摘要：在數(shù)字化、信息化、智能化制造的大趨勢下，預測性維護和大數(shù)據分析的需求在制造業(yè)領域日益增加，車間設備數(shù)據采集的重要性也越來越突出。赫優(yōu)訊推出的開放式邊緣云網關產品 netPI，是基于多協(xié)議芯片和樹莓派架構研發(fā)的一款智能邊緣連接設備，凌頂科技自主開發(fā)的數(shù)采軟件 MDC.OPCUA.SERVER， 通過 Docker 進行封裝并集成在 netPI 中，進而實現(xiàn) netPI 采集 CNC 數(shù)據并進行云端化管理的智能生產方式。
0 引言
近年來，隨著信息化技術的迅速發(fā)展，工業(yè)制造與互聯(lián)網技術之間的關系也越來越密切，傳統(tǒng)制造業(yè)不斷向著數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展。由于數(shù)控 加工技術在我國工業(yè)加工制造領域中應用廣泛，推動著整個制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機床（Computer number control，CNC）作為數(shù)控加工車間中的核心加工設備， 是實現(xiàn)我國制造現(xiàn)代化的基石，被譽為"工業(yè)之母"[1]，其高效的生產方式可促 進加工制造過程的提高。
目前，現(xiàn)有的制造設備不能實現(xiàn)自動輸出設備內部狀態(tài)信息，容易形成 "信息孤島"。因此，如何打破生產企業(yè)設備信息孤島并及時精準的反饋生產過程信息？幫助企業(yè)決策者掌握生產過程狀態(tài)，實現(xiàn)產品制造過程中的高質量高 效率生產，實現(xiàn)數(shù)據信息資源在生產管理上的有效應用，這在整個生產制造過程環(huán)節(jié)中起著支撐的作用[2]。然后，通過物聯(lián)網通訊技術，實現(xiàn)準確感知設備在加工生產過程中的狀態(tài)變化情況，以達到對車間數(shù)據遠程信息化管理。
在技術層面上，可以通過邊緣可編輯控制器實現(xiàn) OT-IT 融合。在車間信息化進程中，數(shù)據是傳遞信息的載體，設備狀態(tài)信息數(shù)據的采集是實現(xiàn)生產車間信息 化的重要基礎。在 OT 側，針對不同的數(shù)控系統(tǒng)，要實現(xiàn)采集方法具有良好的兼容性和通用性，對于終端用戶來說是一大難題；在 IT 側，將采集的數(shù)據實時快 速傳輸?shù)皆品掌?，并進行大數(shù)據處理，以及數(shù)據之間的關聯(lián)性分析，實現(xiàn)獨立 于云服務器和開放式邊緣化管理是現(xiàn)在眾多企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一。德國赫優(yōu)訊和 無錫凌頂科技就這一現(xiàn)狀，分別推出邊緣云網關產品 netPI 和基于物聯(lián)網通訊協(xié) 議的 OPC UA Server 及數(shù)據庫快速配置軟件，可形成一個智能邊緣連接生態(tài)系 統(tǒng)，對于帶有網口的新設備，可直接連接 netPI 進行數(shù)據采集，不帶網口的老設備，則需要采用網關產品再連接 netPI，整體架構如下圖所示：
圖 1 智能邊緣連接生態(tài)系統(tǒng)
1 產品簡介
1.1 赫優(yōu)訊 netPI
樹莓派由 Raspberry Pi 基金會開發(fā)，側重點在于"適合所有人的經濟實用型 PC"，基于 ARM 架構，最大的優(yōu)勢是軟件，其軟件包數(shù)量已經達到 35 萬，形 成了一個具有開放和可定制的軟件生態(tài)系統(tǒng)[3]。樹莓派提供豐富的 GPIO 針腳和 SPI 總線用于連接各種設備并對其進行二次開發(fā)，是物聯(lián)網硬件平臺的選擇之一。
赫優(yōu)訊推出的開放式可編程邊緣云網關設備 netPI，基于樹莓派架構平臺， 包含原始的 Raspberry Pi 3B 電路及赫優(yōu)訊的多協(xié)議芯片 netX51，可實現(xiàn)從生產 網絡中直接獲取數(shù)據，并進行可視化管理，可以快速搭建 OT 和 IT 數(shù)據的"橋梁"，用于安全的實施工業(yè)物聯(lián)網和工業(yè) 4.0 等邊緣自動化項目。netPI 專為 IT 網 絡和 OT 網絡之間的"邊緣"應用而設計，LAN 接口連接到 IT 網絡，是通過 Web 界面進行設備配置的接口，另外兩個以太網接口將設備連接到實時以太網網絡（OT 網絡），該設備還支持無線網絡通訊方式，產品圖如下圖所示：
圖 2 netPI 產品圖
netPI 以"開放式創(chuàng)新"為設計原則，創(chuàng)造項目共享附加值，采用以產品功能主動拓展為基礎的開發(fā)環(huán)境，客戶根據具體項目決定使用軟件或硬件的形式實現(xiàn)?；诳蛻魺o法直接訪問的"強化版 Linux"，客戶使用預安裝的 Docker 下載 和操作其他軟件。Docker 采用來自操作系統(tǒng)虛擬化的特殊技術，可以實現(xiàn)應用程 序在受保護的隔離環(huán)境中執(zhí)行，netPI 相當于一個 Docker 主機，允許用戶在安全的 Linux 系統(tǒng)上執(zhí)行自己的應用程序，同時保留所有的保護機制。為了便于板載 Docket 管理，netPI 將 Docker Web Portainer.io 作為用戶的前端訪問界面，用戶可直接通過界面直接進行相應的配置[4]。
此外，netPI 還有多個可配套使用的拓展模塊，比如針對串口的通訊接口模 塊 NIOT-E-NPIX-RS485、NIOT-E-NPIX-RS232，還有現(xiàn)場總線接口模塊 NIOT-E-NPIX-RCAN，以及標準的 DIDO 接口 NIOT-E-NPIX-4DI4DO 等，用戶可根據實 際項目需求進行選擇。
1.2 凌頂科技數(shù)采軟件
MDC.OPCUA.SERVER 數(shù)采軟件是凌頂科技自主研發(fā)的一款 OPCUA 服務器，基于物聯(lián)網通訊協(xié)議 OPC UA，支持多種 PLC 和 CNC 設備的數(shù)據采集，并且采用多線程技術可同時服務于數(shù)十臺設備或整條生產線的數(shù)據采集。OPC UA 通訊協(xié)議是一套集信息模型定義、服務與通訊標準為一體的標準化技術框架，作為一種面向服務的通信協(xié)議，目的是使工業(yè)化通訊有據可循，可以理解為一個 UA 服務端和 UA 客戶端的實時數(shù)據庫框架。UA 服務端負責數(shù)據管理與邏輯運算，并通過 OPC UA 通訊協(xié)議對 UA 客戶端程序提供相應的數(shù)據與服務[5]。 MDC.OPCUA.SERVER 的通訊驅動經過精心設計，可實現(xiàn)多變量智能分析合并采樣和高速并發(fā)數(shù)據吞吐，在 SINUMERIK 系列 CNC 上采集設備狀態(tài)數(shù)據、設備診斷數(shù)據、設備運轉數(shù)據等 40~60 的數(shù)據變量，可達到 2~6ms 的高頻采集 率（如圖 3 所示）。
圖 3 采集率
凌頂科技可以提供 OPCUA 的驅動 API 接口，以便能將第三方開發(fā)的驅動掛 接到凌頂科技的 OPCUA 服務器[6]。MDC.OPCUA.SERVER 目前支持的設備驅動如下表所示：
表 1 MDC.OPCUA.SERVER 支持的設備驅動匯總表
2 軟件設計
對于 netPI 的配置，可直接通過設備名稱訪問 Edge Gateway Manager，這是一個帶有 Tiles 的 Web 界面，用于快速訪問集成在設備中的應用程序或外部網頁。
圖 4 Edge Gateway Manager 界面
進入 Edge Gateway Manager 界面時，首先激活 Docker，點擊上側菜單欄 Service，選擇 Service list，進入 Docker 的配置界面。選擇 Autostart 為 Enable 狀 態(tài)，點擊 Apply，然后設置 Operating status Running 狀態(tài)為 Start 即可。如圖 5 所 示。Docker 激活之后，可進入 Docker Web GUI 界面安裝相應的容器，首次訪問 Docker 進入 Portainer.io 需設置登錄名和密碼。赫優(yōu)訊已在 Dockerhub 發(fā)布各種 容器，用戶可根據自己的需求自行安裝即可。
圖 5 設置 Docker 狀態(tài)
Docker 是一個開源的容器技術，使用者可以通過容器將軟件打包成一個標準化模塊，從而用于開發(fā)、交付以及部署。容器可以包含的是代碼、運行環(huán)境、系統(tǒng)基礎工具等。此外，Docker 還是一種沙盒機制，可以賦予軟件或者各個運行環(huán)境的獨立性，可以避免開發(fā)團隊成員在同一種基礎設施上運行不同軟件時造成沖突。
圖 6 Docker
為了方便之后能夠在終端界面進行測試，選用了" hilschernetpi/netpi- raspbian"，該容器由"balenalib/armv7hf-debian:buster"構成基礎鏡像，并包含了 SSH 服務器，再啟動容器后，可以通過第三方軟件 putty 來進行訪問。
具體部署容器步驟如下：
（1）打開瀏覽器中打開 netPI 的網站，進入 Edge Gateway Manager 界面。 點擊 Docker 進入 Portainer.io 進入一個圖形化的 Docker 用戶管理界面，其中包 含了"Images""Containers""Network""Volumes""Users"等管理界面，Portainer.io 即溶了獨立的 docker 環(huán)境以及 swarm 集群模式，便于企業(yè)對 docker 的管理工作。
圖 7 Portainer.io 界面
?。?2 ）點擊" Images "進入鏡像管理界面，在" Pull image "中輸入 "hilschernetpi/netpi-raspbian"，點擊"Pull the image"按鈕，進行鏡像的拉取。拉取后的鏡像會在"Images"中以列表的形式呈現(xiàn)，并帶有"Tags"以及"Created"方便查詢、管理。
圖 8 安裝 Image
?。?）點擊"Containers"進入容器管理平臺，選取基礎鏡像"hilschernetpi/netpi- raspbian"，將"Network"設置成"host"共享主機 IP，開放 SSH 默認端口號 22， 將"Restart policy"設置成"always"，添加"/dev/ttyAMA0"、"/dev/vcio"、 "/dev/vchiq"、"/dev/vc-mem"，將"Pricileged mode"的模式更改為"on"，最后 點擊"Action"中的"Deploy the container"進行容器的部署，部署結果如圖 8 所 示 。 具體操作步驟可參考 Hilscher 在 Dockerhub 上的 "https://hub.docker.com/r/hilschernetpi/netpi-raspbian"
圖 9 部署結果
?。?）通過 putty 登陸"hilschernetpi/netpi-raspbian"如下圖所示：
圖 10 putty 登陸界面
也可以在"Containers"中選中容器進入，點擊"console"進入 web 界面中 的終端界面如下圖所示。"hilschernetpi/netpi-raspbian"默認用戶名為"pi"密碼 "raspberry"。
圖 11 直接通過 Containers 登陸
安裝好終端之后可以對基礎鏡像先做源的更新，并通過終端安裝 Mariadb、Node-RED、ftp、vim、net-tools 等相關應用軟件。
使用 FTP 將 MDC.OPCUA.SERVER 軟件放到系統(tǒng)的根目錄，并使用授權軟件對其進行授權。
通過"hilschernetpi/netpi-netx-ethernet-lan"將 cifx0 的實時以太網口更改成一 個標準以太網口，與 host 網絡處于同一網段。具體步驟可以參考 Hilscher 在 dockerhub 上的鏈接"https://hub.docker.com/r/hilschernetpi/netpi-netx-ethernet-lan"
3 數(shù)采平臺
以往的數(shù)據采集是基于設備內置的傳感器以及 PLC 信號點來獲取機床內部 數(shù)據信息，但無法與 CNC 在加工過程中產生一個信息交互，無法獲取更多的實 時生產信息數(shù)據，在現(xiàn)在的智能化車間當中顯得捉襟見肘。而使用 MDC.OPCUA.SERVER 可以通過 CNC 中的 X120、X127、X130（任選其一）標 準以太網接口來進行設備數(shù)據采集，可進行設備數(shù)據的實時訂閱，快速搭建數(shù)據采集通道。
圖 12 SINUMERIK 840Dsl
SINUMERIK 840Dsl 中主要的數(shù)據變量區(qū)如下： B | 模式組數(shù)據（含有適用 于各個運行方式的所有變量）；C | 通道配置數(shù)據（含有適用于各個通道的所有變 量）；N | NC 數(shù)據（含有適用于整個數(shù)控系統(tǒng)的所有變量）；T | 刀具數(shù)據（含有 所有適用于機床上刀具的所有變量）；A | 軸相關基本設置（含有適用于各進給軸 或者主軸的機床數(shù)據和設定數(shù)據）；V | 進給驅動數(shù)據/主驅動（含有每個驅動的 機床數(shù)據或作為服務參數(shù)的機床數(shù)據）。
對 SINUMERIK 840Dsl 的 X130 端口的網絡進行修改，使其與 cifx0 的網絡 處于同一網段，將 X130 端口與 cifx0 通過標準以太網進行連接，netPI 中的 eth0 通過標準以太網連接到上層系統(tǒng)，其架構圖如下：
圖 13 數(shù)采架構
將所需要采集的數(shù)據通過 config.xml 文件進行配置（測試中所采集的數(shù)據包含 R 參數(shù)、驅動負載、X 機床坐標、Y 機床坐標、Z 機床坐標、驅動電流），并使用授權后的 MDC.OPCUA.SERVER 進行執(zhí)行，可通過終端看到如下信息：
圖 14 netPI 終端界面
MDC.OPCUA.SERVER 默認開放 4840 端口，可以使用 OPC UA 客戶端軟件進行連接，結果如下：
圖 15 OPCUA Client 界面
通過 OPC UA Client 軟件可以實時監(jiān)測數(shù)據的變化，進而可以將所監(jiān)測到的 數(shù)據保存在本地數(shù)據庫，進行模塊化設計與可視化管理。
4 結束語
netPI 邊緣云網關產品基于完全開放式的設計原則，采用以產品功能主動拓 展為基礎的開發(fā)環(huán)境，可實現(xiàn)客戶自定義開發(fā)。凌頂科技的數(shù)采軟件 MDC.OPCUA.SERVER 集成在 Docker 中，可同時服務于數(shù)十臺設備或整條生產 線的數(shù)據采集。對于應用需求來說，基于赫優(yōu)訊 netPI 和凌頂科技的數(shù)采技術，可實現(xiàn) CNC 數(shù)據實時訂閱，并快速搭建數(shù)據采集通道。從而幫助生產制造業(yè)探索最佳的工藝流程，降低生產成本，提高產品質量。
參考文獻
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