★ 北京和利时智能技术有限公司 赵刚

1   背景与问题识别

随着“智能制造2025”战略持续推进，各行业制造企业普遍面临产线自动化水平不均、控制系统异构、老旧PLC设备性能瓶颈突出等问题。以传统汽车工厂为例，在冲、焊、涂、总装等核心车间，原有控制架构往往依赖梯形图编程、分散I/O布线以及低速通讯协议，系统响应慢、维护难、扩展性差，严重制约柔性化与数字化转型。

本文以本人参与的某汽车厂焊装车间升级改造项目为例，原系统使用多品牌PLC组合（西门子、 Omron、倍福等），机器人通讯方式以并口DI/ DO、D-net等传统总线为主，存在状态更新滞后、调试效率低、数据接口分散等问题。针对上述瓶颈，需从控制器选型、网络架构重构、软件系统重构、现场布线优化等多个维度系统性开展自动控制系统升级改造，并建立完整的验证机制，确保系统重构后的可靠性、实时性与维护便利性达到智能工厂标准。

2   工程实施路径设计

2.1   控制平台统一与高性能控制器选型

在传统工厂自动化系统中，控制平台长期存在异构分散、多品牌并用的结构性缺陷，尤其在汽车产线的多阶段工艺段（如冲压、焊装、总装）中，常见西门子、三菱、欧姆龙等PLC混用，不同子系统之间逻辑接口松散，程序结构割裂，数据交互效率低下。这种“多PLC、跨协议、手工集成”的模式不仅拉长调试周期和后期运维难度，也限制自动控制系统的统一升级、集中监控与柔性扩展能力。

本项目在自动控制系统升级初期，即确立“统一控制平台”作为系统重构的核心策略，采用和利时LXS控制器为主控平台，实现逻辑控制、运动控制、人机交互和工业以太网通信的 一 体化集成。该平台基于工业级嵌入式处理器，内嵌具备实时性能的双核ARM+FPGA异构架构，运行自主嵌入式RTOS系统，结合Xmagital自动化软件平台， Autothink编程环境，支持完整IEC 61131-3标准五种编程语言，并可实现结构化文本（ST）与功能块（FB）的高抽象逻辑建模。

与传统系统不同，   L XS系列P L C，结合Xmagital平台具备如下几项关键性能优势：

（1）实时任务调度性能：系统控制周期可稳定运行在250μs以内，支持80轴以上的同步伺服运动控制，并具备实时采集超过500路高速I/O点的能力；通过多线程逻辑调度与优先级分离机制，将控制周期与人机界面刷新完全解耦，有效避免画面更新卡顿干扰实时控制。

（2）控制对象整合能力：可直接管理EtherCAT总线下的机器人控制器、远程I/O站、伺服驱动器、安全模块等异构设备节点， 无需中间网关或协议转换模块， 最大限度压缩通信链路层级， 提高响应一致性。

（3）通信协议统一化：平台原生支持EtherCAT、 OPC UA、Modbus-TCP、FS oE、EAP等主流工业协议，具备开放的数据访问接口，可应用于Xmagital平台与MES系统、SCADA平台、上位数据库实现多协议协同通信； 在升级过程中无需额外购置多品牌通信适配器，降低软硬件集成成本。

（4）故障恢复与可重构能力：控制程序与设备参数采用版本控制机制统一管理， 具备自动识别接入设备与工艺模块功能的能力， 一旦产线出现模块更换、工艺调整、机器人切换等需求， 控制系统可通过软加载完成逻辑自动适配， 无需重新部署底层程序，大幅提升柔性化程度。

在系统部署过程中，通过统一平台构建“主控→分布式总线→动作单元”的标准化体系结构， 所有动作逻辑（如夹紧、上料、点焊、识别） 均封装为平台级功能块模板， 并通过工艺描述表与路径参数表动态调用， 实现“控制逻辑对象化、参数配置表单化、系统运行标准化”的一体化重构目标。

实际运行中， LXS控制器稳定承载包含26台机器人、12段自动线、54套伺服单元与上百路安全输入的柔性焊装系统控制任务，平均CPU占用率不超过55%，实时性满足20ms以下系统节拍同步要求，控制平台重构取得显著成效。

2.2   软件逻辑重构与模块标准化封装

在原有自动控制系统中，程序结构普遍采用梯形图（LD）顺序展开方式实现控制逻辑，各动作之间以位逻辑方式触发，程序按“顺序扫描+位级联动”组织， 存在大量重复指令、变量使用不规范、状态跳转无显式逻辑等问题。随着系统规模扩展、控制目标复杂化， 此类“卷帘式”程序结构在逻辑可读性、功能复用性、维护追溯性方面逐渐无法满足智能工厂对控制软件结构化、模块化、可调试化的技术要求。

在本次控制系统升级中，软件逻辑全面重构，采用IEC 61131-3标准中的结构化文本语言（ST）作为主控编程语言，以面向过程+状态驱动的编程范式对所有控制逻辑进行重新建模。设备控制层将每类动作单元（如： 电磁夹具、两位气缸、光电传感器组、位置检测开关）抽象为功能块（FB），每个功能块封装控制逻辑、状态缓存、输出接口、异常检测、手动覆盖与远程互锁等机制， 并支持通过初始化参数表进行功能调整。

以典型夹具功能块为例，其内部采用状态机方式划分工作流程， 包括：初始、就绪、闭合中、闭合完成、开启动作、开启动作完成、异常等7个状态节点。每个功能块可被主PLC任务调度器按需实例化并并行运行， 实现与现场设备运行状态高度一致的程序状态建模，显著提升调试效率与系统稳定性。

在机器人交互层，构建统 一 的标准化数据结构体用于任务参数、反馈状态、程序控制与安全状态等信息的传递。数据结构设计遵循“位图定义+结构体打包+校验机制”的原则。例如，结构体中包含如下字段： Task_ID（INT）、Status_Word （WORD）、Alarm_Code（WORD）、Path_ Index（INT）、Timestamp（DT）等，通过PLC周期性刷新机制构建状态轮询与任务感知通道， 并配合任务调度状态机实现对机器人程序的远程调用、流程挂起、异常恢复与超时跳转。

更为关键的是，主控制器中构建一套多通道任务管理状态机，用于管理不同产线节拍下各机器人任务的生成、启动、执行监视与完成确认流程。任务调度逻辑与机器人实际路径程序完全解耦，任务状态机仅以任务编号与参数为索引， 由机器人内部解析器完成具体路径调取与动作规划，从而实现生产节拍控制与设备程序控制的职责分离，提高系统扩展灵活度与适应多车型快速切换的能力。

2.3   基于Xmagital的平台优势效果

Xmagital平台作为和利时推出的全新可自由定义的智能系统，具有以下特性：

首先，它是一套工厂管理系统，包括工厂的生产控制管理和生产运营管理。生产控制管理包括现场仪表、传感器、PLC控制器、DCS系统、安全系统、SCADA系统、批次管理Batch、先进控制APC等，生产运营管理包括MES/MOM、APS、设备管理、仓储物流管理、能源管理、质量管理等。

第二，系统的原生一体化融合，意味着一开始就基于统一的平台和标准开发出这两套系统，而不是先分别开发好两个系统，然后进行数据打通，这就是“原生融合”的核心概念。 XMagital是通过提供统一的数据模型、平台框架、基础环境和服务化组件架构，来实现控制和管理系统的原生融合。

第三， 从架构角度而言， 它突破了传统ISA-95金字塔分层式架构，基于统一的基础平台实现L0~L3层应用的扁平化网状结构。这种结构一方面消除了原来分散独立在各个系统内的“数据孤岛”，数据能够跨部门、跨系统快速流通与处理，企业能够迅速适应内外部环境变化，满足多样化的业务需求，另一方面，这样一个统一的基础平台，为大数据分析、人工智能、BI等高级应用提供坚实的基础，这正是数字化转型最亟需解决的问题。

简单来说，XMagital具有强大的生产控制与运营管理系统开发能力。它创新采用“1个平台+N个应用”框架，为各类工业应用的快速开发提供了统一基础。虽然管控一体化平台的概念已提出十余年，但实际落地始终面临诸多挑战，其中最关键的就是缺乏一个真正通用的开发环境。 XMagital的推出正好填补了这一空白，它将大大降低管控一体化的实施难度，让这一理念终于能够真正落地生根。这个系统不仅解决了行业长期存在的痛点，更为工业数字化转型提供了强有力的技术支撑。

当然， 不仅如此，XMagital更是一个深度融合AI技术的智能系统，实现了三大智能化突破：智能组态的可视化配置、智能应用的快速搭建、工业智能体的敏捷开发。 XMagital提供了一系列智能化工具来降低组态难度，涵盖业务建模、逻辑编排、数字孪生、工业优化和运维检测等，同时还集成了强化学习、深度学习、大模型等工业AI通用架构和各类AI算法库，可以快速构建生产优化类、设备诊断类、工业视觉类、数据预测类等一系列智能应用。当然，当前火热的大语言模型，如DeepSeek、通义千问等也都可以无缝接入，支持各类大模型框架以及RAG、MCP、Function Call等大模型技术，轻松构建生产运营类智能体和工程赋能类智能体，甚至打造各类行业大模型。

如果说管控 一 体和融入AI是XM a gital的“Digital”部分，那“可自由定义”就是XMagital的“Magic”部分了，这也是它的神奇之处。

为什么说它可以“自由定义”呢？

XMagital突破了传统工业系统分层架构的限制，这种设计允许用户根据业务需求自由组合功能模块， XMagital之所以“可自由定义”，是指它的部署模式十分灵活，支持云边协同部署和本地服务器部署两种模式。满足从车间级到集团级的全场景应用需求。开放生态也是“可自由定义”的核心体现。XMagital在硬件层面，实现了软硬件解耦，用户可自由选择不同品牌的硬件设备（如PLC、DCS、传感器等），支持容器化部署，而且支持OPC UA、 Modbus、MQTT等300+工业协议，实现生态圈内的仪表、装备以及各层应用之间的互联互通互操作。在软件层面， XMagital通过提供开放的API、 SDK及低代码开发工具，允许第三方开发者基于平台规范开发各类工业应用。这是“平台基座+工具赋能+应用生态”三位一体的动态软件组合系统。

3   验证策略与系统上线机制

3.1   多级功能测试流程设计

控制系统升级后的投产稳定性极大依赖于前期验证流程的科学性与完整性。为保障功能、性能与节拍协同逻辑的可靠运行，本项目构建自下而上的三级测试体系，贯穿从单体动作验证、子站联调到整线产能仿真全过程，实现模块级闭环测试与系统级协同验证的统一。

（1）一级测试—控制单元离线仿真验证。

在工厂调试阶段或软件开发周期内，构建离线测试台架，通过软件模拟I/O输入输出及伺服反馈，以验证PLC逻辑正确性、功能块执行完整性、变量一致性与HMI画面绑定效果。关键内容包括功能块切换状态的正确响应、异常路径处理逻辑的完整性、配方驱动逻辑的可靠性等。该阶段还可接入PLC仿真环境实现自动测试脚本运行，显著提高程序测试效率与精度。

（2）二级测试——现场单站设备调试。

系统部署至实际设备后，进入单机调试阶段。针对机器人、伺服驱动系统、传感器组等控制对象进行逐站联调，包括PLC与机器人之间的通信协议互通验证、起始程序运行联动、轴组插补轨迹复现、 HMI参数设置响应与监控反馈准确性等测试。调试过程中构建标准调试模板， 用于记录每一类设备的测试项、验证方法、状态标志、通过标准与异常处置路径，确保调试过程可溯源。

（3）三级测试——整线节拍与协同仿真测试。

在全部设备调通后，开展系统级的整线协同测试。利用测试工件或模拟信号流， 模拟多任务并发场景下的节拍运行流程， 重点验证任务调度逻辑的完整性、机器人动作交接的稳定性、设备间联锁的实时响应性与异常状态下的系统自保护能力。通过反复模拟启动、暂停、急停、切换车型等典型产线场景， 记录系统响应时间、任务恢复路径与节拍稳定性指标。测试过程中与HMI绑定联调界面实现日志自动记录，便于形成测试闭环。

此外，为确保测试过程标准化、数据可追溯，项目团队建立调试与验证记录体系，包括故障清单、验证项清单、接口响应时间统计表、软硬件版本日志、操作人员记录表等。每一轮测试均形成电子版本报告， 并存储于项目级测试归档系统中， 以支持后续审计、复测与运维支持， 构建出系统级可回溯测试链条。

3.2   安全功能验证机制

在自动化产线中，功能安全验证不仅是设备上线许可的重要前提， 也是系统稳定运行、人员操作保障的核心基准。本项目升级中部署的功能安全系统，以和利时LXS系列功能安全PLC为主控，实现与标准PLC隔离运行、安全信号专线采集、安全输出直控切断路径三重闭环。所有安全输入信号， 包括急停开关、安全光栅、安全门磁、区域保护扫描器等， 均采用双通道输入模块采集， 并基于异步比对与CRC校验机制进行真实性确认，消除误触发和假失效可能。

系统安全逻辑完全在安全PLC中独立编程实现， 并采用状态机方式管理联锁逻辑： 如进入防护区时，自动切断机器人伺服电源、气动夹具电磁阀；在安全门关闭后，需执行人工确认+权限校验流程，才可重新上电，确保每一次设备恢复均被授权并记录。

功能安全验证流程参照TÜV Rheinland制定的联锁机制测试方法，分三阶段展开：

（1）联锁动作验证：验证每一类安全输入信号触发后对应动作的执行完整性，如安全光栅遮挡立即中断机器人运行并切断主回路， 门磁信号丢失时无法复位系统等。所有测试动作均通过HMI状态页监视状态位变更，确保触发机制与动作链路一致。

（2）状态锁定验证：验证系统在进入安全状态后，所有控制命令失效并处于锁定状态， 直至人工复位介入， 防止误操作或自动复原。例如在伺服急停状态下，强制屏蔽HMI手动模式指令发送，并显示红色警示页面。

（3）人工复位与审计验证：安全解除需具备人工确认动作， 并记录复位操作人员、时间戳与当前状态，通过HMI安全页配合权限等级系统执行复位动作。所有异常状态与安全动作均自动记录于安全事件日志， 并同步至后台服务器， 实现安全事件可审计、可追踪、可评估。

该安全验证机制在现场实际执行过程中，结合HMI实时报警画面、日志回放系统、权限分级机制，构建完整的“发现－处理－记录”闭环体系。系统在部署后接受内部功能安全审查并完成项目交付前的第三方安全测试验证（模拟TÜV流程），确保系统满足SIL3功能安全等级要求。

4   项目实施成果与应用价值

通过本次升级改造，该产线控制系统整体运行周期缩短20%以上， 系统响应延迟由平均180ms降低至20ms以内；机器人任务分配更具柔性，节拍稳定性提升显著；安全控制模块首次实现SIL3等级认证， 并具备状态图可视化能力；维护接口统一，远程诊断效率显著提升。系统具备完整模块化、通信标准化、配置参数化特征， 已在某自主品牌汽车新一代产线、冲压行业龙头企业柔性冲压线等系统中复制推广，成为企业推进智能工厂自动控制系统升级的重要技术模板。

摘自《自动化博览》2026年5月刊