通用汽车动力总成的开放式模块化体系结构控制——GMPTG中OMAC概念的定义

OMAC白皮书中描述的开放式模块化控制系统相关的关键术语的定义重述于下表:

这些定义也准确地反映了GMPTG的OMAC概念。“开放”定义中的两个重要元素是(1)对“事实上”标准环境的要求，以及(2)商业控制硬件和软件组件的可用性。GMPTG不会在开始实施OMAC系统之前等待开放体系结构控制的国际标准的定义。市场所拥抱的“事实上的”环境将是开放系统将被构建的环境。在今天的市场中，Microsoft Windows环境是“事实上的”标准，并且是许多商业控制硬件和软件产品所支持的标准。尽管Microsoft Windows并不是为支持实时控制应用程序而设计的，但它确实可以有效地用于支持控制功能的许多方面，并且有各种方法可以实现使用这种环境开发控制系统。本文档中的“技术问题”一章解释了该主题的进一步讨论。

有时需要更换控制系统的模块以提供额外的好处，例如为控制系统的用户提供额外的功能和/或更低的成本。模块化定义了用户在控制系统中轻松替换组件或模块的能力，而无需在控制系统正常工作之前投入大量的工程工作来重新集成控制系统。最终用户的愿望是“插入”新模块，并以最小的努力开始“玩”，例如简单地加载一个新的软件驱动程序。从这个意义上说，“即插即用”意味着在受控环境中集成和验证。在对控制系统更改进行彻底和严格的验证后，该更改可以在工厂车间实施。稍后将讨论GMPTG的验证程序。

当生产过程发生变化时，有必要增加或减少与过程中设备相关的控制系统的功能。控制系统的可扩展性允许从控制系统中添加或删除控制模块，并提供适当的控制能力以满足应用需求。

实施OMAC系统的一个重要方面是降低与控制系统相关的成本。然而，与最小化控制系统的初始购买成本一样重要的是，它不如最小化控制系统生命周期中的总成本那么关键。由于控制产品受到个人计算机行业更大的市场力量的推动，初始实施成本自然会降低。当由于产品和/或过程的变化而需要对控制系统进行更改时，尽可能经济有效地实施更改变得非常重要。开放的模块化系统允许增量升级和组件的轻松集成，从而降低对控制系统进行更改的成本。如果产品和工艺变化迫在眉睫，并且需要制造系统的灵活性，那么实施开放的模块化控制系统无疑是一种具有成本效益的方法。

基于omac的制造系统与基于专有控制器的系统具有相同的可靠性要求。它们必须具有最长的正常运行时间和最短的停机时间，以满足工厂环境中的要求。

插图OMAC概念的一部分

基于omac的系统的一个区别是利用标准接口来实现前面提到的开放性、模块化和可伸缩性。标准接口超出了使用常见的商用计算机背板，如工业标准体系结构(ISA)， VME (VERSA Module Eurocard)，外围组件互连(PCI)等，尽管它们是OMAC系统的重要构建块。OMAC系统所需的标准接口包括用于控制软件模块、设备级网络、数字驱动器接口和更高级网络接口的通用应用程序编程接口(API)。

图1给出了一个基于omac的系统的简化视图，其中包含需要标准化的外部接口。它是一个集中式配置，即控制功能(或模块)和相关的API被封装在一个中央盒子中，因此软件模块被包含在控制器盒子中。

图1所示。开放式模块化结构控制器及其接口

图2所示的方框图展示了开放式模块化架构计算机数控(CNC)及其功能模块的概念。这个框图不是一个技术架构，也不应该被认为是实现基于omac的CNC的技术上准确的方法。它被用来进一步解释模块化和可扩展性的概念。

图2。开放，模块化架构控制器概念框图

每个模块的API定义了与控制器内其他模块的通信方法。如果所有市售的“离散逻辑求解”模块都符合相同的API，那么用另一个模块替换功能控制系统中现有的“离散逻辑求解”模块当然是可行的，并且在完成某些简单的集成和验证程序后，整个系统应该再次正常工作。通用API不仅支持“即插即用”需求，还支持OMAC概念的可扩展性。模块可以根据所需的应用程序从系统中添加或删除。例如，“部分程序转换器”，“轨迹生成”和“控制回路”模块可以从系统中移除，控制器变成可编程逻辑控制器(PLC)而不是CNC。对于复杂的应用程序，可以向系统中添加额外的自定义模块来执行额外的功能。添加“视觉处理”模块是一个很好的例子，以最小的集成努力扩大控制系统的能力。同样，OMAC系统能够在对系统其余部分影响最小的情况下更换设备级网络和通信网络。

各种各样的开放程度

根据前一节给出的“开放”的定义，重要的是要注意，在实施控制系统时，可以实现几个级别的“开放”。控制系统的开放性进展如图3所示。

图3。开放系统的发展

超越专有控制的第一级开放被标记为“开放环境控制器”。今天市场上的“开放环境”被定义为IBM个人电脑兼容微软Windows操作系统的硬件平台。在这种环境中有许多商用硬件和软件控制产品，它们可以集成到系统中以执行所需的控制任务。然而，需要全面的工程努力将这些组件最初集成到一个功能控制系统中，并且需要广泛的工程努力在必要时替换或升级控制系统的部分。尽管开放环境控制器不具备模块化和可伸缩性，但由于可以选择来自多个供应商的可用组件，并且可以更自由地配置系统以满足特定的应用程序需求，因此用户肯定可以从开放环境中获益。

提高开放程度的一个关键因素是定义一组通用API。随着通用API和符合API的产品的可用性，用户可以重新配置控制系统，而无需大量的工程工作。因此，开放控制的第二级被标记为“具有公共接口控制器的开放环境”，它允许将专用硬件和软件模块与开放环境中的公共API集成。“即插即用”和“可扩展性”现在成为现实。

最后一层的开放将私有硬件元素从控制系统中移除。这种“开放，模块化架构控制”级别可以被视为基于软件的控制器，具有运行软件控制模块的通用处理器，而无需插入控制器背板的特殊硬件，如运动控制卡和离散逻辑控制卡。由于微软Windows操作系统的限制，目前实现这种程度的开放在技术上是困难的。即使使用NT操作系统，实时性能问题也是一个真正值得关注的问题。一种替代方案是实现两个操作系统，一个实时操作系统处理时间关键型任务，另一个Microsoft Windows处理非实时任务。

重要的是要明白，所有级别的开放对用户都是有益的，GMPTG并不打算只实施具有最高开放水平的控制器系统。控制系统的适当开放程度将根据应用的需要和程序的时序来实现。GMPTG将继续鼓励开发通用API和最高水平的开放性，但已经开始实施开放式环境控制，因为技术已经验证为大规模工厂实施做好了准备。

其他因素

实现OMAC概念需要的不仅仅是控制模块的选择和标准接口的定义。它还需要符合标准接口的商业可用组件，帮助用户集成商业组件的软件工具，以及控制组件供应商和系统集成商对实现的支持。这些因素不是OMAC体系结构的组成部分，但是要成功实现OMAC概念，它们必须可用。