基于網絡的數控機床遠程監控與管理系統設計與實現

王浩林，徐志明，李郝林，程松，周吉，楊家榮

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

基于網絡的數控機床遠程監控與管理系統設計與實現

王浩林，徐志明，李郝林，程松，周吉，楊家榮

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

介紹基于網絡的數控機床遠程監控與管理系統總體結構和基本實現方法。集成開發了基于網絡的數控機床遠程監控與管理系統，實時獲取數控機床加工工藝參數、PLC信號、報警信息、伺服電流，在線管理加工程序、故障診斷、遠程控制、維護機床信息等，實現了數控機床遠程監控與管理。

數控機床;遠程監控;故障診斷

1 數控機床遠程監控與管理系統的總體結構

1.1 數控機床遠程監控與管理系統硬件結構

數控機床遠程監控與管理系統硬件原理圖如圖1所示。

數控機床遠程監控與管理系統由遠程監控與管理中心、通信模塊及網絡三部分組成。其中遠程監控與管理中心用于信號分析、監控、生產任務調度、刀具管理、數據存儲，主要實現數控機床監控與管理功能;通信模塊由客戶端通信模塊和服務器通信模塊組成，客戶端通信模塊安裝在數控機床端，主要實現對數控機床 (包括數控系統和伺服系統)的信號采集及發送，服務器端安裝在遠程監控與管理中心，主要實現同客戶端通信模塊通信，實時獲取來自客戶端通信模塊的信號，并將信號發送給遠程監控與管理中心;文中的網絡由兩部分組成，其中遠程監控與管理中心和上海電氣臨港基地數控機床通過互聯網實現，遠程監控與管理中心和機械工業重點實驗室由局域網實現。

1.2 數控機床遠程監控與管理系統軟件構架

數控機床遠程監控與管理系統軟件構架主要有C/S和B/S兩種。B/S結構，即瀏覽器/服務器模式，具有分布性特點，可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業務處理。C/S結構，即客戶機/服務器模式，能充分發揮客戶端PC的處理能力，具有應用服務器運行數據負荷較輕、數據的儲存管理功能較為透明等特點。該系統采用C/S結構，系統軟件開發難度相對較低，開發周期短，開發成本低，且系統和數控機床實現點對點通信，有利于數據安全［3］。

1.3 軟件結構功能模塊介紹

圖2 數控機床遠程監控與管理功能結構圖

數控機床遠程監控與管理系統由用戶管理模塊、遠程監控模塊和遠程管理模塊三部分組成，其中用戶管理模塊用來添加或修改用戶信息，為數控機床遠程監控與管理系統使用提供用戶登陸;遠程監控模塊由視頻監視模塊、工藝參數監視模塊、PLC監視模塊、電機電流監視模塊、故障報警模塊以及遠程控制模塊組成，主要用來實現加工過程中的視頻監控、工藝參數監控、機床部分關鍵部件PLC狀態監控以及機床故障報警等;遠程管理模塊由故障診斷模塊、程序管理模塊、機床信息管理模塊、生產任務調度及刀具管理模塊以及通信管理模塊組成，用來實現故障診斷、生產任務調度、刀具管理以及機床信息管理、通信等功能。功能結構圖如圖2所示。

2 數控機床遠程監控與管理系統的實現

2.1 數控機床遠程監控信號獲取

2.1.1 數控機床遠程監控信號獲取

數控系統內有大量機床關鍵部件、液壓系統、PLC、工藝參數等信號，若能直接采集這些信號，可以避免安裝大量傳感器，降低監控成本。針對西門子840D數控系統等具有網絡接口的開放式數控系統，開發了基于OPC技術的遠程監控模塊，該模塊所采用的OPC技術將西門子840D數控系統底層硬件驅動程序和上層應用程序開發有效分隔開，使用統一的數據接口實現了不同設備協議間的數據互訪［4］，并采用TCP/IP協議，實現對數控系統和PLC內核信號的實時采集。OPC技術基礎構成和基于OPC技術的遠程監控模塊連接圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 OPC技術基礎構成

圖4 基于OPC技術的遠程監控模塊連接圖

2.1.2 伺服電機遠程監控信號獲取

進給軸機械連接部件如齒輪、導軌、絲桿等的磨損、損壞會導致伺服電機電流增大或報警，影響加工精度。伺服電機運行狀態能間接反映進給軸機械連接部件狀態，通過對伺服電機進行監控，可有效避免在導軌、絲桿等部件上安裝傳感器，節省監控成本。文中通過研究伺服電機驅動器通信協議，集成開發了基于RS422的遠程通信模塊軟硬件，實時采集并譯碼伺服電機電流、轉速、報警等信號，實現對數控機床傳動鏈狀態監控。原理圖如圖5所示。

圖5 基于RS422的遠程通信模塊原理圖

2.2 數控機床遠程故障診斷功能實現

采用基于案例推理的數控機床故障診斷方法實現診斷功能。如圖6所示，功能模塊由故障案例錄入、故障案例查詢、故障案例修改刪除以及基礎數據管理四部分組成。根據數控機床故障的特點及保障維修的實際情況，將現場調研的大量一手資料抽象為多元組:

圖6 基于案例推理的數控機床故障診斷功能模塊圖

其中:I為案例號;E為故障現象，Ei={ei，di}，ei為定性征兆，di為征兆現象的級別;P為故障部位;F為故障特征;G為故障原因;T為檢測順序;M為排除方法;D為故障說明;A為附件。并錄入故障信息數據庫。使用時，采用故障部位結構索引和相似案例檢索方法，進行故障診斷，同時還可通過故障案例修改刪除以及基礎數據管理模塊對故障信息進行管理和維護。

2.3 數控機床遠程管理功能實現

2.3.1 數控機床遠程程序管理

數控機床遠程程序管理由程序新建、程序編輯和程序刪除等組成，用來實現數控程序編寫、修改、上傳、下載等功能，其工作原理圖如圖7所示。

圖7 數控機床遠程程序管理工作原理圖

2.3.2 數控機床信息管理

圖8 數控機床信息管理工作原理圖

數控機床信息管理由信息瀏覽、添加、修改和刪除幾部分組成，用來實現數控機床信息登記、維護，其工作原理圖如圖8所示。數控機床信息數據庫數據格式為:(1)機床編號;(2)機床名稱;(3)數控系統;(4)機床型號;(5)生產廠商;(6)出廠日期;(7)IP地址;(8)照片;(9)特點用途。

2.3.3 生產任務調度與刀具管理

按照機床負荷平衡原則，綜合考慮零件編號、加工設備、加工工藝、配套刀具、加工時間、加工數量、交貨期等信息，使用遺傳算法求解生產任務調度問題。調度原理如圖9所示，首先根據基本信息和約束條件隨機生成一定數量生產任務，遵循最少時間法則進行篩選，并對篩選后的生產任務進行復制、交叉、變異和再篩選，直至滿足預定的遺傳群體容量、遺傳代數、交叉概率、變異概率等要求，求出最優加工任務。

圖9 調度原理圖

文中將刀具定義為在庫、等待和加工在線3種狀態，為每一把刀設置條行形碼信息，并在出庫、入庫、安裝到機床上加工時，進行條形碼掃描，實現實時跟蹤管理。刀具管理流程見圖10。

圖10 刀具管理流程

圖11 服務器端流程

圖12 客戶端流程

2.4 網絡安全實現

在實際生產過程中，數控機床一般分布在不同的廠房和車間，存在設備分散、工作環境惡劣等特點，且在數控機床遠程監控與管理系統網絡建設過程中需重點考慮網絡組建成本和網絡安全性問題。采用EarthCAT以太網現場總線技術的工業以太網 (IEEE 802.3)網絡以及帶NIC的多個開放式數控系統CNC的局域網的構建，有效兼容了大部分企業存在辦公局域網情況，設置一個DMZ區域來保護內部網絡，有效阻止了網絡蠕蟲病毒，阻擋了惡意瀏覽，安全實現了數控機床遠程監控與管理系統平臺和數控機床、互聯網的通信。

圖13 DMZ區域保護

3 數控機床遠程監控與管理系統的試驗

3.1 試驗環境

文中開發的數控機床遠程監控與管理系統目前已在上海電氣集團試用。生產任務調度與刀具管理測試實驗在以下3臺數控機床上進行試驗，機床信息如表1所示。

表1 機床信息表

刀具信息如表2所示。

表2 刀具信息表

測試模型的加工任務如表3所示。

表3 加工任務表

續表3

3.2 試驗結果及其分析

試驗結果如圖14－16所示。

圖14 遠程控制界面

圖15 電機電流監視界面

取遺傳算法的參數為:遺傳群體容量為 40;遺傳代數為 5;交叉概率為0. 9;變異概率為0.05。

5次調度結果均值的柱形圖如圖17所示。

圖16 任務調度界面

圖17 調度結果分析圖

從走向趨勢可以看出調度結果已經趨向于平穩，所以取平均值為36.5的第5次調度作為目標問題的近似解。從第5次調度結果中取工作時間為36時間單位的染色體作為加工任務的最佳結果，其設備甘特圖如圖18所示。

圖18 設備甘特圖

通過此調度過程，實現了刀具的動態分配功能，任務調度結果更符合實際。3臺數控中心按照調度結果進行仿真加工，監控中心對加工進度進行監控，采集并記錄數控中心運行時間，每個工件的加工時間如表4所示。

表4 系統加工時間表

整個加工任務實際加工時間為38 min 22 s，比預計的36 min多出了2分多鐘，總加工時間基本滿足調度結果。

4 結論

根據上海電氣集團數控機床遠程監控與數據管理的需要，以提高數控裝備的利用率為目標，重點研究了數控和伺服系統數據采集、故障診斷、生產任務調度和刀具管理方法，集成開發了基于網絡的數控機床遠程監控與管理系統，實時獲取數控機床加工工藝參數、PLC信號、報警信息、伺服電流，在線管理加工程序、故障診斷、遠程控制、維護機床信息等，實現了數控機床遠程監控與管理。成果已經在機械工業開放式重點實驗室應用，達到預期效果。

［1］槐博超，王錚.基于互聯網的嵌入式遠程監控系統的研究［J］.微計算機信息，2007，23(8):8 －9.

［2］汪惠芬，劉婷婷，張友良.基于網絡的數控機床遠程管理［J］.機床與液壓，2007，35(10):70 －73.

［3］張海軍，郭艷玲.基于Internet的數控機床遠程監控系統的研究［J］.制造技術與機床，2005(10):77－79.

［4］王嘉，蘇紅旗，劉清志，等.OPC技術在油田生產組態管理系統中應用的研究［J］.計算機技術與發展，2007(5):49－51.

Design of Remote Monitoring and Management System of NC Machine Tool Based on Network

WANG Haolin，XU Zhiming，LIHaolin，CHENG Song，ZHOU Ji，YANG Jiarong
(Central Academe，Shanghai Electric Group Co.，Ltd.，Shanghai200070，China)

The remotemonitoring and management system of NCmachine tool based on network was designed with the functions of real-time acquiring technics parameters，PLC signal，alarm information and servo current，fault diagnosis，remote control，maintenance ofmachine tool information.

CNCmachine tool;Remotemonitoring;Fault diagnosis

2013－04－22 基金項目:2011年度上海市優秀技術帶頭人計劃 (11XD1421200);工信部重大專項 (2009ZX04014103) 作者簡介:王浩林 (1981—)，男，研究員，工程師，主要研究方向為工業控制自動化。E－mail:dalen.wang@hotmail.com。

TG659

B

1001－3881(2014)10－149－7

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.046

隨著計算機和網絡技術的發展，控制系統越來越向網絡化、開放性發展［1］。傳統的單機管理模式因技術手段落后、生產效率低、管理和維護費用高昂等弊端，已不能適應企業發展需要［2］。利用網絡技術組建遠程監控與管理系統，采集分布在不同地方的數控機床信息，并自動傳送到遠程上位機進行分析和管理，可以使操作和維護人員擺脫地理位置和條件的限制，提高數控機床使用效率。文中綜合考慮制造執行系統、生產管理信息系統、數控刀具管理系統以及數控網絡化技術，開發了包含故障診斷、生產任務調度、刀具管理功能的數控機床遠程監控與管理系統。

圖1 硬件原理圖