摘要： 隨著(zhù)航空制造業(yè)生產(chǎn)需求的升級，針對生產(chǎn)車(chē)間存在多設備、多種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議共存情況，航空制造業(yè)迫切需要將這些孤島設備的信息和數據進(jìn)行采集、存儲、分析、管理，以邊緣設備為核心的邊緣網(wǎng)關(guān)應運而生。邊緣網(wǎng)關(guān)具有物聯(lián)網(wǎng)通信和邊緣計算兩大主要功能，本文實(shí)現了其中PROFINET現場(chǎng)總線(xiàn)通信功能，簡(jiǎn)述了以i.MX8M Mini為處理器的邊緣設備的搭建，介紹了CODESYS平臺在Linux系統中的應用程序設計，以及PROFINET總線(xiàn)協(xié)議的配置。以邊緣設備為主站，選取西門(mén)子V90伺服驅動(dòng)器為從站，驗證PROFINET總線(xiàn)通信功能。

關(guān)鍵詞：邊緣設備；CODESYS；PROFINET；邊緣網(wǎng)關(guān)

1 引言

傳統航空制造業(yè)正面臨數字化轉型升級的嚴峻挑戰，隨著(zhù)個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)需求不斷增加，顧客對產(chǎn)品品質(zhì)要求越來(lái)越嚴苛，生產(chǎn)設備的狀態(tài)影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，生產(chǎn)數據和設備數據正成為產(chǎn)線(xiàn)數字化轉型升級的核心驅動(dòng)力，傳統的數字化升級方案需要組合PLC、PC、網(wǎng)關(guān)、SCADA軟件等多種軟硬件產(chǎn)品于同 一系統中，通過(guò)系統集成實(shí)現工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案，系統架構復雜，成本昂貴且面臨極大安全風(fēng)險。這也增加了軟件工程師編程開(kāi)發(fā)難度和軟件開(kāi)發(fā)成本，現場(chǎng)維護和備件更換成本也隨之增加[1]。

隨著(zhù)航空制造生產(chǎn)需要向智能化、規范化、高效化轉型，工程師們更需要能融合PLC控制技術(shù)與PC信息化技術(shù)，將PLC控制器、PC、網(wǎng)關(guān)，運動(dòng)控制、I/O 數據采集、現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議、機器視覺(jué)、設備聯(lián)網(wǎng)等多領(lǐng)域功能集成于同一控制平臺的產(chǎn)品。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構中，感知層網(wǎng)絡(luò )和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間需要一個(gè)網(wǎng)關(guān)設備，實(shí)現工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與傳感層網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)互通[2]，以邊 緣設備為核心的邊緣網(wǎng)關(guān)的出現解決了上述問(wèn)題，其可以實(shí)現運動(dòng)控制、過(guò)程控制、I/O采集等多種功能，無(wú)縫整合IT與OT，起到了在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中承上啟下的作用，以達到減少人工、提高設備智能化的需求[3]。

本文介紹邊緣設備實(shí)現一種現場(chǎng)總線(xiàn) —— PROFINET通信的過(guò)程，是邊緣設備實(shí)現其網(wǎng)關(guān)通信功能的重要組成部分，與其他現場(chǎng)總線(xiàn)通信有異曲同工之妙，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)與應用的重要技術(shù)儲備。

2 邊緣設備及CODESYS平臺介紹

2.1 邊緣設備介紹

邊緣設備采用i.MX8M Mini EVK平臺，具有業(yè)界領(lǐng)先的音頻和視頻功能，可用于開(kāi)發(fā)高性能和靈活的應用程序。

i.MX8M系列的應用處理器基于A(yíng)rm? Cortex?-A53 和Cortex-M4內核，i.MX8M Mini系列采用高性能、 4x Cortex-A53+ Cortex-M4核心處理器，處理器運行速度高達1.8GHz，支持16位LPDDR4。其內部集成了電源管理、安全單元和豐富的互聯(lián)接口，具有高性能、低功耗、靈活的內存選項和高速接口。它為物聯(lián)網(wǎng)應用提供了一種安全、高性能的解決方案。它有LPDDR4、eMMC、QSPI和SD Micro內存選項、10/100/1000以太網(wǎng)端口、USB 3.0連接器和PCIe高速接口，非常適合連接的高性能嵌入式應用程序。對于音頻、視頻和HMI評估，它提供HDMI 2.0a Type-A和MIPI-DSI接口，以及高達768kHz采樣率的32位音頻樣本、音頻接口擴展接口和耳機3.5毫米音頻插孔[4]。

2.2 CODESYS平臺介紹

CODESYS軟件工具是一款基于先進(jìn)的.NET架構和IEC 61131-3國際編程標準的、面向工業(yè)4.0及物聯(lián)網(wǎng)應用的軟件開(kāi)發(fā)平臺。具有標準化、開(kāi)放式、可重構、良好的可移植性、強大的通信功能、支持第三方開(kāi)發(fā)工具等特點(diǎn)。CODESYS Runtime可以將任何嵌入式平臺或

工業(yè)PC轉化為基于IEC 61131-3標準的控制器[5]，并且開(kāi)放Runtime接口，以便根據行業(yè)需求及功能需要進(jìn)行二次化開(kāi)發(fā)[5]。圖1為CODESYS Runtime系統架構。

圖1 CODESYS Runtime系統架構圖

3 系統設計

3.1 Linux系統搭建

將Linux系統進(jìn)行編譯后，移植到i.MX8M嵌入式處理器中，并打入實(shí)時(shí)系統補丁，RT-Linux系統可以穩定運行，提供了操作平臺和測試環(huán)境。

首先，下載內核源碼到本地目錄imx-yocto-bsp， 在下載過(guò)程中，按提示安裝所需要的依賴(lài)庫，然后編譯源碼，命令如下所示：

其次，打RT-Linux實(shí)時(shí)系統補丁，下載與內核版本一致的RT Linux補丁文件進(jìn)入內核目錄，運行命令patch -p1 < ../patch-4.14.93-rt53.patch。安裝補丁成功后，運行命令bitbake -c menuconfig virtual/ kernel，在內核配置中，選擇RT選項。運行命令bitbake fsl-image-validation-imx編譯內核。

然后，將固件下載到開(kāi)發(fā)板。NXP i.MX8M Mini主要通過(guò)開(kāi)源工具uuu燒錄固件。下載官方系統鏡像文件，解壓后將其中的rootfs.sdcard系統鏡像替換成剛才編譯好的新的系統鏡像，需改uuu.auto文件中鏡像文件名稱(chēng)，與新編譯的鏡像文件一致。數據線(xiàn)連接到開(kāi)發(fā)板下載接口，撥碼開(kāi)關(guān)調到“1010xxxxxx”， 運行sudo ./uuu uuu.atuo，開(kāi)發(fā)板上電，進(jìn)行固件燒錄。

最后，編譯工具鏈，運行如下命令： 

添加環(huán)境變量后，可進(jìn)行交叉編譯。至此，邊緣設備Linux系統搭建完成。

3.2 基于CODESYS組網(wǎng)配置

在CODESYS的IDE軟件中，添加PROFINET主從  站，完成網(wǎng)絡(luò )配置、變量添加和程序設計。組網(wǎng)配置流程圖如圖2所示。

圖2 CODESYS組網(wǎng)配置流程圖

新建工程，在設備下拉菜單中選擇本邊緣設備，選擇編程語(yǔ)言、梯形圖或者ST語(yǔ)言等。

設置設備網(wǎng)關(guān)，通用設置中掃描網(wǎng)絡(luò )，獲取到在當前網(wǎng)絡(luò )中的邊緣設備，邊緣設備節點(diǎn)名，物理地址等信息。

添加PROFINET主站，先添加一個(gè)Ethernet以太網(wǎng)適配器，再在適配器下添加PROFINET主站得到PN 控制器。然后設置Ethernet網(wǎng)絡(luò )適配器的網(wǎng)絡(luò )接口、IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)等，再設置PROFINET主站控制器的IP地址范圍、子網(wǎng)掩碼和默認網(wǎng)關(guān)。

添加從站設備描述文件，添加成功后，PN控制器通過(guò)掃描設備，獲取到從站設備，并添加從站設備。在從站設備下，添加報文。PROFINET總線(xiàn)協(xié)議的報文種 類(lèi)因從站設備不同而異，選擇適當的報文。

添加程序文件POU，并在POU中添加本地變量， 將本地變量與報文中的地址變量互相關(guān)聯(lián)。

將程序編譯，無(wú)報錯的情況下下載到邊緣設備中。

3.3 PROFINET報文解析

由于本文選用的是西門(mén)子V90伺服驅動(dòng)，報文111，西門(mén)子V90伺服驅動(dòng)基于基本定位器控制模式的報文如表1所示，通過(guò)設定PZD（過(guò)程數據區）的值， 對伺服驅動(dòng)下達指令，控制驅動(dòng)器，從而控制電機運動(dòng)。不同報文PZD的定義有所差別，這里對報文111的PZD進(jìn)行解析[6]。

表1 基本定位器控制模式的報文

如表2所示為P ZD1即STW1（控制字1）的定義，STW1的作用是給伺服驅動(dòng)使能信號，STW1.0為低位，STW1.5為高位，先給STW1賦值0100 00111110，再賦值0100 0011 1111，伺服驅動(dòng)使能。

表2 STW1（控制字1）的定義圖

如表3為POS_STW2（定位控制字2）和POS_ TW1（定位控制字1）的定義，將POS_STW2和POS_ STW1分別賦值后，設定位置、速度、加速度等值方可生效。POS_STW2賦值1100 0000 0010 0011，POS_STW1賦值1001 0011 0000 0000。

表3 POS_STW2和POS_STW1定義

如表4為V90伺服驅動(dòng)位置、速度、加速度等控制字的定義，PZD7為位置設定值的低位，PZD6為位置設定值的高位，PZD9為MDI速度設定值的低位，PZD8為MDI速度設定值的高位，PZD10、PZD11分別為加速度、減速度的設定值。

表4 位置、速度、加速度控制字的定義

其他控制字，PDZ4（STW2）設置為0， OVERRIDE設置為0~32767范圍的任意值。

4 應用驗證

以邊緣設備為主站，西門(mén)子V90伺服驅動(dòng)為從站， 控制某電機運動(dòng)，實(shí)現邊緣設備PROFINET通信，驗證邊緣設備通過(guò)PROFINET現場(chǎng)總線(xiàn)對伺服驅動(dòng)的控制功能。

如圖3為應用驗證的設備連接示意圖。

圖3 設備連接示意圖

如圖4為網(wǎng)頁(yè)版控制伺服驅動(dòng)人機界面圖，輸入位置、速度、加速度等值，點(diǎn)擊使能按鈕，伺服驅動(dòng)上電使能，點(diǎn)擊正轉、反轉，按設定值轉動(dòng)。

圖4 運動(dòng)控制人機交互界面

5 結論

本文實(shí)現了基于邊緣設備的PROFINET現場(chǎng)總線(xiàn)通信功能，以Arm CortexA53為內核搭載Linux系統的邊緣設備作為主站，以西門(mén)子V90伺服驅動(dòng)器作為從站，通過(guò)PROFINET現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，控制電機運動(dòng)，驗證了邊緣設備PROFINET現場(chǎng)總線(xiàn)通信的可行性，為邊緣設備作為工業(yè)現場(chǎng)設備網(wǎng)關(guān)提供了技術(shù)支撐。

作者簡(jiǎn)介：

何昭巖（1991-），男，吉林人，工程師，碩士，現就職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣計算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化等研究工作。

鄒 方（1965-），男，湖南婁底人，研究員，碩士， 現就職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事智能制造基礎技術(shù)、系統控制與集成技術(shù)、邊緣計算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化等研究工作。獲國防和發(fā)明專(zhuān)利6項，獲部級科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一、二、三等獎多項，在國家級科技核心期刊發(fā)表論文20多篇。

秦玉波（1988-），男，河北邯鄲人，高級工程師，碩士，現就職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣計算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化等研究工作。

蘇安東（1993-），男，河南新鄉人，工程師，碩士，現就職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算方向技術(shù)研究。

參考文獻：

[1] 王瀚博, 羅亮, 劉知貴, 范玉德. 基于嵌入式軟PLC技術(shù)的運動(dòng)控制功能塊的研究[J]. 組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2017, (02) : 94 - 97. 

[2] 唐杰, 馬亮, 閔利昆, 梁瀟. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現[J]. 自動(dòng)化博覽, 2020, 37 (01) : 78 - 80. 

[3] 郭奕鑫, 劉江帆. 基于CODESYS的EtherCAT總線(xiàn)控制系統設計[J]. 現代工業(yè)經(jīng)濟和信息化, 2018, 8 (12) : 40 - 41. 

[4] i.MX8M Mini EVK Fact Sheet[Z]. 

[5] 賀斌, 胡健. 基于軟PLC的多協(xié)議通信系統的研究與實(shí)現[J]. 機械工程與自動(dòng)化, 2019, (05) : 180 – 181, 184. 

[6] V90_PN_1FL6_op_instr_1218_zh-CHS[Z].

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年2月刊