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摘要： 隨著航空制造業生產需求的升級，針對生產車間存在多設備、多種現場總線協議共存情況，航空制造業迫切需要將這些孤島設備的信息和數據進行采集、存儲、分析、管理，以邊緣設備為核心的邊緣網關應運而生。邊緣網關具有物聯網通信和邊緣計算兩大主要功能，本文實現了其中PROFINET現場總線通信功能，簡述了以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總線協議的配置。以邊緣設備為主站，選取西門子V90伺服驅動器為從站，驗證PROFINET總線通信功能。

關鍵詞：邊緣設備；CODESYS；PROFINET；邊緣網關

1 引言

傳統航空制造業正面臨數字化轉型升級的嚴峻挑戰，隨著個性化產品生產需求不斷增加，顧客對產品品質要求越來越嚴苛，生產設備的狀態影響生產效率和產品品質，生產數據和設備數據正成為產線數字化轉型升級的核心驅動力，傳統的數字化升級方案需要組合PLC、PC、網關、SCADA軟件等多種軟硬件產品于同 一系統中，通過系統集成實現工業物聯網方案，系統架構復雜，成本昂貴且面臨極大安全風險。這也增加了軟件工程師編程開發難度和軟件開發成本，現場維護和備件更換成本也隨之增加[1]。

隨著航空制造生產需要向智能化、規范化、高效化轉型，工程師們更需要能融合PLC控制技術與PC信息化技術，將PLC控制器、PC、網關，運動控制、I/O 數據采集、現場總線協議、機器視覺、設備聯網等多領域功能集成于同一控制平臺的產品。在工業物聯網體系架構中，感知層網絡和工業互聯網之間需要一個網關設備，實現工業互聯網與傳感層網絡的互聯互通[2]，以邊 緣設備為核心的邊緣網關的出現解決了上述問題，其可以實現運動控制、過程控制、I/O采集等多種功能，無縫整合IT與OT，起到了在工業物聯網中承上啟下的作用，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現一種現場總線 —— PROFINET通信的過程，是邊緣設備實現其網關通信功能的重要組成部分，與其他現場總線通信有異曲同工之妙，是工業物聯網開發與應用的重要技術儲備。

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，具有業界領先的音頻和視頻功能，可用于開發高性能和靈活的應用程序。

i.MX8M系列的應用處理器基于Arm? 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。它為物聯網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的.NET架構和IEC 61131-3國際編程標準的、面向工業4.0及物聯網應用的軟件開發平臺。具有標準化、開放式、可重構、良好的可移植性、強大的通信功能、支持第三方開發工具等特點。CODESYS Runtime可以將任何嵌入式平臺或

工業PC轉化為基于IEC 61131-3標準的控制器[5]，并且開放Runtime接口，以便根據行業需求及功能需要進行二次化開發[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系統進行編譯后，移植到i.MX8M嵌入式處理器中，并打入實時系統補丁，RT-Linux系統可以穩定運行，提供了操作平臺和測試環境。

首先，下載內核源碼到本地目錄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實時系統補丁，下載與內核版本一致的RT Linux補丁文件進入內核目錄，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，將固件下載到開發板。NXP i.MX8M Mini主要通過開源工具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，與新編譯的鏡像文件一致。數據線連接到開發板下載接口，撥碼開關調到“1010xxxxxx”， 運行sudo ./uuu uuu.atuo，開發板上電，進行固件燒錄。

最后，編譯工具鏈，運行如下命令： 

添加環境變量后，可進行交叉編譯。至此，邊緣設備Linux系統搭建完成。

3.2 基于CODESYS組網配置

在CODESYS的IDE軟件中，添加PROFINET主從  站，完成網絡配置、變量添加和程序設計。組網配置流程圖如圖2所示。

圖2 CODESYS組網配置流程圖

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

設置設備網關，通用設置中掃描網絡，獲取到在當前網絡中的邊緣設備，邊緣設備節點名，物理地址等信息。

添加PROFINET主站，先添加一個Ethernet以太網適配器，再在適配器下添加PROFINET主站得到PN 控制器。然后設置Ethernet網絡適配器的網絡接口、IP地址、子網掩碼、默認網關等，再設置PROFINET主站控制器的IP地址范圍、子網掩碼和默認網關。

添加從站設備描述文件，添加成功后，PN控制器通過掃描設備，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總線協議的報文種 類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聯。

將程序編譯，無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子V90伺服驅動，報文111，西門子V90伺服驅動基于基本定位器控制模式的報文如表1所示，通過設定PZD（過程數據區）的值， 對伺服驅動下達指令，控制驅動器，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，西門子V90伺服驅動為從站， 控制某電機運動，實現邊緣設備PROFINET通信，驗證邊緣設備通過PROFINET現場總線對伺服驅動的控制功能。

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為網頁版控制伺服驅動人機界面圖，輸入位置、速度、加速度等值，點擊使能按鈕，伺服驅動上電使能，點擊正轉、反轉，按設定值轉動。

圖4 運動控制人機交互界面

5 結論

本文實現了基于邊緣設備的PROFINET現場總線通信功能，以Arm CortexA53為內核搭載Linux系統的邊緣設備作為主站，以西門子V90伺服驅動器作為從站，通過PROFINET現場總線協議，控制電機運動，驗證了邊緣設備PROFINET現場總線通信的可行性，為邊緣設備作為工業現場設備網關提供了技術支撐。

作者簡介：

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研究院，從事嵌入式、邊緣計算、工業網絡與自動化等研究工作。

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研究院，從事智能制造基礎技術、系統控制與集成技術、邊緣計算、工業網絡與自動化等研究工作。獲國防和發明專利6項，獲部級科學技術進步一、二、三等獎多項，在國家級科技核心期刊發表論文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研究院，從事嵌入式、邊緣計算、工業網絡與自動化等研究工作。

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研究院，從事工業互聯網、邊緣計算方向技術研究。

參考文獻：

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

[2] 唐杰, 馬亮, 閔利昆, 梁瀟. 工業物聯網網關的研究與實現[J]. 自動化博覽, 2020, 37 (01) : 78 - 80. 

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

[4] i.MX8M Mini EVK Fact Sheet[Z]. 

[5] 賀斌, 胡健. 基于軟PLC的多協議通信系統的研究與實現[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