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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；分布式控制體系；汽車自動化生產線

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主控PLC故障，整個系統將停止工作的問題，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^[9]借助芯片技術的發展，集成實時控制系統與非實時軟件應用，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，從而實現可靠的領域特定控制建模。

2　嵌入式控制系統的介紹

芯片技術是嵌入式控制系統發展的重要基礎^[2]，正是隨著芯片技術的提高，算法和軟件才能有所進步，嵌入式控制系統才能得以迅速發展。嵌入式系統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、高度自動化、響應速度快等特點，這也是與通用計算機系統的最主要區別。

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，可實現現場設備可復制，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，應用程序可通過網絡進行更新，通過個人PC進行編程調試，通過WEB實現人機交互。重要數據可以文件形式保存在硬盤中，數據和報警信息還可通過EtherCat工業以太網總線向上位機傳輸。用戶通過WEB界面查看設備狀態、設置設備參數，實現遠程監控及維護。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發與應用的基礎，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、編程開發環境IDE、運行環境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

整個軟件系統主要由實時操作系統、開發環境、運行環境和人機交互界面組成。其中，開發環境可實現控制程序的開發調試以及HMI組態等，它以用戶易用性為核心，打造功能齊全、操作友好的開發環境；運行環境以高穩定、高可靠性為重點，設計具備實時和非實時任務處理的穩定系統。

3.3.1　實時操作系統

實時性是嵌入式操作系統的基本要求^[5]。由于Linux還不是一個真正的實時操作系統，其內核不支持事件優先級和搶占實時特性，所以在開發嵌入式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。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，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。Xenomai是一種采用雙內核機制的Linux強實時擴展，優先級高于Linux系統，如圖5所示，在性能上硬件支持、API、實時任務支持度優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　開發環境

開發環境以IEC 61499標準環境為基礎，支持IEC 61131-3標準、C++等高級編程語言，IEC 61499定義了用于開發分布式工業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，其分發功能和對動態重新配置的固有支持為工業4.0和工業物聯網應用提供了所需的基礎設施。該開發環境既滿足傳統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。分布式工業過程測控系統（IPMCS）執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現場架構模型圖

開發環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同管理相關設備資源。

3.3.3　運行環境

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，擁有操作系統的設備，可以方便地設置資源的調度優先級，可以方便地實現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、可配置性運行時環境。

以Linux系統為基礎，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核心。它可以被用來在一個有通用實時操作系統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）實時操作系統的接口被構建在同一個核心上，所有通用的系統調用都是由這個核心來實現的。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簡易化控制和調試^[8]，通過WEB服務實現設備高效配置和管理。通過夾具配方式管理，上級PLC只需要發送簡單的操作指令即可實現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設備獨立和聯動運行，可減少上級PLC編程，節省設備調試時間。

4　應用案例

系統研發成功后，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。將系統按照流程部署完畢后，通過測試和試用，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線的調試效率，降低了系統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。工位模塊化控制可減少整個系統的開發設計周期，便于設備的調試和維修。整個區域采用“PLC集中控制+工位夾具分布式獨立控制”模式，向分散化、網絡化、智能化發展，使整個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的應用為數據基礎，從技術性維度和產業化維度與傳統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，同時非實時系統支持擴展基于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，但是目前工業自動化控制系統逐漸向分布式控制體系的趨勢發展，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發的，只要建立一個統一的分布式網絡，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，可為現場終端實現智能控制提供必要的控制基礎。

4.3.2　產業化維度

以該底板線項目為例，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現過程中的標準工時。

表3 標準工時改善

由表3數據可知，嵌入式控制系統總實施工時縮減約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、網絡化的發展以及計算機技術和集成電路技術的高速發展，嵌入式技術日漸普及，在工業控制領域具有很好的應用前景，而且具有開發周期短、系統性能穩定可靠、適應性強等特點。汽車產業鏈長期作為一個國家制造業的支柱性產業，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化應用。對于焊裝車間生產線的大型控制系統，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大數據方面的研究。

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摘自《自動化博覽》2023年5月刊