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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(jì)算、儲(chǔ)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(lái)，隨著計(jì)算、儲(chǔ)存能力的大幅提升，工業(yè)邊緣計(jì)算已經(jīng)走入各個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，新部署的邊緣設(shè)備往往能夠勝任多個(gè)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(chǎng)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)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(lái)無(wú)限可能性。隨之而來(lái)的是工業(yè)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)復(fù)雜程度也不斷提升，對(duì)自動(dòng)化工程師提出了全新的挑戰(zhàn)。在邊緣應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)開發(fā)、測(cè)試部署、運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，除了需要完成常規(guī)控制代碼編寫與測(cè)試之外，還需要對(duì)邊-云協(xié)同帶來(lái)的全新的需求，例如數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)字孿生仿真、運(yùn)動(dòng)控制、視覺(jué)檢測(cè)等功能進(jìn)行開發(fā)整合，最后完成系統(tǒng)整體部署測(cè)試。因此，面向邊緣計(jì)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(wèn)題。

1　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與分析

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)目前通常采用基于ISA-95標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)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(jī)專用”的狀態(tài)，即每個(gè)設(shè)備僅負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)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(shí)向工位上的機(jī)器人下發(fā)動(dòng)作指令來(lái)完成焊接與組裝任務(wù)。在一個(gè)大型汽車產(chǎn)線中，往往需要多個(gè)PLC之間協(xié)作，根據(jù)實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)來(lái)動(dòng)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(shí)盡可能地提升產(chǎn)能。隨著工業(yè)信息化的推進(jìn)，近年來(lái)各類的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)從無(wú)到有，逐漸豐富起來(lái)。例如，在汽車產(chǎn)線中，焊機(jī)數(shù)據(jù)、機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)、質(zhì)檢圖像等可以實(shí)時(shí)通過(guò)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、過(guò)濾、緩存，并同步到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，利用平臺(tái)強(qiáng)大的算力對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)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(dú)立建設(shè)，形成了一個(gè)個(gè)的信息“離島”，增大了維護(hù)難度與成本。

圖1 基于開放自動(dòng)化架構(gòu)的工業(yè)邊緣計(jì)算體系架構(gòu)

而邊緣計(jì)算帶來(lái)的強(qiáng)大算力與儲(chǔ)存能力使得這些專用設(shè)備系統(tǒng)被通用計(jì)算資源所取代成為可能。邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)與邊緣服務(wù)器通常擁有強(qiáng)大的算力與儲(chǔ)存能力，能夠同時(shí)支撐多個(gè)邊緣應(yīng)用獨(dú)立運(yùn)行。將這些應(yīng)用通過(guò)虛擬化或容器化的方式，裝載在邊緣計(jì)算設(shè)備上，能夠在保證運(yùn)行結(jié)果的同時(shí)，降低系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)維成本，并提升升級(jí)維護(hù)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(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與遠(yuǎn)程I/O交互，能夠在提升虛擬化PLC計(jì)算與儲(chǔ)存性能的情況下，有效降低維護(hù)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(guò)自由配置控制器單元數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬化控制。用戶無(wú)需綁定邏輯與控制器之間的映射關(guān)系，Control Hive可以自動(dòng)按需分配運(yùn)行節(jié)點(diǎn)與備份節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將剩余計(jì)算單元作為備用資源。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要進(jìn)行切換時(shí)，備份節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)接管成為運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，而備用節(jié)點(diǎn)則自動(dòng)成為新運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的備份節(jié)點(diǎn)。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(jì)算節(jié)點(diǎn)上作為應(yīng)用運(yùn)行，從而擺脫了硬件平臺(tái)的限制，同時(shí)也提供了更大的柔性。

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

2　基于虛擬化+邊緣計(jì)算的工業(yè)控制代碼

實(shí)時(shí)閉環(huán)構(gòu)造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)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(chǎng)系統(tǒng)缺乏對(duì)定制化需求、實(shí)時(shí)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(jī)制^[4]，使得部署的控制程序無(wú)法在一個(gè)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(jī)制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

在架構(gòu)方面，邊緣計(jì)算給工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的柔性帶來(lái)了算力、儲(chǔ)存與網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)保障，而引入虛擬化技術(shù)則帶來(lái)了柔性的無(wú)限可能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+邊緣計(jì)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(lái)提升系統(tǒng)的柔性。如圖2所示，基于虛擬化+邊緣計(jì)算的新型開放自動(dòng)化系統(tǒng)^[6]打破了傳統(tǒng)ISA-95架構(gòu)的層級(jí)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(chǎng)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互之外，還能夠獨(dú)立承擔(dān)基本控制功能，也能夠通過(guò)軟件定義的方式來(lái)對(duì)其控制功能與數(shù)據(jù)采集，甚至可以按需對(duì)通用I/O進(jìn)行定義以適應(yīng)不同場(chǎng)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(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬PLC程序，還可以同時(shí)應(yīng)用多種新型邊緣應(yīng)用。根據(jù)實(shí)時(shí)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(jì)算節(jié)點(diǎn)或者云端。例如，實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、視覺(jué)檢測(cè)等應(yīng)用由于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硬件有著強(qiáng)依賴關(guān)系，同時(shí)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jī)制上，基于IEC61499功能塊標(biāo)準(zhǔn)^[7]的事件觸發(fā)機(jī)制能夠解決目前IEC 61131-3PLC在柔性上的欠缺。首先，IEC61499是標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)需要對(duì)軟件進(jìn)行重構(gòu)時(shí)，只需要對(duì)特定功能塊進(jìn)行更新即可，其他功能塊并不受影響。其次，IEC61499標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行方式為事件觸發(fā)，因此重構(gòu)的時(shí)間窗口無(wú)需受輪循周期的限制，當(dāng)功能塊未被激活時(shí)，都可以被更新。最后，IEC 61499通過(guò)建立不同的資源（Resource）來(lái)隔離硬件資源，以消除硬件資源共享對(duì)軟件執(zhí)行時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)呢？如圖4所示，IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)中定義了管理接口，即可以通過(guò)對(duì)IEC 61499運(yùn)行環(huán)境的管理資源發(fā)送指令的方式來(lái)對(duì)資源、功能塊、模塊之間的連接以及參數(shù)進(jìn)行新增、修改、刪除。IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)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(duì)連接與參數(shù)進(jìn)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(shí)例；而Class 2的設(shè)備則可對(duì)任意元素進(jìn)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(jì)算節(jié)點(diǎn)（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(duì)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(shí)時(shí)構(gòu)造在汽車制造的應(yīng)用

IEC 61499、虛擬化與邊緣計(jì)算，賦予了工業(yè)控制系統(tǒng)代碼實(shí)時(shí)構(gòu)造的能力。以汽車制造為例，在白車身焊接工藝中，當(dāng)出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，目前人工找檢的方式嚴(yán)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(jì)算+虛擬化IEC 61499的實(shí)時(shí)自動(dòng)補(bǔ)焊原型系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，焊機(jī)將實(shí)時(shí)焊點(diǎn)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(duì)補(bǔ)焊點(diǎn)進(jìn)行選擇驗(yàn)證，再將新的補(bǔ)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(shí)時(shí)部署到現(xiàn)場(chǎng)控制器與機(jī)器人，動(dòng)態(tài)改變焊接路徑來(lái)完成實(shí)時(shí)補(bǔ)焊。由以往的人工補(bǔ)焊方式改成自動(dòng)補(bǔ)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(jì)價(jià)值。以此為基礎(chǔ)，未來(lái)還可以拓展到多個(gè)汽車制造場(chǎng)景中，從而真正實(shí)現(xiàn)“一車一設(shè)計(jì)”的大規(guī)模定制化汽車生產(chǎn)。

圖5 基于邊緣計(jì)算+IEC61499的白車身自動(dòng)補(bǔ)焊構(gòu)造系統(tǒng)

綜上所述，虛擬化+邊緣計(jì)算的新組合為工業(yè)控制系統(tǒng)帶來(lái)了無(wú)限的可能性。無(wú)論是在離散制造、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制還是OT與IT融合的新型應(yīng)用領(lǐng)域，都能在不遠(yuǎn)的未來(lái)大放光彩。

作者簡(jiǎn)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(jì)算系列標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算等方向的研究工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年第二期暨《邊緣計(jì)算2024專輯》