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摘要： 隨著航空制造業(yè)生產(chǎn)需求的升級，針對生產(chǎn)車間存在多設(shè)備、多種現(xiàn)場總線協(xié)議共存情況，航空制造業(yè)迫切需要將這些孤島設(shè)備的信息和數(shù)據(jù)進行采集、存儲、分析、管理，以邊緣設(shè)備為核心的邊緣網(wǎng)關(guān)應(yīng)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，本文實現(xiàn)了其中PROFINET現(xiàn)場總線通信功能，簡述了以i.MX8M Mini為處理器的邊緣設(shè)備的搭建，介紹了CODESYS平臺在Linux系統(tǒng)中的應(yīng)用程序設(shè)計，以及PROFINET總線協(xié)議的配置。以邊緣設(shè)備為主站，選取西門子V90伺服驅(qū)動器為從站，驗證PROFINET總線通信功能。

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

1 引言

傳統(tǒng)航空制造業(yè)正面臨數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，隨著個性化產(chǎn)品生產(chǎn)需求不斷增加，顧客對產(chǎn)品品質(zhì)要求越來越嚴(yán)苛，生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)正成為產(chǎn)線數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的核心驅(qū)動力，傳統(tǒng)的數(shù)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(tǒng)中，通過系統(tǒng)集成實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案，系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)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發(fā)難度和軟件開發(fā)成本，現(xiàn)場維護和備件更換成本也隨之增加[1]。

隨著航空制造生產(chǎn)需要向智能化、規(guī)范化、高效化轉(zhuǎn)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)，運動控制、I/O 數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場總線協(xié)議、機器視覺、設(shè)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(gòu)中，感知層網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間需要一個網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)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(shè)備為核心的邊緣網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)解決了上述問題，其可以實現(xiàn)運動控制、過程控制、I/O采集等多種功能，無縫整合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(shè)備智能化的需求[3]。

本文介紹邊緣設(shè)備實現(xiàn)一種現(xiàn)場總線 —— PROFINET通信的過程，是邊緣設(shè)備實現(xiàn)其網(wǎng)關(guān)通信功能的重要組成部分，與其他現(xiàn)場總線通信有異曲同工之妙，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)與應(yīng)用的重要技術(shù)儲備。

2 邊緣設(shè)備及CODESYS平臺介紹

2.1 邊緣設(shè)備介紹

邊緣設(shè)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，可用于開發(fā)高性能和靈活的應(yīng)用程序。

i.MX8M系列的應(yīng)用處理器基于Arm? Cortex?-A53 和Cortex-M4內(nèi)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(nèi)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(nèi)存選項和高速接口。它為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(nèi)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(yīng)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的.NET架構(gòu)和IEC 61131-3國際編程標(biāo)準(zhǔn)的、面向工業(yè)4.0及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的軟件開發(fā)平臺。具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放式、可重構(gòu)、良好的可移植性、強大的通信功能、支持第三方開發(fā)工具等特點。CODESYS Runtime可以將任何嵌入式平臺或

工業(yè)PC轉(zhuǎn)化為基于IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的控制器[5]，并且開放Runtime接口，以便根據(jù)行業(yè)需求及功能需要進行二次化開發(fā)[5]。圖1為CODESYS Runtime系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 CODESYS Runtime系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 Linux系統(tǒng)搭建

將Linux系統(tǒng)進行編譯后，移植到i.MX8M嵌入式處理器中，并打入實時系統(tǒng)補丁，RT-Linux系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，提供了操作平臺和測試環(huán)境。

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

其次，打RT-Linux實時系統(tǒng)補丁，下載與內(nèi)核版本一致的RT Linux補丁文件進入內(nèi)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(nèi)核配置中，選擇RT選項。運行命令bitbake fsl-image-validation-imx編譯內(nèi)核。

然后，將固件下載到開發(fā)板。NXP i.MX8M Mini主要通過開源工具uuu燒錄固件。下載官方系統(tǒng)鏡像文件，解壓后將其中的rootfs.sdcard系統(tǒng)鏡像替換成剛才編譯好的新的系統(tǒng)鏡像，需改uuu.auto文件中鏡像文件名稱，與新編譯的鏡像文件一致。數(shù)據(jù)線連接到開發(fā)板下載接口，撥碼開關(guān)調(diào)到“1010xxxxxx”， 運行sudo ./uuu uuu.atuo，開發(fā)板上電，進行固件燒錄。

最后，編譯工具鏈，運行如下命令： 

添加環(huán)境變量后，可進行交叉編譯。至此，邊緣設(shè)備Linux系統(tǒng)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(shè)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(shè)備下拉菜單中選擇本邊緣設(shè)備，選擇編程語言、梯形圖或者ST語言等。

設(shè)置設(shè)備網(wǎng)關(guān)，通用設(shè)置中掃描網(wǎng)絡(luò)，獲取到在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的邊緣設(shè)備，邊緣設(shè)備節(jié)點名，物理地址等信息。

添加PROFINET主站，先添加一個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(shè)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(rèn)網(wǎng)關(guān)等，再設(shè)置PROFINET主站控制器的IP地址范圍、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

添加從站設(shè)備描述文件，添加成功后，PN控制器通過掃描設(shè)備，獲取到從站設(shè)備，并添加從站設(shè)備。在從站設(shè)備下，添加報文。PROFINET總線協(xié)議的報文種 類因從站設(shè)備不同而異，選擇適當(dāng)?shù)膱笪摹?/p>

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，無報錯的情況下下載到邊緣設(shè)備中。

3.3 PROFINET報文解析

由于本文選用的是西門子V90伺服驅(qū)動，報文111，西門子V90伺服驅(qū)動基于基本定位器控制模式的報文如表1所示，通過設(shè)定PZD（過程數(shù)據(jù)區(qū)）的值， 對伺服驅(qū)動下達指令，控制驅(qū)動器，從而控制電機運動。不同報文PZD的定義有所差別，這里對報文111的PZD進行解析[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(qū)動使能信號，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(qū)動使能。

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(shè)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(qū)動位置、速度、加速度等控制字的定義，PZD7為位置設(shè)定值的低位，PZD6為位置設(shè)定值的高位，PZD9為MDI速度設(shè)定值的低位，PZD8為MDI速度設(shè)定值的高位，PZD10、PZD11分別為加速度、減速度的設(shè)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(shè)置為0， OVERRIDE設(shè)置為0~32767范圍的任意值。

4 應(yīng)用驗證

以邊緣設(shè)備為主站，西門子V90伺服驅(qū)動為從站， 控制某電機運動，實現(xiàn)邊緣設(shè)備PROFINET通信，驗證邊緣設(shè)備通過PROFINET現(xiàn)場總線對伺服驅(qū)動的控制功能。

如圖3為應(yīng)用驗證的設(shè)備連接示意圖。

圖3 設(shè)備連接示意圖

如圖4為網(wǎng)頁版控制伺服驅(qū)動人機界面圖，輸入位置、速度、加速度等值，點擊使能按鈕，伺服驅(qū)動上電使能，點擊正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，按設(shè)定值轉(zhuǎn)動。

圖4 運動控制人機交互界面

5 結(jié)論

本文實現(xiàn)了基于邊緣設(shè)備的PROFINET現(xiàn)場總線通信功能，以Arm CortexA53為內(nèi)核搭載Linux系統(tǒng)的邊緣設(shè)備作為主站，以西門子V90伺服驅(qū)動器作為從站，通過PROFINET現(xiàn)場總線協(xié)議，控制電機運動，驗證了邊緣設(shè)備PROFINET現(xiàn)場總線通信的可行性，為邊緣設(shè)備作為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)關(guān)提供了技術(shù)支撐。

作者簡介：

何昭巖（1991-），男，吉林人，工程師，碩士，現(xiàn)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)與自動化等研究工作。

鄒 方（1965-），男，湖南婁底人，研究員，碩士， 現(xiàn)就職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事智能制造基礎(chǔ)技術(shù)、系統(tǒng)控制與集成技術(shù)、邊緣計算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動化等研究工作。獲國防和發(fā)明專利6項，獲部級科學(xué)技術(shù)進步一、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(xiàn)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)與自動化等研究工作。

蘇安東（1993-），男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，碩士，現(xiàn)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)的運動控制功能塊的研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(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)的研究與實現(xiàn)[J]. 自動化博覽, 2020, 37 (01) : 78 - 80. 

[3] 郭奕鑫, 劉江帆. 基于CODESYS的EtherCAT總線控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)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(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J]. 機械工程與自動化, 2019, (05) : 180 – 181, 184. 

[6] V90_PN_1FL6_op_instr_1218_zh-CHS[Z].

摘自《自動化博覽》2021年2月刊