文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）05-068-06中图分类号：TP273

★左志军（广州明珞智能制造研究院，广东广州510000）

关键词：嵌入式控制系统；分布式控制体系；汽车自动化生产线

1　前言

传统的控制系统一般采用PLC集中式的控制模式^[1]，但集中式控制系统中存在着主控PLC故障，整个系统将停止工作的问题，且需要配置更多的I/O及设备，这就导致了整个系统的调试时间变多、控制标准化难等问题。

随着汽车生产线的自动化程度越来越高，嵌入式控制系统^[9]借助芯片技术的发展，集成实时控制系统与非实时软件应用，其性能更加强大，内存占用更少，可以配置不同的要求，满足控制要求，在未来几年内必将获得长足的发展^[2]。但分布式系统本身在地理位置上比较分散，一般使用网络进行连接，由于网络延时存在着很大的不确定性，所以提高分布式控制体系的实时性是目前需要解决的热点问题。

基于IEC 61499标准的分布式控制显然更符合未来自动化生产线的发展趋势。由于IEC 61499具有对事件驱动功能块FB重新配置的支持，基于此特性，未来有望可以实现对嵌入式控制系统在分布式控制体系中的控制软件建模，从而实现可靠的领域特定控制建模。

2　嵌入式控制系统的介绍

芯片技术是嵌入式控制系统发展的重要基础^[2]，正是随着芯片技术的提高，算法和软件才能有所进步，嵌入式控制系统才能得以迅速发展。嵌入式系统是以实际应用为中心，嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等均受到应用要求的制约。在智能控制设备、便携式智能仪器等应用场合，出于对产品体积、成本等诸因素的考虑，往往要求将智能控制部分安装于设备内部，且占用的空间尽可能小，在这种情况下，处理器没有自带一定容量的硬盘，只有有限容量的内存及常用的Flash电子盘。

嵌入式系统的操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，也就是软件与硬件的一体化^[3]。嵌入式系统目的性或针对性很强，具有软件代码量少、高度自动化、响应速度快等特点，这也是与通用计算机系统的最主要区别。

汽车生产线各个工位具有很强的相似性，模块化设计各个工位的控制，可实现现场设备可复制，可提高控制软件编程、设备安装调试和日后检修的效率。

3　嵌入式控制系统的详细设计方案

3.1　架构设计

系统以嵌入式处理器为核心，应用程序可通过网络进行更新，通过个人PC进行编程调试，通过WEB实现人机交互。重要数据可以文件形式保存在硬盘中，数据和报警信息还可通过EtherCat工业以太网总线向上位机传输。用户通过WEB界面查看设备状态、设置设备参数，实现远程监控及维护。系统框架图如图1所示。

图1 系统框架图

3.2　硬件设计

硬件运行平台是嵌入式控制器开发与应用的基础，整个主控制板采用基于NPX-i-MX8MP处理器的“核心板+底板”分层式架构，通过RS-485与IO扩展板进行串接。嵌入式控制器硬件结构框图如图2所示。

图2 硬件结构框图

针对工业自动化控制，芯片选择NXP的I-MX8MP处理器。这是一款高性价比的微处理器，其芯片架构为四核ARMCortex-A53+Cortex-M7，主频可达1.8GHz带有神经处理单元（NPU），AI算力可达2.3TOPS；其通过Cortex-M7进行实时控制，采用CANFD和双千兆以太网的强大控制网络，具有时间敏感网络（TSN）；其核心板上还集成了2个USB3.0、1个PCIe3.0、2个SDIO3.0和2个CAN-FD等高速通信接口，可满足5G网络、高清视频、双频Wi-Fi、高速工业以太网等应用场景。

底板硬件设计如图3所示，包括：

USB接口：USB TypeA座子引出，仅用作Host；

Ethernet：支持10/100/1000Mbps自适应，通过RJ45引出，其中一路支持TSN；

Uart：通过电平转换芯片转换为485电平信号；

PCIe：采用标准PCIex1卡接口，支持PCI ExpressGen3；

RS485：用于主控制板与IO扩展板之间的串行链接；

HDMI：支持HDMI2.0a显示，分辨率高达4K@30fps，支持HDMI2.1eARC；

TFCard：支持一路TFCard，可支持UHS-I的TF卡，速率最高可达104MB/s；

RTC：板载独立RTC芯片，底板断电后可通过纽扣电池记录时间；

Debug Uart：对核心板载Cortex-A53和M7的调试串口，默认波特率为115200；

LED：用作主控制板的状态指示。

图3 底板硬件设计图

3.3　软件设计

嵌入式软件系统是整个嵌入式系统的核心^[4]。完整的嵌入式Linux解决方案应包括嵌入式Linux操作系统内核、编程开发环境IDE、运行环境Runtime、人机交互界面等。软件架构图如图4所示。

图4 软件架构图

整个软件系统主要由实时操作系统、开发环境、运行环境和人机交互界面组成。其中，开发环境可实现控制程序的开发调试以及HMI组态等，它以用户易用性为核心，打造功能齐全、操作友好的开发环境；运行环境以高稳定、高可靠性为重点，设计具备实时和非实时任务处理的稳定系统。

3.3.1　实时操作系统

实时性是嵌入式操作系统的基本要求^[5]。由于Linux还不是一个真正的实时操作系统，其内核不支持事件优先级和抢占实时特性，所以在开发嵌入式Linux的过程中，首要问题是扩展Linux的实时性能。对Linux实时性的扩展可以从两方面进行：向外扩展和向上扩展。向外扩展即从范围上扩展，让实时系统支持的范围更广，支持的设备更多。向上扩展是扩充Linux内核，从功能上扩充Linux的实时处理和控制系统。实时任务不同于Linux普通进程，它是以Linux的可装载的内存来实现，以核模块的形式来存在的。需要运行实时任务的时候，将这个实时任务的内核模块插入到内核中去，实时任务和Linux一般进程之间的通信通过共享内存或者FIFO通道来实现。Xenomai是一种采用双内核机制的Linux强实时扩展，优先级高于Linux系统，如图5所示，在性能上硬件支持、API、实时任务支持度优于其他同类型实时扩展。

图5 Linux实时内核扩展方式对比图

3.3.2　开发环境

开发环境以IEC 61499标准环境为基础，支持IEC 61131-3标准、C++等高级编程语言，IEC 61499定义了用于开发分布式工业控制解决方案的特定领域建模语言^[6]。IEC 61499通过改进软件组件的封装以提高重用性，提供了独立于供应商的格式以及简化对控制器到控制器通信的支持，扩展了IEC 61131-3，其分发功能和对动态重新配置的固有支持为工业4.0和工业物联网应用提供了所需的基础设施。该开发环境既满足传统IEC 61131编程方式的简易化，也满足新一代编程标准和高级编程语言编程的高效率及多样性。

如图6所示，IEC 61499模型是通过一个或多个通信网络相互通信的设备的集合。分布式工业过程测控系统（IPMCS）执行的功能被模型化为应用。一个应用可存在于一个单独的设备中，或者分布在多个设备中，即通过分配功能块实例网络到一个或多个设备的不同资源中，一个应用或子应用可以是分布式的。

图6 IEC-61499现场架构模型图

开发环境的主要模块包括工程管理器、功能块管理、应用管理、变量管理、设备管理以及编译器、连接器、仿真器、装载器等。工程管理主要功能是为工程、设备、资源、应用、功能块类型的管理总体调度其他模块等，是所有子模块的入口，与所有子模块以标准文件交流信息；功能块管理主要用于编程过程的功能块及库管理；应用管理主要用于应用程序管理和协同管理相关设备资源。

3.3.3　运行环境

基于IEC 61499标准的设备资源调度管理架构，负责调度该设备中的资源和资源中的功能块网络，负责维护资源调度，拥有操作系统的设备，可以方便地设置资源的调度优先级，可以方便地实现对不同控制任务的实时调度，以打造轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、可配置性运行时环境。

以Linux系统为基础，对不需要的组件和模块进行裁剪，同时增加实时任务处理扩展Xenomai以满足设备实时控制任务处理需求^[5]。Xenomai是基于一个抽象的实时操作系统核心。它可以被用来在一个有通用实时操作系统调用的核心上构建任意的实时接口。用来给用户程序提供接口的任意多个（可以是不同的）实时操作系统的接口被构建在同一个核心上，所有通用的系统调用都是由这个核心来实现的。用户层分别通过glibc和libcoalt接收非实时和实时任务，然后内核层Xenomai与Linux通信并通过硬件抽象层ADEOS分配硬件资源。

图7 Linux和Xenomai双内核架构图

3.3.4　人机交互

该界面针对特定的设备如夹具等实现简易化控制和调试^[8]，通过WEB服务实现设备高效配置和管理。通过夹具配方式管理，上级PLC只需要发送简单的操作指令即可实现对夹具的手动和自动控制。夹具配置内容如图8所示。

图8 夹具配置内容示例图

该界面通过简单的配置即可实现设备独立和联动运行，可减少上级PLC编程，节省设备调试时间。

4　应用案例

系统研发成功后，我们选取了某国内知名整车厂焊装车间底板生产线为应用对象。将系统按照流程部署完毕后，通过测试和试用，结果表明，相比传统的控制系统方案而言，该系统提高了控制系统的一致性、可读性和可移植性，提高了控制系统的编程效率和焊装生产线的调试效率，降低了系统的调试时间和应用成本。

4.1　底板线

底板线负责将车身前底板总成、后底板总成、发动机舱总成焊接拼合成车身下部底板，其生产工艺布局如图9所示。

图9 底板线生产工艺布局图

4.2　系统架构

从工艺和布局上看，焊装车间底板总成生产线都有相同或相似的设备或运行方式等，各工位具有很强的相似性。采用分布式控制，可提高现场布线、PLC软件编程、安装调试和检修的效率。分布式控制系统架构图如图10所示。

图10 分布式控制系统架构图

该架构将各工位的气缸组逻辑动作、模式的控制封装到独立的嵌入式控制器中，使各工位夹具气缸组的控制标准化、模块化，其核心思想是将工位夹具的控制模块化、标准化，并通过可复制性和堆积木的方式组成整个生产线的控制系统。工位模块化控制可减少整个系统的开发设计周期，便于设备的调试和维修。整个区域采用“PLC集中控制+工位夹具分布式独立控制”模式，向分散化、网络化、智能化发展，使整个控制系统的安全性更高、柔性化更强和成本更低。

4.3　数据分析

数据分析以嵌入式控制系统在底板线的应用为数据基础，从技术性维度和产业化维度与传统控制方案进行对比分析。

4.3.1　技术性维度

基于PC/ARM架构的嵌入式控制器，相对于传统控制方案，嵌入式控制系统具有更快的响应速度与便于扩展的系统内存，同时非实时系统支持扩展基于Linux平台的数字化应用。

表1 嵌入式控制系统与传统控制方案对比

传统控制方案一般都是基于IEC 61131-3的标准，但是目前工业自动化控制系统逐渐向分布式控制体系的趋势发展，显然独立运行的PLC难以支持分布式控制体系[10]。IEC 61499是针对分布式系统开发的，只要建立一个统一的分布式网络，功能块就可以在各个控制器中运行。

表2 IEC 61499与IEC 61131-3对比

通过表1和表2中数据的对比，我们可以看出，嵌入式控制系统比传统PLC控制系统的响应速度更快、内存更大、扩展性能更强，具备数据采集和分析应用的先决条件；同时IEC61499标准比IEC61131-3标准有更强的灵活性、可复制性以及网络通信和分布式功能，可为现场终端实现智能控制提供必要的控制基础。

4.3.2　产业化维度

以该底板线项目为例，采用嵌入式控制系统方案后还可从以下三方面改善工程以实现过程中的标准工时。

表3 标准工时改善

由表3数据可知，嵌入式控制系统总实施工时缩减约75%，可有效帮助缩减工程交付期。

5 结论

近年来，随着信息化、智能化、网络化的发展以及计算机技术和集成电路技术的高速发展，嵌入式技术日渐普及，在工业控制领域具有很好的应用前景，而且具有开发周期短、系统性能稳定可靠、适应性强等特点。汽车产业链长期作为一个国家制造业的支柱性产业，汽车车身焊装生产线是汽车制造领域中自动化程度最高、控制复杂性也相对比较高的一个领域^[7]。采用一种实时、高效、扩展性强的嵌入式控制系统将更好地支撑分布式控制体系在汽车自动化生产线的产业化应用。对于焊装车间生产线的大型控制系统，设备数量增多但是大多具有相似性，为了提高控制系统的一致性、可读性、可移植性和编程效率等，汽车厂家一般都要求焊装设备集成商采用结构化、模块化、分布式控制架构，因此分布式控制体系较于传统的集中式控制体系更适合应用于汽车生产线。

作者简介：

左志军（1985-），男，河北石家庄人，高级工程师，硕士，现就职于广州明珞智能制造研究院，主要从事智能制造与工业大数据方面的研究。

参考文献：

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摘自《自动化博览》2023年5月刊