★ 北京和利時智能技術有限公司 趙剛

1   背景與問題識別

隨著“智能制造2025”戰略持續推進，各行業制造企業普遍面臨產線自動化水平不均、控制系統異構、老舊PLC設備性能瓶頸突出等問題。以傳統汽車工廠為例，在沖、焊、涂、總裝等核心車間，原有控制架構往往依賴梯形圖編程、分散I/O布線以及低速通訊協議，系統響應慢、維護難、擴展性差，嚴重制約柔性化與數字化轉型。

本文以本人參與的某汽車廠焊裝車間升級改造項目為例，原系統使用多品牌PLC組合（西門子、 Omron、倍福等），機器人通訊方式以并口DI/ DO、D-net等傳統總線為主，存在狀態更新滯后、調試效率低、數據接口分散等問題。針對上述瓶頸，需從控制器選型、網絡架構重構、軟件系統重構、現場布線優化等多個維度系統性開展自動控制系統升級改造，并建立完整的驗證機制，確保系統重構后的可靠性、實時性與維護便利性達到智能工廠標準。

2   工程實施路徑設計

2.1   控制平臺統一與高性能控制器選型

在傳統工廠自動化系統中，控制平臺長期存在異構分散、多品牌并用的結構性缺陷，尤其在汽車產線的多階段工藝段（如沖壓、焊裝、總裝）中，常見西門子、三菱、歐姆龍等PLC混用，不同子系統之間邏輯接口松散，程序結構割裂，數據交互效率低下。這種“多PLC、跨協議、手工集成”的模式不僅拉長調試周期和后期運維難度，也限制自動控制系統的統一升級、集中監控與柔性擴展能力。

本項目在自動控制系統升級初期，即確立“統一控制平臺”作為系統重構的核心策略，采用和利時LXS控制器為主控平臺，實現邏輯控制、運動控制、人機交互和工業以太網通信的 一 體化集成。該平臺基于工業級嵌入式處理器，內嵌具備實時性能的雙核ARM+FPGA異構架構，運行自主嵌入式RTOS系統，結合Xmagital自動化軟件平臺， Autothink編程環境，支持完整IEC 61131-3標準五種編程語言，并可實現結構化文本（ST）與功能塊（FB）的高抽象邏輯建模。

與傳統系統不同，   L XS系列P L C，結合Xmagital平臺具備如下幾項關鍵性能優勢：

（1）實時任務調度性能：系統控制周期可穩定運行在250μs以內，支持80軸以上的同步伺服運動控制，并具備實時采集超過500路高速I/O點的能力；通過多線程邏輯調度與優先級分離機制，將控制周期與人機界面刷新完全解耦，有效避免畫面更新卡頓干擾實時控制。

（2）控制對象整合能力：可直接管理EtherCAT總線下的機器人控制器、遠程I/O站、伺服驅動器、安全模塊等異構設備節點， 無需中間網關或協議轉換模塊， 最大限度壓縮通信鏈路層級， 提高響應一致性。

（3）通信協議統一化：平臺原生支持EtherCAT、 OPC UA、Modbus-TCP、FS oE、EAP等主流工業協議，具備開放的數據訪問接口，可應用于Xmagital平臺與MES系統、SCADA平臺、上位數據庫實現多協議協同通信； 在升級過程中無需額外購置多品牌通信適配器，降低軟硬件集成成本。

（4）故障恢復與可重構能力：控制程序與設備參數采用版本控制機制統一管理， 具備自動識別接入設備與工藝模塊功能的能力， 一旦產線出現模塊更換、工藝調整、機器人切換等需求， 控制系統可通過軟加載完成邏輯自動適配， 無需重新部署底層程序，大幅提升柔性化程度。

在系統部署過程中，通過統一平臺構建“主控→分布式總線→動作單元”的標準化體系結構， 所有動作邏輯（如夾緊、上料、點焊、識別） 均封裝為平臺級功能塊模板， 并通過工藝描述表與路徑參數表動態調用， 實現“控制邏輯對象化、參數配置表單化、系統運行標準化”的一體化重構目標。

實際運行中， LXS控制器穩定承載包含26臺機器人、12段自動線、54套伺服單元與上百路安全輸入的柔性焊裝系統控制任務，平均CPU占用率不超過55%，實時性滿足20ms以下系統節拍同步要求，控制平臺重構取得顯著成效。

2.2   軟件邏輯重構與模塊標準化封裝

在原有自動控制系統中，程序結構普遍采用梯形圖（LD）順序展開方式實現控制邏輯，各動作之間以位邏輯方式觸發，程序按“順序掃描+位級聯動”組織， 存在大量重復指令、變量使用不規范、狀態跳轉無顯式邏輯等問題。隨著系統規模擴展、控制目標復雜化， 此類“卷簾式”程序結構在邏輯可讀性、功能復用性、維護追溯性方面逐漸無法滿足智能工廠對控制軟件結構化、模塊化、可調試化的技術要求。

在本次控制系統升級中，軟件邏輯全面重構，采用IEC 61131-3標準中的結構化文本語言（ST）作為主控編程語言，以面向過程+狀態驅動的編程范式對所有控制邏輯進行重新建模。設備控制層將每類動作單元（如： 電磁夾具、兩位氣缸、光電傳感器組、位置檢測開關）抽象為功能塊（FB），每個功能塊封裝控制邏輯、狀態緩存、輸出接口、異常檢測、手動覆蓋與遠程互鎖等機制， 并支持通過初始化參數表進行功能調整。

以典型夾具功能塊為例，其內部采用狀態機方式劃分工作流程， 包括：初始、就緒、閉合中、閉合完成、開啟動作、開啟動作完成、異常等7個狀態節點。每個功能塊可被主PLC任務調度器按需實例化并并行運行， 實現與現場設備運行狀態高度一致的程序狀態建模，顯著提升調試效率與系統穩定性。

在機器人交互層，構建統 一 的標準化數據結構體用于任務參數、反饋狀態、程序控制與安全狀態等信息的傳遞。數據結構設計遵循“位圖定義+結構體打包+校驗機制”的原則。例如，結構體中包含如下字段： Task_ID（INT）、Status_Word （WORD）、Alarm_Code（WORD）、Path_ Index（INT）、Timestamp（DT）等，通過PLC周期性刷新機制構建狀態輪詢與任務感知通道， 并配合任務調度狀態機實現對機器人程序的遠程調用、流程掛起、異常恢復與超時跳轉。

更為關鍵的是，主控制器中構建一套多通道任務管理狀態機，用于管理不同產線節拍下各機器人任務的生成、啟動、執行監視與完成確認流程。任務調度邏輯與機器人實際路徑程序完全解耦，任務狀態機僅以任務編號與參數為索引， 由機器人內部解析器完成具體路徑調取與動作規劃，從而實現生產節拍控制與設備程序控制的職責分離，提高系統擴展靈活度與適應多車型快速切換的能力。

2.3   基于Xmagital的平臺優勢效果

Xmagital平臺作為和利時推出的全新可自由定義的智能系統，具有以下特性：

首先，它是一套工廠管理系統，包括工廠的生產控制管理和生產運營管理。生產控制管理包括現場儀表、傳感器、PLC控制器、DCS系統、安全系統、SCADA系統、批次管理Batch、先進控制APC等，生產運營管理包括MES/MOM、APS、設備管理、倉儲物流管理、能源管理、質量管理等。

第二，系統的原生一體化融合，意味著一開始就基于統一的平臺和標準開發出這兩套系統，而不是先分別開發好兩個系統，然后進行數據打通，這就是“原生融合”的核心概念。 XMagital是通過提供統一的數據模型、平臺框架、基礎環境和服務化組件架構，來實現控制和管理系統的原生融合。

第三， 從架構角度而言， 它突破了傳統ISA-95金字塔分層式架構，基于統一的基礎平臺實現L0~L3層應用的扁平化網狀結構。這種結構一方面消除了原來分散獨立在各個系統內的“數據孤島”，數據能夠跨部門、跨系統快速流通與處理，企業能夠迅速適應內外部環境變化，滿足多樣化的業務需求，另一方面，這樣一個統一的基礎平臺，為大數據分析、人工智能、BI等高級應用提供堅實的基礎，這正是數字化轉型最亟需解決的問題。

簡單來說，XMagital具有強大的生產控制與運營管理系統開發能力。它創新采用“1個平臺+N個應用”框架，為各類工業應用的快速開發提供了統一基礎。雖然管控一體化平臺的概念已提出十余年，但實際落地始終面臨諸多挑戰，其中最關鍵的就是缺乏一個真正通用的開發環境。 XMagital的推出正好填補了這一空白，它將大大降低管控一體化的實施難度，讓這一理念終于能夠真正落地生根。這個系統不僅解決了行業長期存在的痛點，更為工業數字化轉型提供了強有力的技術支撐。

當然， 不僅如此，XMagital更是一個深度融合AI技術的智能系統，實現了三大智能化突破：智能組態的可視化配置、智能應用的快速搭建、工業智能體的敏捷開發。 XMagital提供了一系列智能化工具來降低組態難度，涵蓋業務建模、邏輯編排、數字孿生、工業優化和運維檢測等，同時還集成了強化學習、深度學習、大模型等工業AI通用架構和各類AI算法庫，可以快速構建生產優化類、設備診斷類、工業視覺類、數據預測類等一系列智能應用。當然，當前火熱的大語言模型，如DeepSeek、通義千問等也都可以無縫接入，支持各類大模型框架以及RAG、MCP、Function Call等大模型技術，輕松構建生產運營類智能體和工程賦能類智能體，甚至打造各類行業大模型。

如果說管控 一 體和融入AI是XM a gital的“Digital”部分，那“可自由定義”就是XMagital的“Magic”部分了，這也是它的神奇之處。

為什么說它可以“自由定義”呢？

XMagital突破了傳統工業系統分層架構的限制，這種設計允許用戶根據業務需求自由組合功能模塊， XMagital之所以“可自由定義”，是指它的部署模式十分靈活，支持云邊協同部署和本地服務器部署兩種模式。滿足從車間級到集團級的全場景應用需求。開放生態也是“可自由定義”的核心體現。XMagital在硬件層面，實現了軟硬件解耦，用戶可自由選擇不同品牌的硬件設備（如PLC、DCS、傳感器等），支持容器化部署，而且支持OPC UA、 Modbus、MQTT等300+工業協議，實現生態圈內的儀表、裝備以及各層應用之間的互聯互通互操作。在軟件層面， XMagital通過提供開放的API、 SDK及低代碼開發工具，允許第三方開發者基于平臺規范開發各類工業應用。這是“平臺基座+工具賦能+應用生態”三位一體的動態軟件組合系統。

3   驗證策略與系統上線機制

3.1   多級功能測試流程設計

控制系統升級后的投產穩定性極大依賴于前期驗證流程的科學性與完整性。為保障功能、性能與節拍協同邏輯的可靠運行，本項目構建自下而上的三級測試體系，貫穿從單體動作驗證、子站聯調到整線產能仿真全過程，實現模塊級閉環測試與系統級協同驗證的統一。

（1）一級測試—控制單元離線仿真驗證。

在工廠調試階段或軟件開發周期內，構建離線測試臺架，通過軟件模擬I/O輸入輸出及伺服反饋，以驗證PLC邏輯正確性、功能塊執行完整性、變量一致性與HMI畫面綁定效果。關鍵內容包括功能塊切換狀態的正確響應、異常路徑處理邏輯的完整性、配方驅動邏輯的可靠性等。該階段還可接入PLC仿真環境實現自動測試腳本運行，顯著提高程序測試效率與精度。

（2）二級測試——現場單站設備調試。

系統部署至實際設備后，進入單機調試階段。針對機器人、伺服驅動系統、傳感器組等控制對象進行逐站聯調，包括PLC與機器人之間的通信協議互通驗證、起始程序運行聯動、軸組插補軌跡復現、 HMI參數設置響應與監控反饋準確性等測試。調試過程中構建標準調試模板， 用于記錄每一類設備的測試項、驗證方法、狀態標志、通過標準與異常處置路徑，確保調試過程可溯源。

（3）三級測試——整線節拍與協同仿真測試。

在全部設備調通后，開展系統級的整線協同測試。利用測試工件或模擬信號流， 模擬多任務并發場景下的節拍運行流程， 重點驗證任務調度邏輯的完整性、機器人動作交接的穩定性、設備間聯鎖的實時響應性與異常狀態下的系統自保護能力。通過反復模擬啟動、暫停、急停、切換車型等典型產線場景， 記錄系統響應時間、任務恢復路徑與節拍穩定性指標。測試過程中與HMI綁定聯調界面實現日志自動記錄，便于形成測試閉環。

此外，為確保測試過程標準化、數據可追溯，項目團隊建立調試與驗證記錄體系，包括故障清單、驗證項清單、接口響應時間統計表、軟硬件版本日志、操作人員記錄表等。每一輪測試均形成電子版本報告， 并存儲于項目級測試歸檔系統中， 以支持后續審計、復測與運維支持， 構建出系統級可回溯測試鏈條。

3.2   安全功能驗證機制

在自動化產線中，功能安全驗證不僅是設備上線許可的重要前提， 也是系統穩定運行、人員操作保障的核心基準。本項目升級中部署的功能安全系統，以和利時LXS系列功能安全PLC為主控，實現與標準PLC隔離運行、安全信號專線采集、安全輸出直控切斷路徑三重閉環。所有安全輸入信號， 包括急停開關、安全光柵、安全門磁、區域保護掃描器等， 均采用雙通道輸入模塊采集， 并基于異步比對與CRC校驗機制進行真實性確認，消除誤觸發和假失效可能。

系統安全邏輯完全在安全PLC中獨立編程實現， 并采用狀態機方式管理聯鎖邏輯： 如進入防護區時，自動切斷機器人伺服電源、氣動夾具電磁閥；在安全門關閉后，需執行人工確認+權限校驗流程，才可重新上電，確保每一次設備恢復均被授權并記錄。

功能安全驗證流程參照TüV Rheinland制定的聯鎖機制測試方法，分三階段展開：

（1）聯鎖動作驗證：驗證每一類安全輸入信號觸發后對應動作的執行完整性，如安全光柵遮擋立即中斷機器人運行并切斷主回路， 門磁信號丟失時無法復位系統等。所有測試動作均通過HMI狀態頁監視狀態位變更，確保觸發機制與動作鏈路一致。

（2）狀態鎖定驗證：驗證系統在進入安全狀態后，所有控制命令失效并處于鎖定狀態， 直至人工復位介入， 防止誤操作或自動復原。例如在伺服急停狀態下，強制屏蔽HMI手動模式指令發送，并顯示紅色警示頁面。

（3）人工復位與審計驗證：安全解除需具備人工確認動作， 并記錄復位操作人員、時間戳與當前狀態，通過HMI安全頁配合權限等級系統執行復位動作。所有異常狀態與安全動作均自動記錄于安全事件日志， 并同步至后臺服務器， 實現安全事件可審計、可追蹤、可評估。

該安全驗證機制在現場實際執行過程中，結合HMI實時報警畫面、日志回放系統、權限分級機制，構建完整的“發現－處理－記錄”閉環體系。系統在部署后接受內部功能安全審查并完成項目交付前的第三方安全測試驗證（模擬TüV流程），確保系統滿足SIL3功能安全等級要求。

4   項目實施成果與應用價值

通過本次升級改造，該產線控制系統整體運行周期縮短20%以上， 系統響應延遲由平均180ms降低至20ms以內；機器人任務分配更具柔性，節拍穩定性提升顯著；安全控制模塊首次實現SIL3等級認證， 并具備狀態圖可視化能力；維護接口統一，遠程診斷效率顯著提升。系統具備完整模塊化、通信標準化、配置參數化特征， 已在某自主品牌汽車新一代產線、沖壓行業龍頭企業柔性沖壓線等系統中復制推廣，成為企業推進智能工廠自動控制系統升級的重要技術模板。

摘自《自動化博覽》2026年5月刊