摘要： 随着航空制造业生产需求的升级，针对生产车间存在多设备、多种现场总线协议共存情况，航空制造业迫切需要将这些孤岛设备的信息和数据进行采集、存储、分析、管理，以边缘设备为核心的边缘网关应运而生。边缘网关具有物联网通信和边缘计算两大主要功能，本文实现了其中PROFINET现场总线通信功能，简述了以i.MX8M Mini为处理器的边缘设备的搭建，介绍了CODESYS平台在Linux系统中的应用程序设计，以及PROFINET总线协议的配置。以边缘设备为主站，选取西门子V90伺服驱动器为从站，验证PROFINET总线通信功能。

关键词：边缘设备；CODESYS；PROFINET；边缘网关

1 引言

传统航空制造业正面临数字化转型升级的严峻挑战，随着个性化产品生产需求不断增加，顾客对产品品质要求越来越严苛，生产设备的状态影响生产效率和产品品质，生产数据和设备数据正成为产线数字化转型升级的核心驱动力，传统的数字化升级方案需要组合PLC、PC、网关、SCADA软件等多种软硬件产品于同 一系统中，通过系统集成实现工业物联网方案，系统架构复杂，成本昂贵且面临极大安全风险。这也增加了软件工程师编程开发难度和软件开发成本，现场维护和备件更换成本也随之增加[1]。

随着航空制造生产需要向智能化、规范化、高效化转型，工程师们更需要能融合PLC控制技术与PC信息化技术，将PLC控制器、PC、网关，运动控制、I/O 数据采集、现场总线协议、机器视觉、设备联网等多领域功能集成于同一控制平台的产品。在工业物联网体系架构中，感知层网络和工业互联网之间需要一个网关设备，实现工业互联网与传感层网络的互联互通[2]，以边 缘设备为核心的边缘网关的出现解决了上述问题，其可以实现运动控制、过程控制、I/O采集等多种功能，无缝整合IT与OT，起到了在工业物联网中承上启下的作用，以达到减少人工、提高设备智能化的需求[3]。

本文介绍边缘设备实现一种现场总线 —— PROFINET通信的过程，是边缘设备实现其网关通信功能的重要组成部分，与其他现场总线通信有异曲同工之妙，是工业物联网开发与应用的重要技术储备。

2 边缘设备及CODESYS平台介绍

2.1 边缘设备介绍

边缘设备采用i.MX8M Mini EVK平台，具有业界领先的音频和视频功能，可用于开发高性能和灵活的应用程序。

i.MX8M系列的应用处理器基于Arm? Cortex?-A53 和Cortex-M4内核，i.MX8M Mini系列采用高性能、 4x Cortex-A53+ Cortex-M4核心处理器，处理器运行速度高达1.8GHz，支持16位LPDDR4。其内部集成了电源管理、安全单元和丰富的互联接口，具有高性能、低功耗、灵活的内存选项和高速接口。它为物联网应用提供了一种安全、高性能的解决方案。它有LPDDR4、eMMC、QSPI和SD Micro内存选项、10/100/1000以太网端口、USB 3.0连接器和PCIe高速接口，非常适合连接的高性能嵌入式应用程序。对于音频、视频和HMI评估，它提供HDMI 2.0a Type-A和MIPI-DSI接口，以及高达768kHz采样率的32位音频样本、音频接口扩展接口和耳机3.5毫米音频插孔[4]。

2.2 CODESYS平台介绍

CODESYS软件工具是一款基于先进的.NET架构和IEC 61131-3国际编程标准的、面向工业4.0及物联网应用的软件开发平台。具有标准化、开放式、可重构、良好的可移植性、强大的通信功能、支持第三方开发工具等特点。CODESYS Runtime可以将任何嵌入式平台或

工业PC转化为基于IEC 61131-3标准的控制器[5]，并且开放Runtime接口，以便根据行业需求及功能需要进行二次化开发[5]。图1为CODESYS Runtime系统架构。

图1 CODESYS Runtime系统架构图

3 系统设计

3.1 Linux系统搭建

将Linux系统进行编译后，移植到i.MX8M嵌入式处理器中，并打入实时系统补丁，RT-Linux系统可以稳定运行，提供了操作平台和测试环境。

首先，下载内核源码到本地目录imx-yocto-bsp， 在下载过程中，按提示安装所需要的依赖库，然后编译源码，命令如下所示：

其次，打RT-Linux实时系统补丁，下载与内核版本一致的RT Linux补丁文件进入内核目录，运行命令patch -p1 < ../patch-4.14.93-rt53.patch。安装补丁成功后，运行命令bitbake -c menuconfig virtual/ kernel，在内核配置中，选择RT选项。运行命令bitbake fsl-image-validation-imx编译内核。

然后，将固件下载到开发板。NXP i.MX8M Mini主要通过开源工具uuu烧录固件。下载官方系统镜像文件，解压后将其中的rootfs.sdcard系统镜像替换成刚才编译好的新的系统镜像，需改uuu.auto文件中镜像文件名称，与新编译的镜像文件一致。数据线连接到开发板下载接口，拨码开关调到“1010xxxxxx”， 运行sudo ./uuu uuu.atuo，开发板上电，进行固件烧录。

最后，编译工具链，运行如下命令： 

添加环境变量后，可进行交叉编译。至此，边缘设备Linux系统搭建完成。

3.2 基于CODESYS组网配置

在CODESYS的IDE软件中，添加PROFINET主从  站，完成网络配置、变量添加和程序设计。组网配置流程图如图2所示。

图2 CODESYS组网配置流程图

新建工程，在设备下拉菜单中选择本边缘设备，选择编程语言、梯形图或者ST语言等。

设置设备网关，通用设置中扫描网络，获取到在当前网络中的边缘设备，边缘设备节点名，物理地址等信息。

添加PROFINET主站，先添加一个Ethernet以太网适配器，再在适配器下添加PROFINET主站得到PN 控制器。然后设置Ethernet网络适配器的网络接口、IP地址、子网掩码、默认网关等，再设置PROFINET主站控制器的IP地址范围、子网掩码和默认网关。

添加从站设备描述文件，添加成功后，PN控制器通过扫描设备，获取到从站设备，并添加从站设备。在从站设备下，添加报文。PROFINET总线协议的报文种 类因从站设备不同而异，选择适当的报文。

添加程序文件POU，并在POU中添加本地变量， 将本地变量与报文中的地址变量互相关联。

将程序编译，无报错的情况下下载到边缘设备中。

3.3 PROFINET报文解析

由于本文选用的是西门子V90伺服驱动，报文111，西门子V90伺服驱动基于基本定位器控制模式的报文如表1所示，通过设定PZD（过程数据区）的值， 对伺服驱动下达指令，控制驱动器，从而控制电机运动。不同报文PZD的定义有所差别，这里对报文111的PZD进行解析[6]。

表1 基本定位器控制模式的报文

如表2所示为P ZD1即STW1（控制字1）的定义，STW1的作用是给伺服驱动使能信号，STW1.0为低位，STW1.5为高位，先给STW1赋值0100 00111110，再赋值0100 0011 1111，伺服驱动使能。

表2 STW1（控制字1）的定义图

如表3为POS_STW2（定位控制字2）和POS_ TW1（定位控制字1）的定义，将POS_STW2和POS_ STW1分别赋值后，设定位置、速度、加速度等值方可生效。POS_STW2赋值1100 0000 0010 0011，POS_STW1赋值1001 0011 0000 0000。

表3 POS_STW2和POS_STW1定义

如表4为V90伺服驱动位置、速度、加速度等控制字的定义，PZD7为位置设定值的低位，PZD6为位置设定值的高位，PZD9为MDI速度设定值的低位，PZD8为MDI速度设定值的高位，PZD10、PZD11分别为加速度、减速度的设定值。

表4 位置、速度、加速度控制字的定义

其他控制字，PDZ4（STW2）设置为0， OVERRIDE设置为0~32767范围的任意值。

4 应用验证

以边缘设备为主站，西门子V90伺服驱动为从站， 控制某电机运动，实现边缘设备PROFINET通信，验证边缘设备通过PROFINET现场总线对伺服驱动的控制功能。

如图3为应用验证的设备连接示意图。

图3 设备连接示意图

如图4为网页版控制伺服驱动人机界面图，输入位置、速度、加速度等值，点击使能按钮，伺服驱动上电使能，点击正转、反转，按设定值转动。

图4 运动控制人机交互界面

5 结论

本文实现了基于边缘设备的PROFINET现场总线通信功能，以Arm CortexA53为内核搭载Linux系统的边缘设备作为主站，以西门子V90伺服驱动器作为从站，通过PROFINET现场总线协议，控制电机运动，验证了边缘设备PROFINET现场总线通信的可行性，为边缘设备作为工业现场设备网关提供了技术支撑。

作者简介：

何昭岩（1991-），男，吉林人，工程师，硕士，现就职于中国航空制造技术研究院，从事嵌入式、边缘计算、工业网络与自动化等研究工作。

邹 方（1965-），男，湖南娄底人，研究员，硕士， 现就职于中国航空制造技术研究院，从事智能制造基础技术、系统控制与集成技术、边缘计算、工业网络与自动化等研究工作。获国防和发明专利6项，获部级科学技术进步一、二、三等奖多项，在国家级科技核心期刊发表论文20多篇。

秦玉波（1988-），男，河北邯郸人，高级工程师，硕士，现就职于中国航空制造技术研究院，从事嵌入式、边缘计算、工业网络与自动化等研究工作。

苏安东（1993-），男，河南新乡人，工程师，硕士，现就职于中国航空制造技术研究院，从事工业互联网、边缘计算方向技术研究。

参考文献：

[1] 王瀚博, 罗亮, 刘知贵, 范玉德. 基于嵌入式软PLC技术的运动控制功能块的研究[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2017, (02) : 94 - 97. 

[2] 唐杰, 马亮, 闵利昆, 梁潇. 工业物联网网关的研究与实现[J]. 自动化博览, 2020, 37 (01) : 78 - 80. 

[3] 郭奕鑫, 刘江帆. 基于CODESYS的EtherCAT总线控制系统设计[J]. 现代工业经济和信息化, 2018, 8 (12) : 40 - 41. 

[4] i.MX8M Mini EVK Fact Sheet[Z]. 

[5] 贺斌, 胡健. 基于软PLC的多协议通信系统的研究与实现[J]. 机械工程与自动化, 2019, (05) : 180 – 181, 184. 

[6] V90_PN_1FL6_op_instr_1218_zh-CHS[Z].

摘自《自动化博览》2021年2月刊