自主可控可编程控制系统架构及关键技术分析

李彬

摘要：文章对自主可控可编程控制系统架构以及关键技术进行分析，首先对可编程控制系统架构特点进行分析，包括（1）选用实时以太网总线具有高同步性特点，同时应用具有标准化特色的应用层协议；（2）主站从站通用化水平持续提升；（3）功能呈现出丰富化发展趋势。然后对自主可控可编程控制系统关键技术及其实现进行分析，包括（1）主站从站硬件标准化；（2）实时以太网总线控制器；（3）HMI组态编程；（4）PLCopen功能库这四个方面的内容，希望能够通过自主可控可编程控制系统关键技术的综合应用，促进可编程控制系统优化发展，进而在工业控制产品自主化发建设发展方面起到积极作用与价值。

关键词：自主可控  可编程控制系统  架构  技术

中图分类号：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

可编程控制系统将现场总线控制系统、可编程逻辑控制器以及嵌入式计算机系统引入系统内部，作为工业装备自动化控制的中枢神经系统，在智能化工厂信息自动化采集、实时控制、安全防护、过程监控等相关功能的实现过程中发挥重要作用，目前自主可控可编程控制系统被广泛应用于机器人、数控机床以及自动化生产线等自动化装备控制模块中。如何对自主可控可编程控制系统架构以及关键技术进行进一步优化发展，成为实现工业控制产品自主化率，保障高端制造装备安全可靠运行的关键所在。

1 可编程控制系统架构特点

早期发展阶段中，基于可编程控制系统的硬件、软件结构模块体现出了封闭式的特点，同时，软件配置上虽然具备自主开发环境，但组态方式、语言结构以及寻址空间均存在一定得差异性。各大厂商所使用总线协议存在一定差异，导致可编程控制系统硬软件兼容性存在的问题，对总线技术发展产生非常不良的影响。发展至今，总线式可编程控制系统体现出以下几个方面的特点。

（1）从总线方面来说，搭载对以太网技术的应用具有同步性较高的特点与优势，应用层所遵循协议具有标准化水平。以物理层接口为依据对链路层数据传输协议进行设计与适应，考虑工业控制需求，提高其实时性以及同步性优势，以上是以太网现场总线接口技术研发的核心内容。考虑现阶段以太网总线的应用广泛性，将其应用于物理层、链路层中，与网络层、传输层实现实时性的方法相区分。实际应用中，其实时控制周期可以达到1.0ms范围内，同步性能满足100.0ns的要求，这使得可编程控制系统总线选择的空间较大。应用层协议需要发挥对总线物理层、以及链路层差异进行屏蔽的功能与价值，面向用户层提供总线读写操作服务接口支持，且需要体现统一化的特征。在大量应用层协议中，以CAN open占据地位相当关键，该协议的主要特点是通过应用OD数据字典的方式，描述工业控制系统中各个节点设备的功能以及网络行为。在该协议支持下，主机可以通过总线干预的方式灵活配置CAN open设备，考虑结合以太网网络，支持应用层协议的通过实现，以满足可编程控制系统要求。

（2）从硬件方面来说，主从站通用化特征进一步凸显。在可编程控制系统运行期间需要构主站从站的方式支持总线连接构成功能的实现。从硬件配置上来说，可考虑以太网标准化模式或控制器支持，留给主站的选择空间是相当大的。但从从站角度上来说，为满足从站处理器相对于总线数据的收发操作功能，需要通过专用实时以太网总线接口芯片实现。尤其是当前总线接口芯片技术持续发展与成熟，将其应用于从站与实时总线数据交换的难度越来越小，这意味着从站标准化水平有所提升，在以太网接口所面向从站类型积累发展经验的同时，促进其类型的丰富化发展，使后续对从站硬件设备配置方案的选择更为轻松，系统整体建构更具便捷性以及可靠性优势。

（3）从编程开发工具软件方面来说，功能呈现出丰富化发展趋势。基于总线式的自主控制可编程控制系统工具软件包括两个方面的内容，第一是人机交互界面编程，第二是自动化编程。基于自动化的编程软件形成面向工业控制语言编程调试的开发平台，能够在现行国际标准的支持下应用不同编程语言展开逻辑控制，同时支持运动控制程序的实现，满足混合编程以及在线调试功能的达成。在此过程中，人机交互界面编程软件可用于显示总线式可编程控制系统内部状态数据的显示，将人机交互界面编程软件与总线式控制系统相融合，共同对可编程控制系统技术水平产生影响。工具软件应用期间体现实时多任务、仿真在线调试等相关功能的实现，涵盖控制系统项目自编程开始至维护阶段的一系列软件开发以及协同管理工作任务，支持同一工具软件平台基于软件组态的方式完成对自主可控可编程控制系统的重构开发，形成面向系统的自动化解决方案。

2 自主可控可编程控制系统架构技术

2.1  主站从站硬件标准化

作为可编程控制系统的脑部中枢系统，主站需要支持运动控制功能以及逻辑控制功能任务顺利执行，确保从站任务调度功能满足数据传输需求，支持界面通信功能的顺利实现。在此过程当中，主站对外接口单一，以网络通信为核心。以嵌入式计算机平台为依托，促进主站功能的实现。目前技术条件支持下，嵌入式国产中央处理器芯片以飞腾、申威、以及龙芯系列的为主。为将国产中央处理器芯片的应用价值与性能特点充分体现出来，需要尝试从硬件环境信号完整性入手，构成主站硬件架构模式。典型的主站硬件架构模式如图1所示。结合图1，主站硬件架构模式下的包含电源模块、中央处理器主控端、显示输出接口、硬盘接口、内存单元、以及USB设备输入接口等。从站作为工业现场末端设备控制器装置，负责对现场总线指令进行接收，面向不同类型工业现场末端设备进行状态信息参数的采集，同时考虑处理器电路基础特点，设计面向不同外设设备的电路结构系统，以此种方式确保从站模块化开发功能的顺利实现。在此过程中，整合设备控制模型，将具有开关量输入、输出功能的数字量从站、伺服控制算法集成运动控制从站以及现场总线兼容通信控制从站进行集中整合，在从站主控单元中集成现场总线协议，以达到实现硬件架构结构功能的目的，与之相对应结构示意图如图2所示。

2.2  实时以太网总线控制器

作为FCS控制系统的基础模块，实时以太网总线控制器发挥着系统整体连接的桥梁功能。现阶段技术条件支持下，典型实时以太网总线以以太网物理链路标准为前提条件，对物理层接口以及传输线路进行最大限度保留，仅对数据链路层中数据传输协议进行修改，以满足数据传输实时性要求。从这一角度上来说，基于国产核心器件所构架以太网运行平台可以考虑工业控制领域数据传输的特点，对网络数据收发链路层协议进行优化设计，支持通信同步以及网络帧实时传输功能的实现，对于以太网总线自主可控功能的实现有非常重要意义。在这一过程当中，可以尝试借助于Verilog语言开发以太网链路层协议，通过封装IP的方式在国产FPGA器件中的进行集成化处理，支持总线控制器的合理搭建，以达到方便后续升级维护以及缩短开发时间的效果。整个总线控制器模块中纳入数据访问接口、寄存器模块、接口模块、同步控制模块以及通信控制模块等相关单元，支持网络数据收发以及传输功能的实现。在此过程当中，通过设置数据访问接口的方式，支持从站主控芯片与总线控制器之间的数据传输任务顺利实现，配置总线可控制器对网络数据进行读取，同时可将相关外设状态信息输入总线控制器中，支持信号同步功能实现。除此以外，同步控制模块对同步协议进行集成化处理。图3为以太网数据传输基本工作原理示意图。结合图3：主站将以太网数据帧自接口1进行读取的，并经控制模块处理传输至寄存器模块中进行存放。在此过程中，以同步控制模块为基础，由数据访问接口对信号进行中段或同步处理。数据访问接口同时面向从站主控芯片体提供服务，读取控制器所接收参数信息，基于协议标准转化链路层协议，同时生成与之对应的应用层协议，在该协议栈辅助下对数据信息进行储存，并基于对象字典数据的及时更新与完善，满足设备模型控制功能实现，以支持外设控制的目的。

2.3  HMI组态编程

HMI组态编程软件作为控制系统运行期间的全新的可视化软件，可支持管理控制功能自动化实现，并且对工业自动化控制场景有良好的适应性特点，对人机交互功能实现也有积极意义。整套面向控制系统运行的HMI组态编程软件由开发界面环境以及运行程序这两个部分构成。运行程序可以通过搭载自动化控制平台的方式，支持HMI组态软件一系列功能顺利实现。除此以外，界面开发环境模块需要支持对自动化控制结构的开发按设计活动。为满足并体现系统自主可控性以及通用性优势，在操作系统平台支持过程中，可以基于跨平台软件开发环境，利用C语言完成界面程序开发，支持组态编程软件跨平台运行功能的顺利实现。需要注意的一点是，在HMI界面开发环境运行过程当中，用户需要搭载一系列组件开发与控制需求相契合的HMI界面，满足开发功能顺利实现。在HMI界面开发期间，项目管理组件结合实际开发情况进行管理与优化，所设计生成HMI界面关键参数配置需要依赖于系统参数配置组件实现。除此以外，组件提供界面图形以及动画开发工具，支持标准化按钮以及开关等插件的设计实现。工业控制领域典型通信协议则基于通信管理组件进行基本定义。在HMI界面开发完成后，需要以组件配置为依据，对界面设计相关结果参数信息进行打包处理，生成运行程序并HMI组态编程软件形成匹配对应关系，在以太网辅助下下载关键运行程序，在国产操作系统程序运行平台中予以保存。在上述过程中，基于平台支持，蛮像通信组件提供的主站与HMI组态编程软件运行程序的交互通信，提高系统运行的实时性水平。在此基础之上，参考HMI组态编程软件应用程序用户操作流程，由界面图控软件对数据库中界面状态进行实时性更新，形成面向数据库的界面操作协议，支持面向主站数据交换功能的实现。

2.4  PLCopen功能库

PLCopen功能库充分体现了编程管理的规范性以及标准化特点，将逻辑编程规范、XML规范、安全规范等一并纳入其中。在编程过程中，用户可以通过对功能模块进行调用的方式定义逻辑连接关系，促进系统编程效率以及资源利用率的提升。在基于标准化硬件以及总线式可编程控制器开发系统中，体现PLCopen功能库的积极优势与特点。基于PLCopen功能库规范，运动控制功能的实现会受到模块算法逻辑实现、轴信息结构体以及轴状态机三个方面因素的影响。其中，运动控制功能块算法逻辑主要满足运动控制相关算法的实现，轴信息结构体负责对被控轴全体参数的描述，轴状态机则对当前模块所处运行状态以及可能存在状态跳转关系进行描述。在自主可控可编程控制系统中，主站内部根据运动控制基本模型形成相对应轴状态机，对电机轴运行状态以及所对应转移关系进行准确定义。同时对轴状态机所对应运动状态进行开发与完善，形成一套完善的运动控制功能库作为系统支持。尤其应引起重视的是，考虑到三环控制算法受从站集成化处理因素的影响，在应用功能库算法进行结果优化处理期间，可以尝试重视对三环控制基本指令以及时序控制功能的实现问题。同时，以功能库算法为依托，在以太网总线技术辅助下全面更新轴信息结构体，以支持功能库运动功能的顺利实现。

3 结语

文章对工业控制领域可编程控制系统自主可控的实现问题进行分析，以工业控制系统发展历程为基础，提出了自主可控可编程控制系统架构方案。在对可编程控制系统架构特点进行分析的基础之上，了解关键组件的功能原理，提出可编程控制系统的关键技术解决思路，构建具有模块化以及标准化特点的自主可控主站从站硬件设计方案，并对HMI组态编程方法以及PLCopen功能库实现方法进行系统分析，旨在于为未来智能制造装备国产化控制系统提供一套完整且可靠的解决方案。

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