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上海交通大學(xué)戴文斌，張瀛月，曲德元，王秋月，胡秦韻

上汽通用汽車有限公司季振卿，楊官山，徐澳門，汪文鵠，衛(wèi)曉晴

傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)受制于控制器計算、儲存、網(wǎng)絡(luò)資源的限制，往往僅需滿足單一邏輯控制任務(wù)。近年來，隨著計算、儲存能力的大幅提升，工業(yè)邊緣計算已經(jīng)走入各個生產(chǎn)現(xiàn)場，新部署的邊緣設(shè)備往往能夠勝任多個復(fù)雜任務(wù)。另外，隨著設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化不斷普及，工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺之間的通訊延遲與帶寬獲得大幅度提升，給工業(yè)控制軟件帶來無限可能性。隨之而來的是工業(yè)控制應(yīng)用設(shè)計復(fù)雜程度也不斷提升，對自動化工程師提出了全新的挑戰(zhàn)。在邊緣應(yīng)用軟件設(shè)計開發(fā)、測試部署、運行維護過程中，除了需要完成常規(guī)控制代碼編寫與測試之外，還需要對邊-云協(xié)同帶來的全新的需求，例如數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)字孿生仿真、運動控制、視覺檢測等功能進行開發(fā)整合，最后完成系統(tǒng)整體部署測試。因此，面向邊緣計算的工業(yè)控制系統(tǒng)新型應(yīng)用開發(fā)方法已經(jīng)成為關(guān)鍵問題。

1　工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與分析

工業(yè)現(xiàn)場目前通常采用基于ISA-95標準的系統(tǒng)架構(gòu)^[1]，其中，設(shè)備層、控制層和監(jiān)控層與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場密不可分。如圖1所示，現(xiàn)有的設(shè)備層、控制層、監(jiān)控層中部署的設(shè)備處于“專機專用”的狀態(tài)，即每個設(shè)備僅負責專一任務(wù)。其中可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制層的核心，在離散制造中扮演了整條產(chǎn)線的“大腦”。以汽車生產(chǎn)線為例，PLC需要負責協(xié)調(diào)各個生產(chǎn)工位中傳感器的信息采集，并完成車身在上下游工位間的輸送任務(wù)，同時向工位上的機器人下發(fā)動作指令來完成焊接與組裝任務(wù)。在一個大型汽車產(chǎn)線中，往往需要多個PLC之間協(xié)作，根據(jù)實時生產(chǎn)狀態(tài)來動態(tài)調(diào)整產(chǎn)線上下游節(jié)拍，從而在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時盡可能地提升產(chǎn)能。隨著工業(yè)信息化的推進，近年來各類的現(xiàn)場數(shù)據(jù)從無到有，逐漸豐富起來。例如，在汽車產(chǎn)線中，焊機數(shù)據(jù)、機器人運行數(shù)據(jù)、質(zhì)檢圖像等可以實時通過邊緣計算網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)采集、過濾、緩存，并同步到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，利用平臺強大的算力對歷史數(shù)據(jù)進行分析，從而形成優(yōu)化方案。然而，目前這些信息化系統(tǒng)各自獨立建設(shè)，形成了一個個的信息“離島”，增大了維護難度與成本。

圖1 基于開放自動化架構(gòu)的工業(yè)邊緣計算體系架構(gòu)

而邊緣計算帶來的強大算力與儲存能力使得這些專用設(shè)備系統(tǒng)被通用計算資源所取代成為可能。邊緣計算網(wǎng)關(guān)與邊緣服務(wù)器通常擁有強大的算力與儲存能力，能夠同時支撐多個邊緣應(yīng)用獨立運行。將這些應(yīng)用通過虛擬化或容器化的方式，裝載在邊緣計算設(shè)備上，能夠在保證運行結(jié)果的同時，降低系統(tǒng)建設(shè)與運維成本，并提升升級維護的便捷性。例如，將PLC虛擬化后集中部署到邊緣服務(wù)器上，通過工業(yè)現(xiàn)場總線與遠程I/O交互，能夠在提升虛擬化PLC計算與儲存性能的情況下，有效降低維護難度。

虛擬化在工業(yè)已經(jīng)產(chǎn)品化并投入使用階段，例如霍尼韋爾的全新分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control Systems，DCS）Control-Hive^[2]，將控制器作為算力單元池化，通過自由配置控制器單元數(shù)量來實現(xiàn)虛擬化控制。用戶無需綁定邏輯與控制器之間的映射關(guān)系，Control Hive可以自動按需分配運行節(jié)點與備份節(jié)點，同時將剩余計算單元作為備用資源。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要進行切換時，備份節(jié)點將自動接管成為運行節(jié)點，而備用節(jié)點則自動成為新運行節(jié)點的備份節(jié)點。西門子也在2023年年底推出了首款虛擬化PLC S7-1500V^[3]，它可以直接部署到邊緣計算節(jié)點上作為應(yīng)用運行，從而擺脫了硬件平臺的限制，同時也提供了更大的柔性。

由此可見，虛擬化+邊緣計算是下一代工業(yè)控制系統(tǒng)的大勢所趨，也是人心所向。

2　基于虛擬化+邊緣計算的工業(yè)控制代碼

實時閉環(huán)構(gòu)造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、智能制造等諸多新技術(shù)的共同核心訴求是柔性生產(chǎn)。目前柔性生產(chǎn)的主要瓶頸是工業(yè)現(xiàn)場系統(tǒng)缺乏對定制化需求、實時狀態(tài)反饋的應(yīng)變能力。而應(yīng)變能力的基礎(chǔ)則是工業(yè)控制系統(tǒng)的在線重構(gòu)能力。現(xiàn)有的基于IEC 61131-3的PLC由于使用輪循執(zhí)行機制^[4]，使得部署的控制程序無法在一個輪循周期內(nèi)大規(guī)模重構(gòu)。因此，我們需要一套全新的架構(gòu)與執(zhí)行機制來解決這個問題。

在架構(gòu)方面，邊緣計算給工業(yè)現(xiàn)場的柔性帶來了算力、儲存與網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)保障，而引入虛擬化技術(shù)則帶來了柔性的無限可能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+邊緣計算新架構(gòu)下^[5]，端側(cè)、邊緣側(cè)與云端已具備了一定甚至是大量的算力，因此我們需合理利用這些資源，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下來提升系統(tǒng)的柔性。如圖2所示，基于虛擬化+邊緣計算的新型開放自動化系統(tǒng)^[6]打破了傳統(tǒng)ISA-95架構(gòu)的層級限制，在端側(cè)I/O應(yīng)具備智能化特性，即除了正常與現(xiàn)場設(shè)備進行信號交互之外，還能夠獨立承擔基本控制功能，也能夠通過軟件定義的方式來對其控制功能與數(shù)據(jù)采集，甚至可以按需對通用I/O進行定義以適應(yīng)不同場景。而在虛擬化的支撐下，邊緣設(shè)備與云端服務(wù)器不但可以同時運行多個虛擬PLC程序，還可以同時應(yīng)用多種新型邊緣應(yīng)用。根據(jù)實時性與可靠性的要求不同，這些新型應(yīng)用可以分別部署到邊緣計算節(jié)點或者云端。例如，實時控制、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、視覺檢測等應(yīng)用由于對現(xiàn)場硬件有著強依賴關(guān)系，同時實時性與可靠性要求也較高，通常部署在邊緣網(wǎng)關(guān)或者其他算力設(shè)備中；而仿真優(yōu)化、工廠管理、數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用由于實時性與可靠性要求較低，既可以部署在邊緣網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器上，也可以部署到云端。

圖2 基于IEC 61499工業(yè)邊緣虛擬化控制系統(tǒng)

在執(zhí)行機制上，基于IEC61499功能塊標準^[7]的事件觸發(fā)機制能夠解決目前IEC 61131-3PLC在柔性上的欠缺。首先，IEC61499是標準的基礎(chǔ)編程單元室功能塊，因此所有的邏輯必須封裝在功能塊中。當需要對軟件進行重構(gòu)時，只需要對特定功能塊進行更新即可，其他功能塊并不受影響。其次，IEC61499標準的執(zhí)行方式為事件觸發(fā)，因此重構(gòu)的時間窗口無需受輪循周期的限制，當功能塊未被激活時，都可以被更新。最后，IEC 61499通過建立不同的資源（Resource）來隔離硬件資源，以消除硬件資源共享對軟件執(zhí)行時間的影響，從而影響系統(tǒng)的確定性與可靠性。將IEC 61499資源與虛擬化結(jié)合，即可實現(xiàn)不同邊緣應(yīng)用間的隔離。

圖3 IEC 61499系統(tǒng)軟件模型

基于IEC 61499的虛擬化工業(yè)邊緣控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)呢？如圖4所示，IEC 61499標準中定義了管理接口，即可以通過對IEC 61499運行環(huán)境的管理資源發(fā)送指令的方式來對資源、功能塊、模塊之間的連接以及參數(shù)進行新增、修改、刪除。IEC 61499標準中根據(jù)硬件資源不同，定義了三種設(shè)備類型：資源受限型設(shè)備（Class 0）可以對連接與參數(shù)進行重構(gòu)；一般設(shè)備（Class 1）在Class 0設(shè)備的基礎(chǔ)上可以創(chuàng)建、刪除功能塊的實例；而Class 2的設(shè)備則可對任意元素進行重構(gòu)。在邊緣設(shè)備類型定義中^[8],我們也通常將設(shè)備分為三類：邊緣計算節(jié)點（Edge Computing Node），邊緣網(wǎng)關(guān)（Edge Gateway）以及邊緣服務(wù)器（Edge Server），根據(jù)硬件資源它們可以對應(yīng)到相應(yīng)的IEC 61499設(shè)備類型上，賦予該設(shè)備不同的重構(gòu)能力。

圖4 IEC 61499管理模型

3　實時構(gòu)造在汽車制造的應(yīng)用

IEC 61499、虛擬化與邊緣計算，賦予了工業(yè)控制系統(tǒng)代碼實時構(gòu)造的能力。以汽車制造為例，在白車身焊接工藝中，當出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題時，目前人工找檢的方式嚴重制約了產(chǎn)能。如圖5所示，上海交通大學(xué)與上汽通用汽車合作，在車間內(nèi)部署了基于邊緣計算+虛擬化IEC 61499的實時自動補焊原型系統(tǒng)。當出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題時，焊機將實時焊點數(shù)據(jù)反饋到邊緣網(wǎng)關(guān)上，由上汽通用汽車自主研發(fā)的仿真系統(tǒng)對補焊點進行選擇驗證，再將新的補焊路徑發(fā)送給自主研發(fā)的IEC 61499工具集，最終生成基于IEC 61499的功能塊網(wǎng)絡(luò)并實時部署到現(xiàn)場控制器與機器人，動態(tài)改變焊接路徑來完成實時補焊。由以往的人工補焊方式改成自動補焊，在保證100%焊接質(zhì)量的前提下，效率可以提升85%以上，具有較大的經(jīng)濟價值。以此為基礎(chǔ)，未來還可以拓展到多個汽車制造場景中，從而真正實現(xiàn)“一車一設(shè)計”的大規(guī)模定制化汽車生產(chǎn)。

圖5 基于邊緣計算+IEC61499的白車身自動補焊構(gòu)造系統(tǒng)

綜上所述，虛擬化+邊緣計算的新組合為工業(yè)控制系統(tǒng)帶來了無限的可能性。無論是在離散制造、過程控制、運動控制還是OT與IT融合的新型應(yīng)用領(lǐng)域，都能在不遠的未來大放光彩。

作者簡介：

戴文斌，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院教授、IEEEP2805邊緣計算系列標準工作組主席。主要從事下一代分布式工業(yè)控制軟件（IEC 61131-3、IEC 61499）、工業(yè)信息化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算等方向的研究工作。

參考文獻：

[1] C Johnsson. ISA 95-how and where can it be applied[J]. Technical Papers of ISA, 2004, 454 : 399 - 408.

[2] Honeywell. Experion? PKS Highly Integrated Virtual Environment [EB/OL].

[3] Siemens. Siemens Virtual PLC [EB/OL].

[4] IEC 61131-3, Programmable controllers - Part 3: Programming languages, International Standard, Third Edition[S]. 2013.

[5] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 (AII). 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)[R/OL].  

[6] 施耐德電氣. 開放自動化白皮書[R/OL].  

[7] IEC 61499. Function Blocks, International Standard, Second Edition[S]. 2012

[8] W Dai, H Nishi, V Vyatkin, et al. Industrial Edge Computing: Enabling Embedded Intelligence[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2019, 13 (4).

摘自《自動化博覽》2024年第二期暨《邊緣計算2024專輯》