基于赫优讯netPI 与无锡凌顶数据采集技术实现CNC实时监控管理
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摘要：在数字化、信息化、智能化制造的大趋势下，预测性维护和大数据分析的需求在制造业领域日益增加，车间设备数据采集的重要性也越来越突出。赫优讯推出的开放式边缘云网关产品 netPI，是基于多协议芯片和树莓派架构研发的一款智能边缘连接设备，凌顶科技自主开发的数采软件 MDC.OPCUA.SERVER， 通过 Docker 进行封装并集成在 netPI 中，进而实现 netPI 采集 CNC 数据并进行云端化管理的智能生产方式。
0 引言
近年来，随着信息化技术的迅速发展，工业制造与互联网技术之间的关系也越来越密切，传统制造业不断向着数字化、信息化、智能化方向发展。由于数控 加工技术在我国工业加工制造领域中应用广泛，推动着整个制造业的发展，数控机床（Computer number control，CNC）作为数控加工车间中的核心加工设备， 是实现我国制造现代化的基石，被誉为"工业之母"[1]，其高效的生产方式可促 进加工制造过程的提高。
目前，现有的制造设备不能实现自动输出设备内部状态信息，容易形成 "信息孤岛"。因此，如何打破生产企业设备信息孤岛并及时精准的反馈生产过程信息？帮助企业决策者掌握生产过程状态，实现产品制造过程中的高质量高 效率生产，实现数据信息资源在生产管理上的有效应用，这在整个生产制造过程环节中起着支撑的作用[2]。然后，通过物联网通讯技术，实现准确感知设备在加工生产过程中的状态变化情况，以达到对车间数据远程信息化管理。
在技术层面上，可以通过边缘可编辑控制器实现 OT-IT 融合。在车间信息化进程中，数据是传递信息的载体，设备状态信息数据的采集是实现生产车间信息 化的重要基础。在 OT 侧，针对不同的数控系统，要实现采集方法具有良好的兼容性和通用性，对于终端用户来说是一大难题；在 IT 侧，将采集的数据实时快 速传输到云服务器，并进行大数据处理，以及数据之间的关联性分析，实现独立 于云服务器和开放式边缘化管理是现在众多企业面临的挑战之一。德国赫优讯和 无锡凌顶科技就这一现状，分别推出边缘云网关产品 netPI 和基于物联网通讯协 议的 OPC UA Server 及数据库快速配置软件，可形成一个智能边缘连接生态系 统，对于带有网口的新设备，可直接连接 netPI 进行数据采集，不带网口的老设备，则需要采用网关产品再连接 netPI，整体架构如下图所示：
图 1 智能边缘连接生态系统
1 产品简介
1.1 赫优讯 netPI
树莓派由 Raspberry Pi 基金会开发，侧重点在于"适合所有人的经济实用型 PC"，基于 ARM 架构，最大的优势是软件，其软件包数量已经达到 35 万，形 成了一个具有开放和可定制的软件生态系统[3]。树莓派提供丰富的 GPIO 针脚和 SPI 总线用于连接各种设备并对其进行二次开发，是物联网硬件平台的选择之一。
赫优讯推出的开放式可编程边缘云网关设备 netPI，基于树莓派架构平台， 包含原始的 Raspberry Pi 3B 电路及赫优讯的多协议芯片 netX51，可实现从生产 网络中直接获取数据，并进行可视化管理，可以快速搭建 OT 和 IT 数据的"桥梁"，用于安全的实施工业物联网和工业 4.0 等边缘自动化项目。netPI 专为 IT 网 络和 OT 网络之间的"边缘"应用而设计，LAN 接口连接到 IT 网络，是通过 Web 界面进行设备配置的接口，另外两个以太网接口将设备连接到实时以太网网络（OT 网络），该设备还支持无线网络通讯方式，产品图如下图所示：
图 2 netPI 产品图
netPI 以"开放式创新"为设计原则，创造项目共享附加值，采用以产品功能主动拓展为基础的开发环境，客户根据具体项目决定使用软件或硬件的形式实现。基于客户无法直接访问的"强化版 Linux"，客户使用预安装的 Docker 下载 和操作其他软件。Docker 采用来自操作系统虚拟化的特殊技术，可以实现应用程 序在受保护的隔离环境中执行，netPI 相当于一个 Docker 主机，允许用户在安全的 Linux 系统上执行自己的应用程序，同时保留所有的保护机制。为了便于板载 Docket 管理，netPI 将 Docker Web Portainer.io 作为用户的前端访问界面，用户可直接通过界面直接进行相应的配置[4]。
此外，netPI 还有多个可配套使用的拓展模块，比如针对串口的通讯接口模 块 NIOT-E-NPIX-RS485、NIOT-E-NPIX-RS232，还有现场总线接口模块 NIOT-E-NPIX-RCAN，以及标准的 DIDO 接口 NIOT-E-NPIX-4DI4DO 等，用户可根据实 际项目需求进行选择。
1.2 凌顶科技数采软件
MDC.OPCUA.SERVER 数采软件是凌顶科技自主研发的一款 OPCUA 服务器，基于物联网通讯协议 OPC UA，支持多种 PLC 和 CNC 设备的数据采集，并且采用多线程技术可同时服务于数十台设备或整条生产线的数据采集。OPC UA 通讯协议是一套集信息模型定义、服务与通讯标准为一体的标准化技术框架，作为一种面向服务的通信协议，目的是使工业化通讯有据可循，可以理解为一个 UA 服务端和 UA 客户端的实时数据库框架。UA 服务端负责数据管理与逻辑运算，并通过 OPC UA 通讯协议对 UA 客户端程序提供相应的数据与服务[5]。 MDC.OPCUA.SERVER 的通讯驱动经过精心设计，可实现多变量智能分析合并采样和高速并发数据吞吐，在 SINUMERIK 系列 CNC 上采集设备状态数据、设备诊断数据、设备运转数据等 40~60 的数据变量，可达到 2~6ms 的高频采集 率（如图 3 所示）。
图 3 采集率
凌顶科技可以提供 OPCUA 的驱动 API 接口，以便能将第三方开发的驱动挂 接到凌顶科技的 OPCUA 服务器[6]。MDC.OPCUA.SERVER 目前支持的设备驱动如下表所示：
表 1 MDC.OPCUA.SERVER 支持的设备驱动汇总表
2 软件设计
对于 netPI 的配置，可直接通过设备名称访问 Edge Gateway Manager，这是一个带有 Tiles 的 Web 界面，用于快速访问集成在设备中的应用程序或外部网页。
图 4 Edge Gateway Manager 界面
进入 Edge Gateway Manager 界面时，首先激活 Docker，点击上侧菜单栏 Service，选择 Service list，进入 Docker 的配置界面。选择 Autostart 为 Enable 状 态，点击 Apply，然后设置 Operating status Running 状态为 Start 即可。如图 5 所 示。Docker 激活之后，可进入 Docker Web GUI 界面安装相应的容器，首次访问 Docker 进入 Portainer.io 需设置登录名和密码。赫优讯已在 Dockerhub 发布各种 容器，用户可根据自己的需求自行安装即可。
图 5 设置 Docker 状态
Docker 是一个开源的容器技术，使用者可以通过容器将软件打包成一个标准化模块，从而用于开发、交付以及部署。容器可以包含的是代码、运行环境、系统基础工具等。此外，Docker 还是一种沙盒机制，可以赋予软件或者各个运行环境的独立性，可以避免开发团队成员在同一种基础设施上运行不同软件时造成冲突。
图 6 Docker
为了方便之后能够在终端界面进行测试，选用了" hilschernetpi/netpi- raspbian"，该容器由"balenalib/armv7hf-debian:buster"构成基础镜像，并包含了 SSH 服务器，再启动容器后，可以通过第三方软件 putty 来进行访问。
具体部署容器步骤如下：
（1）打开浏览器中打开 netPI 的网站，进入 Edge Gateway Manager 界面。 点击 Docker 进入 Portainer.io 进入一个图形化的 Docker 用户管理界面，其中包 含了"Images""Containers""Network""Volumes""Users"等管理界面，Portainer.io 即溶了独立的 docker 环境以及 swarm 集群模式，便于企业对 docker 的管理工作。
图 7 Portainer.io 界面
（ 2 ）点击" Images "进入镜像管理界面，在" Pull image "中输入 "hilschernetpi/netpi-raspbian"，点击"Pull the image"按钮，进行镜像的拉取。拉取后的镜像会在"Images"中以列表的形式呈现，并带有"Tags"以及"Created"方便查询、管理。
图 8 安装 Image
（3）点击"Containers"进入容器管理平台，选取基础镜像"hilschernetpi/netpi- raspbian"，将"Network"设置成"host"共享主机 IP，开放 SSH 默认端口号 22， 将"Restart policy"设置成"always"，添加"/dev/ttyAMA0"、"/dev/vcio"、 "/dev/vchiq"、"/dev/vc-mem"，将"Pricileged mode"的模式更改为"on"，最后 点击"Action"中的"Deploy the container"进行容器的部署，部署结果如图 8 所 示 。 具体操作步骤可参考 Hilscher 在 Dockerhub 上的 "https://hub.docker.com/r/hilschernetpi/netpi-raspbian"
图 9 部署结果
（4）通过 putty 登陆"hilschernetpi/netpi-raspbian"如下图所示：
图 10 putty 登陆界面
也可以在"Containers"中选中容器进入，点击"console"进入 web 界面中 的终端界面如下图所示。"hilschernetpi/netpi-raspbian"默认用户名为"pi"密码 "raspberry"。
图 11 直接通过 Containers 登陆
安装好终端之后可以对基础镜像先做源的更新，并通过终端安装 Mariadb、Node-RED、ftp、vim、net-tools 等相关应用软件。
使用 FTP 将 MDC.OPCUA.SERVER 软件放到系统的根目录，并使用授权软件对其进行授权。
通过"hilschernetpi/netpi-netx-ethernet-lan"将 cifx0 的实时以太网口更改成一 个标准以太网口，与 host 网络处于同一网段。具体步骤可以参考 Hilscher 在 dockerhub 上的链接"https://hub.docker.com/r/hilschernetpi/netpi-netx-ethernet-lan"
3 数采平台
以往的数据采集是基于设备内置的传感器以及 PLC 信号点来获取机床内部 数据信息，但无法与 CNC 在加工过程中产生一个信息交互，无法获取更多的实 时生产信息数据，在现在的智能化车间当中显得捉襟见肘。而使用 MDC.OPCUA.SERVER 可以通过 CNC 中的 X120、X127、X130（任选其一）标 准以太网接口来进行设备数据采集，可进行设备数据的实时订阅，快速搭建数据采集通道。
图 12 SINUMERIK 840Dsl
SINUMERIK 840Dsl 中主要的数据变量区如下： B | 模式组数据（含有适用 于各个运行方式的所有变量）；C | 通道配置数据（含有适用于各个通道的所有变 量）；N | NC 数据（含有适用于整个数控系统的所有变量）；T | 刀具数据（含有 所有适用于机床上刀具的所有变量）；A | 轴相关基本设置（含有适用于各进给轴 或者主轴的机床数据和设定数据）；V | 进给驱动数据/主驱动（含有每个驱动的 机床数据或作为服务参数的机床数据）。
对 SINUMERIK 840Dsl 的 X130 端口的网络进行修改，使其与 cifx0 的网络 处于同一网段，将 X130 端口与 cifx0 通过标准以太网进行连接，netPI 中的 eth0 通过标准以太网连接到上层系统，其架构图如下：
图 13 数采架构
将所需要采集的数据通过 config.xml 文件进行配置（测试中所采集的数据包含 R 参数、驱动负载、X 机床坐标、Y 机床坐标、Z 机床坐标、驱动电流），并使用授权后的 MDC.OPCUA.SERVER 进行执行，可通过终端看到如下信息：
图 14 netPI 终端界面
MDC.OPCUA.SERVER 默认开放 4840 端口，可以使用 OPC UA 客户端软件进行连接，结果如下：
图 15 OPCUA Client 界面
通过 OPC UA Client 软件可以实时监测数据的变化，进而可以将所监测到的 数据保存在本地数据库，进行模块化设计与可视化管理。
4 结束语
netPI 边缘云网关产品基于完全开放式的设计原则，采用以产品功能主动拓 展为基础的开发环境，可实现客户自定义开发。凌顶科技的数采软件 MDC.OPCUA.SERVER 集成在 Docker 中，可同时服务于数十台设备或整条生产 线的数据采集。对于应用需求来说，基于赫优讯 netPI 和凌顶科技的数采技术，可实现 CNC 数据实时订阅，并快速搭建数据采集通道。从而帮助生产制造业探索最佳的工艺流程，降低生产成本，提高产品质量。
参考文献
[1] 管怀蓉. 数控机床改造的实践性探索[J].装备制造技术, 2010(12): 164-166.
[2] 周本华, 吴旭光,郭培龙,等.现场数据采集技术及在智能制造系统中的应用[J].制造 技术与机床, 2016(6):33-39.
[3] 刘继元，基于树莓派的物联网应用[J]，电子世界，2016（8）：24-25.
[4] Hilscher, netPI_RTE_NIOT-E-NPI3-51-EN-RE_UM_03_EN
[5] 任伟. 工业物联网关键技术 OPC_UA 分析[M].2017-08-11. [6] 无锡凌顶科技有限公司，SCAEdge 手册说明
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