基于s3c2410的數(shù)控機床監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計

洪耀球

HONG Yao-qiu

（景德鎮(zhèn)高等專科學(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)的關(guān)鍵領(lǐng)域，早期的數(shù)控機床監(jiān)控，需要工作人員親自在機床跟前，查看機床的工作狀態(tài)，輸入控制命令，程序代碼等，當(dāng)機床出現(xiàn)故障時能立即采取措施進行維護。這種監(jiān)控方式對工作人員的要求比較高，工作人員要對機床特別了解，特別是出現(xiàn)故障時要求工作人員能迅速準(zhǔn)確的做出判斷，專業(yè)人員得需求量較大。另外，一些有危險作業(yè)環(huán)境的機床，如高溫作業(yè)環(huán)境，高轉(zhuǎn)速切削等，會對工作人員造成身體危害，而車間內(nèi)的噪聲也是對健康的一個大的威脅。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)也獲得了不斷的進步，出現(xiàn)了遠(yuǎn)離危險作業(yè)環(huán)境的機床監(jiān)控技術(shù)，但是一臺監(jiān)控主機只能監(jiān)控一臺機床，不能完成多臺機床的統(tǒng)一管理。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普遍運用，智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控機床發(fā)展的主要方向。本文提出了一個在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)控機床的監(jiān)視及控制系統(tǒng)設(shè)計，增加了對機床的控制數(shù)量，提高了數(shù)控設(shè)備利用率，為實現(xiàn)數(shù)控機床的高速、強力切削，數(shù)控加工的無人化環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)核心部分采用目前比較流行的嵌入式ARM處理器（s3c2410）和Linux操作系統(tǒng)，對機床進行狀態(tài)信息采集及信息發(fā)送。在處理器芯片的存儲器中，寫入了Linux操作系統(tǒng)和目前較前沿的嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫，將從機床接收到的狀態(tài)信息，經(jīng)過處理后，存入嵌入式數(shù)據(jù)庫，同時向上反饋給車間級監(jiān)控主機，以及接收從車間級監(jiān)控主機發(fā)送來的控制命令或程序代碼。此外，本系統(tǒng)還具備一定的智能功能，能根據(jù)接收到的報警狀態(tài)信息，在傳送到車間級監(jiān)控主機之前，從嵌入式數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應(yīng)報警信息所對應(yīng)的控制命令（系統(tǒng)初始化時自行設(shè)置），如對機床進行停機等，來對機床緊急狀態(tài)作出自動處理，避免機床損壞。因擁有嵌入式數(shù)據(jù)庫，以及能對機床緊急狀態(tài)作出自動處理，所以減輕了車間級監(jiān)控主機的實時監(jiān)控負(fù)擔(dān)，工作人員可以在監(jiān)控室來監(jiān)控整個車間或幾個車間的機床的工作狀態(tài)，以及對車間級的各機床發(fā)送控制命令，從而實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)控機床遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在此系統(tǒng)中，主要部件功能如下：

1）車間級監(jiān)控主機是本系統(tǒng)的前端工控機，通過RTL8139網(wǎng)卡與后端核心控制模塊相連，向控制模塊發(fā)送對機床的控制命令或程序代碼，以及通過控制模塊接收來自機床的狀態(tài)信息，監(jiān)控主機將接收到的狀態(tài)信息實時寫入數(shù)據(jù)庫，并且可以將必要的狀態(tài)信息打包，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程，進行遠(yuǎn)程故障診斷。

2）該系統(tǒng)中最核心的部分是基于S3C2410X的嵌入式控制模塊，該模塊擴展集成了AX88796A網(wǎng)絡(luò)芯片，通過該芯片與監(jiān)控主機通信。此外，控制模塊內(nèi)部集成了UART控制器，利用該控制器與機床相連，接收和發(fā)送機床狀態(tài)信息和控制命令。

3）機床部分，則由PLC 的I/O口接收和發(fā)送機床狀態(tài)信息及控制命令；另外，機床的刀具部分，由外部傳感器獲得刀具狀態(tài)，然后將信號發(fā)送到嵌入式處理器,再通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

該系統(tǒng)采用了裁剪和優(yōu)化后的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite來存儲機床的狀態(tài)信息,系統(tǒng)具有自動報警等智能功能，能根據(jù)特定的報警信號發(fā)送控制命令，以保證系統(tǒng)安全運行。系統(tǒng)主要包括收發(fā)信號處理、智能控制、串口通信、網(wǎng)口通信等模塊，其中信號處理模塊、智能控制模塊功能如下：

1）收發(fā)信號處理模塊完成系統(tǒng)主要的功能，包括從前端工控機接收控制命令和程序代碼，經(jīng)過處理后直接發(fā)向機床，接收來自機床PLC的狀態(tài)信息和經(jīng)機床外置傳感器傳來的信息，經(jīng)過處理發(fā)送給前端工控機，同時將狀態(tài)信息實時寫入嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite；

2）智能控制模塊主要對接受的機床狀態(tài)信息進行處理，判斷是普通狀態(tài)信息還是報警信息，如果是報警信息則根據(jù)不同的報警狀態(tài)自動發(fā)送控制命令到機床，以達(dá)到保護機床的目的，此外由于模塊內(nèi)存儲器容量有限，使得嵌入式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量也有限，本模塊還負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行定期清理，刪除已經(jīng)在前端監(jiān)控主機備份的數(shù)據(jù)；本模塊主要代碼如下：

4 結(jié)論

監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)完成后，與經(jīng)裁剪的嵌入式Linux操作系統(tǒng)一塊燒寫到S3C2410開發(fā)板中，配置好軟硬件環(huán)境進行實驗，經(jīng)測試，本系統(tǒng)能完成所設(shè)計的各項功能，包括接收機床的狀態(tài)信息；接收監(jiān)控主機發(fā)送的控制命令并發(fā)向機床；實時備份和清理嵌入式數(shù)據(jù)庫；模擬機床報警狀態(tài)智能發(fā)送控制命令到機床等。

圖3 主程序流程示意圖

本系統(tǒng)是基于嵌入式的數(shù)控機床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)工控機有很多優(yōu)點：

1）在監(jiān)控范圍和兼容性方面，由于本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，將核心模塊與機床相互獨立，即插即用，擴展性強，適合大范圍的監(jiān)控需求；而傳統(tǒng)工控機控制模塊與機床緊密相關(guān)，兼容性不強，擴充不易，系統(tǒng)適用范圍較小。

2）在監(jiān)控和維護方面，本系統(tǒng)可進行遠(yuǎn)離現(xiàn)場環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，甚至能利用前端工控機將機床狀態(tài)信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和維護；而傳統(tǒng)工控機一般不可能遠(yuǎn)程維護，甚至大部分都是現(xiàn)場監(jiān)控和維護，車間環(huán)境對工作人員健康影響較大且維護費用較高。

3）在系統(tǒng)成本上，本系統(tǒng)使用的是普通PC機作為前端監(jiān)控機，價格低，整體系統(tǒng)方案簡單，方便審查，建設(shè)成本，維護成本和擴展成本低；傳統(tǒng)工控機使用的是專門的工作站，建設(shè)成本，維護成本和擴展成本很高。另一方面相比傳統(tǒng)工控機來說，本系統(tǒng)的硬件升級簡單，軟件更新方便，界面友好。

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