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。
0 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
1 產品簡介
1.1 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。
1.2 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 OPCUA 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 OPCUA 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 OPCUA 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
2 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""Containers""Network""Volumes""Users"等管理界面，Portainer.io 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 8 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"
3 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。
4 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
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[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
