以數(shù)控系統(tǒng)、可編程控制器PLC為典型的制造自動(dòng)化。這將PLC提到了過(guò)去從未有過(guò)的高度。因此，未來(lái)PLC在功能和技術(shù)上的發(fā)展顯然必須結(jié)合工業(yè)4.0進(jìn)行討論。

PLC的角色定位永遠(yuǎn)是設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制器，因此在未來(lái)實(shí)現(xiàn)智能制造和智慧工廠的過(guò)程中，PLC仍然處于基礎(chǔ)自動(dòng)化的層次。不過(guò)，由于它將控制的是具有感知、決策和執(zhí)行功能的智能制造設(shè)備，因此未來(lái)PLC應(yīng)該具備與品種更廣泛的感知設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備的接口，具備執(zhí)行更強(qiáng)大的智能算法和更復(fù)雜邏輯控制的能力，還應(yīng)該具備更高效運(yùn)行的通信能力。未來(lái)PLC作為直接與生產(chǎn)過(guò)程打交道的控制器，還負(fù)責(zé)將最基本的生產(chǎn)信息上傳給上位管理系統(tǒng)，并接收上位管理系統(tǒng)發(fā)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)而言之，PLC作為智能制造裝備的控制器，將在智慧工廠所要求的硬件橫向集成和信息縱向集成中發(fā)揮關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的作用。

概括來(lái)說(shuō)，PLC要承擔(dān)工業(yè)4.0和智能制造賦予的任務(wù)，首先應(yīng)該滿(mǎn)足以下要求。

① 越來(lái)越多的傳感器被用來(lái)監(jiān)控環(huán)境、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過(guò)程的各類(lèi)參數(shù)，這些工業(yè)大數(shù)據(jù)的有效采集，迫使PLC安裝在機(jī)架上的集中式I/O，必須轉(zhuǎn)型為分布式I/O。

② 各類(lèi)智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，盡可能在現(xiàn)場(chǎng)完成越來(lái)越復(fù)雜的控制任務(wù)。

③ 極大提高編程、調(diào)試和維護(hù)的效率，即實(shí)現(xiàn)編程等工程任務(wù)的自動(dòng)化和智能化。

④ 無(wú)縫連通能力大幅提升，相關(guān)的控制參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)可直接傳輸至上位的各個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，甚至送往云端。

PLC的硬件技術(shù)一直在為滿(mǎn)足工業(yè)4.0和智能制造日益清晰的要求積累經(jīng)驗(yàn)。特別是微電子技術(shù)的飛躍進(jìn)展，使得SoC芯片在主鐘頻率越來(lái)越高的同時(shí)功耗卻顯著減?。欢嗪说腟oC的發(fā)展，在促進(jìn)了PLC邏輯和順序控制處理的同時(shí)，可以進(jìn)行高速的運(yùn)動(dòng)控制處理、視覺(jué)算法的處理等等；而通信技術(shù)的進(jìn)展使得分布式I/O運(yùn)用越來(lái)越多,泛在的I/O運(yùn)用也有了起步。

為迎接工業(yè)4.0的挑戰(zhàn)，PLC硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該從以下方面著手：極大改善能耗和減小空間(PCB板85%的空間被模擬芯片和離散元器件所占，需要采取將離散元器件的功能集中于單個(gè)芯片中，采用新型的流線模擬電路等措施)；增加I/O模塊的密度；進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)，降低熱耗散；突破信息安全的瓶頸(如何防范黑客攻擊、惡意軟件和病毒)。

事實(shí)上，PLC的軟件技術(shù)以PLCopen為先導(dǎo)，一直在為滿(mǎn)足工業(yè)4.0和智能制造日益清晰的要求做足了準(zhǔn)備。PLCopen國(guó)際組織長(zhǎng)期以來(lái)執(zhí)著地為提高自動(dòng)化效率所做的卓有成效的工作，使得明天的技術(shù)在今天就可以擁有。

2 IEC 61131-3推動(dòng)了PLC軟件的巨大進(jìn)步

IEC 61131-3推動(dòng)PLC在軟件方面的進(jìn)步，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

① 編程的標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)了工控編程從語(yǔ)言到工具性平臺(tái)的開(kāi)放；同時(shí)為工控程序在不同硬件平臺(tái)間的移植創(chuàng)造了前提條件。

② 為控制系統(tǒng)創(chuàng)立統(tǒng)一的工程應(yīng)用軟件環(huán)境打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從應(yīng)用工程程序設(shè)計(jì)的管理，到提供邏輯和順序控制、過(guò)程控制、批量控制、運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)、人機(jī)界面等統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，以至于調(diào)試、投運(yùn)和投產(chǎn)后的維護(hù)等，統(tǒng)統(tǒng)納入統(tǒng)一的工程平臺(tái)。

③ 應(yīng)用程序的自動(dòng)生成工具和仿真工具。

④ 為適應(yīng)工業(yè)4.0和智能制造的軟件需求，IEC 61131-3的第3版將面向?qū)ο蟮木幊?OPP)納入標(biāo)準(zhǔn)。

之前已開(kāi)發(fā)了許多為PLC控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、編程和運(yùn)行，以及管理的工具性軟件。其中包括控制電路設(shè)計(jì)軟件包、接線設(shè)計(jì)軟件、PLC編程軟件包、人機(jī)界面和SCADA軟件包、程序調(diào)試仿真軟件以及自動(dòng)化維護(hù)軟件等。盡管這些軟件都是為具體的工程服務(wù)的，但是，即使在對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行控制設(shè)計(jì)和監(jiān)控，它們都互不關(guān)聯(lián)。不同的控制需求(如邏輯和順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等)要用不同的開(kāi)發(fā)軟件；在不同的工作階段(如編程組態(tài)、仿真調(diào)試、維護(hù)管理等)又要用不同的軟件。往往在使用不同的軟件時(shí)必需自行定義標(biāo)簽變量(tags)，而定義變量的規(guī)則又往往存在較大的隨意性，導(dǎo)致對(duì)同一物理對(duì)象的相同控制變量不能做到統(tǒng)一的、一致的命名。缺乏公用的數(shù)據(jù)庫(kù)和統(tǒng)一的變量命名規(guī)則，造成在使用不同軟件時(shí)不得不進(jìn)行繁瑣的變量轉(zhuǎn)換，重復(fù)勞動(dòng)導(dǎo)致人力資源成本高、效率低下。

為了克服上述問(wèn)題，PLCopen構(gòu)筑工控編程軟件包的開(kāi)發(fā)環(huán)境；還在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展為統(tǒng)一工程平臺(tái)。開(kāi)展了編程系統(tǒng)符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證工作；制定了運(yùn)動(dòng)控制功能庫(kù)，在IEC的開(kāi)發(fā)環(huán)境里加入了運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)， 將PLC和運(yùn)動(dòng)控制的功能組合在控制軟件的編制中；為實(shí)現(xiàn)IEC 61131-3編程與其他環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)交換，規(guī)范了XML格式作為數(shù)據(jù)交換的接口；定義了在IEC 61131-3的開(kāi)發(fā)環(huán)境下涉及安全的規(guī)范；公布了《PLC性能的基準(zhǔn)測(cè)試方法》，通過(guò)所定義的測(cè)試概要，以一種客觀的方式，為尋求不同PLC平臺(tái)的真實(shí)性能提供了標(biāo)準(zhǔn)化的方法。

長(zhǎng)期以來(lái)，PLCopen國(guó)際組織還注重與許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和基金會(huì)(譬如ISA、OPC基金會(huì)等)合作(如圖1所示)，開(kāi)發(fā)了基礎(chǔ)性的規(guī)范，以建立一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 PLCopen與ISA、OPC基金會(huì)合作開(kāi)發(fā)智能制造基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 The base standards developed cooperativelyby PLCopen, ISA and OPC foundation for intelligent manufacturing

這些工作都為智能制造和工業(yè)4.0的應(yīng)用和發(fā)展做了先導(dǎo)性的探索和準(zhǔn)備，從而打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。譬如與OPC基金會(huì)合作開(kāi)發(fā)的IEC 61131-3的信息模型(2010.5發(fā)布)、IEC 61131-3 的OPC UA Client FB客戶(hù)端功能塊(2015年3月發(fā)布)、IEC 61131-3的OPC UA Server FB服務(wù)端功能塊(2015年3月發(fā)布)。這些規(guī)范經(jīng)美國(guó)ISA屬下的OMAC的二次開(kāi)發(fā)，已經(jīng)成功應(yīng)用于專(zhuān)為包裝行業(yè)系列標(biāo)準(zhǔn)PackML中，大大簡(jiǎn)化了包裝機(jī)械與上位生產(chǎn)管理系統(tǒng)的通信。

這些標(biāo)準(zhǔn)提升了如今廣泛運(yùn)用于計(jì)算技術(shù)行業(yè)的SOA面向服務(wù)的架構(gòu)的應(yīng)用范圍；同時(shí)也推進(jìn)了一度落后于計(jì)算技術(shù)和軟件的自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)快速跟上IT技術(shù)的進(jìn)展。

PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范開(kāi)啟了運(yùn)動(dòng)控制智能化的道路。

2.1 運(yùn)動(dòng)控制是智能機(jī)械控制的重要基礎(chǔ)

機(jī)械裝備的制造加工功能一般是通過(guò)其相關(guān)的部件的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，盡管制造加工的原理常常有很大的差異(如冷加工的金屬切削、熱加工的焊接、鍛造……)，但是都離不開(kāi)機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)。從這個(gè)意義上說(shuō)，運(yùn)動(dòng)是機(jī)械裝備的本質(zhì)特征。盡管不同的工藝對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)注點(diǎn)有很大差異，但運(yùn)動(dòng)控制都是通過(guò)驅(qū)動(dòng)部件(諸如液壓泵、直線驅(qū)動(dòng)器，或電動(dòng)機(jī)，通常是伺服電機(jī))對(duì)機(jī)械設(shè)備或其部件的位置、速度、加速度和加速度變化率(躍度)進(jìn)行控制。

由此可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是確保數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人及各種先進(jìn)裝備(如包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、裝配線、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備)高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是裝備領(lǐng)域和制造行業(yè)的核心技術(shù)。

2.2 PLCopen開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的目的和意義

在用戶(hù)的推動(dòng)下，PLCopen早在1996年建立了運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范工作組，目的是在IEC 61131-3為基礎(chǔ)的編程環(huán)境下，在開(kāi)發(fā)、安裝和維護(hù)運(yùn)動(dòng)控制軟件等各個(gè)階段，協(xié)調(diào)不同的編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)都能滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化要求。開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)路線是，在IEC 61131-3統(tǒng)一的編程架構(gòu)下，建立標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用功能塊庫(kù)，從而讓運(yùn)動(dòng)控制軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)獨(dú)立于運(yùn)動(dòng)控制的硬件，讓運(yùn)動(dòng)控制的軟件具有良好的可復(fù)用性。特別是該規(guī)范的第四部分，創(chuàng)造性地規(guī)范了多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的理論基礎(chǔ)和功能性，并詳盡規(guī)定了各種相關(guān)的功能塊。經(jīng)過(guò)多年的努力，現(xiàn)在已經(jīng)有了很好的實(shí)現(xiàn)，既有集合機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床(CNC)和通用運(yùn)動(dòng)控制的工程軟件平臺(tái)，也有硬軟件一體化的PLC系列產(chǎn)品，還有許多實(shí)際應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的智能裝備。

PLCopen為運(yùn)動(dòng)控制提供功能塊庫(kù)，其最顯著的特點(diǎn)是：極大增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用軟件的可復(fù)用性，從而減少了開(kāi)發(fā)、培訓(xùn)和技術(shù)支持的成本;只要采用不同的控制解決方案，就可按照實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的可擴(kuò)可縮;功能塊庫(kù)的方式保證了數(shù)據(jù)的封裝和隱藏，進(jìn)而使之能適應(yīng)不同的控制系統(tǒng)架構(gòu)，譬如集中的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)、分布式的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)，或者既有集中又有分散的集成運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu);它不但服務(wù)于當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，而且也能適應(yīng)正在開(kāi)發(fā)的或今后的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。由此可見(jiàn)，IEC 61131-3與PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的緊密結(jié)合提供了理想的機(jī)電一體化的解決方案。

2.3 PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范

PLCopen國(guó)際組織專(zhuān)門(mén)制定了運(yùn)用于智能制造的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，現(xiàn)已成為國(guó)際公認(rèn)的事實(shí)上的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，如表1所示。

表1 PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范

基本上，每個(gè)規(guī)范都包含了3個(gè)內(nèi)容：定義狀態(tài)機(jī)、定義單軸和多軸運(yùn)動(dòng)控制的功能塊的基本集合、規(guī)定符合規(guī)則和語(yǔ)句。

2.4 運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的核心技術(shù)及其詮釋

從技術(shù)上講，可按其協(xié)調(diào)控制的結(jié)構(gòu)把運(yùn)動(dòng)控制劃分為兩類(lèi)：①主軸/從軸運(yùn)動(dòng)控制，即主軸的定位生成一個(gè)或多個(gè)從軸的定位命令；②多維的運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)，其中沒(méi)有主軸從軸之分，由多個(gè)軸構(gòu)成的集合，稱(chēng)之為軸組。只有這樣才可能進(jìn)行更好的軌跡和路徑規(guī)劃，解決CNC、機(jī)器人等的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。

PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范針對(duì)形式各異的運(yùn)動(dòng)控制形態(tài)進(jìn)行抽象，分別制定單軸和軸組的狀態(tài)圖，并闡明了它們之間的關(guān)系，如圖2和圖3所示。此外，還制定了一系列的基本功能塊，便于按運(yùn)動(dòng)控制的要求在各個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移。通過(guò)定義一組具有相關(guān)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的功能性的功能塊，以及定義一個(gè)高層級(jí)的狀態(tài)圖來(lái)鏈接該軸組內(nèi)的多個(gè)單軸的狀態(tài)圖，實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動(dòng)控制的協(xié)調(diào)控制。圖4給出在主/從結(jié)構(gòu)下單軸和軸組的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。

運(yùn)動(dòng)控制最重要的是控制運(yùn)動(dòng)的軌跡，而軌跡控制的本質(zhì)在于協(xié)調(diào)兩個(gè)或多個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，以指定的速度從某個(gè)起點(diǎn)沿著所規(guī)定的路徑到達(dá)某個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。所謂路徑可以是直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)，或者是仿形運(yùn)動(dòng)。在3維空間中要規(guī)定一種路徑(或者任意位置信息)需要一種坐標(biāo)系。在PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的第四部分，將坐標(biāo)系定義為：與軸相關(guān)的坐標(biāo)系(ACS)、與機(jī)械相關(guān)的坐標(biāo)系(MCS)、與產(chǎn)品或工件相關(guān)的坐標(biāo)系(PCS)。

為了解決數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中必須妥善處理的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題， PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范第四部分給出了以下關(guān)鍵技術(shù)的描述：坐標(biāo)系變換和逆變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)變換和逆變換、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)混成、速度和加速度平滑。

圖2 主軸/從軸結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的狀態(tài)圖

圖3 多軸(軸組)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)圖與單軸狀態(tài)圖的關(guān)系

圖4 主/從結(jié)構(gòu)下單軸和軸組的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制

為什么需要樣條路徑插補(bǔ)和加速度平滑？下面以五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為例進(jìn)行說(shuō)明。五軸線性刀具路徑由一系列的指令定義，每一個(gè)離散指令包含位置和方向信息，其中位置向量描述刀尖點(diǎn)的軌跡，方向矢量描述刀軸的方向。對(duì)這些離散指令進(jìn)行線性插值，就獲得了刀具的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。將數(shù)控指令發(fā)給數(shù)控系統(tǒng)后，數(shù)控系統(tǒng)將在機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性的約束下，實(shí)時(shí)規(guī)劃出每一個(gè)軸的位置、速度和加速度。因此刀具路徑將影響機(jī)床進(jìn)給的動(dòng)態(tài)特性。如果刀具路徑是線性的，刀具運(yùn)動(dòng)被定義為相鄰軌跡之間的直線段運(yùn)動(dòng)。在線段連接點(diǎn)處，刀具估計(jì)的切向和曲率都是不連續(xù)的?？紤]到數(shù)控機(jī)床的最大加速度和加速度變化率都是有限值，這種不連續(xù)往往導(dǎo)致進(jìn)給速度產(chǎn)生波動(dòng)，而這種波動(dòng)將造成機(jī)床的真實(shí)進(jìn)給速度一般要低于數(shù)控代碼中指定的進(jìn)給速度。因此，用光滑的參數(shù)樣條曲線來(lái)取代線性刀具路徑，顯然是提高加工效率和加工表面質(zhì)量的重要方法。由以上分析可見(jiàn)，五軸樣條軌跡插補(bǔ)和加速度平滑是五軸聯(lián)動(dòng)高速高精度軌跡跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)。

插補(bǔ)型運(yùn)動(dòng)控制的基本部分是對(duì)軸組實(shí)施一連串連續(xù)且具有緩沖的運(yùn)動(dòng)命令的混成。如果沒(méi)有混成，軸組的TCP(對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)就是刀尖點(diǎn))會(huì)向前運(yùn)動(dòng)至命令所要求的位置，減速并精準(zhǔn)地停在該位置不動(dòng)，接下去的緩沖減速運(yùn)動(dòng)命令不會(huì)被激活。顯然，軸組必須再加速。在許多應(yīng)用中，會(huì)要求TCP具有不同的行為特性，要求不停頓地連續(xù)運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)檫@樣可以減少加工處理的循環(huán)時(shí)間(例如抓取和放置)；或者是為了減少機(jī)械應(yīng)力，要生成平滑的運(yùn)動(dòng)；另外，有些應(yīng)用要求TCP進(jìn)行恒速運(yùn)動(dòng)(如噴涂、焊接、膠合等)。諸如此類(lèi)的這些要求都可以用不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)混成加以滿(mǎn)足。其共同點(diǎn)是通過(guò)修正原始的路徑，從而得到平滑而沒(méi)有拐角的軌跡。

在多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制中，插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)命令的混成不同于單軸上的運(yùn)動(dòng)的混成。對(duì)單軸而言，命令所指定的位置總是能到達(dá)的。在多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)中，到達(dá)(或經(jīng)過(guò))命令所指定位置的時(shí)刻，可以按照緩沖模式的輸入?yún)?shù)改變速度。插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制中的幾種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)混成可考慮為與應(yīng)用和過(guò)程相關(guān)，因此還必須在插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制中導(dǎo)入多種新的運(yùn)動(dòng)混成類(lèi)型。不同的插補(bǔ)方法會(huì)使用不同的混成的輸入?yún)?shù)，所以要按所采用的插補(bǔ)方法改變混成的輸入?yún)?shù)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者可根據(jù)自己的訣竅和經(jīng)驗(yàn)來(lái)規(guī)定混成功能塊的輸入?yún)?shù)。

PLCopen運(yùn)動(dòng)控制所定義的功能塊，使用戶(hù)能迅速地識(shí)別其功能性，并且還能清晰了解在它被激活時(shí)，或者在一系列運(yùn)動(dòng)命令中它與其他功能塊相連接時(shí)會(huì)發(fā)生些什么，或者說(shuō)會(huì)做些什么。面向軌跡運(yùn)動(dòng)的編程，或者用專(zhuān)門(mén)面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言，或者用常用在CNC編程的G代碼。它們都可以在相當(dāng)寬泛的應(yīng)用中很好地描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，使用這兩種編程方法的用戶(hù)過(guò)于專(zhuān)業(yè)，也許不能適應(yīng)今后智能制造的普遍而廣泛推廣。總之，PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的第四部分，就是為了把在CNC和機(jī)器人控制中運(yùn)用的功能性，變換為在PLC也能方便運(yùn)用的功能性，使得培訓(xùn)和掌握CNC和機(jī)器人編程的人員更為容易。

2.5 PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和CNC技術(shù)的融合發(fā)展

智能制造和智慧工廠正在全球蓬勃發(fā)展，其中關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題就是CNC和機(jī)器人這些制造單元的開(kāi)放架構(gòu)問(wèn)題。MES、ERP、CAM……都要求制造設(shè)備層能提供基于IT技術(shù)的軟硬件接口，而且智能制造技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也要求CNC、機(jī)器人和其他制造單元和設(shè)備之間建立開(kāi)放性的網(wǎng)絡(luò)和軟件接口。與此同時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使得用機(jī)器人來(lái)控制CNC加工單元成為可能。以上這些技術(shù)的進(jìn)展，宣示了當(dāng)前智能制造裝置最前沿的一個(gè)值得關(guān)注的動(dòng)向，這就是PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和CNC技術(shù)正在呈現(xiàn)融合發(fā)展的趨勢(shì)。

不過(guò)，對(duì)于傳統(tǒng)的CNC和機(jī)器人廠商來(lái)說(shuō)，至今為止對(duì)于開(kāi)放架構(gòu)并沒(méi)有非常方便和高效率的方案。他們要迅速適應(yīng)變化也非駕輕就熟。因?yàn)檫@些傳統(tǒng)廠商的硬件絕大多數(shù)是基于RISC的芯片。顯而易見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)更為開(kāi)放的IT集成，Intel的CISC芯片會(huì)輕而易舉得多。

沿用傳統(tǒng)的概念，PLC承擔(dān)邏輯控制和順序控制的任務(wù)，機(jī)器人控制器完成實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的任務(wù)，而CNC控制器負(fù)責(zé)數(shù)控機(jī)床的控制。要將這三個(gè)系統(tǒng)集成在一起，將承受較高成本、難以達(dá)到同步運(yùn)行、開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)等一系列的問(wèn)題。為此，突破傳統(tǒng)思維，充分發(fā)揮PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的作用，讓PLC、機(jī)器人、CNC技術(shù)融合在一個(gè)系統(tǒng)中成為現(xiàn)實(shí)可用的解決方案，其基礎(chǔ)就是由斯圖加特大學(xué)的ISG研究所的ISG Kernel。ISG Kernel是一種涵蓋幾乎所有的CNC、機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)械裝置的控制軟件解決方案。它可以嵌入到基于IEC 61131-3的PLC編程平臺(tái)中，也可以作為一種獨(dú)立的具有高端功能性的控制軟件包。

3 PLCopen的機(jī)械安全規(guī)范

PLCopen制定機(jī)械安全規(guī)范的目的在于使用戶(hù)在機(jī)械水平和工廠水平達(dá)到功能安全規(guī)范IEC 61508的要求。PLCopen與專(zhuān)業(yè)從事安全的機(jī)構(gòu)TüV一起定義了在IEC 61131-3的開(kāi)發(fā)環(huán)境下涉及安全的規(guī)范。這必須由集成在IEC 61131-3的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的安全專(zhuān)用軟件工具支持，從而實(shí)現(xiàn)安全功能性的標(biāo)準(zhǔn)化，即定義與安全相關(guān)的函數(shù)集和功能塊集，在編程環(huán)境中的支持，包括編程語(yǔ)言(LD、FBD)和功能性(安全數(shù)據(jù)類(lèi)型和說(shuō)明等)、出錯(cuò)處理和診斷。

按照功能安全國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508第三部分的規(guī)定，編寫(xiě)具有功能安全軟件的編程語(yǔ)言有兩類(lèi)，一類(lèi)為全可變語(yǔ)言FVL(如C語(yǔ)言、C++、匯編語(yǔ)言等)，另一類(lèi)是有限可變語(yǔ)言LVL(如IEC 61131-3規(guī)定的LD、FBD等五種語(yǔ)言)。一個(gè)符合安全規(guī)范的PLC系統(tǒng)除了其硬件必須達(dá)到一定的SIL等級(jí)外，其軟件部分往往由全可變語(yǔ)言(FVL)寫(xiě)成嵌入式的操作系統(tǒng)，而其安全應(yīng)用程序則往往用有限可變語(yǔ)言(LVL)中的LD和FBD編寫(xiě)，如圖5所示。

圖5 符合功能安全的軟件的基本概念

PLCopen開(kāi)發(fā)的機(jī)械安全規(guī)范與IEC 61131-3所支持的邏輯和順序控制以及運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范構(gòu)成了一個(gè)統(tǒng)一的編程環(huán)境(參見(jiàn)圖6)。PLCopen的機(jī)械安全規(guī)范包含4個(gè)部分：第一部分概念和功能，第二部分用戶(hù)舉例，第三部分是第一部分的擴(kuò)展，第四部分是壓力機(jī)的擴(kuò)展。

圖6 在IEC 61131-3的編程環(huán)境下組合邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制和功能安全的功能

圖7描述了PLCopen機(jī)械功能安全的結(jié)構(gòu)模型。由圖可知，盡管在硬件上標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出與安全的輸入/輸出是必須嚴(yán)格分開(kāi)的，但功能安全的程序與正常的控制程序可以在同一應(yīng)用程序中運(yùn)行，正常的控制程序的運(yùn)算結(jié)果還可對(duì)安全程序發(fā)生一定作用。

橫向集成和縱向集成的利器——IEC 61131-3信息模型。建立IEC 61131-3的OPC UA信息模型目的在于提高控制器和可視化裝置(人機(jī)界面)、上位信息系統(tǒng)之間通信的復(fù)用性。從長(zhǎng)期應(yīng)用的觀點(diǎn)看，將明顯提高工程流程的效率和顯著降低工程的成本。設(shè)想，當(dāng)某個(gè)PLC項(xiàng)目中多控制平臺(tái)由不同供應(yīng)商提供，如果用一種可視化工具或MES/ERP,從外部來(lái)看，這些控制平臺(tái)是完全一樣的，即所有PLC對(duì)象具有IEC 61131-3軟件模型，而它們的詳細(xì)描述均在OPC UA的命名空間內(nèi)由OPC UA的公共工作組給出的規(guī)則予以實(shí)現(xiàn)。

圖7 PLCopen機(jī)械功能安全的結(jié)構(gòu)模型

2006年OPC UA規(guī)范發(fā)布，將原有的OPC DA、OPC A&E、OPC HAD等整合到可廣泛應(yīng)用的面向服務(wù)的架構(gòu)SOA，并且增加了許多新的特性，包括：與平臺(tái)無(wú)關(guān)、規(guī)模的可擴(kuò)可縮、新的信息安全機(jī)制、高可用性和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等。OPC UA具有兩個(gè)維度：①通過(guò)將OPC技術(shù)嵌入裝置級(jí)的設(shè)備和應(yīng)用，為這些設(shè)備和應(yīng)用提供信息安全的可互操作性；②將OPC通信從設(shè)備級(jí)和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)擴(kuò)展到企業(yè)級(jí)的應(yīng)用和系統(tǒng)。在頂層，嵌入式OPC UA支持與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的XML互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)協(xié)議通信。這將有助于經(jīng)由公共的架構(gòu)保證從設(shè)備層到企業(yè)層的所有通道的連接性和通信。

目前OPC UA已經(jīng)被接受為一種國(guó)際計(jì)算技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，目的在于讓工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)入通用計(jì)算機(jī)工業(yè)也要進(jìn)入的領(lǐng)域。這樣，OPC UA成為計(jì)算機(jī)工業(yè)中普遍采用的公共標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于系統(tǒng)通信和各種網(wǎng)絡(luò)互連、互通、互操作的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。W3C(世界互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟)定義了一種Web服務(wù)：用軟件系統(tǒng)支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)的互操作。2010年已由SAP公司在異構(gòu)的控制器和SCADA構(gòu)成的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。ISA 95是由美國(guó)ISA學(xué)會(huì)開(kāi)發(fā)的企業(yè)信息集成系列標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已被IEC和ISO接受為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC/ISO 62264)。而B(niǎo)2MML是這個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)的XML實(shí)現(xiàn)。 B2MML包括一系列用W3C的XML語(yǔ)言XML格式規(guī)范。近年來(lái)美國(guó)的ISA學(xué)會(huì)又與OPC基金會(huì)合作開(kāi)發(fā)基于B2MML接口標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA/ISA 95伙伴規(guī)范。

有了這些基礎(chǔ)性的工作，過(guò)去控制工程師使用OPC UA對(duì)象進(jìn)行控制層、MES層和ERP層之間的通信碰到的難題即將迎刃而解。即在處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存取時(shí)，如何在制造運(yùn)營(yíng)管理(MOM)系統(tǒng)的高速要求與企業(yè)信息系統(tǒng)的慢速而又隨機(jī)存取的要求之間構(gòu)筑一種順暢通達(dá)的橋梁，成為可能而又可行。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和智慧工廠以及智能制造的應(yīng)用，如今正在快速推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)。盡管有一些由供應(yīng)商所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，但都不能提供可互操作性，使控制器與企業(yè)信息系統(tǒng)、云端之間的信息傳輸暢通無(wú)阻。而運(yùn)用PLCopen的OPC UA功能塊，將使之大為簡(jiǎn)化和改善。

開(kāi)放的PLCopen規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)改善了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)備可互操作性；運(yùn)用基于IEC 61131-3的OPC UA Server FB服務(wù)端功能塊，將簡(jiǎn)化由傳智能感器、控制器與企業(yè)管理系統(tǒng)和生產(chǎn)調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)通信，與云端通信以及與互聯(lián)網(wǎng)通信。圖8～圖10分別給出了利用OPC UA實(shí)現(xiàn)縱向集成、橫向集成和由控制器直接將數(shù)據(jù)送至云端的原理圖。

圖8 運(yùn)用OPC UA將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行縱向集成Fig.8 Longitudinally integrating existing networks using OPC UA

圖9 運(yùn)用PLCopen頒布的OPC UA功能塊進(jìn)行

在工業(yè)控制軟件的開(kāi)發(fā)成本和工程成本日益上升的形勢(shì)下，希望能在不同的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境之間交換其程序、函數(shù)/功能塊庫(kù)和工程項(xiàng)目的需求越發(fā)高漲?？紤]到編程僅僅是控制軟件完整應(yīng)用開(kāi)發(fā)套件的一個(gè)環(huán)節(jié)，為規(guī)范它與其他環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)交換的接口，有必要提供為實(shí)現(xiàn)IEC 61131-3編程的數(shù)據(jù)交換規(guī)范，如圖11所示。

圖10 運(yùn)用PLCopen頒布的OPC UA功能塊將PLC數(shù)據(jù)送往云端Fig.10 Sending PLC data to the Cloud using OPC UA functional blocks issued by PLCopen

圖11 以XML格式提供構(gòu)成統(tǒng)一的工程軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境

通過(guò)為IEC 61131-3規(guī)定一種XML的格式倡導(dǎo)一種開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得在此基礎(chǔ)上構(gòu)成統(tǒng)一的工程軟件平臺(tái)。利用PLCopen規(guī)范的XML格式，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同軟件工具的數(shù)據(jù)交換：為統(tǒng)一的工程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同控制功能的編程、組態(tài)提供基礎(chǔ)；為統(tǒng)一的工程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行操作、維護(hù)各階段功能的前后銜接提供基礎(chǔ)。此外，還可以利用XML進(jìn)行不同硬件平臺(tái)定義的I/O變量和內(nèi)部變量之間的變換，為控制程序無(wú)障礙移植創(chuàng)造前提條件。

制定PLCopen的XML綱要規(guī)范的目的是，基于當(dāng)今的XML技術(shù)，把IEC 61131-3環(huán)境下的完整工程項(xiàng)目的全部信息用XML的格式予以表達(dá)。這些信息包括：文本化編程語(yǔ)言(IL和ST)、圖形化編程語(yǔ)言(LD和FBD)、結(jié)構(gòu)化編程語(yǔ)言(SFT)，圖形信息(如地點(diǎn)、位置和它們之間連接路徑)、程序組織單元POU(函數(shù)、功能塊、程序)、數(shù)據(jù)類(lèi)型、工程項(xiàng)目信息(分層結(jié)構(gòu))、映射信息、制造廠商的特定信息和注釋。

類(lèi)似于建模工具(如UML通用建模語(yǔ)言)，PLCopen的XML規(guī)范規(guī)定了與圖形和邏輯信息的生成程序接口；類(lèi)似于文件生成程序和管理程序以及版本管理，規(guī)范也規(guī)定與圖形和邏輯信息的使用程序的接口；還規(guī)定了功能塊庫(kù)的分發(fā)格式。運(yùn)用PLCopen定義的XML進(jìn)行不同功能軟件的集成如圖12所示。由圖12 可知，從縱向看,XML是為開(kāi)發(fā)工具和圖形和邏輯信息的生成軟件與使用軟件提供接口；從橫向看,XML又為不同工程項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工具和程序組織單元POU提供輸入/輸出接口。

圖12 運(yùn)用PLCopen定義的XML進(jìn)行不同功能軟件的集成

多年前，汽車(chē)制造商Daimler發(fā)起聯(lián)合了ABB、KUKA、 Siemens 、 Rockwell Automation等工業(yè)企業(yè)，軟件和服務(wù)商netAllied 和 Zühlke以及karlsruhe大學(xué)和Magdeburg大學(xué)成立了AutomationML組織，為的是通過(guò)共同定義數(shù)字化工廠的一種中間格式——自動(dòng)化標(biāo)記語(yǔ)言(automation markup language,AutomationML)，并予以標(biāo)準(zhǔn)化。制定AutomationML標(biāo)準(zhǔn)的目的是：降低工程成本和加速工程進(jìn)度，無(wú)縫數(shù)據(jù)傳輸，便于保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，便于同類(lèi)數(shù)據(jù)的后備，為適合市場(chǎng)需要的創(chuàng)新產(chǎn)品制造商降低市場(chǎng)進(jìn)入壁壘。

AutomationML是一種免費(fèi)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。目前已被IEC接受成為工業(yè)4.0、智能制造的一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制造自動(dòng)化，包括機(jī)器人和物流，但并不局限于此。

AutomationML的創(chuàng)新主要在于：在一個(gè)單一的根格式(XML格式)下將許多重要工程方面所廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)綜合起來(lái)予以應(yīng)用。車(chē)間工藝流程(設(shè)備)布局方面，采用CAEX 標(biāo)準(zhǔn)(computer aided engineering exchange)。這是一種基于XML的容許存貯分層結(jié)構(gòu)對(duì)象信息(如工廠)的中間數(shù)據(jù)格式。幾何結(jié)構(gòu)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方面，采用COLLADA規(guī)范。這是Khronos組織定義的一組基于XML的文件策略模式，用以實(shí)現(xiàn)3D應(yīng)用程序自由交換數(shù)據(jù)。在順序控制行為方面，采用PLCopen組織的IEC 61131-3的XML 格式。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能制造體系設(shè)備層中最主要的控制和執(zhí)行設(shè)備是PLC、工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床。在智能制造的整體環(huán)境中，這些主要設(shè)備的控制軟件毫無(wú)例外都建立在IEC 61131-3和PLCopen所擴(kuò)展的諸多工業(yè)軟件規(guī)范的基礎(chǔ)上。涵蓋實(shí)現(xiàn)這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一工程平臺(tái)是實(shí)施智能制造的超強(qiáng)武器；按照工業(yè)自動(dòng)化軟件的價(jià)值體系的目標(biāo)建設(shè)智能控制、智能生產(chǎn)執(zhí)行和智能管理無(wú)縫而高效集成的工程平臺(tái)，應(yīng)該是工業(yè)軟件的發(fā)展方向。

[1] Dhanani S.Industry 4.0 impact on PLC system design[EB/OL][2015-04-20][2015-08-10]http://www.iebmedia.com/index.php?id=10904&parentid=63&themeid=255&hft=87&showdetail=true&bb=1.

[2] PLCopen. Function blocks for motion control technical specification[S].2001.

[3] 彭瑜. 運(yùn)動(dòng)控制智能化的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化博覽,2013(S1):35-37.

[4] PLCopen. Safety software technical specification[S].2012.

[5] PLCopen and OPC Foundation.PLCopen technical specification OPC UA information model for IEC 61131-3[S].2010.

[6] PLCopen and OPC Fourdation.PLCopen technical specification XML formats for IEC 61131-3[S].2010.

Specifications and Technologies of PLCopen for Supporting Intelligent Manufacturing

PLCopen is an independent organization which is working for enhancing efficiency of industrial control software, and urging standardization and normalization in various aspects, including motion control, lateral and longitudinal communications, functional safety, and data exchange among difference software, etc., on the basis of constructing structured and modular software architecture. As the result, the requirements upon industrial control software under environment of intelligent manufacturing can be satisfied entirely; and the desired technologies in future can now being used.

Intelligent manufacturing Industry 4.0 IEC 61131-3 Motion control Functional safety

2015-08-27。

T-65;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510001

作者彭瑜(1938-)，男，1960年畢業(yè)于清華大學(xué)，國(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者，教授級(jí)高級(jí)工程師；長(zhǎng)期從事工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)通信在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用工作。