1.1 引言/導讀

當前全球經(jīng)濟社會發(fā)展正面臨全新挑戰(zhàn)與機遇，一方面，上一輪科技革命的傳統(tǒng)動能規(guī)律性減弱趨勢明顯，導致經(jīng)濟增長的內(nèi)生動力不足。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創(chuàng)新發(fā)展日新月異，加速向?qū)嶓w經(jīng)濟領域滲透融合，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，帶來生產(chǎn)力的又一次飛躍。在新一代信息技術與制造技術深度融合的背景下，在工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型需求的帶動下，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)應運而生、蓄勢興起，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)，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加快轉型升級、新興產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展壯大。

1.2 關鍵詞

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

1.3 測試床項目承接主體

1.3.1 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式

華為技術有限公司 鄧海洋 18926415929

杭州電子科技大學  陳佰平 13588451979 

1.4 測試床項目目標

裝備是制造業(yè)競爭的核心，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能的重點。在各國政府和企業(yè)的推動下，裝備網(wǎng)絡化開始形成，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等平臺的接入。我國在《智能制造2025》的指引下，通過推出《國務院關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》，《國務院關于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導意見》，《國務院關于深化”互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021-2023）》系列政策，也不斷支持和推動中國企業(yè)，建成了航天科工航天云網(wǎng)、海爾COSMOPlat、三一集團樹根互聯(lián)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。在這一浪潮下，很多工廠的裝備網(wǎng)絡化已經(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)控制和開發(fā)方式是一個裝備對應控制器，而多工序是通過固定步驟和流水線形式完成自動化生產(chǎn)。與此相比，未來控制系統(tǒng)的需求是統(tǒng)一開發(fā)平臺對多個控制器進行開發(fā)控制多個裝備，并會融入運動、視覺、智能算法等多種技術協(xié)同。這一趨勢對現(xiàn)有技術提出了如下挑戰(zhàn)：1）異構控制系統(tǒng)對多裝備的協(xié)同控制及其開發(fā)平臺缺乏；2）異構控制系統(tǒng)之間的可靠網(wǎng)絡通信及其管理平臺缺乏；3）工業(yè)非結構化實時數(shù)據(jù)庫缺乏。

本測試床以為解決現(xiàn)有挑戰(zhàn)提供一個可行方案為目的，通過短期和長期兩個階段進行項目驗證。短期方面，將以不同行業(yè)的2-3個典型應用為例測試研制的測試床；長期方面，將在1-2個未來工廠進行推廣應用。

1.5 測試床方案架構

1.5.1 測試床應用場景

測試床以注塑成型行業(yè)為例，開展應用推廣。注塑機及其輔機群一起生產(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，以及設備群的復雜性，其高速高精度控制一直是難點。本測試床，包括異構體可編程控制器運行時軟件、可編程組態(tài)平臺、確定性網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡管理平臺。運行時軟件將運行在多臺高性能服務器中成為可編程控制器。整個硬件系統(tǒng)將采用多臺異構可編程控制器和遠端IO，通過確定性網(wǎng)絡連接。硬件系統(tǒng)將統(tǒng)一控制注塑機、工業(yè)機器人、AGV小車、上料機、模溫機、冷水機、包裝機、換模裝置等裝備群。最終形成，PLC群控制裝備群，實時數(shù)據(jù)庫存儲定制化數(shù)據(jù)，而存儲的數(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)絡以及普通車間網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡管理平臺進行管理。

1.5.2 測試床架構

  總體架構如圖所示，主要包括異構體可編程控制器運行時軟件、可編程組態(tài)平臺、確定性網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡管理平臺。運行時軟件將運行在多臺高性能服務器中成為可編程控制器。整個硬件系統(tǒng)將采用多臺異構可編程控制器和遠端IO，通過確定性網(wǎng)絡連接。

圖：測試床整體架構

1.6 測試床方案

1.6.1 確定性網(wǎng)絡及網(wǎng)絡管理平臺

Master NCE-Campus 是華為面向園區(qū)網(wǎng)絡的新一代自動駕駛網(wǎng)絡管理控制系統(tǒng)，是業(yè)界首個集管理、控制和分析功能于一體的網(wǎng)絡自動化與智能化平臺，提供園區(qū)網(wǎng)絡的全生命周期自動化、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 運維成本，加速企業(yè)云化與數(shù)字化轉型，讓網(wǎng)絡管理更自動、網(wǎng)絡運維更智能。    iMaster NCE-Campus基于云計算與分布式的架構設計，采用服務化的模塊設計、支持分布式部署。從整體架構上分為基礎服務、管理、控制和分析四個組件：

圖：確定性網(wǎng)絡及網(wǎng)絡管理平臺架構圖

基于華為NCE-Campus完成基于確定性網(wǎng)絡的流量自動編排下發(fā)，網(wǎng)絡指標可視化，網(wǎng)絡故障智能閉環(huán)。

1.6.2 可編程控制系統(tǒng)運行時軟件

1) 適用于異構PLC的實時內(nèi)核研究適配

針對X86和Cortex-A架構平臺，采用雙內(nèi)核機制的Linux 內(nèi)核的強實時擴展。由于Linux 內(nèi)核本身的實現(xiàn)方式和復雜度，使得Linux 本身不能使用于強實時應用。在雙內(nèi)核技術下，存在一個支持強實時的微內(nèi)核，它與Linux 內(nèi)核共同運行于硬件平臺上，實時內(nèi)核的優(yōu)先級高于Linux 內(nèi)核，它負責處理系統(tǒng)的實時任務，而Linux 則負責處理非實時任務，只有當實時內(nèi)核不再有實時任務需要處理的時候，Linux內(nèi)核才能得到運行的機會，由此組成雙內(nèi)核以彌補Linux實時性差的缺陷。

對于Cortex-M平臺，性能較弱，采用固定線程數(shù)微內(nèi)核操作系統(tǒng)，兼顧實時和非實時任務。

2）控制系統(tǒng)任務調(diào)度

從控制系統(tǒng)應用層面，以時間粒度為單位設置多個不同時間周期（0.5ms、1ms、10ms、100ms等）的實時任務和非實時任務，通過時間觸發(fā)機制，采用搶占式調(diào)度策略，時間周期短的優(yōu)先級高。設置空閑線程，在控制系統(tǒng)“有空”的時候運行非實時數(shù)據(jù)采集和分析任務，例如非確定性故障智能診斷。該設計方法合理利用了CPU資源，在不干擾原有控制功能的基礎上，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。

通過在任務間設置通信信號量，控制器不同實時任務間以信號量為標志進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)變量共享。與信號量對應，任務之間設置消息郵箱，通過消息郵箱實現(xiàn)任務與任務之間傳遞數(shù)據(jù)。當需要傳遞多組數(shù)據(jù)時，通過消息隊列方式，在每個任務周期的間隙實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

3) 運行監(jiān)控

為提高系統(tǒng)可靠性，在控制系統(tǒng)的進程執(zhí)行時，通過設置‘監(jiān)控進程’監(jiān)控‘控制進程’中每個任務的執(zhí)行情況，當發(fā)現(xiàn)‘控制進程’中某個任務出現(xiàn)掛起時，通過消息機制觸發(fā)‘控制進程’對任務進行干預或修復。當‘控制進程’出現(xiàn)異常時，‘監(jiān)控進程’可通過告警觸發(fā)、重啟‘控制進程’等手段進行干預，防止系統(tǒng)處于奔潰狀態(tài)。

1.6.3 支持異構體的可編程組態(tài)平臺

本測試床可編程組態(tài)平臺將支持異構體可編程控制器和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)試三個內(nèi)容。

1) 功能塊封裝

為了滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)復雜定制化的需求，研究功能塊的平臺無關性描述和封裝方法。項目擬將多年可編程控制器領域成功經(jīng)驗運用到測試床程序的開發(fā)中，擬通過通用的XML語言描述，實現(xiàn)跨平臺的功能塊封裝，構建功能塊庫。如圖所示，平臺將按照應用類別和行業(yè)實現(xiàn)功能塊庫的動態(tài)封裝方法。用戶可以自行動態(tài)增加定制化功能塊，同時依據(jù)項目組內(nèi)成員經(jīng)驗開發(fā)可高效復用的公共功能塊。公共功能塊主要包括復雜處理邏輯功能塊，運動控制功能塊，視覺處理功能塊，智能推理功能塊等。

復雜處理邏輯功能塊：針對智能生產(chǎn)設備高通量、實時性要求設計流式數(shù)據(jù)分析模型，構造復雜處理邏輯功能塊。數(shù)據(jù)流由現(xiàn)場設備采集輸送到測試床進行解耦分析、萃取與事件生成?？刂葡到y(tǒng)通過匯總和處理一段時間內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)后發(fā)送到云端中心進行處理。云端通過并發(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。

運動控制算法功能塊：針對網(wǎng)絡化協(xié)同制造中設備分布式控制需求設計實時控制算法功能塊。項目將在PLCopen組織規(guī)定的常規(guī)運動控制功能塊外，還支持特殊行業(yè)的定制化運動控制功能塊。

圖：功能塊封裝和動態(tài)構造

視覺處理功能塊：項目擬在已有的常用視覺處理功能塊基礎上，依據(jù)項目執(zhí)行的進程，按行業(yè)增量式設計特定視覺處理功能塊。

智能推理功能塊：項目將支持主流的SVM，PCA等淺層機器學習功能塊，常用卷積網(wǎng)絡和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡功能塊。針對智能模型的高性能要求，研究如何有效利用項目的多核異構計算架構在有限計算資源條件下完成QoS保障的智能計算。

2）混合編譯技術

測試床中的硬件是異構的包括高性能服務器和傳統(tǒng)可編程控制器，為支持符合IEC61131-3標準進行開發(fā)，需要研究混合編譯技術包括編譯器開發(fā)和跨平臺部署兩部分。

a）基于微服務的交叉編譯器開發(fā)

圖：基于微服務的交叉編譯方法

基于微服務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實現(xiàn)微服務動態(tài)注入方法，自動形成各硬件平臺的服務集合包括各類端口微服務集、定制器微服務集合、串口微服務集合、外部中斷微服務集合、I2C微服務集合、SPI微服務集合、全局微服務集合等，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。針對混合語言開發(fā)，研制混合語言編譯器將對應程序通過功能塊的轉換并基于微服務集，編譯成目標芯片二進制代碼供平臺部署到定向PLC。

b）跨平臺自動部署技術

面對可能涉及到大量PLC的程序更新且每個PLC類型和功能又不盡相同給編譯帶來的困難，擬開發(fā)定制化的運行時部署方法。擬通過實現(xiàn)邊緣信息源記錄機制和標準化輪詢信息描述，通過在PLC中研發(fā)輪詢服務，響應編譯服務請求并返回所接入控制器的信息。在獲取所有的信息后，平臺端的編譯服務系統(tǒng)，通過線程池機制和消息隊列等形式實現(xiàn)并行的定制化編譯，為每臺PLC生成定制化程序?qū)崿F(xiàn)運行時部署。

線程池包括一個任務隊列和一組線程。邊緣請求信息放置在任務隊列中進行順序處理。通過研發(fā)輪詢服務，響應高并發(fā)的邊緣服務請求并返回分布式應用程序。通過云端建立的云編譯服務系統(tǒng)，實現(xiàn)高并發(fā)的實時定制化部署。部署流程如下：偵聽線程偵聽特定端口，接收邊緣信息源的請求，然后將其放入任務隊列；檢查線程定期檢查任務隊列，如果任務隊列不為空，則調(diào)用處理線程；處理線程將根據(jù)邊緣請求信息動態(tài)編譯生成分布式應用，并使用唯一標識符作為保存應用程序的路徑。最后發(fā)送線程將應用根據(jù)路徑發(fā)送到邊緣。  

1.6.4 雙線調(diào)試技術

為實現(xiàn)異構PLC調(diào)試，擬設計一個基于數(shù)據(jù)驅(qū)動內(nèi)存映射調(diào)試模型，其主要功能是將PLC在現(xiàn)場與數(shù)據(jù)源的通信過程，通過一系列的內(nèi)存交換映射到開發(fā)主機上，使開發(fā)主機能夠和數(shù)據(jù)源進行通信。它包含以下三個內(nèi)容：

1）異構PLC內(nèi)存映射

首先，在開發(fā)環(huán)境上建立異構PLC代碼運行時環(huán)境線程（Runtime Environment Thread, RET）、在PLC上創(chuàng)建調(diào)試代理任務（Debugging Daemon Task，DDT）；然后選定PLC與被調(diào)試智能設備通信所用的協(xié)議數(shù)據(jù)緩沖區(qū)作為內(nèi)存映射區(qū)域M，在開發(fā)主機上內(nèi)存映射M’，由RET和DDT之間建立網(wǎng)絡連接并保持兩者間數(shù)據(jù)同步，即開發(fā)主機上運行的代碼修改M’內(nèi)容會同步引起PLC上M區(qū)域內(nèi)對應位置的數(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Modbus TCP實現(xiàn)。在開始調(diào)試后，在開發(fā)主機的IDE環(huán)境下運行通信協(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進一步將其封裝為Modbus TCP協(xié)議報文后傳輸?shù)?/span>DDT，DDT解開封裝并寫入到PLC的發(fā)送緩沖區(qū)；反之，PLC接收到智能設備的應答數(shù)據(jù)存儲在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備的應答數(shù)據(jù)。在IDE調(diào)試環(huán)境下，開發(fā)者可以對協(xié)議命令的組裝、校驗和計算、應答數(shù)據(jù)的解析、智能設備的數(shù)據(jù)等協(xié)議開發(fā)所關注的細節(jié)，使用斷點、單步、變量和內(nèi)存查看等方式進行調(diào)試和分析，排除問題。

圖：內(nèi)存映射模型和調(diào)試通道

2）異構PLC數(shù)據(jù)同步方法

在DDT的設計中，擬為其分配了2塊數(shù)據(jù)區(qū)域用于配置和驅(qū)動調(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），每一位代表一個同步事件或是配置。DDT主要完成3個任務：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)動之間的數(shù)據(jù)交互；三是設置PDETB，協(xié)調(diào)開發(fā)主機和數(shù)據(jù)源之間的通信。特別地，在任務二中，異構PLC硬件驅(qū)動處于協(xié)議通信的底層，完成與數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)發(fā)送、接收的物理過程。異構PLC的協(xié)議處理程序和驅(qū)動之間，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，設置發(fā)送數(shù)據(jù)就緒標記位通知驅(qū)動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；反之，驅(qū)動接收到數(shù)據(jù)后會放置到接收緩沖區(qū)并設置接收數(shù)據(jù)就緒的標志，以便上層協(xié)議處理程序獲知并處理接收到的數(shù)據(jù)。在對通信協(xié)議程序進行調(diào)試時，發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)和標記位由開發(fā)主機讀寫，而在非調(diào)試狀態(tài)下，則由PLC通信協(xié)議程序代碼進行讀寫。在任務三中，設計通信協(xié)議調(diào)試控制位的設計分成2個部分。第一部分是對組成的PLC通信協(xié)議程序功能塊的執(zhí)行條件進行控制。第二部分是與開發(fā)主機及PLC的通信過程同步控制，使通信過程的調(diào)試能有序進行。

3）調(diào)試方法

開發(fā)平臺上仿真及調(diào)試。在開發(fā)平臺上編譯、啟動調(diào)試工程，在IDE下對功能塊代碼進行單步運行、變量查看、數(shù)據(jù)斷點等調(diào)試，定位并解決代碼中存在的Bug。該調(diào)試過程可以重復，直至所有Bug都修復。仿真調(diào)試完成的功能塊代碼，在PLC開發(fā)平臺上保存為XML標準格式文件，并添加到功能塊庫中。該調(diào)試過程解決功能塊代碼正確性問題。

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

1.7 方案重點技術

1.7.1 確定性網(wǎng)絡

圖：確定性IP技術特點

確定性IP的目標就是在現(xiàn)有IP轉發(fā)機制的基礎上提供確定性的時延及抖動保證。確定性IP的主要使能技術為LDN（Large-scale Deterministic Network，大規(guī)模確定性網(wǎng)絡）。通過引入周期調(diào)度機制來嚴格避免微突發(fā)的存在，從而保證了確定性時延和無擁塞丟包。LDN技術的異步調(diào)度、支持長距鏈路、核心節(jié)點無逐流狀態(tài)等特點使其適用于大規(guī)模網(wǎng)絡可部署。

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

圖：全網(wǎng)設備頻率同步

任意兩個鄰居設備之間都維持著一個穩(wěn)定的周期映射關系。該周期映射關系約束了兩跳設備之間的數(shù)據(jù)包轉發(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延確定性。從源節(jié)點到目標節(jié)點經(jīng)過逐跳的周期約束轉發(fā)，保證了端到端的時延確定性。基于確定性的時延上界，選擇一個滿足業(yè)務需求的確定性服務管道。

圖：周期映射關系

設備之間的周期映射關系可以通過控制面配置的方式，也可以通過自適應分布式學習的方式得到。構造出的周期映射關系可以分布存儲在轉發(fā)設備上，也可以集中存儲在少量控制設備上。后續(xù)用戶數(shù)據(jù)報文只需要攜帶周期相關信息，通過查表轉發(fā)或者其它方式即可實現(xiàn)確定性轉發(fā)。

1.7.2 支持異構體和IEDB可編程的開發(fā)模式

開發(fā)模式中主要包括功能塊重構、全解編譯、內(nèi)嵌組態(tài)三大重點技術

1) 功能塊重構技術

多個基礎功能塊可以組合、封裝成復合功能塊。如圖11：6x所示，兩個基礎功能塊連接組成一個復合功能塊。在進行功能塊復合時，需要對連接關系進行處理，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復合功能塊復合功能塊示意圖

簡單功能塊的變量傳遞和事件傳遞等執(zhí)行順序相關的信息保存在復合功能塊的執(zhí)行語義中。復合功能塊被執(zhí)行時，首先要初始化其網(wǎng)絡中所有功能塊實例的初始狀態(tài)；首先，接口中輸入事件被提取執(zhí)行，同時與輸入事件相關聯(lián)的輸入變量被更新；然后，所有網(wǎng)絡中的功能塊實例按照設置的順序執(zhí)行。例如，BeltModel在PhotoeyeModel執(zhí)行前執(zhí)行。每個實例的執(zhí)行涉及到三步：功能塊里的輸入事件被提取執(zhí)行，同時與輸入事件相關聯(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；每個功能塊實例被執(zhí)行，執(zhí)行時基于對應的執(zhí)行語義（基礎或者復合）；最后，復合功能塊接口的輸出被更新。由于僅對功能塊接口進行XML描述，可以有效防止導出的功能塊源代碼的流失，保護知識產(chǎn)權。

2）全解編譯技術

圖形程序的編譯是平臺編譯部分的難點，直接對其圖形程序進行編譯是相當困難的。本項目考慮圖形語言與IL語言之間的緊密聯(lián)系，先對圖形程序的結構進行解析，判斷每個元素的連接情況，建立各個圖形構件間的串并聯(lián)關系，形成AOV圖；在AOV圖轉化為IL指令的過程中，根據(jù)AOV圖中的頂點和弧生成對應的IL指令，每個頂點對應一條指令；根據(jù)目標控制的芯片類型，編譯IL指令文件生成目標代碼，并在編譯過程中反向解析IL指令和圖程序的關系，給出圖形程序的編譯錯誤提示。

3）圖內(nèi)嵌組態(tài)技術

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

1.7.3 基于CPU隔離的實時內(nèi)核技術

針對X86+Linux平臺，研究基于硬件抽象層ADEOS (Adaptive Domain Environment for Operating System)的內(nèi)核環(huán)境，構建普通Linux和實時內(nèi)核的雙操作系統(tǒng)平臺（如錯誤!未找到引用源。所示），并在雙操作系統(tǒng)之間共享硬件資源。在同一硬件平臺上加載具有多個優(yōu)先級域，并通過CPU隔離，將任務運行于不同的CPU?？刂葡到y(tǒng)基于ADEOS，使實時內(nèi)核與linux內(nèi)核并存，并將標準Linux內(nèi)核程序掛接到實時內(nèi)核的空閑進程，與實時內(nèi)核其他任務一同參與調(diào)度。實時內(nèi)核與普通linux相結合，使控制系統(tǒng)軟件平臺既能提供工業(yè)級RTOS的硬實時性能，又能利用linux操作系統(tǒng)網(wǎng)絡、GUI等操作系統(tǒng)服務。

圖：實時內(nèi)核技術架構

1.7.4 方案自主研發(fā)性、創(chuàng)新性及先進性

測試床采用高性能服務器和傳統(tǒng)PLC相結合異構體作為硬件系統(tǒng)，通過DIP/TSN構建控制網(wǎng)絡，通過定制可編程控制系統(tǒng)運行時軟件、可編程組態(tài)平臺實現(xiàn)測試床應用開發(fā)。測試床具備硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理和數(shù)據(jù)庫三大方面的創(chuàng)新。

硬件系統(tǒng)方面，測試床采用高性能服務器和傳統(tǒng)PLC相結合異構體作為硬件系統(tǒng)。將首次實現(xiàn)以可編程組態(tài)平臺的開發(fā)方式，對此類異構體進行編程開發(fā)。通過開發(fā)平臺的支持，異構體PLC將創(chuàng)新地實現(xiàn)對裝備群進行結合邏輯、運動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)絡管理方面，異構體PLC將首次采用DIP/TSN構建控制網(wǎng)絡，創(chuàng)新地實現(xiàn)了實時控制和高速數(shù)據(jù)采集的并行處理。

測試床將在汽車制造行業(yè)，汽車生產(chǎn)車間，實現(xiàn)DIP網(wǎng)絡改造； 同時也在高端注塑，注塑成型領域?qū)Πㄗ⑺軝C、工業(yè)機器人、模溫機、上料機、冷水機等裝備群進行應用；為行業(yè)提供了可參考的智能制造改造案例及經(jīng)驗。

1.7.5 方案安全風險控制

方案中的控制網(wǎng)絡通過專用網(wǎng)絡構建測試床不具備外部攻擊的風險。針對本方案中推廣應用階段，開方數(shù)據(jù)庫給第三方應用，需要獨立定制數(shù)據(jù)安全機制。

1.8 測試床實施部署

1.8.1 測試床實施規(guī)劃

1.8.2 測試床實施的技術支撐及保障措施

主要圍繞杭電-華為-行業(yè)客戶三大塊合作模式開展相關工作，依托華為資源牽頭成立開放合作實驗室，聯(lián)合杭電來為整體方案的部署實施提供技術支撐，并和行業(yè)客戶開展相關的生態(tài)建設。華為以在網(wǎng)絡側的技術能力與杭電在工業(yè)領域的技術能力結合，在研究內(nèi)容滿足部署的情況下，通過行業(yè)客戶提供的應用場景去進行試點應用和落地，并最終為AII聯(lián)盟提供案例反饋，形成完整閉環(huán)機制。

1.8.3 測試床實施的自主可控性

華為提供全自主研究網(wǎng)絡管理平臺及網(wǎng)絡設備，杭電充分利用現(xiàn)有自研平臺架構，在瞄準注塑場景需求的前提下，雙方合作進行需求研發(fā)，推動端到端解決方案形成技術成果及相關軟件注冊權。

1.9 測試床預期成果

1.9.1 測試床的預期可量化實施結果

完成自主可控的確定性網(wǎng)絡設備（交換機、工業(yè)網(wǎng)關等）的研發(fā)，樣機及軟件著作權和發(fā)明專利。完成基于確定性網(wǎng)絡和可編程技術PLC融合的測試床建設，并在多個垂直行業(yè)場景落地應用。

1.9.2 測試床的商業(yè)價值、經(jīng)濟效益

結合裝備制造業(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）；結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)裝備實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，后期讓企業(yè)對接華為及華為分公司，建立華為和企業(yè)客戶之間新業(yè)務合作商業(yè)機制，進一步嘗試探索基于測試床，開發(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)務模式。

1.9.3 測試床的社會價值

該測試床方案，華為作為ICT(信息與通信)基礎設施和智能終端提供商，提供和硬件、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫測試實驗環(huán)境，杭電提供和可編程控制技術和開發(fā)平臺，兩家合作共同建立工業(yè)裝備先進工控平臺，對接注塑成型行業(yè)的具體應用落地場景，通過IT和OT技術融合帶來的這種靈活性為整個制造行業(yè)智能化轉型奠定了基礎，推進了新興IT和OT融合技術與注塑成型行業(yè)結合的創(chuàng)新應用落地，創(chuàng)造了可持續(xù)發(fā)展的良性生態(tài)環(huán)境，同時，也為未來制造業(yè)智能化轉型積累了相關寶貴經(jīng)驗。

1.9.4 測試床初步推廣應用案例

測試床以注塑成型行業(yè)為例，開展應用推廣。注塑機及其輔機群一起生產(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，以及設備群的復雜性，其高速高精度控制一直是難點。本測試床，包括異構體可編程控制器運行時軟件、可編程組態(tài)平臺、確定性網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡管理平臺。運行時軟件將運行在多臺高性能服務器中成為可編程控制器。整個硬件系統(tǒng)將采用多臺異構可編程控制器和遠端IO，通過確定性網(wǎng)絡連接。硬件系統(tǒng)將統(tǒng)一控制注塑機、工業(yè)機器人、AGV小車、上料機、模溫機、冷水機、包裝機、換模裝置等裝備群。最終形成，PLC群控制裝備群，實時數(shù)據(jù)庫存儲定制化數(shù)據(jù)，而存儲的數(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)絡以及普通車間網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡管理平臺進行管理。

圖：注塑成型行業(yè)測試床

1.10 測試床成果驗證

1.10.1 測試床成果驗證計劃

測試床成果驗證計劃主要包括PLC群控制裝備群、實時數(shù)據(jù)庫定制化數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡確定性三個部分。

運行時軟件將運行在多臺高性能服務器中成為可編程控制器。整個硬件系統(tǒng)將采用多臺異構可編程控制器和遠端IO，通過確定性網(wǎng)絡連接。硬件系統(tǒng)將統(tǒng)一控制注塑機、工業(yè)機器人、AGV小車、上料機、模溫機、冷水機、包裝機、換模裝置等裝備群。最終形成，PLC群控制裝備群，實時數(shù)據(jù)庫存儲定制化數(shù)據(jù)，而存儲的數(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)絡以及普通車間網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡管理平臺進行管理。

1.10.2 測試床成果驗證方案

測試床成果驗證計劃主要包括PLC群控制裝備群業(yè)務驗證、確定性網(wǎng)絡性能兩方面。

1.10.3 PLC群控制裝備群測試

主要測試PLC群對裝備群的控制效果，E2E業(yè)務執(zhí)行無異常，驗證工作如下：

1.10.4 確定性網(wǎng)絡性能

主要測試PLC群對裝備群的控制時，確定性網(wǎng)絡指標數(shù)據(jù)：

1.11 測試床成果交付

1.11.1 測試床成果交付件

1.11.2 測試床可復制性

該測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)相關場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景。

1.11.3 測試床開放性

該測試床基于通用硬件和軟件構建和升級，本身已經(jīng)廣泛應用，具備良好的開放及兼容能力，可以與企業(yè)的軟件系統(tǒng)進行平滑對接，可以拓展到相關場景開放環(huán)境中。

1.12 其他信息

1.12.1 測試床使用者

歡迎第三公司參與本測試床建設

1.12.2 測試床知識產(chǎn)權說明

由參與方各自負責模塊自行協(xié)商

1.12.3 測試床運營及訪問使用

建設初期，華為和杭電牽頭相關設備廠家負責整體系統(tǒng)集成及平臺的部署及運營。建設后期行業(yè)客戶可基于平臺進行業(yè)務訪問及簡單的操作及維護，相關技術難點及故障維護可通過維保服務由華為及杭電進行跟進支撐及解決。

1.12.4 測試床資金

資金來自發(fā)起單位自籌

1.12.5 測試床時間軸