李彬

摘要：文章對自主可控可編程控制系統(tǒng)架構以及關鍵技術進行分析，首先對可編程控制系統(tǒng)架構特點進行分析，包括（1）選用實時以太網總線具有高同步性特點，同時應用具有標準化特色的應用層協(xié)議；（2）主站從站通用化水平持續(xù)提升；（3）功能呈現(xiàn)出豐富化發(fā)展趨勢。然后對自主可控可編程控制系統(tǒng)關鍵技術及其實現(xiàn)進行分析，包括（1）主站從站硬件標準化；（2）實時以太網總線控制器；（3）HMI組態(tài)編程；（4）PLCopen功能庫這四個方面的內容，希望能夠通過自主可控可編程控制系統(tǒng)關鍵技術的綜合應用，促進可編程控制系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展，進而在工業(yè)控制產品自主化發(fā)建設發(fā)展方面起到積極作用與價值。

關鍵詞：自主可控??可編程控制系統(tǒng)??架構??技術

中圖分類號：TP274

Analysis?of?the?Architecture?and?Key?Technologies?of?the?Autonomous?Controllable?Programmable?Control?System

LI?Bin

（Handan?First?Hospital，?Handan，?Hebei?Province，?056004?China）

Abstract：?The?article?analyzes?the?architecture?and?key?technologies?of?the?autonomous?controllable?programmable?control?system.?Firstly，?it?analyzes?the?architectural?characteristics?of?the?programmable?control?system，?including?the?selection?of?the?real-time?Ethernet?bus?with?the?characteristics?of?high?synchronization?and?the?application?of?the?application?layer?protocol?with??standardized?characteristics，?the?continuou?improvement?of?the?generalization?level?of?master?and?slave?stations，?and?the?development?trend?of?function?enrichment.?Then?it?analyzes?the?key?technologies?and?implementation?of?the?autonomous?controllable?programmable?control?system，?including?four?aspects：?the?standardization?of?hardware?in?master?and?slave?stations，?the?real-time?Ethernet?bus?controller，?HMI?configuration?programming，?and?the?PLCopen?functional?library，?hoping?to?promote?the?optimization?and?development?of?the?programmable?control?system?through?the?comprehensive?application?of?the?key?technologies?of?the?autonomous?controllable?programmable?control?system，?and?then?play?a?positive?role?and?value?in?the?autonomous?construction?and?development?of?industrial?control?products.

Key?Words：?Autonomous?and?controllable;?Programmable?control?system;?Architecture;?Technology

可編程控制系統(tǒng)將現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器以及嵌入式計算機系統(tǒng)引入系統(tǒng)內部，作為工業(yè)裝備自動化控制的中樞神經系統(tǒng)，在智能化工廠信息自動化采集、實時控制、安全防護、過程監(jiān)控等相關功能的實現(xiàn)過程中發(fā)揮重要作用，目前自主可控可編程控制系統(tǒng)被廣泛應用于機器人、數控機床以及自動化生產線等自動化裝備控制模塊中。如何對自主可控可編程控制系統(tǒng)架構以及關鍵技術進行進一步優(yōu)化發(fā)展，成為實現(xiàn)工業(yè)控制產品自主化率，保障高端制造裝備安全可靠運行的關鍵所在。

1?可編程控制系統(tǒng)架構特點

早期發(fā)展階段中，基于可編程控制系統(tǒng)的硬件、軟件結構模塊體現(xiàn)出了封閉式的特點，同時，軟件配置上雖然具備自主開發(fā)環(huán)境，但組態(tài)方式、語言結構以及尋址空間均存在一定得差異性。各大廠商所使用總線協(xié)議存在一定差異，導致可編程控制系統(tǒng)硬軟件兼容性存在的問題，對總線技術發(fā)展產生非常不良的影響。發(fā)展至今，總線式可編程控制系統(tǒng)體現(xiàn)出以下幾個方面的特點。

（1）從總線方面來說，搭載對以太網技術的應用具有同步性較高的特點與優(yōu)勢，應用層所遵循協(xié)議具有標準化水平。以物理層接口為依據對鏈路層數據傳輸協(xié)議進行設計與適應，考慮工業(yè)控制需求，提高其實時性以及同步性優(yōu)勢，以上是以太網現(xiàn)場總線接口技術研發(fā)的核心內容?？紤]現(xiàn)階段以太網總線的應用廣泛性，將其應用于物理層、鏈路層中，與網絡層、傳輸層實現(xiàn)實時性的方法相區(qū)分。實際應用中，其實時控制周期可以達到1.0ms范圍內，同步性能滿足100.0ns的要求，這使得可編程控制系統(tǒng)總線選擇的空間較大。應用層協(xié)議需要發(fā)揮對總線物理層、以及鏈路層差異進行屏蔽的功能與價值，面向用戶層提供總線讀寫操作服務接口支持，且需要體現(xiàn)統(tǒng)一化的特征。在大量應用層協(xié)議中，以CAN?open占據地位相當關鍵，該協(xié)議的主要特點是通過應用OD數據字典的方式，描述工業(yè)控制系統(tǒng)中各個節(jié)點設備的功能以及網絡行為。在該協(xié)議支持下，主機可以通過總線干預的方式靈活配置CAN?open設備，考慮結合以太網網絡，支持應用層協(xié)議的通過實現(xiàn)，以滿足可編程控制系統(tǒng)要求。

（2）從硬件方面來說，主從站通用化特征進一步凸顯。在可編程控制系統(tǒng)運行期間需要構主站從站的方式支持總線連接構成功能的實現(xiàn)。從硬件配置上來說，可考慮以太網標準化模式或控制器支持，留給主站的選擇空間是相當大的。但從從站角度上來說，為滿足從站處理器相對于總線數據的收發(fā)操作功能，需要通過專用實時以太網總線接口芯片實現(xiàn)。尤其是當前總線接口芯片技術持續(xù)發(fā)展與成熟，將其應用于從站與實時總線數據交換的難度越來越小，這意味著從站標準化水平有所提升，在以太網接口所面向從站類型積累發(fā)展經驗的同時，促進其類型的豐富化發(fā)展，使后續(xù)對從站硬件設備配置方案的選擇更為輕松，系統(tǒng)整體建構更具便捷性以及可靠性優(yōu)勢。

（3）從編程開發(fā)工具軟件方面來說，功能呈現(xiàn)出豐富化發(fā)展趨勢?；诳偩€式的自主控制可編程控制系統(tǒng)工具軟件包括兩個方面的內容，第一是人機交互界面編程，第二是自動化編程?；谧詣踊木幊誊浖纬擅嫦蚬I(yè)控制語言編程調試的開發(fā)平臺，能夠在現(xiàn)行國際標準的支持下應用不同編程語言展開邏輯控制，同時支持運動控制程序的實現(xiàn)，滿足混合編程以及在線調試功能的達成。在此過程中，人機交互界面編程軟件可用于顯示總線式可編程控制系統(tǒng)內部狀態(tài)數據的顯示，將人機交互界面編程軟件與總線式控制系統(tǒng)相融合，共同對可編程控制系統(tǒng)技術水平產生影響。工具軟件應用期間體現(xiàn)實時多任務、仿真在線調試等相關功能的實現(xiàn)，涵蓋控制系統(tǒng)項目自編程開始至維護階段的一系列軟件開發(fā)以及協(xié)同管理工作任務，支持同一工具軟件平臺基于軟件組態(tài)的方式完成對自主可控可編程控制系統(tǒng)的重構開發(fā)，形成面向系統(tǒng)的自動化解決方案。

2?自主可控可編程控制系統(tǒng)架構技術

2.1??主站從站硬件標準化

作為可編程控制系統(tǒng)的腦部中樞系統(tǒng)，主站需要支持運動控制功能以及邏輯控制功能任務順利執(zhí)行，確保從站任務調度功能滿足數據傳輸需求，支持界面通信功能的順利實現(xiàn)。在此過程當中，主站對外接口單一，以網絡通信為核心。以嵌入式計算機平臺為依托，促進主站功能的實現(xiàn)。目前技術條件支持下，嵌入式國產中央處理器芯片以飛騰、申威、以及龍芯系列的為主。為將國產中央處理器芯片的應用價值與性能特點充分體現(xiàn)出來，需要嘗試從硬件環(huán)境信號完整性入手，構成主站硬件架構模式。典型的主站硬件架構模式如圖1所示。結合圖1，主站硬件架構模式下的包含電源模塊、中央處理器主控端、顯示輸出接口、硬盤接口、內存單元、以及USB設備輸入接口等。從站作為工業(yè)現(xiàn)場末端設備控制器裝置，負責對現(xiàn)場總線指令進行接收，面向不同類型工業(yè)現(xiàn)場末端設備進行狀態(tài)信息參數的采集，同時考慮處理器電路基礎特點，設計面向不同外設設備的電路結構系統(tǒng)，以此種方式確保從站模塊化開發(fā)功能的順利實現(xiàn)。在此過程中，整合設備控制模型，將具有開關量輸入、輸出功能的數字量從站、伺服控制算法集成運動控制從站以及現(xiàn)場總線兼容通信控制從站進行集中整合，在從站主控單元中集成現(xiàn)場總線協(xié)議，以達到實現(xiàn)硬件架構結構功能的目的，與之相對應結構示意圖如圖2所示。

2.2??實時以太網總線控制器

作為FCS控制系統(tǒng)的基礎模塊，實時以太網總線控制器發(fā)揮著系統(tǒng)整體連接的橋梁功能?，F(xiàn)階段技術條件支持下，典型實時以太網總線以以太網物理鏈路標準為前提條件，對物理層接口以及傳輸線路進行最大限度保留，僅對數據鏈路層中數據傳輸協(xié)議進行修改，以滿足數據傳輸實時性要求。從這一角度上來說，基于國產核心器件所構架以太網運行平臺可以考慮工業(yè)控制領域數據傳輸的特點，對網絡數據收發(fā)鏈路層協(xié)議進行優(yōu)化設計，支持通信同步以及網絡幀實時傳輸功能的實現(xiàn)，對于以太網總線自主可控功能的實現(xiàn)有非常重要意義。在這一過程當中，可以嘗試借助于Verilog語言開發(fā)以太網鏈路層協(xié)議，通過封裝IP的方式在國產FPGA器件中的進行集成化處理，支持總線控制器的合理搭建，以達到方便后續(xù)升級維護以及縮短開發(fā)時間的效果。整個總線控制器模塊中納入數據訪問接口、寄存器模塊、接口模塊、同步控制模塊以及通信控制模塊等相關單元，支持網絡數據收發(fā)以及傳輸功能的實現(xiàn)。在此過程當中，通過設置數據訪問接口的方式，支持從站主控芯片與總線控制器之間的數據傳輸任務順利實現(xiàn)，配置總線可控制器對網絡數據進行讀取，同時可將相關外設狀態(tài)信息輸入總線控制器中，支持信號同步功能實現(xiàn)。除此以外，同步控制模塊對同步協(xié)議進行集成化處理。圖3為以太網數據傳輸基本工作原理示意圖。結合圖3：主站將以太網數據幀自接口1進行讀取的，并經控制模塊處理傳輸至寄存器模塊中進行存放。在此過程中，以同步控制模塊為基礎，由數據訪問接口對信號進行中段或同步處理。數據訪問接口同時面向從站主控芯片體提供服務，讀取控制器所接收參數信息，基于協(xié)議標準轉化鏈路層協(xié)議，同時生成與之對應的應用層協(xié)議，在該協(xié)議棧輔助下對數據信息進行儲存，并基于對象字典數據的及時更新與完善，滿足設備模型控制功能實現(xiàn)，以支持外設控制的目的。

2.3??HMI組態(tài)編程

HMI組態(tài)編程軟件作為控制系統(tǒng)運行期間的全新的可視化軟件，可支持管理控制功能自動化實現(xiàn)，并且對工業(yè)自動化控制場景有良好的適應性特點，對人機交互功能實現(xiàn)也有積極意義。整套面向控制系統(tǒng)運行的HMI組態(tài)編程軟件由開發(fā)界面環(huán)境以及運行程序這兩個部分構成。運行程序可以通過搭載自動化控制平臺的方式，支持HMI組態(tài)軟件一系列功能順利實現(xiàn)。除此以外，界面開發(fā)環(huán)境模塊需要支持對自動化控制結構的開發(fā)按設計活動。為滿足并體現(xiàn)系統(tǒng)自主可控性以及通用性優(yōu)勢，在操作系統(tǒng)平臺支持過程中，可以基于跨平臺軟件開發(fā)環(huán)境，利用C語言完成界面程序開發(fā)，支持組態(tài)編程軟件跨平臺運行功能的順利實現(xiàn)。需要注意的一點是，在HMI界面開發(fā)環(huán)境運行過程當中，用戶需要搭載一系列組件開發(fā)與控制需求相契合的HMI界面，滿足開發(fā)功能順利實現(xiàn)。在HMI界面開發(fā)期間，項目管理組件結合實際開發(fā)情況進行管理與優(yōu)化，所設計生成HMI界面關鍵參數配置需要依賴于系統(tǒng)參數配置組件實現(xiàn)。除此以外，組件提供界面圖形以及動畫開發(fā)工具，支持標準化按鈕以及開關等插件的設計實現(xiàn)。工業(yè)控制領域典型通信協(xié)議則基于通信管理組件進行基本定義。在HMI界面開發(fā)完成后，需要以組件配置為依據，對界面設計相關結果參數信息進行打包處理，生成運行程序并HMI組態(tài)編程軟件形成匹配對應關系，在以太網輔助下下載關鍵運行程序，在國產操作系統(tǒng)程序運行平臺中予以保存。在上述過程中，基于平臺支持，蠻像通信組件提供的主站與HMI組態(tài)編程軟件運行程序的交互通信，提高系統(tǒng)運行的實時性水平。在此基礎之上，參考HMI組態(tài)編程軟件應用程序用戶操作流程，由界面圖控軟件對數據庫中界面狀態(tài)進行實時性更新，形成面向數據庫的界面操作協(xié)議，支持面向主站數據交換功能的實現(xiàn)。

2.4??PLCopen功能庫

PLCopen功能庫充分體現(xiàn)了編程管理的規(guī)范性以及標準化特點，將邏輯編程規(guī)范、XML規(guī)范、安全規(guī)范等一并納入其中。在編程過程中，用戶可以通過對功能模塊進行調用的方式定義邏輯連接關系，促進系統(tǒng)編程效率以及資源利用率的提升。在基于標準化硬件以及總線式可編程控制器開發(fā)系統(tǒng)中，體現(xiàn)PLCopen功能庫的積極優(yōu)勢與特點?；赑LCopen功能庫規(guī)范，運動控制功能的實現(xiàn)會受到模塊算法邏輯實現(xiàn)、軸信息結構體以及軸狀態(tài)機三個方面因素的影響。其中，運動控制功能塊算法邏輯主要滿足運動控制相關算法的實現(xiàn)，軸信息結構體負責對被控軸全體參數的描述，軸狀態(tài)機則對當前模塊所處運行狀態(tài)以及可能存在狀態(tài)跳轉關系進行描述。在自主可控可編程控制系統(tǒng)中，主站內部根據運動控制基本模型形成相對應軸狀態(tài)機，對電機軸運行狀態(tài)以及所對應轉移關系進行準確定義。同時對軸狀態(tài)機所對應運動狀態(tài)進行開發(fā)與完善，形成一套完善的運動控制功能庫作為系統(tǒng)支持。尤其應引起重視的是，考慮到三環(huán)控制算法受從站集成化處理因素的影響，在應用功能庫算法進行結果優(yōu)化處理期間，可以嘗試重視對三環(huán)控制基本指令以及時序控制功能的實現(xiàn)問題。同時，以功能庫算法為依托，在以太網總線技術輔助下全面更新軸信息結構體，以支持功能庫運動功能的順利實現(xiàn)。

3?結語

文章對工業(yè)控制領域可編程控制系統(tǒng)自主可控的實現(xiàn)問題進行分析，以工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展歷程為基礎，提出了自主可控可編程控制系統(tǒng)架構方案。在對可編程控制系統(tǒng)架構特點進行分析的基礎之上，了解關鍵組件的功能原理，提出可編程控制系統(tǒng)的關鍵技術解決思路，構建具有模塊化以及標準化特點的自主可控主站從站硬件設計方案，并對HMI組態(tài)編程方法以及PLCopen功能庫實現(xiàn)方法進行系統(tǒng)分析，旨在于為未來智能制造裝備國產化控制系統(tǒng)提供一套完整且可靠的解決方案。

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