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文獻標識碼：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）

關鍵詞：嵌入式控制系統(tǒng)；分布式控制體系；汽車自動化生產線

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及設備，這就導致了整個系統(tǒng)的調試時間變多、控制標準化難等問題。

隨著汽車生產線的自動化程度越來越高，嵌入式控制系統(tǒng)^[9]借助芯片技術的發(fā)展，集成實時控制系統(tǒng)與非實時軟件應用，其性能更加強大，內存占用更少，可以配置不同的要求，滿足控制要求，在未來幾年內必將獲得長足的發(fā)展^[2]。但分布式系統(tǒng)本身在地理位置上比較分散，一般使用網絡進行連接，由于網絡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問題。

基于IEC 61499標準的分布式控制顯然更符合未來自動化生產線的發(fā)展趨勢。由于IEC 61499具有對事件驅動功能塊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)可靠的領域特定控制建模。

2　嵌入式控制系統(tǒng)的介紹

芯片技術是嵌入式控制系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎^[2]，正是隨著芯片技術的提高，算法和軟件才能有所進步，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合，出于對產品體積、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，處理器沒有自帶一定容量的硬盤，只有有限容量的內存及常用的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，具有軟件代碼量少、高度自動化、響應速度快等特點，這也是與通用計算機系統(tǒng)的最主要區(qū)別。

汽車生產線各個工位具有很強的相似性，模塊化設計各個工位的控制，可實現(xiàn)現(xiàn)場設備可復制，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(tǒng)的詳細設計方案

3.1　架構設計

系統(tǒng)以嵌入式處理器為核心，應用程序可通過網絡進行更新，通過個人PC進行編程調試，通過WEB實現(xiàn)人機交互。重要數(shù)據可以文件形式保存在硬盤中，數(shù)據和報警信息還可通過EtherCat工業(yè)以太網總線向上位機傳輸。用戶通過WEB界面查看設備狀態(tài)、設置設備參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及維護。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3.2　硬件設計

硬件運行平臺是嵌入式控制器開發(fā)與應用的基礎，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，通過RS-485與IO擴展板進行串接。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，其芯片架構為四核ARMCortex-A53+Cortex-M7，主頻可達1.8GHz帶有神經處理單元（NPU），AI算力可達2.3TOPS；其通過Cortex-M7進行實時控制，采用CANFD和雙千兆以太網的強大控制網絡，具有時間敏感網絡（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網絡、高清視頻、雙頻Wi-Fi、高速工業(yè)以太網等應用場景。

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RJ45引出，其中一路支持TSN；

Uart：通過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，底板斷電后可通過紐扣電池記錄時間；

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(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心^[4]。完整的嵌入式Linux解決方案應包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)內核、編程開發(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

整個軟件系統(tǒng)主要由實時操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境和人機交互界面組成。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；運行環(huán)境以高穩(wěn)定、高可靠性為重點，設計具備實時和非實時任務處理的穩(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，首要問題是擴展Linux的實時性能。對Linux實時性的擴展可以從兩方面進行：向外擴展和向上擴展。向外擴展即從范圍上擴展，讓實時系統(tǒng)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的實時處理和控制系統(tǒng)。實時任務不同于Linux普通進程，它是以Linux的可裝載的內存來實現(xiàn)，以核模塊的形式來存在的。需要運行實時任務的時候，將這個實時任務的內核模塊插入到內核中去，實時任務和Linux一般進程之間的通信通過共享內存或者FIFO通道來實現(xiàn)。Xenomai是一種采用雙內核機制的Linux強實時擴展，優(yōu)先級高于Linux系統(tǒng)，如圖5所示，在性能上硬件支持、API、實時任務支持度優(yōu)于其他同類型實時擴展。

圖5 Linux實時內核擴展方式對比圖

3.3.2　開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境以IEC 61499標準環(huán)境為基礎，支持IEC 61131-3標準、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域建模語言^[6]。IEC 61499通過改進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)網應用提供了所需的基礎設施。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準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絡相互通信的設備的集合。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用。一個應用可存在于一個單獨的設備中，或者分布在多個設備中，即通過分配功能塊實例網絡到一個或多個設備的不同資源中，一個應用或子應用可以是分布式的。

圖6 IEC-61499現(xiàn)場架構模型圖

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絡，負責維護資源調度，擁有操作系統(tǒng)的設備，可以方便地設置資源的調度優(yōu)先級，可以方便地實現(xiàn)對不同控制任務的實時調度，以打造輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、可配置性運行時環(huán)境。

以Linux系統(tǒng)為基礎，對不需要的組件和模塊進行裁剪，同時增加實時任務處理擴展Xenomai以滿足設備實時控制任務處理需求^[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)調用的核心上構建任意的實時接口。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)的接口被構建在同一個核心上，所有通用的系統(tǒng)調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，然后內核層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現(xiàn)簡易化控制和調試^[8]，通過WEB服務實現(xiàn)設備高效配置和管理。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。夾具配置內容如圖8所示。

圖8 夾具配置內容示例圖

該界面通過簡單的配置即可實現(xiàn)設備獨立和聯(lián)動運行，可減少上級PLC編程，節(jié)省設備調試時間。

4　應用案例

系統(tǒng)研發(fā)成功后，我們選取了某國內知名整車廠焊裝車間底板生產線為應用對象。將系統(tǒng)按照流程部署完畢后，通過測試和試用，結果表明，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線的調試效率，降低了系統(tǒng)的調試時間和應用成本。

4.1　底板線

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

圖9 底板線生產工藝布局圖

4.2　系統(tǒng)架構

從工藝和布局上看，焊裝車間底板總成生產線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(xiàn)場布線、PLC軟件編程、安裝調試和檢修的效率。分布式控制系統(tǒng)架構圖如圖10所示。

圖10 分布式控制系統(tǒng)架構圖

該架構將各工位的氣缸組邏輯動作、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，并通過可復制性和堆積木的方式組成整個生產線的控制系統(tǒng)。工位模塊化控制可減少整個系統(tǒng)的開發(fā)設計周期，便于設備的調試和維修。整個區(qū)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、網絡化、智能化發(fā)展，使整個控制系統(tǒng)的安全性更高、柔性化更強和成本更低。

4.3　數(shù)據分析

數(shù)據分析以嵌入式控制系統(tǒng)在底板線的應用為數(shù)據基礎，從技術性維度和產業(yè)化維度與傳統(tǒng)控制方案進行對比分析。

4.3.1　技術性維度

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

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的標準，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(tǒng)開發(fā)的，只要建立一個統(tǒng)一的分布式網絡，功能塊就可以在各個控制器中運行。

表2 IEC 61499與IEC 61131-3對比

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

4.3.2　產業(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)過程中的標準工時。

表3 標準工時改善

由表3數(shù)據可知，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 結論

近年來，隨著信息化、智能化、網絡化的發(fā)展以及計算機技術和集成電路技術的高速發(fā)展，嵌入式技術日漸普及，在工業(yè)控制領域具有很好的應用前景，而且具有開發(fā)周期短、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、適應性強等特點。汽車產業(yè)鏈長期作為一個國家制造業(yè)的支柱性產業(yè)，汽車車身焊裝生產線是汽車制造領域中自動化程度最高、控制復雜性也相對比較高的一個領域^[7]。采用一種實時、高效、擴展性強的嵌入式控制系統(tǒng)將更好地支撐分布式控制體系在汽車自動化生產線的產業(yè)化應用。對于焊裝車間生產線的大型控制系統(tǒng)，設備數(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(tǒng)的集中式控制體系更適合應用于汽車生產線。

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)據方面的研究。

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摘自《自動化博覽》2023年5月刊