工业自动化系统架构-（规划调度执行与协调）
编程架构：Qt C++ & PLC
硬件平台：Windows + 倍福控制器
如题，这是一个非常经典且实际的工业自动化架构问题。选择在Qt上位机还是PLC中实现生产调度，从根本上说是集中式智能与分布式执行的哲学抉择。
核心建议是：将调度规划的“大脑”放在Qt上位机，将调度结果的“执行与协调”放在PLC。
1. 核心结论：上位机（Qt C++）为主，PLC为辅
为什么调度规划应该在上位机（Qt C++）实现？
强大的计算能力：
调度算法（如遗传算法、蚁群算法、甚至简单的优先级规则）涉及复杂的计算、排序和迭代。Qt/C++运行在工控机或PC上，拥有GHz级的CPU和GB级的内存，能轻松应对这些任务。
PLC的CPU是为实时确定性控制而设计的，擅长进行布尔逻辑、顺序控制和PID运算，但其计算能力（尤其是浮点、复杂数据结构处理）远不如现代工控机。（PLC必须在确定的时间片中完成指定任务）
丰富的数据结构与生态：
C++拥有STL库，可以方便地使用向量、队列、映射、优先队列等复杂数据结构来表示订单、机器状态和调度序列。
Qt提供了强大的数据库连接、XML/JSON解析、图表显示等功能，便于与MES/ERP系统集成、持久化数据以及可视化展示调度结果。
PLC编程（如梯形图、结构化文本）处理简单的数组和结构体尚可，但实现和管理复杂的调度算法数据结构会异常繁琐且难以维护。
算法开发与维护便利性：
在C++中开发、调试和优化算法可以使用Visual Studio、Qt Creator等强大的IDE，效率极高。
在PLC中调试一段复杂的排序或优化逻辑极其困难。算法的任何修改都需要重新下载PLC程序，可能影响生产线控制逻辑，风险高。
全局视野：
上位机可以轻松获取整个生产系统的全局信息（集成MES或对接MES下发订单任务，当前所有订单、所有工位状态、所有物料信息），这是做出最优调度决策的基础。
单个PLC通常只负责一个或几个工位的控制，缺乏全局视野。
为什么PLC是必不可少的执行角色？
实时性与可靠性：
PLC具有硬实时特性，能保证在毫秒甚至微秒级别响应I/O变化。这对于控制气缸、电机启停、传感器信号处理等安全关键任务至关重要。
上位机运行在Windows/Linux等非实时操作系统上，可能因垃圾回收、系统调度、网络波动等原因产生延迟，不适合直接进行底层实时控制。
高可靠性与稳定性：
PLC专为工业环境设计，7x24小时不间断运行，抗干扰能力强。
工控机相对更脆弱，系统可能蓝屏、死机。如果调度逻辑完全依赖上位机，一旦上位机故障，整个生产线将陷入瘫痪。
2. 推荐的架构与分工
基于以上分析，最健壮和高效的架构是分层设计：
| 层 | 组件 | 职责 |
|---|---|---|
| 规划层 (Planning) | Qt上位机 | 1. 调度大脑：运行高级调度算法，生成最优的生产序列和机器分配方案。 2. 人机界面：显示计划、实时状态、报警等信息。 3. 系统集成：通过数据库/网络从MES/ERP接收订单，上报生产数据。 |
| 协调层 (Coordination) | Qt上位机 + PLC | 1. 上位机：通过ADS将调度指令（如：下一步生产工件A）下发给PLC。 2. PLC：接收指令，并将其分解为可执行的步骤（运动控制）。 |
| 执行层 (Execution) | PLC | 1. 实时控制：严格执行协调层下发的指令，控制具体设备动作（如：传送带启停、机器人抓取、定位等）。 2. 状态反馈：通过ADS实时将设备状态（空闲、忙碌、故障、完成）、工位状态、传感器数据上传给上位机。 |
| 感知层 (Sensing) | 传感器 + PLC | 采集物理世界的数据（如光电传感器、RFID读到的工件ID），由PLC处理后上报。 |
工作流程形成一个闭环：
上位机计算调度计划 -> 通过ADS下发“指令”给PLC -> PLC执行“动作”并控制设备 -> PLC通过ADS反馈“状态”给上位机 -> 上位机根据新状态决定下一步“指令”。
3. 需要注意的关键点
对于Qt上位机开发（C++/ADS）：
ADS通信的异步与超时处理：
必须使用异步的ADS读写方式，避免阻塞UI线程。
必须为所有ADS操作设置合理的超时时间，并做好异常处理。网络或PLC故障时，不能导致上位机卡死。
状态管理：
在上位机中维护一个与物理生产线一致的虚拟映像（Virtual Twin）。所有控制指令都基于这个映像的状态发出，确保逻辑正确。
处理好状态同步问题。例如，上位机下发了指令，但PLC可能因急停等原因未执行，需要机制来同步两者状态。
故障恢复与冗余：
考虑上位机重启后的状态恢复。程序启动后，应首先通过ADS读取所有PLC的当前状态，重建虚拟映像，而不是盲目下发新指令。
对于关键生产线，可以考虑上位机热备冗余方案。
性能与优化：
调度算法如果是耗时的计算，必须在后台线程中运行，绝对不能阻塞UI和ADS通信线程。
对于PLC开发（TwinCAT/ST/LD）：
定义清晰的接口：
与上位机约定好ADS变量列表。例如：
MainStation.iCmd(INT)： 上位机下发的命令代码（如：1=开始工件A，2=开始工件B）。MainStation.iPara(INT)： 命令参数。MainStation.iStatus(INT)： PLC上报的状态（如：0=空闲，1=忙碌，2=故障，3=完成）。MainStation.iError(INT)： 错误代码。
使用心跳包机制（如一个每秒自增的INT），上位机可以据此判断PLC是否通信超时。
安全性第一：
PLC必须拥有最高优先级的安全控制权。急停、安全门、光栅等安全信号必须直接接入PLC并由其处理，绝对不能依赖上位机来做安全判断。
PLC程序应能检测上位机指令的合理性，并进行互锁。例如，上位机下发“放下工件”指令，但PLC检测到下方没有托盘，则应拒绝执行并上报错误。
自治性：
PLC应该具备一定的本地逻辑。即使与上位机通信中断，也能完成当前正在执行的任务，或进入一个安全的停机状态，而不是立刻宕机。
总结
在哪实现： 在Qt上位机中实现调度规划算法，利用其计算和生态优势。
如何协作： 通过ADS建立清晰、可靠的指令/状态接口，实现上下层通信。
核心原则： “上位机管计划，PLC管执行”。上位机做智能决策，PLC做可靠执行与安全守护。
注意事项： 重点关注通信可靠性、状态一致性、故障处理和安全性。
这种架构完美结合了PC的“智能”与PLC的“可靠”，是工业自动化领域最成熟和推荐的设计模式。