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摘要：在數字化、信息化、智能化制造的大趨勢下，預測性維護和大數據分析的需求在制造業領域日益增加，車間設備數據采集的重要性也越來越突出。赫優訊推出的開放式邊緣云網關產品netPI，是基于多協議芯片和樹莓派架構研發的一款智能邊緣連接設備，凌頂科技自主開發的數采軟件MDC.OPCUA.SERVER，通過Docker進行封裝并集成在netPI中，進而實現netPI采集CNC數據并進行云端化管理的智能生產方式。

關鍵字：netPI，樹莓派，MDC.OPCUA.SERVER，CNC

Real-time monitoring management of CNC Based on Hilscher netPI and Scapeak Data Acquisition Technology

Abstract: Under the general trend of digitalization, informationization and intelligent manufacturing, the demand for predictive maintenance and big data analysis is increasing in the field of manufacturing, and the importance of data collection for workshop equipment is becoming more and more prominent. The open edge cloud gateway product netPI launched by Hilscher is an intelligent edge connection device developed based on the multi-protocol chip and the Raspberry Pi architecture. The data acquisition software MDC.OPCUA.SERVER independently developed by Scapeak Technology, it was packaged by Docker and integrated in netPI, so as to realize the intelligent production method that netPI collects CNC data and performs cloud-based management

Key words: netPI; Raspberry Pi; MDC.OPCUA.SERVER; CNC

1 引言

近年來，隨著信息化技術的迅速發展，工業制造與互聯網技術之間的關系也越來越密切，傳統制造業不斷向著數字化、信息化、智能化方向發展。由于數控加工技術在我國工業加工制造領域中應用廣泛，推動著整個制造業的發展，數控機床（Computer number control，CNC）作為數控加工車間中的核心加工設備，是實現我國制造現代化的基石，被譽為“工業之母”^[1]，其高效的生產方式可促進加工制造過程的提高。

目前，現有的制造設備不能實現自動輸出設備內部狀態信息，容易形成“信息孤島”。因此，如何打破生產企業設備信息孤島并及時精準的反饋生產過程信息？幫助企業決策者掌握生產過程狀態，實現產品制造過程中的高質量高效率生產，實現數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節中起著支撐的作用^[2]。然后，通過物聯網通訊技術，實現準確感知設備在加工生產過程中的狀態變化情況，以達到對車間數據遠程信息化管理。

在技術層面上，可以通過邊緣可編輯控制器實現OT-IT融合。在車間信息化進程中，數據是傳遞信息的載體，設備狀態信息數據的采集是實現生產車間信息化的重要基礎。在OT側，針對不同的數控系統，要實現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，將采集的數據實時快速傳輸到云服務器，并進行大數據處理，以及數據之間的關聯性分析，實現獨立于云服務器和開放式邊緣化管理是現在眾多企業面臨的挑戰之一。德國赫優訊和無錫凌頂科技就這一現狀，分別推出邊緣云網關產品netPI和基于物聯網通訊協議的OPC UA Server及數據庫快速配置軟件，可形成一個智能邊緣連接生態系統，對于帶有網口的新設備，可直接連接netPI進行數據采集，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 智能邊緣連接生態系統

2 產品簡介

2.1赫優訊netPI

樹莓派由Raspberry Pi基金會開發，側重點在于“適合所有人的經濟實用型PC”，基于ARM架構，最大的優勢是軟件，其軟件包數量已經達到35萬，形成了一個具有開放和可定制的軟件生態系統^[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，是物聯網硬件平臺的選擇之一。

赫優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電路及赫優訊的多協議芯片netX51，可實現從生產網絡中直接獲取數據，并進行可視化管理，可以快速搭建OT和IT數據的“橋梁”，用于安全的實施工業物聯網和工業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“開放式創新”為設計原則，創造項目共享附加值，采用以產品功能主動拓展為基礎的開發環境，客戶根據具體項目決定使用軟件或硬件的形式實現。基于客戶無法直接訪問的“強化版Linux”，客戶使用預安裝的Docker下載和操作其他軟件。Docker采用來自操作系統虛擬化的特殊技術，可以實現應用程序在受保護的隔離環境中執行，netPI相當于一個Docker主機，允許用戶在安全的Linux系統上執行自己的應用程序，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。

2.2 凌頂科技數采軟件

MDC.OPCUA.SERVER數采軟件是凌頂科技自主研發的一款OPC UA服務器，基于物聯網通訊協議OPC UA，支持多種PLC和CNC設備的數據采集，并且采用多線程技術可同時服務于數十臺設備或整條生產線的數據采集。OPC UA通訊協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議，目的是使工業化通訊有據可循，可以理解為一個UA服務端和UA客戶端的實時數據庫框架。UA服務端負責數據管理與邏輯運算，并通過OPC UA通訊協議對UA客戶端程序提供相應的數據與服務^[5]。

MDC.OPCUA.SERVER的通訊驅動經過精心設計，可實現多變量智能分析合并采樣和高速并發數據吞吐，在SINUMERIK系列CNC上采集設備狀態數據、設備診斷數據、設備運轉數據等40～60的數據變量，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OPC UA的驅動API接口，以便能將第三方開發的驅動掛接到凌頂科技的OPC UA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

3 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，點擊Apply，然后設置Operating status Running狀態為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。赫優訊已在Dockerhub發布各種容器，用戶可根據自己的需求自行安裝即可。

圖5 設置 Docker狀態

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、交付以及部署。容器可以包含的是代碼、運行環境、系統基礎工具等。此外，Docker還是一種沙盒機制，可以賦予軟件或者各個運行環境的獨立性，可以避免開發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”“Network”“Users”等管理界面，Portainer.io“Containers”“Volumes”即溶了獨立的docker環境以及swarm集群模式，便于企業對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，并帶有“Tags”以及“Created”方便查詢、管理。

圖8 安裝 Image

（3）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9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

（4）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”

4 數采平臺

以往的數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據，在現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據采集，可進行設備數據的實時訂閱，快速搭建數據采集通道。

圖12 SINUMERIK 840Dsl

SINUMERIK 840Dsl中主要的數據變量區如下：B|模式組數據（含有適用于各個運行方式的所有變量）；C|通道配置數據（含有適用于各個通道的所有變量）；N|NC數據（含有適用于整個數控系統的所有變量）；T|刀具數據（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據和設定數據）；V|進給驅動數據/主驅動（含有每個驅動的機床數據或作為服務參數的機床數據）。

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，其架構圖如下：

圖13 數采架構

將所需要采集的數據通過config.xml文件進行配置（測試中所采集的數據包含R參數、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軟件可以實時監測數據的變化，進而可以將所監測到的數據保存在本地數據庫，進行模塊化設計與可視化管理。

5 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環境，可實現客戶自定義開發。凌頂科技的數采軟件MDC.OPCUA.SERVER集成在Docker中，可同時服務于數十臺設備或整條生產線的數據采集。對于應用需求來說，基于赫優訊 netPI和凌頂科技的數采技術，可實現CNC數據實時訂閱，并快速搭建數據采集通道。從而幫助生產制造業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

[1]管懷蓉.數控機床改造的實踐性探索[J].裝備制造技術,2010(12): 164-166.

[2]周本華 ,吳旭光 ,郭培龍,等.現場數據采集技術及在智能制造系統中的應用[J].制造技術與機床, 2016(6):33-39.

[3]劉繼元,基于樹莓派的物聯網應用[J]，電子世界，2016（8）：24-25.

[4]Hilscher,netPI_RTE_NIOT-E-NPI3-51-EN-RE_UM_03_EN

[5]任偉.工業物聯網關鍵技術 OPC_UA分析[M].2017-08-11.

[6]無錫凌頂科技有限公司,SCAEdge手冊說明.