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(yè)領(lǐng)域日益增加，車(chē)間設備數據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)莓派架構研發(fā)的一款智能邊緣連接設備，凌頂科技自主開(kāi)發(fā)的數采軟件MDC.OPCUA.SERVER，通過(guò)Docker進(jìn)行封裝并集成在netPI中，進(jìn)而實(shí)現netPI采集CNC數據并進(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(zhù)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，傳統制造業(yè)不斷向著(zhù)數字化、信息化、智能化方向發(fā)展。由于數控加工技術(shù)在我國工業(yè)加工制造領(lǐng)域中應用廣泛，推動(dòng)著(zhù)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展，數控機床（Computer number control，CNC）作為數控加工車(chē)間中的核心加工設備，是實(shí)現我國制造現代化的基石，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，現有的制造設備不能實(shí)現自動(dòng)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(chǎn)企業(yè)設備信息孤島并及時(shí)精準的反饋生產(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)現產(chǎn)品制造過(guò)程中的高質(zhì)量高效率生產(chǎn)，實(shí)現數據信息資源在生產(chǎn)管理上的有效應用，這在整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程環(huán)節中起著(zhù)支撐的作用^[2]。然后，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，實(shí)現準確感知設備在加工生產(chǎn)過(guò)程中的狀態(tài)變化情況，以達到對車(chē)間數據遠程信息化管理。

在技術(shù)層面上，可以通過(guò)邊緣可編輯控制器實(shí)現OT-IT融合。在車(chē)間信息化進(jìn)程中，數據是傳遞信息的載體，設備狀態(tài)信息數據的采集是實(shí)現生產(chǎn)車(chē)間信息化的重要基礎。在OT側，針對不同的數控系統，要實(shí)現采集方法具有良好的兼容性和通用性，對于終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)是一大難題；在IT側，將采集的數據實(shí)時(shí)快速傳輸到云服務(wù)器，并進(jìn)行大數據處理，以及數據之間的關(guān)聯(lián)性分析，實(shí)現獨立于云服務(wù)器和開(kāi)放式邊緣化管理是現在眾多企業(yè)面臨的挑戰之一。德國赫優(yōu)訊和無(wú)錫凌頂科技就這一現狀，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及數據庫快速配置軟件，可形成一個(gè)智能邊緣連接生態(tài)系統，對于帶有網(wǎng)口的新設備，可直接連接netPI進(jìn)行數據采集，不帶網(wǎng)口的老設備，則需要采用網(wǎng)關(guān)產(chǎn)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

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)，側重點(diǎn)在于“適合所有人的經(jīng)濟實(shí)用型PC”，基于A(yíng)RM架構，最大的優(yōu)勢是軟件，其軟件包數量已經(jīng)達到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^[3]。樹(shù)莓派提供豐富的GPIO針腳和SPI總線(xiàn)用于連接各種設備并對其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，是物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺的選擇之一。

赫優(yōu)訊推出的開(kāi)放式可編程邊緣云網(wǎng)關(guān)設備netPI，基于樹(shù)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(shí)現從生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )中直接獲取數據，并進(jìn)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(shí)施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0等邊緣自動(dòng)化項目。netPI專(zhuān)為IT網(wǎng)絡(luò )和OT網(wǎng)絡(luò )之間的“邊緣”應用而設計，LAN接口連接到IT網(wǎng)絡(luò )，是通過(guò)Web界面進(jìn)行設備配置的接口，另外兩個(gè)以太網(wǎng)接口將設備連接到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )（OT網(wǎng)絡(luò )），該設備還支持無(wú)線(xiàn)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”為設計原則，創(chuàng )造項目共享附加值，采用以產(chǎn)品功能主動(dòng)拓展為基礎的開(kāi)發(fā)環(huán)境，客戶(hù)根據具體項目決定使用軟件或硬件的形式實(shí)現?；诳蛻?hù)無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)的“強化版Linux”，客戶(hù)使用預安裝的Docker下載和操作其他軟件。Docker采用來(lái)自操作系統虛擬化的特殊技術(shù)，可以實(shí)現應用程序在受保護的隔離環(huán)境中執行，netPI相當于一個(gè)Docker主機，允許用戶(hù)在安全的Linux系統上執行自己的應用程序，同時(shí)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(hù)的前端訪(fǎng)問(wèn)界面，用戶(hù)可直接通過(guò)界面直接進(jìn)行相應的配置^[4]。

此外，netPI還有多個(gè)可配套使用的拓展模塊，比如針對串口的通訊接口模塊NIOT-E-NPIX-RS485、NIOT-E-NPIX-RS232，還有現場(chǎng)總線(xiàn)接口模塊NIOT-E-NPIX-RCAN，以及標準的DIDO接口NIOT-E-NPIX-4DI4DO等，用戶(hù)可根據實(shí)際項目需求進(jìn)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(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設備的數據采集，并且采用多線(xiàn)程技術(shù)可同時(shí)服務(wù)于數十臺設備或整條生產(chǎn)線(xiàn)的數據采集。OPC UA通訊協(xié)議是一套集信息模型定義、服務(wù)與通訊標準為一體的標準化技術(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)化通訊有據可循，可以理解為一個(gè)UA服務(wù)端和UA客戶(hù)端的實(shí)時(shí)數據庫框架。UA服務(wù)端負責數據管理與邏輯運算，并通過(guò)OPC UA通訊協(xié)議對UA客戶(hù)端程序提供相應的數據與服務(wù)^[5]。

MDC.OPCUA.SERVER的通訊驅動(dòng)經(jīng)過(guò)精心設計，可實(shí)現多變量智能分析合并采樣和高速并發(fā)數據吞吐，在SINUMERIK系列CNC上采集設備狀態(tài)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(dòng)API接口，以便能將第三方開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)掛接到凌頂科技的OPC UA服務(wù)器^[6]。MDC.OPCUA.SERVER目前支持的設備驅動(dòng)如下表所示：

表1 MDC.OPCUA.SERVER支持的設備驅動(dòng)匯總表

3 軟件設計

對于netPI的配置，可直接通過(guò)設備名稱(chēng)訪(fǎng)問(wèn)Edge Gateway Manager，這是一個(gè)帶有Tiles的Web界面，用于快速訪(fǎng)問(wèn)集成在設備中的應用程序或外部網(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界面安裝相應的容器，首次訪(fǎng)問(wèn)Docker進(jìn)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(hù)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(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)標準化模塊，從而用于開(kāi)發(fā)、交付以及部署。容器可以包含的是代碼、運行環(huán)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(gè)運行環(huán)境的獨立性，可以避免開(kāi)發(fā)團隊成員在同一種基礎設施上運行不同軟件時(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(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(fǎng)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(hù)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(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(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，并帶有“Tags”以及“Created”方便查詢(xún)、管理。

圖8 安裝 Image

（3）點(diǎn)擊“Containers”進(jìn)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(kāi)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(diǎn)擊“ Action”中的“ Deploy the container”進(jìn)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(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”默認用戶(hù)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基礎鏡像先做源的更新，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(jìn)行授權。

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)標準以太網(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(diǎn)來(lái)獲取機床內部數據信息，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)信息數據，在現在的智能化車(chē)間當中顯得捉襟見(jiàn)肘。而使用MDC.OPCUA.SERVER可以通過(guò)CNC中的 X120、X127、X130（任選其一）標準以太網(wǎng)接口來(lái)進(jìn)行設備數據采集，可進(jìn)行設備數據的實(shí)時(shí)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(gè)運行方式的所有變量）；C|通道配置數據（含有適用于各個(gè)通道的所有變量）；N|NC數據（含有適用于整個(gè)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(guān)基本設置（含有適用于各進(jìn)給軸或者主軸的機床數據和設定數據）；V|進(jìn)給驅動(dòng)數據/主驅動(dòng)（含有每個(gè)驅動(dòng)的機床數據或作為服務(wù)參數的機床數據）。

對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)標準以太網(wǎng)進(jìn)行連接，netPI中的eth0通過(guò)標準以太網(wǎng)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(guò)config.xml文件進(jìn)行配置（測試中所采集的數據包含R參數、驅動(dòng)負載、X機床坐標、Y機床坐標、Z機床坐標、驅動(dòng)電流），并使用授權后的MDC.OPCUA.SERVER進(jìn)行執行，可通過(guò)終端看到如下信息：

圖 14 netPI終端界面

MDC.OPCUA.SERVER默認開(kāi)放4840端口，可以使用OPC UA客戶(hù)端軟件進(jìn)行連接，結果如下：

圖15 OPCUA Client界面

通過(guò)OPC UA Client軟件可以實(shí)時(shí)監測數據的變化，進(jìn)而可以將所監測到的數據保存在本地數據庫，進(jìn)行模塊化設計與可視化管理。

5 結束語(yǔ)

netPI邊緣云網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品基于完全開(kāi)放式的設計原則，采用以產(chǎn)品功能主動(dòng)拓展為基礎的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可實(shí)現客戶(hù)自定義開(kāi)發(fā)。凌頂科技的數采軟件MDC.OPCUA.SERVER集成在Docker中，可同時(shí)服務(wù)于數十臺設備或整條生產(chǎn)線(xiàn)的數據采集。對于應用需求來(lái)說(shuō)，基于赫優(yōu)訊 netPI和凌頂科技的數采技術(shù)，可實(shí)現CNC數據實(shí)時(shí)訂閱，并快速搭建數據采集通道。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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