1.1 引言/導(dǎo)讀

當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展正面臨全新挑戰(zhàn)與機(jī)遇，一方面，上一輪科技革命的傳統(tǒng)動(dòng)能規(guī)律性減弱趨勢(shì)明顯，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的內(nèi)生動(dòng)力不足。另一方面，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新一代信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展日新月異，加速向?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域滲透融合，深刻改變各行業(yè)的發(fā)展理念、生產(chǎn)工具與生產(chǎn)方式，帶來(lái)生產(chǎn)力的又一次飛躍。在新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的背景下，在工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型需求的帶動(dòng)下，以泛在互聯(lián)、全面感知、智能優(yōu)化、安全穩(wěn)固為特征的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生、蓄勢(shì)興起，正在全球范圍內(nèi)不斷顛覆傳統(tǒng)制造模式、生產(chǎn)組織方式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級(jí)、新興產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展壯大。

1.2 關(guān)鍵詞

確定性網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、可編程技術(shù)、異構(gòu)PLC、工業(yè)裝備

1.3 測(cè)試床項(xiàng)目承接主體

1.3.1 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式

華為技術(shù)有限公司 鄧海洋 18926415929

杭州電子科技大學(xué)  陳佰平 13588451979 

1.4 測(cè)試床項(xiàng)目目標(biāo)

裝備是制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能的重點(diǎn)。在各國(guó)政府和企業(yè)的推動(dòng)下，裝備網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)始形成，例如裝備在通用電氣的Predix、西門子的MindSphere、施耐德電氣的EcoStructure、ABB的Ability等平臺(tái)的接入。我國(guó)在《智能制造2025》的指引下，通過(guò)推出《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化”互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023）》系列政策，也不斷支持和推動(dòng)中國(guó)企業(yè)，建成了航天科工航天云網(wǎng)、海爾COSMOPlat、三一集團(tuán)樹(shù)根互聯(lián)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。在這一浪潮下，很多工廠的裝備網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)初具規(guī)模，正向著協(xié)作化、集群化、定制化發(fā)展。

傳統(tǒng)控制和開(kāi)發(fā)方式是一個(gè)裝備對(duì)應(yīng)控制器，而多工序是通過(guò)固定步驟和流水線形式完成自動(dòng)化生產(chǎn)。與此相比，未來(lái)控制系統(tǒng)的需求是統(tǒng)一開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)多個(gè)控制器進(jìn)行開(kāi)發(fā)控制多個(gè)裝備，并會(huì)融入運(yùn)動(dòng)、視覺(jué)、智能算法等多種技術(shù)協(xié)同。這一趨勢(shì)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)提出了如下挑戰(zhàn)：1）異構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)多裝備的協(xié)同控制及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)缺乏；2）異構(gòu)控制系統(tǒng)之間的可靠網(wǎng)絡(luò)通信及其管理平臺(tái)缺乏；3）工業(yè)非結(jié)構(gòu)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)缺乏。

本測(cè)試床以為解決現(xiàn)有挑戰(zhàn)提供一個(gè)可行方案為目的，通過(guò)短期和長(zhǎng)期兩個(gè)階段進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)證。短期方面，將以不同行業(yè)的2-3個(gè)典型應(yīng)用為例測(cè)試研制的測(cè)試床；長(zhǎng)期方面，將在1-2個(gè)未來(lái)工廠進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1.5 測(cè)試床方案架構(gòu)

1.5.1 測(cè)試床應(yīng)用場(chǎng)景

測(cè)試床以注塑成型行業(yè)為例，開(kāi)展應(yīng)用推廣。注塑機(jī)及其輔機(jī)群一起生產(chǎn)塑料制品，用于航空航天、醫(yī)療、汽配、家電等行業(yè)。由于產(chǎn)品的豐富性，以及設(shè)備群的復(fù)雜性，其高速高精度控制一直是難點(diǎn)。本測(cè)試床，包括異構(gòu)體可編程控制器運(yùn)行時(shí)軟件、可編程組態(tài)平臺(tái)、確定性網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。運(yùn)行時(shí)軟件將運(yùn)行在多臺(tái)高性能服務(wù)器中成為可編程控制器。整個(gè)硬件系統(tǒng)將采用多臺(tái)異構(gòu)可編程控制器和遠(yuǎn)端IO，通過(guò)確定性網(wǎng)絡(luò)連接。硬件系統(tǒng)將統(tǒng)一控制注塑機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、AGV小車、上料機(jī)、模溫機(jī)、冷水機(jī)、包裝機(jī)、換模裝置等裝備群。最終形成，PLC群控制裝備群，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)定制化數(shù)據(jù)，而存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以用于數(shù)據(jù)分析和PLC控制優(yōu)化。確定性網(wǎng)絡(luò)以及普通車間網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)進(jìn)行管理。

1.5.2 測(cè)試床架構(gòu)

  總體架構(gòu)如圖所示，主要包括異構(gòu)體可編程控制器運(yùn)行時(shí)軟件、可編程組態(tài)平臺(tái)、確定性網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。運(yùn)行時(shí)軟件將運(yùn)行在多臺(tái)高性能服務(wù)器中成為可編程控制器。整個(gè)硬件系統(tǒng)將采用多臺(tái)異構(gòu)可編程控制器和遠(yuǎn)端IO，通過(guò)確定性網(wǎng)絡(luò)連接。

圖：測(cè)試床整體架構(gòu)

1.6 測(cè)試床方案

1.6.1 確定性網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

Master NCE-Campus 是華為面向園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的新一代自動(dòng)駕駛網(wǎng)絡(luò)管理控制系統(tǒng)，是業(yè)界首個(gè)集管理、控制和分析功能于一體的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化與智能化平臺(tái)，提供園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的全生命周期自動(dòng)化、基于大數(shù)據(jù)的故障智能閉環(huán)能力，幫助企業(yè)降低 OPEX 運(yùn)維成本，加速企業(yè)云化與數(shù)字化轉(zhuǎn)型，讓網(wǎng)絡(luò)管理更自動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維更智能。    iMaster NCE-Campus基于云計(jì)算與分布式的架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用服務(wù)化的模塊設(shè)計(jì)、支持分布式部署。從整體架構(gòu)上分為基礎(chǔ)服務(wù)、管理、控制和分析四個(gè)組件：

圖：確定性網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)架構(gòu)圖

基于華為NCE-Campus完成基于確定性網(wǎng)絡(luò)的流量自動(dòng)編排下發(fā)，網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)可視化，網(wǎng)絡(luò)故障智能閉環(huán)。

1.6.2 可編程控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)軟件

1) 適用于異構(gòu)PLC的實(shí)時(shí)內(nèi)核研究適配

針對(duì)X86和Cortex-A架構(gòu)平臺(tái)，采用雙內(nèi)核機(jī)制的Linux 內(nèi)核的強(qiáng)實(shí)時(shí)擴(kuò)展。由于Linux 內(nèi)核本身的實(shí)現(xiàn)方式和復(fù)雜度，使得Linux 本身不能使用于強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用。在雙內(nèi)核技術(shù)下，存在一個(gè)支持強(qiáng)實(shí)時(shí)的微內(nèi)核，它與Linux 內(nèi)核共同運(yùn)行于硬件平臺(tái)上，實(shí)時(shí)內(nèi)核的優(yōu)先級(jí)高于Linux 內(nèi)核，它負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)，而Linux 則負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)任務(wù)，只有當(dāng)實(shí)時(shí)內(nèi)核不再有實(shí)時(shí)任務(wù)需要處理的時(shí)候，Linux內(nèi)核才能得到運(yùn)行的機(jī)會(huì)，由此組成雙內(nèi)核以彌補(bǔ)Linux實(shí)時(shí)性差的缺陷。

對(duì)于Cortex-M平臺(tái)，性能較弱，采用固定線程數(shù)微內(nèi)核操作系統(tǒng)，兼顧實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)。

2）控制系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度

從控制系統(tǒng)應(yīng)用層面，以時(shí)間粒度為單位設(shè)置多個(gè)不同時(shí)間周期（0.5ms、1ms、10ms、100ms等）的實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)，通過(guò)時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，采用搶占式調(diào)度策略，時(shí)間周期短的優(yōu)先級(jí)高。設(shè)置空閑線程，在控制系統(tǒng)“有空”的時(shí)候運(yùn)行非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析任務(wù)，例如非確定性故障智能診斷。該設(shè)計(jì)方法合理利用了CPU資源，在不干擾原有控制功能的基礎(chǔ)上，為新添加的軟故障診斷功能提供了診斷數(shù)據(jù)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

通過(guò)在任務(wù)間設(shè)置通信信號(hào)量，控制器不同實(shí)時(shí)任務(wù)間以信號(hào)量為標(biāo)志進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)變量共享。與信號(hào)量對(duì)應(yīng)，任務(wù)之間設(shè)置消息郵箱，通過(guò)消息郵箱實(shí)現(xiàn)任務(wù)與任務(wù)之間傳遞數(shù)據(jù)。當(dāng)需要傳遞多組數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)消息隊(duì)列方式，在每個(gè)任務(wù)周期的間隙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

3) 運(yùn)行監(jiān)控

為提高系統(tǒng)可靠性，在控制系統(tǒng)的進(jìn)程執(zhí)行時(shí)，通過(guò)設(shè)置‘監(jiān)控進(jìn)程’監(jiān)控‘控制進(jìn)程’中每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)‘控制進(jìn)程’中某個(gè)任務(wù)出現(xiàn)掛起時(shí)，通過(guò)消息機(jī)制觸發(fā)‘控制進(jìn)程’對(duì)任務(wù)進(jìn)行干預(yù)或修復(fù)。當(dāng)‘控制進(jìn)程’出現(xiàn)異常時(shí)，‘監(jiān)控進(jìn)程’可通過(guò)告警觸發(fā)、重啟‘控制進(jìn)程’等手段進(jìn)行干預(yù)，防止系統(tǒng)處于奔潰狀態(tài)。

1.6.3 支持異構(gòu)體的可編程組態(tài)平臺(tái)

本測(cè)試床可編程組態(tài)平臺(tái)將支持異構(gòu)體可編程控制器和IEDB數(shù)據(jù)塊定制編程，將包括功能塊封裝、混合編譯和雙線調(diào)試三個(gè)內(nèi)容。

1) 功能塊封裝

為了滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜定制化的需求，研究功能塊的平臺(tái)無(wú)關(guān)性描述和封裝方法。項(xiàng)目擬將多年可編程控制器領(lǐng)域成功經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到測(cè)試床程序的開(kāi)發(fā)中，擬通過(guò)通用的XML語(yǔ)言描述，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的功能塊封裝，構(gòu)建功能塊庫(kù)。如圖所示，平臺(tái)將按照應(yīng)用類別和行業(yè)實(shí)現(xiàn)功能塊庫(kù)的動(dòng)態(tài)封裝方法。用戶可以自行動(dòng)態(tài)增加定制化功能塊，同時(shí)依據(jù)項(xiàng)目組內(nèi)成員經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)可高效復(fù)用的公共功能塊。公共功能塊主要包括復(fù)雜處理邏輯功能塊，運(yùn)動(dòng)控制功能塊，視覺(jué)處理功能塊，智能推理功能塊等。

復(fù)雜處理邏輯功能塊：針對(duì)智能生產(chǎn)設(shè)備高通量、實(shí)時(shí)性要求設(shè)計(jì)流式數(shù)據(jù)分析模型，構(gòu)造復(fù)雜處理邏輯功能塊。數(shù)據(jù)流由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集輸送到測(cè)試床進(jìn)行解耦分析、萃取與事件生成。控制系統(tǒng)通過(guò)匯總和處理一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)后發(fā)送到云端中心進(jìn)行處理。云端通過(guò)并發(fā)方式向各控制系統(tǒng)發(fā)送指令，控制系統(tǒng)根據(jù)各自定制化控制邏輯功能塊執(zhí)行指令。

運(yùn)動(dòng)控制算法功能塊：針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造中設(shè)備分布式控制需求設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制算法功能塊。項(xiàng)目將在PLCopen組織規(guī)定的常規(guī)運(yùn)動(dòng)控制功能塊外，還支持特殊行業(yè)的定制化運(yùn)動(dòng)控制功能塊。

圖：功能塊封裝和動(dòng)態(tài)構(gòu)造

視覺(jué)處理功能塊：項(xiàng)目擬在已有的常用視覺(jué)處理功能塊基礎(chǔ)上，依據(jù)項(xiàng)目執(zhí)行的進(jìn)程，按行業(yè)增量式設(shè)計(jì)特定視覺(jué)處理功能塊。

智能推理功能塊：項(xiàng)目將支持主流的SVM，PCA等淺層機(jī)器學(xué)習(xí)功能塊，常用卷積網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能塊。針對(duì)智能模型的高性能要求，研究如何有效利用項(xiàng)目的多核異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)在有限計(jì)算資源條件下完成QoS保障的智能計(jì)算。

2）混合編譯技術(shù)

測(cè)試床中的硬件是異構(gòu)的包括高性能服務(wù)器和傳統(tǒng)可編程控制器，為支持符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需要研究混合編譯技術(shù)包括編譯器開(kāi)發(fā)和跨平臺(tái)部署兩部分。

a）基于微服務(wù)的交叉編譯器開(kāi)發(fā)

圖：基于微服務(wù)的交叉編譯方法

基于微服務(wù)的交叉編譯方法如上圖所示。首先，基于硬件的指令框架通過(guò)實(shí)現(xiàn)微服務(wù)動(dòng)態(tài)注入方法，自動(dòng)形成各硬件平臺(tái)的服務(wù)集合包括各類端口微服務(wù)集、定制器微服務(wù)集合、串口微服務(wù)集合、外部中斷微服務(wù)集合、I2C微服務(wù)集合、SPI微服務(wù)集合、全局微服務(wù)集合等，從而支持包括STM系列，Intel系列，DSP系列，AVR系列等的低中高芯片。針對(duì)混合語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，研制混合語(yǔ)言編譯器將對(duì)應(yīng)程序通過(guò)功能塊的轉(zhuǎn)換并基于微服務(wù)集，編譯成目標(biāo)芯片二進(jìn)制代碼供平臺(tái)部署到定向PLC。

b）跨平臺(tái)自動(dòng)部署技術(shù)

面對(duì)可能涉及到大量PLC的程序更新且每個(gè)PLC類型和功能又不盡相同給編譯帶來(lái)的困難，擬開(kāi)發(fā)定制化的運(yùn)行時(shí)部署方法。擬通過(guò)實(shí)現(xiàn)邊緣信息源記錄機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)化輪詢信息描述，通過(guò)在PLC中研發(fā)輪詢服務(wù)，響應(yīng)編譯服務(wù)請(qǐng)求并返回所接入控制器的信息。在獲取所有的信息后，平臺(tái)端的編譯服務(wù)系統(tǒng)，通過(guò)線程池機(jī)制和消息隊(duì)列等形式實(shí)現(xiàn)并行的定制化編譯，為每臺(tái)PLC生成定制化程序?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行時(shí)部署。

線程池包括一個(gè)任務(wù)隊(duì)列和一組線程。邊緣請(qǐng)求信息放置在任務(wù)隊(duì)列中進(jìn)行順序處理。通過(guò)研發(fā)輪詢服務(wù)，響應(yīng)高并發(fā)的邊緣服務(wù)請(qǐng)求并返回分布式應(yīng)用程序。通過(guò)云端建立的云編譯服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的實(shí)時(shí)定制化部署。部署流程如下：偵聽(tīng)線程偵聽(tīng)特定端口，接收邊緣信息源的請(qǐng)求，然后將其放入任務(wù)隊(duì)列；檢查線程定期檢查任務(wù)隊(duì)列，如果任務(wù)隊(duì)列不為空，則調(diào)用處理線程；處理線程將根據(jù)邊緣請(qǐng)求信息動(dòng)態(tài)編譯生成分布式應(yīng)用，并使用唯一標(biāo)識(shí)符作為保存應(yīng)用程序的路徑。最后發(fā)送線程將應(yīng)用根據(jù)路徑發(fā)送到邊緣。  

1.6.4 雙線調(diào)試技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)PLC調(diào)試，擬設(shè)計(jì)一個(gè)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)內(nèi)存映射調(diào)試模型，其主要功能是將PLC在現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)據(jù)源的通信過(guò)程，通過(guò)一系列的內(nèi)存交換映射到開(kāi)發(fā)主機(jī)上，使開(kāi)發(fā)主機(jī)能夠和數(shù)據(jù)源進(jìn)行通信。它包含以下三個(gè)內(nèi)容：

1）異構(gòu)PLC內(nèi)存映射

首先，在開(kāi)發(fā)環(huán)境上建立異構(gòu)PLC代碼運(yùn)行時(shí)環(huán)境線程（Runtime Environment Thread, RET）、在PLC上創(chuàng)建調(diào)試代理任務(wù)（Debugging Daemon Task，DDT）；然后選定PLC與被調(diào)試智能設(shè)備通信所用的協(xié)議數(shù)據(jù)緩沖區(qū)作為內(nèi)存映射區(qū)域M，在開(kāi)發(fā)主機(jī)上內(nèi)存映射M’，由RET和DDT之間建立網(wǎng)絡(luò)連接并保持兩者間數(shù)據(jù)同步，即開(kāi)發(fā)主機(jī)上運(yùn)行的代碼修改M’內(nèi)容會(huì)同步引起PLC上M區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)位置的數(shù)據(jù)改變；反之亦然。不失一般性，RET和DDT之間的數(shù)據(jù)同步通過(guò)Modbus TCP實(shí)現(xiàn)。在開(kāi)始調(diào)試后，在開(kāi)發(fā)主機(jī)的IDE環(huán)境下運(yùn)行通信協(xié)議代碼，代碼產(chǎn)生的協(xié)議命令被寫入M’區(qū)域的發(fā)送緩沖區(qū)，RET進(jìn)一步將其封裝為Modbus TCP協(xié)議報(bào)文后傳輸?shù)?/span>DDT，DDT解開(kāi)封裝并寫入到PLC的發(fā)送緩沖區(qū)；反之，PLC接收到智能設(shè)備的應(yīng)答數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在M區(qū)并被同步到傳輸?shù)?/span>M’的接收緩沖區(qū)，通信協(xié)議代碼繼而獲得了智能設(shè)備的應(yīng)答數(shù)據(jù)。在IDE調(diào)試環(huán)境下，開(kāi)發(fā)者可以對(duì)協(xié)議命令的組裝、校驗(yàn)和計(jì)算、應(yīng)答數(shù)據(jù)的解析、智能設(shè)備的數(shù)據(jù)等協(xié)議開(kāi)發(fā)所關(guān)注的細(xì)節(jié)，使用斷點(diǎn)、單步、變量和內(nèi)存查看等方式進(jìn)行調(diào)試和分析，排除問(wèn)題。

圖：內(nèi)存映射模型和調(diào)試通道

2）異構(gòu)PLC數(shù)據(jù)同步方法

在DDT的設(shè)計(jì)中，擬為其分配了2塊數(shù)據(jù)區(qū)域用于配置和驅(qū)動(dòng)調(diào)試。第一塊區(qū)域是協(xié)議數(shù)據(jù)交換緩沖區(qū)（Protocol Data Exchange Buffer, PDEB），包含發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)，用于DDT和RET的內(nèi)存映射；第二個(gè)區(qū)域是調(diào)試觸發(fā)位數(shù)據(jù)（Protocol Data Exchange Trigger Bits，PDETB），每一位代表一個(gè)同步事件或是配置。DDT主要完成3個(gè)任務(wù)：一是與RTE內(nèi)存映射區(qū)域的數(shù)據(jù)同步；二是協(xié)議數(shù)據(jù)交換緩沖區(qū)到PLC硬件驅(qū)動(dòng)之間的數(shù)據(jù)交互；三是設(shè)置PDETB，協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)主機(jī)和數(shù)據(jù)源之間的通信。特別地，在任務(wù)二中，異構(gòu)PLC硬件驅(qū)動(dòng)處于協(xié)議通信的底層，完成與數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)發(fā)送、接收的物理過(guò)程。異構(gòu)PLC的協(xié)議處理程序和驅(qū)動(dòng)之間，以內(nèi)存共享方式交換數(shù)據(jù)。以RS232串口通信為例，發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)就緒后，設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)就緒標(biāo)記位通知驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；反之，驅(qū)動(dòng)接收到數(shù)據(jù)后會(huì)放置到接收緩沖區(qū)并設(shè)置接收數(shù)據(jù)就緒的標(biāo)志，以便上層協(xié)議處理程序獲知并處理接收到的數(shù)據(jù)。在對(duì)通信協(xié)議程序進(jìn)行調(diào)試時(shí)，發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)和標(biāo)記位由開(kāi)發(fā)主機(jī)讀寫，而在非調(diào)試狀態(tài)下，則由PLC通信協(xié)議程序代碼進(jìn)行讀寫。在任務(wù)三中，設(shè)計(jì)通信協(xié)議調(diào)試控制位的設(shè)計(jì)分成2個(gè)部分。第一部分是對(duì)組成的PLC通信協(xié)議程序功能塊的執(zhí)行條件進(jìn)行控制。第二部分是與開(kāi)發(fā)主機(jī)及PLC的通信過(guò)程同步控制，使通信過(guò)程的調(diào)試能有序進(jìn)行。

3）調(diào)試方法

開(kāi)發(fā)平臺(tái)上仿真及調(diào)試。在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上編譯、啟動(dòng)調(diào)試工程，在IDE下對(duì)功能塊代碼進(jìn)行單步運(yùn)行、變量查看、數(shù)據(jù)斷點(diǎn)等調(diào)試，定位并解決代碼中存在的Bug。該調(diào)試過(guò)程可以重復(fù)，直至所有Bug都修復(fù)。仿真調(diào)試完成的功能塊代碼，在PLC開(kāi)發(fā)平臺(tái)上保存為XML標(biāo)準(zhǔn)格式文件，并添加到功能塊庫(kù)中。該調(diào)試過(guò)程解決功能塊代碼正確性問(wèn)題。

PLC上執(zhí)行及調(diào)試。工程師選擇嵌入式CPU為目標(biāo)平臺(tái)，重新編譯工程、下載到PLC上執(zhí)行；通過(guò)算法提取工程中功能塊調(diào)用關(guān)系圖，得到功能塊網(wǎng)絡(luò)，然后啟動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)視，通過(guò)與Monitor Task的通信即時(shí)獲取和分析功能塊間接口間的數(shù)據(jù)交互。該調(diào)試過(guò)程完成在PLC上執(zhí)行功能塊及功能塊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞正確性的調(diào)試和驗(yàn)證。

1.7 方案重點(diǎn)技術(shù)

1.7.1 確定性網(wǎng)絡(luò)

圖：確定性IP技術(shù)特點(diǎn)

確定性IP的目標(biāo)就是在現(xiàn)有IP轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的基礎(chǔ)上提供確定性的時(shí)延及抖動(dòng)保證。確定性IP的主要使能技術(shù)為LDN（Large-scale Deterministic Network，大規(guī)模確定性網(wǎng)絡(luò)）。通過(guò)引入周期調(diào)度機(jī)制來(lái)嚴(yán)格避免微突發(fā)的存在，從而保證了確定性時(shí)延和無(wú)擁塞丟包。LDN技術(shù)的異步調(diào)度、支持長(zhǎng)距鏈路、核心節(jié)點(diǎn)無(wú)逐流狀態(tài)等特點(diǎn)使其適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)可部署。

LDN首先要求全網(wǎng)設(shè)備頻率同步，所謂的頻率同步即各設(shè)備將自己的時(shí)間軸劃分為等長(zhǎng)的周期，不同設(shè)備的周期可以從不同的時(shí)間開(kāi)始在不同的時(shí)間結(jié)束。并且任意兩個(gè)設(shè)備的周期邊緣之差D保持不變。

圖：全網(wǎng)設(shè)備頻率同步

任意兩個(gè)鄰居設(shè)備之間都維持著一個(gè)穩(wěn)定的周期映射關(guān)系。該周期映射關(guān)系約束了兩跳設(shè)備之間的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)行為，數(shù)據(jù)包需要且只能在規(guī)定的周期內(nèi)發(fā)送，從而保證了單跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延確定性。從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)逐跳的周期約束轉(zhuǎn)發(fā)，保證了端到端的時(shí)延確定性?；诖_定性的時(shí)延上界，選擇一個(gè)滿足業(yè)務(wù)需求的確定性服務(wù)管道。

圖：周期映射關(guān)系

設(shè)備之間的周期映射關(guān)系可以通過(guò)控制面配置的方式，也可以通過(guò)自適應(yīng)分布式學(xué)習(xí)的方式得到。構(gòu)造出的周期映射關(guān)系可以分布存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上，也可以集中存儲(chǔ)在少量控制設(shè)備上。后續(xù)用戶數(shù)據(jù)報(bào)文只需要攜帶周期相關(guān)信息，通過(guò)查表轉(zhuǎn)發(fā)或者其它方式即可實(shí)現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)發(fā)。

1.7.2 支持異構(gòu)體和IEDB可編程的開(kāi)發(fā)模式

開(kāi)發(fā)模式中主要包括功能塊重構(gòu)、全解編譯、內(nèi)嵌組態(tài)三大重點(diǎn)技術(shù)

1) 功能塊重構(gòu)技術(shù)

多個(gè)基礎(chǔ)功能塊可以組合、封裝成復(fù)合功能塊。如圖11：6x所示，兩個(gè)基礎(chǔ)功能塊連接組成一個(gè)復(fù)合功能塊。在進(jìn)行功能塊復(fù)合時(shí)，需要對(duì)連接關(guān)系進(jìn)行處理，主要包括：1）事件連接：輸入事件à輸入事件CEI2I，輸出事件à輸入事件CEO2I，輸出事件à輸出事件CEO2O；2）變量連接：輸入變量à輸入變量CVI2I，輸出變量à輸入變量CVI2I，輸出變量à輸出變量CVI2I。

圖：6復(fù)合功能塊復(fù)合功能塊示意圖

簡(jiǎn)單功能塊的變量傳遞和事件傳遞等執(zhí)行順序相關(guān)的信息保存在復(fù)合功能塊的執(zhí)行語(yǔ)義中。復(fù)合功能塊被執(zhí)行時(shí)，首先要初始化其網(wǎng)絡(luò)中所有功能塊實(shí)例的初始狀態(tài)；首先，接口中輸入事件被提取執(zhí)行，同時(shí)與輸入事件相關(guān)聯(lián)的輸入變量被更新；然后，所有網(wǎng)絡(luò)中的功能塊實(shí)例按照設(shè)置的順序執(zhí)行。例如，BeltModel在PhotoeyeModel執(zhí)行前執(zhí)行。每個(gè)實(shí)例的執(zhí)行涉及到三步：功能塊里的輸入事件被提取執(zhí)行，同時(shí)與輸入事件相關(guān)聯(lián)的輸入變量被更新，例如，其中有涉及到一條反饋連接PhotoeyeModel.Cnf àBeltModel.TICK；每個(gè)功能塊實(shí)例被執(zhí)行，執(zhí)行時(shí)基于對(duì)應(yīng)的執(zhí)行語(yǔ)義（基礎(chǔ)或者復(fù)合）；最后，復(fù)合功能塊接口的輸出被更新。由于僅對(duì)功能塊接口進(jìn)行XML描述，可以有效防止導(dǎo)出的功能塊源代碼的流失，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2）全解編譯技術(shù)

圖形程序的編譯是平臺(tái)編譯部分的難點(diǎn)，直接對(duì)其圖形程序進(jìn)行編譯是相當(dāng)困難的。本項(xiàng)目考慮圖形語(yǔ)言與IL語(yǔ)言之間的緊密聯(lián)系，先對(duì)圖形程序的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，判斷每個(gè)元素的連接情況，建立各個(gè)圖形構(gòu)件間的串并聯(lián)關(guān)系，形成AOV圖；在AOV圖轉(zhuǎn)化為IL指令的過(guò)程中，根據(jù)AOV圖中的頂點(diǎn)和弧生成對(duì)應(yīng)的IL指令，每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)一條指令；根據(jù)目標(biāo)控制的芯片類型，編譯IL指令文件生成目標(biāo)代碼，并在編譯過(guò)程中反向解析IL指令和圖程序的關(guān)系，給出圖形程序的編譯錯(cuò)誤提示。

3）圖內(nèi)嵌組態(tài)技術(shù)

為在圖形程序中嵌入高級(jí)語(yǔ)言編寫的算法，項(xiàng)目采用XML技術(shù)對(duì)算法程序接口進(jìn)行描述，使其具有與圖形程序相同的模型表達(dá)方式；然后為算法模塊生成圖形控件，并嵌入到平臺(tái)的工具箱中，能以圖形拖拉方式進(jìn)行組態(tài)編程；算法程序模塊以函數(shù)形式存放在文件中，在編譯時(shí)和由梯形圖程序生成的機(jī)器指令代碼一起編譯成可執(zhí)行文件；在運(yùn)行時(shí)由目標(biāo)控制器執(zhí)行引擎調(diào)用算法模塊，從而實(shí)現(xiàn)混合編程、一同編譯和同步執(zhí)行的目的。

1.7.3 基于CPU隔離的實(shí)時(shí)內(nèi)核技術(shù)

針對(duì)X86+Linux平臺(tái)，研究基于硬件抽象層ADEOS (Adaptive Domain Environment for Operating System)的內(nèi)核環(huán)境，構(gòu)建普通Linux和實(shí)時(shí)內(nèi)核的雙操作系統(tǒng)平臺(tái)（如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示），并在雙操作系統(tǒng)之間共享硬件資源。在同一硬件平臺(tái)上加載具有多個(gè)優(yōu)先級(jí)域，并通過(guò)CPU隔離，將任務(wù)運(yùn)行于不同的CPU?？刂葡到y(tǒng)基于ADEOS，使實(shí)時(shí)內(nèi)核與linux內(nèi)核并存，并將標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核程序掛接到實(shí)時(shí)內(nèi)核的空閑進(jìn)程，與實(shí)時(shí)內(nèi)核其他任務(wù)一同參與調(diào)度。實(shí)時(shí)內(nèi)核與普通linux相結(jié)合，使控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)既能提供工業(yè)級(jí)RTOS的硬實(shí)時(shí)性能，又能利用linux操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、GUI等操作系統(tǒng)服務(wù)。

圖：實(shí)時(shí)內(nèi)核技術(shù)架構(gòu)

1.7.4 方案自主研發(fā)性、創(chuàng)新性及先進(jìn)性

測(cè)試床采用高性能服務(wù)器和傳統(tǒng)PLC相結(jié)合異構(gòu)體作為硬件系統(tǒng)，通過(guò)DIP/TSN構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)定制可編程控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)軟件、可編程組態(tài)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試床應(yīng)用開(kāi)發(fā)。測(cè)試床具備硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)庫(kù)三大方面的創(chuàng)新。

硬件系統(tǒng)方面，測(cè)試床采用高性能服務(wù)器和傳統(tǒng)PLC相結(jié)合異構(gòu)體作為硬件系統(tǒng)。將首次實(shí)現(xiàn)以可編程組態(tài)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)方式，對(duì)此類異構(gòu)體進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)。通過(guò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的支持，異構(gòu)體PLC將創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備群進(jìn)行結(jié)合邏輯、運(yùn)動(dòng)和圖像智能控制和定制化高質(zhì)量高速數(shù)據(jù)采集。

網(wǎng)絡(luò)管理方面，異構(gòu)體PLC將首次采用DIP/TSN構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制和高速數(shù)據(jù)采集的并行處理。

測(cè)試床將在汽車制造行業(yè)，汽車生產(chǎn)車間，實(shí)現(xiàn)DIP網(wǎng)絡(luò)改造； 同時(shí)也在高端注塑，注塑成型領(lǐng)域?qū)Πㄗ⑺軝C(jī)、工業(yè)機(jī)器人、模溫機(jī)、上料機(jī)、冷水機(jī)等裝備群進(jìn)行應(yīng)用；為行業(yè)提供了可參考的智能制造改造案例及經(jīng)驗(yàn)。

1.7.5 方案安全風(fēng)險(xiǎn)控制

方案中的控制網(wǎng)絡(luò)通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建測(cè)試床不具備外部攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)本方案中推廣應(yīng)用階段，開(kāi)方數(shù)據(jù)庫(kù)給第三方應(yīng)用，需要獨(dú)立定制數(shù)據(jù)安全機(jī)制。

1.8 測(cè)試床實(shí)施部署

1.8.1 測(cè)試床實(shí)施規(guī)劃

1.8.2 測(cè)試床實(shí)施的技術(shù)支撐及保障措施

主要圍繞杭電-華為-行業(yè)客戶三大塊合作模式開(kāi)展相關(guān)工作，依托華為資源牽頭成立開(kāi)放合作實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合杭電來(lái)為整體方案的部署實(shí)施提供技術(shù)支撐，并和行業(yè)客戶開(kāi)展相關(guān)的生態(tài)建設(shè)。華為以在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的技術(shù)能力與杭電在工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)能力結(jié)合，在研究?jī)?nèi)容滿足部署的情況下，通過(guò)行業(yè)客戶提供的應(yīng)用場(chǎng)景去進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用和落地，并最終為AII聯(lián)盟提供案例反饋，形成完整閉環(huán)機(jī)制。

1.8.3 測(cè)試床實(shí)施的自主可控性

華為提供全自主研究網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，杭電充分利用現(xiàn)有自研平臺(tái)架構(gòu)，在瞄準(zhǔn)注塑場(chǎng)景需求的前提下，雙方合作進(jìn)行需求研發(fā)，推動(dòng)端到端解決方案形成技術(shù)成果及相關(guān)軟件注冊(cè)權(quán)。

1.9 測(cè)試床預(yù)期成果

1.9.1 測(cè)試床的預(yù)期可量化實(shí)施結(jié)果

完成自主可控的確定性網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)、工業(yè)網(wǎng)關(guān)等）的研發(fā)，樣機(jī)及軟件著作權(quán)和發(fā)明專利。完成基于確定性網(wǎng)絡(luò)和可編程技術(shù)PLC融合的測(cè)試床建設(shè)，并在多個(gè)垂直行業(yè)場(chǎng)景落地應(yīng)用。

1.9.2 測(cè)試床的商業(yè)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益

結(jié)合裝備制造業(yè)部分中大型企業(yè)廠區(qū)裝備群協(xié)作控制和工業(yè)數(shù)據(jù)分析的需求；聯(lián)合合作伙伴（華為提供確定性組網(wǎng)、杭電提供可編程技術(shù)）；結(jié)合建立的注塑成型行業(yè)樣板，將為企業(yè)提供裝備群控制系統(tǒng)和工業(yè)裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，后期讓企業(yè)對(duì)接華為及華為分公司，建立華為和企業(yè)客戶之間新業(yè)務(wù)合作商業(yè)機(jī)制，進(jìn)一步嘗試探索基于測(cè)試床，開(kāi)發(fā)大數(shù)據(jù)分析、裝備故障診斷、控制優(yōu)化可視化等新產(chǎn)品和新業(yè)務(wù)模式。

1.9.3 測(cè)試床的社會(huì)價(jià)值

該測(cè)試床方案，華為作為ICT(信息與通信)基礎(chǔ)設(shè)施和智能終端提供商，提供和硬件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境，杭電提供和可編程控制技術(shù)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，兩家合作共同建立工業(yè)裝備先進(jìn)工控平臺(tái)，對(duì)接注塑成型行業(yè)的具體應(yīng)用落地場(chǎng)景，通過(guò)IT和OT技術(shù)融合帶來(lái)的這種靈活性為整個(gè)制造行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)，推進(jìn)了新興IT和OT融合技術(shù)與注塑成型行業(yè)結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用落地，創(chuàng)造了可持續(xù)發(fā)展的良性生態(tài)環(huán)境，同時(shí)，也為未來(lái)制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型積累了相關(guān)寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1.9.4 測(cè)試床初步推廣應(yīng)用案例

測(cè)試床以注塑成型行業(yè)為例，開(kāi)展應(yīng)用推廣。注塑機(jī)及其輔機(jī)群一起生產(chǎn)塑料制品，用于航空航天、醫(yī)療、汽配、家電等行業(yè)。由于產(chǎn)品的豐富性，以及設(shè)備群的復(fù)雜性，其高速高精度控制一直是難點(diǎn)。本測(cè)試床，包括異構(gòu)體可編程控制器運(yùn)行時(shí)軟件、可編程組態(tài)平臺(tái)、確定性網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。運(yùn)行時(shí)軟件將運(yùn)行在多臺(tái)高性能服務(wù)器中成為可編程控制器。整個(gè)硬件系統(tǒng)將采用多臺(tái)異構(gòu)可編程控制器和遠(yuǎn)端IO，通過(guò)確定性網(wǎng)絡(luò)連接。硬件系統(tǒng)將統(tǒng)一控制注塑機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、AGV小車、上料機(jī)、模溫機(jī)、冷水機(jī)、包裝機(jī)、換模裝置等裝備群。最終形成，PLC群控制裝備群，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)定制化數(shù)據(jù)，而存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以用于數(shù)據(jù)分析和PLC控制優(yōu)化。確定性網(wǎng)絡(luò)以及普通車間網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)進(jìn)行管理。

圖：注塑成型行業(yè)測(cè)試床

1.10 測(cè)試床成果驗(yàn)證

1.10.1 測(cè)試床成果驗(yàn)證計(jì)劃

測(cè)試床成果驗(yàn)證計(jì)劃主要包括PLC群控制裝備群、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)定制化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)確定性三個(gè)部分。

運(yùn)行時(shí)軟件將運(yùn)行在多臺(tái)高性能服務(wù)器中成為可編程控制器。整個(gè)硬件系統(tǒng)將采用多臺(tái)異構(gòu)可編程控制器和遠(yuǎn)端IO，通過(guò)確定性網(wǎng)絡(luò)連接。硬件系統(tǒng)將統(tǒng)一控制注塑機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、AGV小車、上料機(jī)、模溫機(jī)、冷水機(jī)、包裝機(jī)、換模裝置等裝備群。最終形成，PLC群控制裝備群，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)定制化數(shù)據(jù)，而存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以用于數(shù)據(jù)分析和PLC控制優(yōu)化。確定性網(wǎng)絡(luò)以及普通車間網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)進(jìn)行管理。

1.10.2 測(cè)試床成果驗(yàn)證方案

測(cè)試床成果驗(yàn)證計(jì)劃主要包括PLC群控制裝備群業(yè)務(wù)驗(yàn)證、確定性網(wǎng)絡(luò)性能兩方面。

1.10.3 PLC群控制裝備群測(cè)試

主要測(cè)試PLC群對(duì)裝備群的控制效果，E2E業(yè)務(wù)執(zhí)行無(wú)異常，驗(yàn)證工作如下：

1.10.4 確定性網(wǎng)絡(luò)性能

主要測(cè)試PLC群對(duì)裝備群的控制時(shí)，確定性網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)數(shù)據(jù)：

1.11 測(cè)試床成果交付

1.11.1 測(cè)試床成果交付件

1.11.2 測(cè)試床可復(fù)制性

該測(cè)試床可為工廠裝備群智能化改造提供有力支撐，可將該解決方案打造成注塑成型行業(yè)智能化改造的樣板，為行業(yè)內(nèi)相關(guān)場(chǎng)景的適配提供參考依據(jù)，適用于離散制造行業(yè)具備多裝備控制的場(chǎng)景。

1.11.3 測(cè)試床開(kāi)放性

該測(cè)試床基于通用硬件和軟件構(gòu)建和升級(jí)，本身已經(jīng)廣泛應(yīng)用，具備良好的開(kāi)放及兼容能力，可以與企業(yè)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行平滑對(duì)接，可以拓展到相關(guān)場(chǎng)景開(kāi)放環(huán)境中。

1.12 其他信息

1.12.1 測(cè)試床使用者

歡迎第三公司參與本測(cè)試床建設(shè)

1.12.2 測(cè)試床知識(shí)產(chǎn)權(quán)說(shuō)明

由參與方各自負(fù)責(zé)模塊自行協(xié)商

1.12.3 測(cè)試床運(yùn)營(yíng)及訪問(wèn)使用

建設(shè)初期，華為和杭電牽頭相關(guān)設(shè)備廠家負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)集成及平臺(tái)的部署及運(yùn)營(yíng)。建設(shè)后期行業(yè)客戶可基于平臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)訪問(wèn)及簡(jiǎn)單的操作及維護(hù)，相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)及故障維護(hù)可通過(guò)維保服務(wù)由華為及杭電進(jìn)行跟進(jìn)支撐及解決。

1.12.4 測(cè)試床資金

資金來(lái)自發(fā)起單位自籌

1.12.5 測(cè)試床時(shí)間軸