自主可控可編程控制系統架構及關鍵技術分析

李彬

摘要：文章對自主可控可編程控制系統架構以及關鍵技術進行分析，首先對可編程控制系統架構特點進行分析，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議；（2）主站從站通用化水平持續提升；（3）功能呈現出豐富化發展趨勢。然后對自主可控可編程控制系統關鍵技術及其實現進行分析，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關鍵技術的綜合應用，促進可編程控制系統優化發展，進而在工業控制產品自主化發建設發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??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

可編程控制系統將現場總線控制系統、可編程邏輯控制器以及嵌入式計算機系統引入系統內部，作為工業裝備自動化控制的中樞神經系統，在智能化工廠信息自動化采集、實時控制、安全防護、過程監控等相關功能的實現過程中發揮重要作用，目前自主可控可編程控制系統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架構以及關鍵技術進行進一步優化發展，成為實現工業控制產品自主化率，保障高端制造裝備安全可靠運行的關鍵所在。

1?可編程控制系統架構特點

早期發展階段中，基于可編程控制系統的硬件、軟件結構模塊體現出了封閉式的特點，同時，軟件配置上雖然具備自主開發環境，但組態方式、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議存在一定差異，導致可編程控制系統硬軟件兼容性存在的問題，對總線技術發展產生非常不良的影響。發展至今，總線式可編程控制系統體現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勢，應用層所遵循協議具有標準化水平。以物理層接口為依據對鏈路層數據傳輸協議進行設計與適應，考慮工業控制需求，提高其實時性以及同步性優勢，以上是以太網現場總線接口技術研發的核心內容。考慮現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、傳輸層實現實時性的方法相區分。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總線選擇的空間較大。應用層協議需要發揮對總線物理層、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，且需要體現統一化的特征。在大量應用層協議中，以CAN?open占據地位相當關鍵，該協議的主要特點是通過應用OD數據字典的方式，描述工業控制系統中各個節點設備的功能以及網絡行為。在該協議支持下，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，支持應用層協議的通過實現，以滿足可編程控制系統要求。

（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。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操作功能，需要通過專用實時以太網總線接口芯片實現。尤其是當前總線接口芯片技術持續發展與成熟，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展經驗的同時，促進其類型的豐富化發展，使后續對從站硬件設備配置方案的選擇更為輕松，系統整體建構更具便捷性以及可靠性優勢。

（3）從編程開發工具軟件方面來說，功能呈現出豐富化發展趨勢。基于總線式的自主控制可編程控制系統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。基于自動化的編程軟件形成面向工業控制語言編程調試的開發平臺，能夠在現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，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內部狀態數據的顯示，將人機交互界面編程軟件與總線式控制系統相融合，共同對可編程控制系統技術水平產生影響。工具軟件應用期間體現實時多任務、仿真在線調試等相關功能的實現，涵蓋控制系統項目自編程開始至維護階段的一系列軟件開發以及協同管理工作任務，支持同一工具軟件平臺基于軟件組態的方式完成對自主可控可編程控制系統的重構開發，形成面向系統的自動化解決方案。

2?自主可控可編程控制系統架構技術

2.1??主站從站硬件標準化

作為可編程控制系統的腦部中樞系統，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。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。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出來，需要嘗試從硬件環境信號完整性入手，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。從站作為工業現場末端設備控制器裝置，負責對現場總線指令進行接收，面向不同類型工業現場末端設備進行狀態信息參數的采集，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，以此種方式確保從站模塊化開發功能的順利實現。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場總線協議，以達到實現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控制系統的基礎模塊，實時以太網總線控制器發揮著系統整體連接的橋梁功能。現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控制領域數據傳輸的特點，對網絡數據收發鏈路層協議進行優化設計，支持通信同步以及網絡幀實時傳輸功能的實現，對于以太網總線自主可控功能的實現有非常重要意義。在這一過程當中，可以嘗試借助于Verilog語言開發以太網鏈路層協議，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，以達到方便后續升級維護以及縮短開發時間的效果。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，支持網絡數據收發以及傳輸功能的實現。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，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信息輸入總線控制器中，支持信號同步功能實現。除此以外，同步控制模塊對同步協議進行集成化處理。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，基于協議標準轉化鏈路層協議，同時生成與之對應的應用層協議，在該協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，以支持外設控制的目的。

2.3??HMI組態編程

HMI組態編程軟件作為控制系統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，并且對工業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也有積極意義。整套面向控制系統運行的HMI組態編程軟件由開發界面環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組態軟件一系列功能順利實現。除此以外，界面開發環境模塊需要支持對自動化控制結構的開發按設計活動。為滿足并體現系統自主可控性以及通用性優勢，在操作系統平臺支持過程中，可以基于跨平臺軟件開發環境，利用C語言完成界面程序開發，支持組態編程軟件跨平臺運行功能的順利實現。需要注意的一點是，在HMI界面開發環境運行過程當中，用戶需要搭載一系列組件開發與控制需求相契合的HMI界面，滿足開發功能順利實現。在HMI界面開發期間，項目管理組件結合實際開發情況進行管理與優化，所設計生成HMI界面關鍵參數配置需要依賴于系統參數配置組件實現。除此以外，組件提供界面圖形以及動畫開發工具，支持標準化按鈕以及開關等插件的設計實現。工業控制領域典型通信協議則基于通信管理組件進行基本定義。在HMI界面開發完成后，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組態編程軟件運行程序的交互通信，提高系統運行的實時性水平。在此基礎之上，參考HMI組態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進行實時性更新，形成面向數據庫的界面操作協議，支持面向主站數據交換功能的實現。

2.4??PLCopen功能庫

PLCopen功能庫充分體現了編程管理的規范性以及標準化特點，將邏輯編程規范、XML規范、安全規范等一并納入其中。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系統中，體現PLCopen功能庫的積極優勢與特點。基于PLCopen功能庫規范，運動控制功能的實現會受到模塊算法邏輯實現、軸信息結構體以及軸狀態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，軸信息結構體負責對被控軸全體參數的描述，軸狀態機則對當前模塊所處運行狀態以及可能存在狀態跳轉關系進行描述。在自主可控可編程控制系統中，主站內部根據運動控制基本模型形成相對應軸狀態機，對電機軸運行狀態以及所對應轉移關系進行準確定義。同時對軸狀態機所對應運動狀態進行開發與完善，形成一套完善的運動控制功能庫作為系統支持。尤其應引起重視的是，考慮到三環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化處理期間，可以嘗試重視對三環控制基本指令以及時序控制功能的實現問題。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。

3?結語

文章對工業控制領域可編程控制系統自主可控的實現問題進行分析，以工業控制系統發展歷程為基礎，提出了自主可控可編程控制系統架構方案。在對可編程控制系統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組態編程方法以及PLCopen功能庫實現方法進行系統分析，旨在于為未來智能制造裝備國產化控制系統提供一套完整且可靠的解決方案。

參考文獻

[1] 郭肖旺，陳海，趙德政.?工控行業自主可控編程編譯工具關鍵技術研究[J].?信息技術與網絡安全，2018，37（9）：13-16.

[2] 岳秀江，孫潔香.?工業控制裝置可編程邏輯控制器（PLC）自主創新技術和產業發展戰略研究[J].?自動化博覽，2018，35（10）：60-64.

[3] 龍鵬程，羅月童，鄒俊，等.?基于可編程圖形處理器的可視化技術在中子學分析中的應用研究[J].?核電子學與探測技術，2010，30（8）：1042-1045.

[4] 李鳳華，劉丹丹，單長虹.?一種可編程全數字鎖相環的設計與實現[J].?計算機測量與控制，2016，24（1）：243-245，248.

[5] 張好聰，李濤，邢立冬，等.?OpenVX特征抽取函數在可編程并行架構的實現[J].?計算機科學與探索，2022，16（7）：1583-1593.

[6] 吳春瑜，趙晏伯，李威，等.?FPGA中的可編程邏輯模塊CLB的設計[J].?遼寧大學學報（自然科學版），2008（4）：289-292.

[7] 馬曉宇，黃曉津.?基于FPGA的核電儀控系統發展與自主研發探索[J].?自動化儀表，2021，42（6）：82-85，90.

[8] 嚴洋洋，殷志祥.?最大團問題的可編程的DNA分子系統計算模型[J].?佳木斯大學學報（自然科學版），2020，38（2）：33-36.

[9] 宋鎧鈺.?基于信息互聯的數字化車間智能化關鍵技術研究[D].北京：北京工業大學，2020.

[10] 曾心宇.?量子隨機數發生器中隨機性量化及實時后處理方案研究[D].南京：南京郵電大學，2022.