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摘要：在數(shù)字化、信息化、智能化制造的大趨勢(shì)下，預(yù)測(cè)性維護(hù)和大數(shù)據(jù)分析的需求在制造業(yè)領(lǐng)域日益增加，車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集的重要性也越來(lái)越突出。赫優(yōu)訊推出的開(kāi)放式邊緣云網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品netPI，是基于多協(xié)議芯片和樹(shù)莓派架構(gòu)研發(fā)的一款智能邊緣連接設(shè)備，凌頂科技自主開(kāi)發(fā)的數(shù)采軟件MDC.OPCUA.SERVER，通過(guò)Docker進(jìn)行封裝并集成在netPI中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)netPI采集CNC數(shù)據(jù)并進(jìn)行云端化管理的智能生產(chǎn)方式。

關(guān)鍵字：netPI，樹(shù)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(lái)，隨著信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)制造與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之間的關(guān)系也越來(lái)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(shù)在我國(guó)工業(yè)加工制造領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，推動(dòng)著整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床（Computer number control，CNC）作為數(shù)控加工車間中的核心加工設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造現(xiàn)代化的基石，被譽(yù)為“工業(yè)之母”^[1]，其高效的生產(chǎn)方式可促進(jìn)加工制造過(guò)程的提高。

目前，現(xiàn)有的制造設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸出設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)信息，容易形成“信息孤島”。因此，如何打破生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備信息孤島并及時(shí)精準(zhǔn)的反饋生產(chǎn)過(guò)程信息？幫助企業(yè)決策者掌握生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過(guò)程中的高質(zhì)量高效率生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源在生產(chǎn)管理上的有效應(yīng)用，這在整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程環(huán)節(jié)中起著支撐的作用^[2]。然后，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確感知設(shè)備在加工生產(chǎn)過(guò)程中的狀態(tài)變化情況，以達(dá)到對(duì)車間數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程信息化管理。

在技術(shù)層面上，可以通過(guò)邊緣可編輯控制器實(shí)現(xiàn)OT-IT融合。在車間信息化進(jìn)程中，數(shù)據(jù)是傳遞信息的載體，設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的采集是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間信息化的重要基礎(chǔ)。在OT側(cè)，針對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)采集方法具有良好的兼容性和通用性，對(duì)于終端用戶來(lái)說(shuō)是一大難題；在IT側(cè)，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速傳輸?shù)皆品?wù)器，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性分析，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于云服務(wù)器和開(kāi)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(guó)赫優(yōu)訊和無(wú)錫凌頂科技就這一現(xiàn)狀，分別推出邊緣云網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品netPI和基于物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議的OPC UA Server及數(shù)據(jù)庫(kù)快速配置軟件，可形成一個(gè)智能邊緣連接生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于帶有網(wǎng)口的新設(shè)備，可直接連接netPI進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不帶網(wǎng)口的老設(shè)備，則需要采用網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品再連接netPI，整體架構(gòu)如下圖所示：

圖1 智能邊緣連接生態(tài)系統(tǒng)

2 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2.1赫優(yōu)訊netPI

樹(shù)莓派由Raspberry Pi基金會(huì)開(kāi)發(fā)，側(cè)重點(diǎn)在于“適合所有人的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型PC”，基于ARM架構(gòu)，最大的優(yōu)勢(shì)是軟件，其軟件包數(shù)量已經(jīng)達(dá)到35萬(wàn)，形成了一個(gè)具有開(kāi)放和可定制的軟件生態(tài)系統(tǒng)^[3]。樹(shù)莓派提供豐富的GPIO針腳和SPI總線用于連接各種設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，是物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺(tái)的選擇之一。

赫優(yōu)訊推出的開(kāi)放式可編程邊緣云網(wǎng)關(guān)設(shè)備netPI，基于樹(shù)莓派架構(gòu)平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中直接獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可視化管理，可以快速搭建OT和IT數(shù)據(jù)的“橋梁”，用于安全的實(shí)施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0等邊緣自動(dòng)化項(xiàng)目。netPI專為IT網(wǎng)絡(luò)和OT網(wǎng)絡(luò)之間的“邊緣”應(yīng)用而設(shè)計(jì)，LAN接口連接到IT網(wǎng)絡(luò)，是通過(guò)Web界面進(jìn)行設(shè)備配置的接口，另外兩個(gè)以太網(wǎng)接口將設(shè)備連接到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（OT網(wǎng)絡(luò)），該設(shè)備還支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊方式，產(chǎn)品圖如下圖所示：

圖2 netPI產(chǎn)品圖

netPI以“開(kāi)放式創(chuàng)新”為設(shè)計(jì)原則，創(chuàng)造項(xiàng)目共享附加值，采用以產(chǎn)品功能主動(dòng)拓展為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，客戶根據(jù)具體項(xiàng)目決定使用軟件或硬件的形式實(shí)現(xiàn)?；诳蛻魺o(wú)法直接訪問(wèn)的“強(qiáng)化版Linux”，客戶使用預(yù)安裝的Docker下載和操作其他軟件。Docker采用來(lái)自操作系統(tǒng)虛擬化的特殊技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序在受保護(hù)的隔離環(huán)境中執(zhí)行，netPI相當(dāng)于一個(gè)Docker主機(jī)，允許用戶在安全的Linux系統(tǒng)上執(zhí)行自己的應(yīng)用程序，同時(shí)保留所有的保護(hù)機(jī)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(wèn)界面，用戶可直接通過(guò)界面直接進(jìn)行相應(yīng)的配置^[4]。

此外，netPI還有多個(gè)可配套使用的拓展模塊，比如針對(duì)串口的通訊接口模塊NIOT-E-NPIX-RS485、NIOT-E-NPIX-RS232，還有現(xiàn)場(chǎng)總線接口模塊NIOT-E-NPIX-RCAN，以及標(biāo)準(zhǔn)的DIDO接口NIOT-E-NPIX-4DI4DO等，用戶可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求進(jìn)行選擇。

2.2 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OPC UA服務(wù)器，基于物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議OPC UA，支持多種PLC和CNC設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并且采用多線程技術(shù)可同時(shí)服務(wù)于數(shù)十臺(tái)設(shè)備或整條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集。OPC UA通訊協(xié)議是一套集信息模型定義、服務(wù)與通訊標(biāo)準(zhǔn)為一體的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)框架，作為一種面向服務(wù)的通信協(xié)議，目的是使工業(yè)化通訊有據(jù)可循，可以理解為一個(gè)UA服務(wù)端和UA客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)框架。UA服務(wù)端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理與邏輯運(yùn)算，并通過(guò)OPC UA通訊協(xié)議對(duì)UA客戶端程序提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)與服務(wù)^[5]。

MDC.OPCUA.SERVER的通訊驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多變量智能分析合并采樣和高速并發(fā)數(shù)據(jù)吞吐，在SINUMERIK系列CNC上采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備診斷數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)等40～60的數(shù)據(jù)變量，可達(dá)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(qū)動(dòng)API接口，以便能將第三方開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)掛接到凌頂科技的OPC UA服務(wù)器^[6]。MDC.OPCUA.SERVER目前支持的設(shè)備驅(qū)動(dòng)如下表所示：

表1 MDC.OPCUA.SERVER支持的設(shè)備驅(qū)動(dòng)匯總表

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于netPI的配置，可直接通過(guò)設(shè)備名稱訪問(wèn)Edge Gateway Manager，這是一個(gè)帶有Tiles的Web界面，用于快速訪問(wèn)集成在設(shè)備中的應(yīng)用程序或外部網(wǎng)頁(yè)。

圖4 Edge Gateway Manager界面

進(jìn)入Edge Gateway Manager界面時(shí)，首先激活Docker，點(diǎn)擊上側(cè)菜單欄Service，選擇Service list，進(jìn)入Docker的配置界面。選擇Autostart為Enable狀態(tài)，點(diǎn)擊Apply，然后設(shè)置Operating status Running狀態(tài)為Start即可。如圖5所示。Docker激活之后，可進(jìn)入Docker Web GUI界面安裝相應(yīng)的容器，首次訪問(wèn)Docker進(jìn)入Portainer.io需設(shè)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(jù)自己的需求自行安裝即可。

圖5 設(shè)置 Docker狀態(tài)

Docker是一個(gè)開(kāi)源的容器技術(shù)，使用者可以通過(guò)容器將軟件打包成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化模塊，從而用于開(kāi)發(fā)、交付以及部署。容器可以包含的是代碼、運(yùn)行環(huán)境、系統(tǒng)基礎(chǔ)工具等。此外，Docker還是一種沙盒機(jī)制，可以賦予軟件或者各個(gè)運(yùn)行環(huán)境的獨(dú)立性，可以避免開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)成員在同一種基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行不同軟件時(shí)造成沖突。

圖6 Docker

為了方便之后能夠在終端界面進(jìn)行測(cè)試，選用了“hilschernetpi/netpi-raspbian”，該容器由“ balenalib/armv7hf-debian:buster”構(gòu)成基礎(chǔ)鏡像，并包含了SSH服務(wù)器，再啟動(dòng)容器后，可以通過(guò)第三方軟件putty來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。

具體部署容器步驟如下：

（1）打開(kāi)瀏覽器中打開(kāi)netPI的網(wǎng)站，進(jìn)入Edge Gateway Manager界面。點(diǎn)擊Docker 進(jìn)入 Portainer.io 進(jìn)入一個(gè)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(dú)立的docker環(huán)境以及swarm集群模式，便于企業(yè)對(duì)docker的管理工作。

圖7 Portainer.io界面

（2）點(diǎn)擊“Images”進(jìn)入鏡像管理界面，在“Pull image”中輸入“hilschernetpi/netpi-raspbian”，點(diǎn)擊“Pull the image”按鈕，進(jìn)行鏡像的拉取。拉取后的鏡像會(huì)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

（3）點(diǎn)擊“Containers”進(jìn)入容器管理平臺(tái)，選取基礎(chǔ)鏡像“hilschernetpi/netpi-raspbian”，將“Network”設(shè)置成“host”共享主機(jī)IP，開(kāi)放SSH默認(rèn)端口號(hào)22，將“Restart policy”設(shè)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(diǎn)擊“ Action”中的“ Deploy the container”進(jìn)行容器的部署，部署結(jié)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(jié)果

（4）通過(guò)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(jìn)入，點(diǎn)擊“console”進(jìn)入web界面中的終端界面如下圖所示?！癶ilschernetpi/netpi-raspbian”默認(rèn)用戶名為“pi”密碼raspberry”。

圖11 直接通過(guò) Containers登陸

安裝好終端之后可以對(duì)基礎(chǔ)鏡像先做源的更新，并通過(guò)終端安裝Mariadb、Node-RED、ftp、vim、net-tools等相關(guān)應(yīng)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(quán)軟件對(duì)其進(jìn)行授權(quán)。

通過(guò)“hilschernetpi/netpi-netx-ethernet-lan”將cifx0的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)口更改成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口，與host網(wǎng)絡(luò)處于同一網(wǎng)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(shù)采平臺(tái)

以往的數(shù)據(jù)采集是基于設(shè)備內(nèi)置的傳感器以及PLC信號(hào)點(diǎn)來(lái)獲取機(jī)床內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，但無(wú)法與CNC在加工過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)信息交互，無(wú)法獲取更多的實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)，在現(xiàn)在的智能化車間當(dāng)中顯得捉襟見(jiàn)肘。而使用MDC.OPCUA.SERVER可以通過(guò)CNC中的 X120、X127、X130（任選其一）標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口來(lái)進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集，可進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訂閱，快速搭建數(shù)據(jù)采集通道。

圖12 SINUMERIK 840Dsl

SINUMERIK 840Dsl中主要的數(shù)據(jù)變量區(qū)如下：B|模式組數(shù)據(jù)（含有適用于各個(gè)運(yùn)行方式的所有變量）；C|通道配置數(shù)據(jù)（含有適用于各個(gè)通道的所有變量）；N|NC數(shù)據(jù)（含有適用于整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的所有變量）；T|刀具數(shù)據(jù)（含有所有適用于機(jī)床上刀具的所有變量）；A|軸相關(guān)基本設(shè)置（含有適用于各進(jìn)給軸或者主軸的機(jī)床數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)）；V|進(jìn)給驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)/主驅(qū)動(dòng)（含有每個(gè)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床數(shù)據(jù)或作為服務(wù)參數(shù)的機(jī)床數(shù)據(jù)）。

對(duì)SINUMERIK 840Dsl的X130端口的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改，使其與cifx0的網(wǎng)絡(luò)處于同一網(wǎng)段，將X130端口與cifx0通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，netPI中的eth0通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接到上層系統(tǒng)，其架構(gòu)圖如下：

圖13 數(shù)采架構(gòu)

將所需要采集的數(shù)據(jù)通過(guò)config.xml文件進(jìn)行配置（測(cè)試中所采集的數(shù)據(jù)包含R參數(shù)、驅(qū)動(dòng)負(fù)載、X機(jī)床坐標(biāo)、Y機(jī)床坐標(biāo)、Z機(jī)床坐標(biāo)、驅(qū)動(dòng)電流），并使用授權(quán)后的MDC.OPCUA.SERVER進(jìn)行執(zhí)行，可通過(guò)終端看到如下信息：

圖 14 netPI終端界面

MDC.OPCUA.SERVER默認(rèn)開(kāi)放4840端口，可以使用OPC UA客戶端軟件進(jìn)行連接，結(jié)果如下：

圖15 OPCUA Client界面

通過(guò)OPC UA Client軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)而可以將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)與可視化管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

netPI邊緣云網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品基于完全開(kāi)放式的設(shè)計(jì)原則，采用以產(chǎn)品功能主動(dòng)拓展為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)客戶自定義開(kāi)發(fā)。凌頂科技的數(shù)采軟件MDC.OPCUA.SERVER集成在Docker中，可同時(shí)服務(wù)于數(shù)十臺(tái)設(shè)備或整條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集。對(duì)于應(yīng)用需求來(lái)說(shuō)，基于赫優(yōu)訊 netPI和凌頂科技的數(shù)采技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)CNC數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)訂閱，并快速搭建數(shù)據(jù)采集通道。從而幫助生產(chǎn)制造業(yè)探索最佳的工藝流程，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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