自主可控可編程控制系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

范大鵬， 陳凌宇*， 王曉宇， 吳繼春

（1.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

1 引 言

以嵌入式計算機(jī)（IPC）、可編程邏輯控制器（PLC）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）為代表的可編程控制系統(tǒng)（PMC）作為實現(xiàn)各類工業(yè)裝備自動化的“大腦”和“神經(jīng)”，是現(xiàn)代智能工廠中實時控制、信息采集、過程監(jiān)控管、安全保障與防護(hù)等設(shè)備不可或缺的共性基礎(chǔ)控制部件，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等自動化裝備中［1-2］。作為全球最大的制造業(yè)基地，我國市場上95%的可編程控制器產(chǎn)品被國外品牌壟斷［3］，國內(nèi)裝備制造業(yè)嚴(yán)重依賴國外控制器產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)升級面臨著國外的掣肘，存在嚴(yán)重的市場隱患。迫切需要提高工業(yè)控制基礎(chǔ)部件產(chǎn)品的自主化率，以保障高端制造裝備的運(yùn)行的本質(zhì)安全。

可編程控制系統(tǒng)涉及機(jī)械、電子、自動化、計算機(jī)軟硬件等多個學(xué)科，由嵌入式主機(jī)（主站）、實時現(xiàn)場總線、總線控制組件（從站）、軟件集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）、人機(jī)交互（HMI）軟件等技術(shù)構(gòu)成相互依存的技術(shù)生態(tài)鏈條［4］。歐美發(fā)達(dá)國家在可編程控制技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)過多年的技術(shù)積累，已經(jīng)有了成熟的系列產(chǎn)品，利用專利、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范構(gòu)筑了嚴(yán)密的技術(shù)壁壘，使可編程控制系統(tǒng)的自主可控研發(fā)門檻很高。國內(nèi)相關(guān)高校和企業(yè)在核高基、高檔數(shù)控機(jī)床及基礎(chǔ)制造裝備等國家重大專項支持下，在國產(chǎn)操作系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)總線、高性能IPC及測控模塊等一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了一定成果［5-7］，但是尚未形成完整的關(guān)鍵技術(shù)鏈條和研發(fā)生態(tài)。

國內(nèi)研發(fā)的可編程控制系統(tǒng)主從站硬件大多數(shù)采用定制化模式。針對專用的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化程度不高，系統(tǒng)底層硬件構(gòu)成差異大，互換性及互聯(lián)互通性不強(qiáng)，研制與批產(chǎn)成本高。在軟件方面，IDE是用戶進(jìn)行編程、調(diào)試、下載等操作的重要工具，涉及實時操作系統(tǒng)、應(yīng)用層協(xié)議棧、可視化編程、代碼庫生成和管理、HMI組態(tài)等多個方面，難度和工作量極大［8-10］。這類軟件被3S，KW-Software等國外軟件廠商壟斷，國內(nèi)自動化廠商還不能提供完整的軟件開發(fā)平臺，嚴(yán)重制約了自主可控可編程控制系統(tǒng)軟件的發(fā)展。

現(xiàn)場總線是實現(xiàn)可編程控制系統(tǒng)主從站數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸?shù)闹匾獦蛄骸Ｓ捎谥圃煅b備對數(shù)據(jù)傳輸實時性及同步性要求的不斷提高，以EtherCAT，Profinet，POWERLINK為代表的實時以太網(wǎng)總線成為可編程控制系統(tǒng)的標(biāo)配［11］。這些總線廠商通過出售集成通信協(xié)議的專用ASIC芯片來授權(quán)總線的使用，嚴(yán)重影響工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全。以EPA總線［12］、NCUC總線［13］、EtherMAC總線［14］等為代表的國內(nèi)實時以太網(wǎng)總線，對標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3鏈路層進(jìn)行修改，在FPGA中集成鏈路層協(xié)議，初步形成了自主可控的實時以太網(wǎng)總線。但功能完善程度和整體實時性能與國外先進(jìn)總線仍然具有一定差距［15］。

目前，我國可編程控制系統(tǒng)研發(fā)面臨的主要問題為：（1）技術(shù)體系復(fù)雜，國外技術(shù)壁壘高筑；（2）碎片化的技術(shù)研究，尚未形成各項關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)生態(tài)；（3）工業(yè)軟件開發(fā)難度大，需要長期的技術(shù)積累來形成軟件數(shù)字資產(chǎn)；（4）總線技術(shù)面臨升級改造，迫切需要掌握高性能總線接口技術(shù)；（5）缺乏面向嵌入式應(yīng)用的國產(chǎn)工業(yè)級CPU，F(xiàn)PGA芯片。

本文通過分析可編程控制系統(tǒng)的發(fā)展過程和技術(shù)體系，提出一種總線式可編程控制系統(tǒng)構(gòu)成方案。以實現(xiàn)自主可控為目標(biāo)，對方案中的主從站標(biāo)準(zhǔn)化、實時以太網(wǎng)總線及應(yīng)用層協(xié)議、軟件集成開發(fā)環(huán)境及人機(jī)界面、符合PLCopen規(guī)范的軟件功能庫等的原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析說明，最后從建立研發(fā)技術(shù)生態(tài)角度提出了各關(guān)鍵技術(shù)的解決思路和方法。

2 可編程控制系統(tǒng)架構(gòu)分析

2.1 可編程控制系統(tǒng)發(fā)展歷程

自20世紀(jì)60年代開始，隨著微電子、計算機(jī)、信息處理等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)逐漸替代模擬控制系統(tǒng)，可編程工業(yè)控制系統(tǒng)開始登上歷史舞臺。這類系統(tǒng)主要經(jīng)歷了集中式控制系統(tǒng)（Centralised Control System， CCS）、分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System， DCS）、總線式控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System， FCS）3個發(fā)展階段［16］，如圖1所示。集中式控制系統(tǒng)是由一臺主機(jī)作為核心控制單元，通過計算機(jī)板卡擴(kuò)展外部通用信號接口，對系統(tǒng)中各個外設(shè)進(jìn)行直接控制的系統(tǒng)。由于采用單個控制器單元，外設(shè)數(shù)量、控制算法復(fù)雜程度等因素的增加，導(dǎo)致系統(tǒng)處理能力受到限制。

分布式控制系統(tǒng)以微處理器為基礎(chǔ)，將由主機(jī)實現(xiàn)的控制功能分散到各個子控制器模塊中，使子控制器模塊具有較強(qiáng)的局部處理功能，主機(jī)用于完成協(xié)調(diào)控制功能。其特點在于對系統(tǒng)采用集中管理，各外設(shè)通過子控制器分散控制。這種分布式結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)工作的可靠性，但存在硬軟件標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，不易實現(xiàn)開放互聯(lián)的問題。

總線式控制系統(tǒng)則主要依托于各種工業(yè)現(xiàn)場總線，系統(tǒng)主機(jī)（站）通過總線通信管理的方式對總線上的從站外設(shè)節(jié)點進(jìn)行實時控制和管理操作，實現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議下各功能模塊的開放式互聯(lián)［17］。這種集計算技術(shù)、總線技術(shù)與控制技術(shù)為一體的開放式工業(yè)控制系統(tǒng)體系架構(gòu)，相比CCS和DCS，在系統(tǒng)可靠性、使用靈活性、功能多樣性、架構(gòu)開放性、設(shè)備成本等多個方面都具有較大的優(yōu)勢。尤其是實時以太網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場總線中的廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，基于實時以太網(wǎng)總線的FCS已成為工業(yè)過程控制與裝備自動化領(lǐng)域可編程控制系統(tǒng)的主流架構(gòu)。

圖1 可編程控制系統(tǒng)發(fā)展階段示意圖Fig.1 Schematic diagram of programmable control system development stage

2.2 可編程控制系統(tǒng)發(fā)展架構(gòu)特點

早期的可編程控制系統(tǒng)大都采用相對封閉的硬軟件結(jié)構(gòu)。在硬件上，采用專用的IO控制模塊、電源模塊和專用的中低速總線，硬件模塊定制化程度較高，缺乏兼容性。軟件上，各廠商都推出了各自的軟件開發(fā)環(huán)境且都采用梯形圖、語句表等編程語言，但其組態(tài)方式、尋址空間、語言結(jié)構(gòu)等均有較大不同?？偩€上，各大廠商使用的總線及協(xié)議不盡相同，如西門子的Profibus，三菱的CC-Link、貝加萊的Powerlink、施耐德的Modbus-IDA等總線。各廠商的可編程控制系統(tǒng)硬軟件互不兼容，具有較高的技術(shù)壁壘，嚴(yán)重阻礙了總線技術(shù)發(fā)展和不同廠商產(chǎn)品的互聯(lián)互通。

FCS具有現(xiàn)場總線及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、從站節(jié)點控制器模塊化、邏輯與運(yùn)動控制編程開發(fā)環(huán)境集成化、系統(tǒng)互聯(lián)開放化等特征。這些特征使得可編程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能由過去的封閉式走向開放式。當(dāng)前，總線式可編程控制系統(tǒng)的架構(gòu)和開發(fā)應(yīng)用具有以下主要特點：

（1）在總線方面，采用具有高同步性能的實時以太網(wǎng)總線及標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用層協(xié)議。在符合IEEE802.3規(guī)范的以太網(wǎng)物理層接口的基礎(chǔ)上設(shè)計適應(yīng)工業(yè)控制的鏈路層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使它具有高的實時和同步性能，是實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線接口技術(shù)研制的核心內(nèi)容。當(dāng)前，應(yīng)用較廣的實時以太網(wǎng)總線有Ethernet/IP，EthernetPowerlink，Profinet，及EtherCAT等。這些總線的物理層、鏈路層均采用通用以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)，主要區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層實現(xiàn)實時性的方法。其實時控制周期可小于1 ms甚至100 μs，同步性能也能達(dá)到100 ns以內(nèi)［18］，為可編程控制系統(tǒng)的總線選擇提供了較大的空間。

應(yīng)用層協(xié)議用于屏蔽總線物理層、鏈路層差異，為用戶層提供統(tǒng)一的總線讀寫操作服務(wù)接口。應(yīng)用層協(xié)議及協(xié)議棧對總線式可編程控制系統(tǒng)的主站、從站用戶程序設(shè)計有直接的影響。在眾多應(yīng)用層協(xié)議中，CANopen 協(xié)議是一種占有重要地位的標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議由CiA（CAN-in-Automation）組織1992年發(fā)布，其主要特點是通過“數(shù)據(jù)字典（Object Dictionary，OD）”對工業(yè)控制系統(tǒng)中各節(jié)點設(shè)備的功能和網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行描述［19］。依靠CANopen 協(xié)議的支持，主機(jī)可通過總線對不同廠商的CANopen設(shè)備進(jìn)行靈活配置。將CANOPEN協(xié)議與實時以太網(wǎng)相結(jié)合，形成了不同類型的實時以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議，如Powerlink，COE（CANopen over EtherCAT）應(yīng)用層協(xié)議等。

（2）在系統(tǒng)硬件方面，主站和從站越來越通用化?？偩€式可編程控制系統(tǒng)一般由主站和多個測控從站通過實時以太網(wǎng)總線連接構(gòu)成。對主站總線接口硬件而言，可直接采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡或集成在嵌入式主板上的通用以太網(wǎng)控制器，因此主站有較大的選擇余地。但對于從站而言，則需要通過專用實時以太網(wǎng)總線接口芯片來實現(xiàn)從站處理器對總線數(shù)據(jù)的收發(fā)操作。隨著總線接口芯片技術(shù)的日臻成熟，用于實現(xiàn)數(shù)字量IO、模擬量輸入輸出、編碼器檢測、運(yùn)動控制、伺服驅(qū)動等現(xiàn)場測控功能的從站與實時總線的數(shù)據(jù)交換不再困難。這也促進(jìn)了從站標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度的提高，具有實時以太網(wǎng)接口的從站類型、規(guī)格會愈加豐富，性價比會不斷提升，使未來可編程控制系統(tǒng)的從站硬件選擇和系統(tǒng)構(gòu)建過程變得更加簡單快捷。

（3）在編程開發(fā)工具軟件方面，功能更加豐富?？偩€式控制系統(tǒng)的工具軟件主要涉及自動化編程和人機(jī)交互界面編程兩個方面。自動化編程軟件是一種用于工控語言編程調(diào)試的集成化開發(fā)平臺，能夠按照IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 的 指 令 表（IL）、梯 形 圖（LD）、功 能 塊 圖（FBD）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）和順序功能圖（SFC）5種編程語言進(jìn)行邏輯控制、運(yùn)動控制程序的混合編程和在線調(diào)試［20］。人機(jī)交互界面編程軟件主要用于總線式控制系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示和外部指令等人機(jī)交互方式的設(shè)計。這兩種軟件相輔相成，共同決定著工控系統(tǒng)編程的質(zhì)量和效率。編程開發(fā)工具軟件已成為衡量可編程控制系統(tǒng)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。目前，應(yīng)用較多的編程工具軟件主要以德國的產(chǎn)品為主，如3S公司的CoDeSys3、KW公司的KW-Software、西門子公司的SIMATIC WinAC、倍福公司的Twin-CAT3等。這些工具軟件具有多語言混合編程、實時多任務(wù)、仿真與在線調(diào)試、支持Modbus 接口協(xié)議、能支持多種總線類型、硬軟件擴(kuò)展性好等共性特點。這些功能特點涵蓋了控制系統(tǒng)項目在編程、調(diào)試、管理、維護(hù)等各個階段所需的軟件開發(fā)及協(xié)同管理工作，使得編程標(biāo)準(zhǔn)化和可移植性顯著提高，在同一個工具軟件平臺通過控制邏輯和人機(jī)交互界面的“軟件組態(tài)”就能進(jìn)行可編程控制系統(tǒng)的快速可重構(gòu)開發(fā)，實現(xiàn)完整的自動化解決方案，還會顯著降低人力、研發(fā)、培訓(xùn)和技術(shù)支持的成本。

（4）在應(yīng)用軟件開發(fā)方面，IEC61131-3語言和PLCopen規(guī)范相結(jié)合成為主要的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)樣式。在以IEC61131-3語言編程調(diào)試為基礎(chǔ)的集成化開發(fā)平臺上，采用IEC61131-3的5種編程語言以及與C/C++的混合編程可以靈活實現(xiàn)對被控設(shè)備對象的邏輯、運(yùn)動、安全等控制功能的軟件開發(fā)。但在制造機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等需要多軸伺服電機(jī)高精度協(xié)同控制的高端裝備應(yīng)用場合，所設(shè)計的應(yīng)用軟件在一定程度上仍存在對系統(tǒng)硬件依賴性強(qiáng)、開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化程度不高、繼承復(fù)用性不理想的問題。針對某類工業(yè)裝備的控制應(yīng)用需求，基于PLCopen規(guī)范，通過IEC61131-3編程語言進(jìn)行運(yùn)動控制、工藝過程控制、安全控制等應(yīng)用軟件功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)，進(jìn)而建立該類裝備運(yùn)行控制的完整軟件功能塊庫，已成為當(dāng)前可編程控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件研究的主要技術(shù)途徑［21］。對應(yīng)用軟件開發(fā)者而言，通過調(diào)用功能塊即可快速實現(xiàn)對裝備的復(fù)雜運(yùn)動控制。所開發(fā)的功能塊庫具有與主從站硬件的依賴性低、工藝知識封裝與隱藏性好、便于跨平臺復(fù)用、易于智能化升級的特點。隨著硬件成本的不斷降低，可編程控制系統(tǒng)的核心技術(shù)競爭力主要表現(xiàn)在功能塊庫的差化方面。作為“軟件定義機(jī)器”理念的具體實現(xiàn)樣式，這些功能塊庫也將成為未來企業(yè)的重要數(shù)字資源和提高自身市場競爭力的主要內(nèi)容。

（5）在系統(tǒng)應(yīng)用方面，開放性互聯(lián)能力不斷增強(qiáng)。與工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備和傳感器直接連接，獲取各類現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備的自動化控制，是可編程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)。但隨著企業(yè)信息化、智能化水平的提高，迫切需要將部分有價值的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至上層MES/ERP管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)車間、企業(yè)，以及更高層級的設(shè)備運(yùn)營決策優(yōu)化。特別是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造和大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用，對總線式可編程控制系統(tǒng)的開放互聯(lián)性能提出了更高的要求，但現(xiàn)有總線系統(tǒng)間的應(yīng)用層協(xié)議差異較大，難以滿足需求。如何直接獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，嵌入IT接口和安全訪問技術(shù)，實現(xiàn)開放式互聯(lián)，已成為可編程控制系統(tǒng)發(fā)展的一個重要特點。OPC基金會提出的統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）模型作為一種自動化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換互操作性標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)制造管理系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備、車間、企業(yè)、云端等層級間數(shù)據(jù)的高安全性無縫數(shù)據(jù)交換，是近年工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究熱點之一［22］。特別值得關(guān)注的是，OPC UA與PLCopen兩個國際組織在OPC UA信息模型和IEC61131-3功能結(jié)構(gòu)模型的合作，通過IEC61131-3語言來搭建符合OPC UA規(guī)范的數(shù)據(jù)交換模型，并提出了PLCopen OPC-UA規(guī)范，開發(fā)了OPC UA客戶端功能模塊，使得可在PLCopen編程開發(fā)環(huán)境下通過客戶端功能塊調(diào)用即可方便地實現(xiàn)與系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

2.3 總線式可編程控制系統(tǒng)技術(shù)體系

多年來，在核高基、高端數(shù)控機(jī)床及基礎(chǔ)制造裝備等國家重大專項的支持下，國產(chǎn)化CPU、FPGA芯片、操作系統(tǒng)軟件等硬軟件技術(shù)已取得長足進(jìn)步。國產(chǎn)元器件產(chǎn)業(yè)化能力顯著增強(qiáng)，使可編程控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計有了更大的選擇空間。在高性能運(yùn)動控制系統(tǒng)、工業(yè)編程軟件和HMI軟件開發(fā)等方面，我國已掌握一批關(guān)鍵技術(shù)，并具備了可編程控制系統(tǒng)自主可控研究的基礎(chǔ)條件。

典型的總線式可編程控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。其中，嵌入式計算機(jī)（主站）通過實時以太網(wǎng)總線將節(jié)點控制器（從站）進(jìn)行連接并組網(wǎng)。在符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中編寫邏輯和運(yùn)動控制程序，經(jīng)過編譯后下載至主站。主站運(yùn)行過程中根據(jù)代碼的執(zhí)行流程，在程序組織單元（POU）中向各從站發(fā)送控制指令。各從站在接收主站控制指令后，控制相應(yīng)的末端設(shè)備并采集設(shè)備狀態(tài)信息通過總線返回至主站。人機(jī)界面（HMI）組態(tài)軟件用于人機(jī)交互方式設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)指令輸入和各從站狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示。由此可知，嵌入式主站、實時以太網(wǎng)總線、各種功能類型從站、IDE以及HMI組態(tài)軟件等5個方面的硬軟件共同構(gòu)成了可編程控制系統(tǒng)的產(chǎn)品生態(tài)體系。

圖2 FCS系統(tǒng)構(gòu)成原理Fig.2 Schematic diagram of FCS system composition

研發(fā)可編程控制系統(tǒng)的核心就是對圖2中典型系統(tǒng)各構(gòu)成部分的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。

圖3為總線式可編程控制系統(tǒng)涉及到的相關(guān)技術(shù)。除硬軟件關(guān)鍵技術(shù)以外，圖中還增列出了安全設(shè)計技術(shù)。這是因為隨著裝備信息化、智能化的發(fā)展，控制和信息互聯(lián)程度越來越高，裝備運(yùn)行面臨更多安全威脅，對可編程控制系統(tǒng)的安全性功能提出了更高的要求。安全總線、安全控制、安全從站、安全伺服驅(qū)動、安全設(shè)計軟件和智能安全等技術(shù)已成為未來高端可編程控制技術(shù)和市場競爭的焦點［23］。為提高市場競爭力，必須高度重視可編程控制系統(tǒng)的功能安全和信息安全問題的理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。

圖3 總線式可編程控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Technical architecture of fieldbus programmable control system

總線式可編程控制系統(tǒng)研發(fā)涉及機(jī)械、微電子、計算機(jī)、控制等多個學(xué)科，共同構(gòu)成了技術(shù)生態(tài)鏈條。單在鏈條中的某一環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，很難取得技術(shù)突破，形成完整的系統(tǒng)級產(chǎn)品。必須在整個技術(shù)生態(tài)鏈條上的各個環(huán)節(jié)同步持續(xù)發(fā)力，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)主站、總線、從站硬件和集成開發(fā)環(huán)境、HMI組態(tài)軟件開發(fā)等成套關(guān)鍵技術(shù)的整體突破，才能真正具備可編程控制系統(tǒng)的自主可控研發(fā)能力。

3 總線式可編程控制系統(tǒng)自主可控關(guān)鍵技術(shù)

總線式可編程控制系統(tǒng)研制涉及技術(shù)生態(tài)鏈條長、關(guān)鍵技術(shù)復(fù)雜，需要長期的技術(shù)積累。

3.1 自主可控研發(fā)的技術(shù)途徑

總線式可編程控制系統(tǒng)自主可控研發(fā)的內(nèi)涵與目標(biāo)是：基于國產(chǎn)CPU、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)芯片和軟件，圍繞主站、總線、從站硬件和集成開發(fā)環(huán)境、HMI組態(tài)軟件等總線式可編程控制系統(tǒng)技術(shù)鏈條中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展全面的研究，建立較完備的研發(fā)生態(tài)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)成果，在硬軟件設(shè)計、加工檢測、運(yùn)行維護(hù)等方面具備獨立可控、不受制于人的研發(fā)能力。圖4為我們開發(fā)的總線式可編程控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

在系統(tǒng)主站研發(fā)方面，硬件上采用集成國產(chǎn)CPU，SOC等芯片，具有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口、串口、GPIO等外設(shè)的嵌入式主板，軟件上采用國產(chǎn)實時操作系統(tǒng)。

在從站研發(fā)方面，硬件上以國產(chǎn)SoC芯片為核心控制器件，根據(jù)數(shù)字量IO、模擬量AD/DA、伺服控制、通信轉(zhuǎn)換等控制功能的需求，進(jìn)行不同類型外設(shè)電路的設(shè)計。為減少硬件資源的占用率，提高運(yùn)行實時性，從站不安裝實時操作系統(tǒng)，對CANopen協(xié)議棧、總線控制器接口操作、外設(shè)底層操作均采用C/C++直接編寫。

在實時以太網(wǎng)總線控制器方面，實時性和同步性是衡量總線式可編程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能的核心指標(biāo)。在物理層符合以太網(wǎng)物理鏈路標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3的條件下，實時性和同步性主要取決于介質(zhì)訪問控制子層（MAC層）的數(shù)據(jù)交換速度和交換方式。因此，須根據(jù)控制過程的實時與非實時數(shù)據(jù)傳輸特點，設(shè)計能在FPGA或ASIC芯片上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路層傳輸協(xié)議IP核，才能保證網(wǎng)絡(luò)幀的實時傳輸和同步性能。

在軟件IDE方面，以國產(chǎn)實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對開源的IEC61131-3 IDE的架構(gòu)及原理進(jìn)行剖析，提出包含IDE和主站運(yùn)行環(huán)境（Runtime）的編程開發(fā)環(huán)境構(gòu)件方案，并開展硬件組態(tài)配置、IEC61131-3編程、CANopen協(xié)議棧、C代碼轉(zhuǎn)換、程序下載及調(diào)試、HMI數(shù)據(jù)訪問等功能插件的研究，以實現(xiàn)IEC61131-3五種編程語言的可視化開發(fā)。

在人機(jī)交互界面HMI組態(tài)軟件方面，HMI是可編程控制系統(tǒng)的“窗口”，用于實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)視和控制，起著人機(jī)交互顯示操控的重要作用。HMI功能的實現(xiàn)主要取決于運(yùn)行于控制系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制的有效性和顯示操作控件設(shè)計的快捷性。前者一般采用MODBUS數(shù)據(jù)交換協(xié)議在主站中通過軟件功能插件的形式實現(xiàn)，后者則可借助通用的HMI組態(tài)軟件進(jìn)行快速開發(fā)。

在PLCopen功能塊庫開發(fā)方面，首先開展基于PLCopen規(guī)范的運(yùn)動控制功能庫架構(gòu)設(shè)計和快速開發(fā)方法的研究，以掌握基于IEC61131-3編程語言的運(yùn)動控制、安全控制等PLCopen功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)方法，進(jìn)而具備能對典型裝備運(yùn)動過程進(jìn)行建模分析和功能塊庫快速研制的能力。

圖4 總線式可編程控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.4 Schematic diagram of autonomous PMC system

3.2 主從站硬件標(biāo)準(zhǔn)化

主站是可編程控制系統(tǒng)的“大腦”，用于完成邏輯與運(yùn)動控制功能執(zhí)行、從站任務(wù)調(diào)度與管理、總線實時數(shù)據(jù)傳輸、HMI界面通信等任務(wù)。主站對外接口單一，以網(wǎng)絡(luò)通信為主。以國產(chǎn)X86架構(gòu)的處理器芯片為核心的嵌入式計算機(jī)平臺就可以實現(xiàn)主站功能。目前，性能優(yōu)越的嵌入式國產(chǎn)CPU處理器芯片主要包括飛騰系列、龍芯系列以及申威系列等［24］。為了充分發(fā)揮國產(chǎn)處理器的性能特點，需對國產(chǎn)CPU硬件環(huán)境的信號完整性、功能模塊與CPU通信接口、基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)運(yùn)行問題進(jìn)行優(yōu)化。主站的硬件架構(gòu)如圖5所示，包括主控CPU、電源模塊、USB設(shè)備輸入接口、HDMI顯示輸出接口、SATA硬盤接口、DDR3內(nèi)存單元、兩路獨立的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口、RS232通信接口、CAN總線接口和GPIO接口等。

圖5 主站硬件架構(gòu)Fig.5 Master station hardware architecture

從站作為工業(yè)現(xiàn)場末端設(shè)備的控制器，接收現(xiàn)場總線指令，直接控制對不同類型的工業(yè)現(xiàn)場末端設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)信息采集。根據(jù)外部設(shè)備控制原理、接口類型等差異，在通用的處理器電路和通信電路基礎(chǔ)上，設(shè)計針對不同外設(shè)的電路結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)從站模塊化開發(fā)的有效手段。通過對設(shè)備控制模型的分析與整合，設(shè)計了具有開關(guān)量輸入輸出的數(shù)字量IO從站、具有模擬電壓、電流采集與輸出的模擬量IO從站、集成伺服控制算法的運(yùn)動控制從站、具有現(xiàn)場總線與其他通信方式兼容的通信轉(zhuǎn)換從站。從站采用集成Cortexm3內(nèi)核的國產(chǎn)SoC芯片作為從站主控單元，在國產(chǎn)大容量FPGA中集成現(xiàn)場總線協(xié)議，形成從站主控和通信相關(guān)的硬件架構(gòu)。模塊化的從站硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 從站硬件架構(gòu)Fig.6 Schematic diagram of slave station hardware

3.3 實時以太網(wǎng)總線控制器

實時以太網(wǎng)總線是FCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)系統(tǒng)整體連接的關(guān)鍵“橋梁”。目前，典型的實時以太網(wǎng)總線如EtherCAT，POWERLINK和PROFINET，是在以太網(wǎng)物理鏈路標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3的基礎(chǔ)上，保留物理層接口與傳輸線路，修改了數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使數(shù)據(jù)傳輸獲得實時性［25］。因此，采用國產(chǎn)核心器件搭建標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件平臺，針對工業(yè)控制過程中實時與非實時數(shù)據(jù)的傳輸特點，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)幀實時傳輸、通信同步等方法，是實現(xiàn)實時以太網(wǎng)總線自主可控的關(guān)鍵。

使用Verilog語言對實時以太網(wǎng)鏈路層協(xié)議進(jìn)行開發(fā)，并封裝成IP核集成在國產(chǎn)FPGA中作為總線控制器，可縮短開發(fā)時間，便于升級、維護(hù)。設(shè)計的總線控制器模塊如圖7所示，主要包括2路獨立的MII接口模塊、數(shù)據(jù)訪問接口、寄存器模塊、通信控制模塊和同步控制模塊。其中，MII接口模塊用于控制100 Mb/s通用型PHY芯片，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)底層數(shù)據(jù)收發(fā)；數(shù)據(jù)訪問接口用于總線控制器與從站主控芯片之間數(shù)據(jù)傳輸，主要包括對總線控制器進(jìn)行配置、讀取總線控制器中接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、將外設(shè)狀態(tài)信息寫入總線控制器后發(fā)送至主站、產(chǎn)生通信中斷及同步信號；寄存器模塊用于存放總線控制器信息、配置、通道數(shù)據(jù)等參數(shù)；通信控制模塊對通信過程中產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)（周期傳輸）和服務(wù)數(shù)據(jù)（非周期傳輸）進(jìn)行獨立的通道管理，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確性與實時性；同步控制模塊集成基于IEEE1588精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議，計算網(wǎng)絡(luò)通信幀在各從站間傳輸?shù)难訒r并進(jìn)行補(bǔ)償，通過數(shù)據(jù)訪問接口的SYNC信號，產(chǎn)生精準(zhǔn)的同步信號。

圖7為實時以太網(wǎng)總線數(shù)據(jù)傳輸原理。主站發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀至從站以太網(wǎng)接口1，總線控制器的MII接口模塊1將網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)讀取后由通信控制模塊處理后存放在寄存器模塊中。此時，數(shù)據(jù)訪問接口根據(jù)同步控制模塊產(chǎn)生通信中斷信號和同步信號。從站主控芯片通過數(shù)據(jù)訪問接口將總線控制器接收到的數(shù)據(jù)讀出，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將鏈路層協(xié)議轉(zhuǎn)換為應(yīng)用層協(xié)議后送入應(yīng)用層協(xié)議棧。協(xié)議棧更新對象字典中數(shù)據(jù)，控制設(shè)備操作模型對外設(shè)進(jìn)行控制。外設(shè)狀態(tài)參數(shù)由傳感器采集后寫入對象字典，并通過協(xié)議轉(zhuǎn)換后存入總線控制器的寄存器模塊中。在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀抵達(dá)總線控制器時，通信控制模塊將寄存器中外設(shè)狀態(tài)參數(shù)寫入網(wǎng)絡(luò)幀并由MII接口模塊2發(fā)送至總線。

圖7 實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸原理Fig.7 Schematic diagram of real-time Ethernet data transmission

3.4 基于IEC61131-3的可視化編程與調(diào)試

IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了PLC，DCS，CNC等系統(tǒng)的編程標(biāo)準(zhǔn)，包括IL，LD，F(xiàn)BD，ST，SFC五種編程語言。這種標(biāo)準(zhǔn)化編程方式簡化了邏輯和運(yùn)動控制代碼編寫的過程，改變了傳統(tǒng)基于C/C++等底層語言的繁瑣編程模式，使用戶能方便高效地進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)［26］。在國產(chǎn)操作系統(tǒng)或Linux操作系統(tǒng)中設(shè)計一套具有IEC61131-3邏輯和運(yùn)動控制編程、代碼轉(zhuǎn)換編譯、調(diào)試與下載功能的IDE是可編程控制系統(tǒng)軟件自主可控的基礎(chǔ)。

構(gòu)成IDE的功能組件主要包括硬件組態(tài)配置插件、IEC61131-3編程插件（GUI）、C代碼轉(zhuǎn)換插件、程序下載及調(diào)試插件。此外，在主站中集成代碼管理插件來實現(xiàn)主站與軟件集成開發(fā)環(huán)境之間的通信和管理，也是實現(xiàn)可視化編程調(diào)試不可缺少的環(huán)節(jié)。其中，硬件組態(tài)配置插件根據(jù)實際系統(tǒng)上從站數(shù)量、類型、對應(yīng)的節(jié)點號等信息，形成整個系統(tǒng)的硬件連接關(guān)系，并生成系統(tǒng)組態(tài)文件，為主站實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度提供準(zhǔn)確的設(shè)備信息。IEC61131-3編程插件根據(jù)生成的系統(tǒng)組態(tài)文件，采用IEC61131-3定義的五種編程語言，進(jìn)行系統(tǒng)整體邏輯功能的編程操作。這五種編程語言各有其優(yōu)勢，在編程時可采用一種或使用多種進(jìn)行混合編程。C代碼轉(zhuǎn)換插件將設(shè)計完成的IEC61131-3邏輯代碼轉(zhuǎn)換為主站系統(tǒng)平臺可以執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)C代碼，為后續(xù)程序下載、調(diào)試等操作做好準(zhǔn)備。由于ST的語法邏輯與C語言相似，插件首先將IEC61131-3其他語言轉(zhuǎn)換為ST語言，再將ST轉(zhuǎn)換為C代碼。程序下載及調(diào)試插件操作以太網(wǎng)接口，將生成的C代碼以及組態(tài)文件傳輸至主站用于程序下載/調(diào)試的網(wǎng)絡(luò)端口。在主站運(yùn)行過程中與主站中代碼管理插件進(jìn)行程序中的控制、狀態(tài)變量的實時通信，通過在線修改相關(guān)變量參數(shù)實現(xiàn)調(diào)試功能。代碼管理插件集成在主站程序中，實現(xiàn)與軟件集成開發(fā)環(huán)境中程序下載及調(diào)試插件的實時通信。此外，通過接收系統(tǒng)邏輯功能C代碼和組態(tài)文件，調(diào)用本地C/C++編譯器，生成主站程序框架內(nèi)具有完成系統(tǒng)邏輯功能的可執(zhí)行文件，并集成在主站程序組織單元中。

圖8展示了軟件集成開發(fā)環(huán)境結(jié)構(gòu)以及編程調(diào)試流程。用戶在軟件集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行硬件組態(tài)和符合IEC61131-3的程序編寫后，通過網(wǎng)口將程序可執(zhí)行的C代碼下載到主站中。主站的代碼管理插件對C代碼進(jìn)行編譯，然后將可執(zhí)行文件集成于主站POU中。最后，POU調(diào)用總線以太網(wǎng)端口進(jìn)行總線通信，實現(xiàn)對系統(tǒng)各從站和末端設(shè)備的控制。

圖8 IDE功能原理Fig.8 IDE functional schematic

3.5 HMI組態(tài)編程

在可編程控制系統(tǒng)中，HMI組態(tài)軟件是一種可快速開發(fā)的工業(yè)自動化控制場景狀態(tài)監(jiān)測、管理控制的可視化軟件，也是實現(xiàn)人機(jī)交互的重要工具［27］。HMI組態(tài)軟件由界面開發(fā)環(huán)境和HMI運(yùn)行程序構(gòu)成。其中，界面開發(fā)環(huán)境用于設(shè)計HMI界面顯示、圖形、通信等相關(guān)結(jié)構(gòu)，HMI運(yùn)行程序則是在目標(biāo)平臺上實現(xiàn)最終HMI功能的程序?？紤]到系統(tǒng)通用性和自主可控的需求，在通用的Windows/Linux操作系統(tǒng)中采用C語言在跨平臺軟件開發(fā)環(huán)境QT上進(jìn)行HMI界面開發(fā)，在Linux以及國產(chǎn)操作系統(tǒng)中運(yùn)行所生成的界面程序，實現(xiàn)了HMI組態(tài)編程軟件的跨平臺運(yùn)行。

圖9為HMI組態(tài)軟件功能架構(gòu)。界面開發(fā)環(huán)境運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)中，用戶通過工程項目管理組件、系統(tǒng)參數(shù)配置組件、監(jiān)控界面繪制組件、通信管理組件以及界面程序生成組件開發(fā)和設(shè)計符合實際控制需求的HMI界面。其中，工程項目管理組件可對HMI界面開發(fā)過程進(jìn)行管理和優(yōu)化；系統(tǒng)參數(shù)配置組件對所設(shè)計的HMI界面運(yùn)行設(shè)備、界面的屏幕分辨率、界面的圖像刷新率等參數(shù)進(jìn)行配置；監(jiān)控界面繪制組件提供了HMI界面圖形和動畫的開發(fā)工具以及標(biāo)準(zhǔn)化的按鈕、開關(guān)等插件；通信管理組件定義了工業(yè)控制常用的通信協(xié)議如Modbus-TCP，Modbus-RTU等。在完成HMI界面開發(fā)后，在界面程序生成組件中整合所有相關(guān)的界面設(shè)計的結(jié)果文件，打包生成HMI運(yùn)行程序，并通過以太網(wǎng)或USB將HMI運(yùn)行程序數(shù)據(jù)下載到Linux/國產(chǎn)操作系統(tǒng)的程序運(yùn)行平臺中。HMI運(yùn)行程序在平臺中通過實時通信組件建立與主站的實時通信，對實時數(shù)據(jù)庫組件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。同時，界面圖控組件會根據(jù)用戶的操作，實時地向數(shù)據(jù)庫中更新界面狀態(tài)。由此形成了基于實時數(shù)據(jù)庫的界面操作協(xié)議，實現(xiàn)了HMI組態(tài)軟件與主站的數(shù)據(jù)交換。

圖9 HMI組態(tài)軟件框架原理Fig.9 Schematic diagram of HMI software framework

3.6 PLCopen功能庫

PLCopen規(guī)范是一種不依賴硬件框架的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的工業(yè)控制軟件編程方法，包括邏輯編程規(guī)范、運(yùn)動控制規(guī)范、XML規(guī)范、安全規(guī)范及OPC-UA規(guī)范，如圖10所示。基于組件化的軟件復(fù)用思想，可將通用的功能塊進(jìn)行組合設(shè)計并封裝成可實現(xiàn)被控對象復(fù)雜程序功能的模塊化程序單元［28］。用戶在編程時通過調(diào)用功能塊并定義邏輯連接、輸入輸出接口變量即可使用，大大提高了系統(tǒng)編程效率和資源利用率。在具有標(biāo)準(zhǔn)化硬件、總線、程序開發(fā)方法的FCS系統(tǒng)中，完善的、符合被控對象特性的PLCopen功能庫是高端可編程控制系統(tǒng)數(shù)字資產(chǎn)和軟實力的重要體現(xiàn)。

圖10 PLCopen規(guī)范構(gòu)成Fig.10 PLCopen specification composition

在PLCopen規(guī)范中，運(yùn)動控制功能的實現(xiàn)取決于三個基本要素：運(yùn)動控制功能塊算法邏輯實現(xiàn)、軸狀態(tài)機(jī)以及軸信息結(jié)構(gòu)體［29］。其中，運(yùn)動控制功能塊主要實現(xiàn)運(yùn)動控制相關(guān)的算法（如加減速規(guī)劃、電子凸輪、插補(bǔ)等）［30］；軸狀態(tài)機(jī)則是描述軸當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)以及可能存在的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)關(guān)系；軸信息結(jié)構(gòu)體則描述了被控軸的所有參數(shù)。圖11詳細(xì)描述了PLCopen功能塊的工作原理。在主站中根據(jù)運(yùn)動控制基本模型建立軸狀態(tài)機(jī)，定義了電機(jī)軸的所有運(yùn)動狀態(tài)以及各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系。在IDE中利用IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)功能塊，開發(fā)軸狀態(tài)機(jī)中每個運(yùn)動狀態(tài)對應(yīng)的運(yùn)控控制功能塊，從而形成完整的運(yùn)動控制功能庫。由于運(yùn)動控制從站中集成了基本的三環(huán)控制算法，所以PLCopen功能塊算法的原理是在時間軸下對從站三環(huán)控制的基本指令、模式等參數(shù)的邏輯和時序控制。因此，建立一個與從站軸控制相同并且反映軸運(yùn)行所有信息的結(jié)構(gòu)體，是網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)下PLCopen運(yùn)動控制功能塊實現(xiàn)的核心。軸信息結(jié)構(gòu)體的本質(zhì)是從站對象字典中反映軸在運(yùn)行過程中所有對象的集合，通過實時以太網(wǎng)總線對軸信息結(jié)構(gòu)體與從站對象字典的實時更新，實現(xiàn)了運(yùn)動控制功能庫的功能。

圖11 PLCopen運(yùn)動控制功能庫實現(xiàn)原理Fig.11 Working principle of PLCopen motion control functions

4 結(jié) 論

本文針對工業(yè)控制和裝備制造領(lǐng)域的可編程控制系統(tǒng)自主可控問題，在工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前流行的FCS組成架構(gòu)、工作原理及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入分析，提出了自主可控可編程控制系統(tǒng)架構(gòu)。通過剖析構(gòu)成可編程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件的功能原理，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)技術(shù)水平與自主可控要求，提出了可編程控制系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)途徑和關(guān)鍵技術(shù)解決思路。形成了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的自主可控主從站硬件設(shè)計方法，自主可控實時以太網(wǎng)總線接口及協(xié)議開發(fā)方法，符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的可視化編程、調(diào)試方法，跨平臺HMI組態(tài)編程方法，符合PLCopen規(guī)范的軟件定義功能塊的開發(fā)方法。該方法能夠為未來智能制造裝備國產(chǎn)化控制系統(tǒng)提供完整可靠的解決方案。

在自主可控工業(yè)控制技術(shù)被列入國家戰(zhàn)略的新時期，整合國內(nèi)在制造業(yè)、電子信息、計算機(jī)等領(lǐng)域的技術(shù)，堅持智能制造裝備的國產(chǎn)化發(fā)展理念，努力突破基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，形成國產(chǎn)可編程控制技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)品生態(tài)鏈，從而打破歐美發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壟斷，促進(jìn)我國高端制造裝備的長遠(yuǎn)發(fā)展。