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

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(jī)床監(jiān)控，需要工作人員親自在機(jī)床跟前，查看機(jī)床的工作狀態(tài)，輸入控制命令，程序代碼等，當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)能立即采取措施進(jìn)行維護(hù)。這種監(jiān)控方式對(duì)工作人員的要求比較高，工作人員要對(duì)機(jī)床特別了解，特別是出現(xiàn)故障時(shí)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(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的機(jī)床，如高溫作業(yè)環(huán)境，高轉(zhuǎn)速切削等，會(huì)對(duì)工作人員造成身體危害，而車間內(nèi)的噪聲也是對(duì)健康的一個(gè)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(jìn)步，出現(xiàn)了遠(yuǎn)離危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的機(jī)床監(jiān)控技術(shù)，但是一臺(tái)監(jiān)控主機(jī)只能監(jiān)控一臺(tái)機(jī)床，不能完成多臺(tái)機(jī)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(yùn)用，智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向。本文提出了一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的監(jiān)視及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加了對(duì)機(jī)床的控制數(shù)量，提高了數(shù)控設(shè)備利用率，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的高速、強(qiáng)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(jì)

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(duì)機(jī)床進(jìn)行狀態(tài)信息采集及信息發(fā)送。在處理器芯片的存儲(chǔ)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(jī)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(shí)向上反饋給車間級(jí)監(jiān)控主機(jī)，以及接收從車間級(jí)監(jiān)控主機(jī)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(bào)警狀態(tài)信息，在傳送到車間級(jí)監(jiān)控主機(jī)之前，從嵌入式數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應(yīng)報(bào)警信息所對(duì)應(yīng)的控制命令（系統(tǒng)初始化時(shí)自行設(shè)置），如對(duì)機(jī)床進(jìn)行停機(jī)等，來對(duì)機(jī)床緊急狀態(tài)作出自動(dòng)處理，避免機(jī)床損壞。因擁有嵌入式數(shù)據(jù)庫，以及能對(duì)機(jī)床緊急狀態(tài)作出自動(dòng)處理，所以減輕了車間級(jí)監(jiān)控主機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)擔(dān)，工作人員可以在監(jiān)控室來監(jiān)控整個(gè)車間或幾個(gè)車間的機(jī)床的工作狀態(tài)，以及對(duì)車間級(jí)的各機(jī)床發(fā)送控制命令，從而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)控機(jī)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(jì)與實(shí)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(jí)監(jiān)控主機(jī)是本系統(tǒng)的前端工控機(jī)，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(duì)機(jī)床的控制命令或程序代碼，以及通過控制模塊接收來自機(jī)床的狀態(tài)信息，監(jiān)控主機(jī)將接收到的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)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(jìn)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(kuò)展集成了AX88796A網(wǎng)絡(luò)芯片，通過該芯片與監(jiān)控主機(jī)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(jī)床相連，接收和發(fā)送機(jī)床狀態(tài)信息和控制命令。

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)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(chǔ)機(jī)床的狀態(tài)信息,系統(tǒng)具有自動(dòng)報(bào)警等智能功能，能根據(jù)特定的報(bào)警信號(hào)發(fā)送控制命令，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。系統(tǒng)主要包括收發(fā)信號(hào)處理、智能控制、串口通信、網(wǎng)口通信等模塊，其中信號(hào)處理模塊、智能控制模塊功能如下：

1）收發(fā)信號(hào)處理模塊完成系統(tǒng)主要的功能，包括從前端工控機(jī)接收控制命令和程序代碼，經(jīng)過處理后直接發(fā)向機(jī)床，接收來自機(jī)床PLC的狀態(tài)信息和經(jīng)機(jī)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(jī)，同時(shí)將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)寫入嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite；

2）智能控制模塊主要對(duì)接受的機(jī)床狀態(tài)信息進(jìn)行處理，判斷是普通狀態(tài)信息還是報(bào)警信息，如果是報(bào)警信息則根據(jù)不同的報(bào)警狀態(tài)自動(dòng)發(fā)送控制命令到機(jī)床，以達(dá)到保護(hù)機(jī)床的目的，此外由于模塊內(nèi)存儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定期清理，刪除已經(jīng)在前端監(jiān)控主機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能完成所設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能，包括接收機(jī)床的狀態(tài)信息；接收監(jiān)控主機(jī)發(fā)送的控制命令并發(fā)向機(jī)床；實(shí)時(shí)備份和清理嵌入式數(shù)據(jù)庫；模擬機(jī)床報(bào)警狀態(tài)智能發(fā)送控制命令到機(jī)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(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)工控機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)：

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(jì)，將核心模塊與機(jī)床相互獨(dú)立，即插即用，擴(kuò)展性強(qiáng)，適合大范圍的監(jiān)控需求；而傳統(tǒng)工控機(jī)控制模塊與機(jī)床緊密相關(guān)，兼容性不強(qiáng)，擴(kuò)充不易，系統(tǒng)適用范圍較小。

2）在監(jiān)控和維護(hù)方面，本系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，甚至能利用前端工控機(jī)將機(jī)床狀態(tài)信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和維護(hù)；而傳統(tǒng)工控機(jī)一般不可能遠(yuǎn)程維護(hù)，甚至大部分都是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和維護(hù)，車間環(huán)境對(duì)工作人員健康影響較大且維護(hù)費(fèi)用較高。

3）在系統(tǒng)成本上，本系統(tǒng)使用的是普通PC機(jī)作為前端監(jiān)控機(jī)，價(jià)格低，整體系統(tǒng)方案簡(jiǎn)單，方便審查，建設(shè)成本，維護(hù)成本和擴(kuò)展成本低；傳統(tǒng)工控機(jī)使用的是專門的工作站，建設(shè)成本，維護(hù)成本和擴(kuò)展成本很高。另一方面相比傳統(tǒng)工控機(jī)來說，本系統(tǒng)的硬件升級(jí)簡(jiǎn)單，軟件更新方便，界面友好。

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[2] 劉明生,向六昭.論機(jī)床的數(shù)控化改造[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,(04).

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