文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）05-068-06中圖分類(lèi)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；分布式控制體系；汽車(chē)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)

1　前言

傳統的控制系統一般采用PLC集中式的控制模式^[1]，但集中式控制系統中存在著(zhù)主控PLC故障，整個(gè)系統將停止工作的問(wèn)題，且需要配置更多的I/O及設備，這就導致了整個(gè)系統的調試時(shí)間變多、控制標準化難等問(wèn)題。

隨著(zhù)汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，嵌入式控制系統^[9]借助芯片技術(shù)的發(fā)展，集成實(shí)時(shí)控制系統與非實(shí)時(shí)軟件應用，其性能更加強大，內存占用更少，可以配置不同的要求，滿(mǎn)足控制要求，在未來(lái)幾年內必將獲得長(cháng)足的發(fā)展^[2]。但分布式系統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(shí)存在著(zhù)很大的不確定性，所以提高分布式控制體系的實(shí)時(shí)性是目前需要解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

基于IEC 61499標準的分布式控制顯然更符合未來(lái)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的發(fā)展趨勢。由于IEC 61499具有對事件驅動(dòng)功能塊FB重新配置的支持，基于此特性，未來(lái)有望可以實(shí)現對嵌入式控制系統在分布式控制體系中的控制軟件建模，從而實(shí)現可靠的領(lǐng)域特定控制建模。

2　嵌入式控制系統的介紹

芯片技術(shù)是嵌入式控制系統發(fā)展的重要基礎^[2]，正是隨著(zhù)芯片技術(shù)的提高，算法和軟件才能有所進(jìn)步，嵌入式控制系統才能得以迅速發(fā)展。嵌入式系統是以實(shí)際應用為中心，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用要求的制約。在智能控制設備、便攜式智能儀器等應用場(chǎng)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備內部，且占用的空間盡可能小，在這種情況下，處理器沒(méi)有自帶一定容量的硬盤(pán)，只有有限容量的內存及常用的Flash電子盤(pán)。

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

汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)各個(gè)工位具有很強的相似性，模塊化設計各個(gè)工位的控制，可實(shí)現現場(chǎng)設備可復制，可提高控制軟件編程、設備安裝調試和日后檢修的效率。

3　嵌入式控制系統的詳細設計方案

3.1　架構設計

系統以嵌入式處理器為核心，應用程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行更新，通過(guò)個(gè)人PC進(jìn)行編程調試，通過(guò)WEB實(shí)現人機交互。重要數據可以文件形式保存在硬盤(pán)中，數據和報警信息還可通過(guò)EtherCat工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)向上位機傳輸。用戶(hù)通過(guò)WEB界面查看設備狀態(tài)、設置設備參數，實(shí)現遠程監控及維護。系統框架圖如圖1所示。

圖1 系統框架圖

3.2　硬件設計

硬件運行平臺是嵌入式控制器開(kāi)發(fā)與應用的基礎，整個(gè)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，通過(guò)RS-485與IO擴展板進(jìn)行串接。嵌入式控制器硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

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

底板硬件設計如圖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，通過(guò)RJ45引出，其中一路支持TSN；

Uart：通過(guò)電平轉換芯片轉換為485電平信號；

PCIe：采用標準PCIex1卡接口，支持PCI ExpressGen3；

RS485：用于主控制板與IO擴展板之間的串行鏈接；

HDMI：支持HDMI2.0a顯示，分辨率高達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104MB/s；

RTC：板載獨立RTC芯片，底板斷電后可通過(guò)紐扣電池記錄時(shí)間；

Debug Uart：對核心板載Cortex-A53和M7的調試串口，默認波特率為115200；

LED：用作主控制板的狀態(tài)指示。

圖3 底板硬件設計圖

3.3　軟件設計

嵌入式軟件系統是整個(gè)嵌入式系統的核心^[4]。完整的嵌入式Linux解決方案應包括嵌入式Linux操作系統內核、編程開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、運行環(huán)境Runtime、人機交互界面等。軟件架構圖如圖4所示。

圖4 軟件架構圖

整個(gè)軟件系統主要由實(shí)時(shí)操作系統、開(kāi)發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境和人機交互界面組成。其中，開(kāi)發(fā)環(huán)境可實(shí)現控制程序的開(kāi)發(fā)調試以及HMI組態(tài)等，它以用戶(hù)易用性為核心，打造功能齊全、操作友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境；運行環(huán)境以高穩定、高可靠性為重點(diǎn)，設計具備實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)處理的穩定系統。

3.3.1　實(shí)時(shí)操作系統

實(shí)時(shí)性是嵌入式操作系統的基本要求^[5]。由于Linux還不是一個(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統，其內核不支持事件優(yōu)先級和搶占實(shí)時(shí)特性，所以在開(kāi)發(fā)嵌入式Linux的過(guò)程中，首要問(wèn)題是擴展Linux的實(shí)時(shí)性能。對Linux實(shí)時(shí)性的擴展可以從兩方面進(jìn)行：向外擴展和向上擴展。向外擴展即從范圍上擴展，讓實(shí)時(shí)系統支持的范圍更廣，支持的設備更多。向上擴展是擴充Linux內核，從功能上擴充Linux的實(shí)時(shí)處理和控制系統。實(shí)時(shí)任務(wù)不同于Linux普通進(jìn)程，它是以L(fǎng)inux的可裝載的內存來(lái)實(shí)現，以核模塊的形式來(lái)存在的。需要運行實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)候，將這個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的內核模塊插入到內核中去，實(shí)時(shí)任務(wù)和Linux一般進(jìn)程之間的通信通過(guò)共享內存或者FIFO通道來(lái)實(shí)現。Xenomai是一種采用雙內核機制的Linux強實(shí)時(shí)擴展，優(yōu)先級高于Linux系統，如圖5所示，在性能上硬件支持、API、實(shí)時(shí)任務(wù)支持度優(yōu)于其他同類(lèi)型實(shí)時(shí)擴展。

圖5 Linux實(shí)時(shí)內核擴展方式對比圖

3.3.2　開(kāi)發(fā)環(huán)境

開(kāi)發(fā)環(huán)境以IEC 61499標準環(huán)境為基礎，支持IEC 61131-3標準、C++等高級編程語(yǔ)言，IEC 61499定義了用于開(kāi)發(fā)分布式工業(yè)控制解決方案的特定領(lǐng)域建模語(yǔ)言^[6]。IEC 61499通過(guò)改進(jìn)軟件組件的封裝以提高重用性，提供了獨立于供應商的格式以及簡(jiǎn)化對控制器到控制器通信的支持，擴展了IEC 61131-3，其分發(fā)功能和對動(dòng)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)應用提供了所需的基礎設施。該開(kāi)發(fā)環(huán)境既滿(mǎn)足傳統IEC 61131編程方式的簡(jiǎn)易化，也滿(mǎn)足新一代編程標準和高級編程語(yǔ)言編程的高效率及多樣性。

如圖6所示，IEC 61499模型是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )相互通信的設備的集合。分布式工業(yè)過(guò)程測控系統（IPMCS）執行的功能被模型化為應用。一個(gè)應用可存在于一個(gè)單獨的設備中，或者分布在多個(gè)設備中，即通過(guò)分配功能塊實(shí)例網(wǎng)絡(luò )到一個(gè)或多個(gè)設備的不同資源中，一個(gè)應用或子應用可以是分布式的。

圖6 IEC-61499現場(chǎng)架構模型圖

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

3.3.3　運行環(huán)境

基于IEC 61499標準的設備資源調度管理架構，負責調度該設備中的資源和資源中的功能塊網(wǎng)絡(luò )，負責維護資源調度，擁有操作系統的設備，可以方便地設置資源的調度優(yōu)先級，可以方便地實(shí)現對不同控制任務(wù)的實(shí)時(shí)調度，以打造輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、可配置性運行時(shí)環(huán)境。

以L(fǎng)inux系統為基礎，對不需要的組件和模塊進(jìn)行裁剪，同時(shí)增加實(shí)時(shí)任務(wù)處理擴展Xenomai以滿(mǎn)足設備實(shí)時(shí)控制任務(wù)處理需求^[5]。Xenomai是基于一個(gè)抽象的實(shí)時(shí)操作系統核心。它可以被用來(lái)在一個(gè)有通用實(shí)時(shí)操作系統調用的核心上構建任意的實(shí)時(shí)接口。用來(lái)給用戶(hù)程序提供接口的任意多個(gè)（可以是不同的）實(shí)時(shí)操作系統的接口被構建在同一個(gè)核心上，所有通用的系統調用都是由這個(gè)核心來(lái)實(shí)現的。用戶(hù)層分別通過(guò)glibc和libcoalt接收非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)任務(wù)，然后內核層X(jué)enomai與Linux通信并通過(guò)硬件抽象層ADEOS分配硬件資源。

圖7 Linux和Xenomai雙內核架構圖

3.3.4　人機交互

該界面針對特定的設備如夾具等實(shí)現簡(jiǎn)易化控制和調試^[8]，通過(guò)WEB服務(wù)實(shí)現設備高效配置和管理。通過(guò)夾具配方式管理，上級PLC只需要發(fā)送簡(jiǎn)單的操作指令即可實(shí)現對夾具的手動(dòng)和自動(dòng)控制。夾具配置內容如圖8所示。

圖8 夾具配置內容示例圖

該界面通過(guò)簡(jiǎn)單的配置即可實(shí)現設備獨立和聯(lián)動(dòng)運行，可減少上級PLC編程，節省設備調試時(shí)間。

4　應用案例

系統研發(fā)成功后，我們選取了某國內知名整車(chē)廠(chǎng)焊裝車(chē)間底板生產(chǎn)線(xiàn)為應用對象。將系統按照流程部署完畢后，通過(guò)測試和試用，結果表明，相比傳統的控制系統方案而言，該系統提高了控制系統的一致性、可讀性和可移植性，提高了控制系統的編程效率和焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的調試效率，降低了系統的調試時(shí)間和應用成本。

4.1　底板線(xiàn)

底板線(xiàn)負責將車(chē)身前底板總成、后底板總成、發(fā)動(dòng)機艙總成焊接拼合成車(chē)身下部底板，其生產(chǎn)工藝布局如圖9所示。

圖9 底板線(xiàn)生產(chǎn)工藝布局圖

4.2　系統架構

從工藝和布局上看，焊裝車(chē)間底板總成生產(chǎn)線(xiàn)都有相同或相似的設備或運行方式等，各工位具有很強的相似性。采用分布式控制，可提高現場(chǎng)布線(xiàn)、PLC軟件編程、安裝調試和檢修的效率。分布式控制系統架構圖如圖10所示。

圖10 分布式控制系統架構圖

該架構將各工位的氣缸組邏輯動(dòng)作、模式的控制封裝到獨立的嵌入式控制器中，使各工位夾具氣缸組的控制標準化、模塊化，其核心思想是將工位夾具的控制模塊化、標準化，并通過(guò)可復制性和堆積木的方式組成整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統。工位模塊化控制可減少整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)設計周期，便于設備的調試和維修。整個(gè)區域采用“PLC集中控制+工位夾具分布式獨立控制”模式，向分散化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化發(fā)展，使整個(gè)控制系統的安全性更高、柔性化更強和成本更低。

4.3　數據分析

數據分析以嵌入式控制系統在底板線(xiàn)的應用為數據基礎，從技術(shù)性維度和產(chǎn)業(yè)化維度與傳統控制方案進(jìn)行對比分析。

4.3.1　技術(shù)性維度

基于PC/ARM架構的嵌入式控制器，相對于傳統控制方案，嵌入式控制系統具有更快的響應速度與便于擴展的系統內存，同時(shí)非實(shí)時(shí)系統支持擴展基于Linux平臺的數字化應用。

表1 嵌入式控制系統與傳統控制方案對比

傳統控制方案一般都是基于IEC 61131-3的標準，但是目前工業(yè)自動(dòng)化控制系統逐漸向分布式控制體系的趨勢發(fā)展，顯然獨立運行的PLC難以支持分布式控制體系[10]。IEC 61499是針對分布式系統開(kāi)發(fā)的，只要建立一個(gè)統一的分布式網(wǎng)絡(luò )，功能塊就可以在各個(gè)控制器中運行。

表2 IEC 61499與IEC 61131-3對比

通過(guò)表1和表2中數據的對比，我們可以看出，嵌入式控制系統比傳統PLC控制系統的響應速度更快、內存更大、擴展性能更強，具備數據采集和分析應用的先決條件；同時(shí)IEC61499標準比IEC61131-3標準有更強的靈活性、可復制性以及網(wǎng)絡(luò )通信和分布式功能，可為現場(chǎng)終端實(shí)現智能控制提供必要的控制基礎。

4.3.2　產(chǎn)業(yè)化維度

以該底板線(xiàn)項目為例，采用嵌入式控制系統方案后還可從以下三方面改善工程以實(shí)現過(guò)程中的標準工時(shí)。

表3 標準工時(shí)改善

由表3數據可知，嵌入式控制系統總實(shí)施工時(shí)縮減約75%，可有效幫助縮減工程交付期。

5 結論

近年來(lái)，隨著(zhù)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展以及計算機技術(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)域具有很好的應用前景，而且具有開(kāi)發(fā)周期短、系統性能穩定可靠、適應性強等特點(diǎn)。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈長(cháng)期作為一個(gè)國家制造業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，汽車(chē)車(chē)身焊裝生產(chǎn)線(xiàn)是汽車(chē)制造領(lǐng)域中自動(dòng)化程度最高、控制復雜性也相對比較高的一個(gè)領(lǐng)域^[7]。采用一種實(shí)時(shí)、高效、擴展性強的嵌入式控制系統將更好地支撐分布式控制體系在汽車(chē)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)業(yè)化應用。對于焊裝車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)的大型控制系統，設備數量增多但是大多具有相似性，為了提高控制系統的一致性、可讀性、可移植性和編程效率等，汽車(chē)廠(chǎng)家一般都要求焊裝設備集成商采用結構化、模塊化、分布式控制架構，因此分布式控制體系較于傳統的集中式控制體系更適合應用于汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：

左志軍（1985-），男，河北石家莊人，高級工程師，碩士，現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)大數據方面的研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊