基于GPRS的多工位冷鐓機遠程監控系統

顧 艷，汪木蘭，趙雪雅

（南京工程學院，先進數控技術江蘇省高校重點建設實驗室，江蘇 南京 211167）

0 引言

多工位冷鐓機是一種加工標準件的鍛壓機械，其結構復雜，運行速度快，鐓鍛力大。如果機床調整不當，某一運動部位稍不協調，或者材料硬度偏差較大超過一定范圍，都會隨時發生故障，甚至設備會嚴重損壞。多工位冷鐓機的故障發生率一般是比較高的，尤其是砸車等常見故障的發生，如不及時1 停機將會導致砸毀夾料鉗體，損壞模具等嚴重后果，致使機床難以修復，停工停產，是冷鐓機的操作人員最為擔心的事情[1]。

目前，企業正在使用的冷鐓機大多數不帶有監控系統，在沒有采用可靠監控手段的情況下，容易導致廢品產生，造成生產效益不能與設備的加工速度同步增長，限制了勞動生產率的提高。采取一種行之有效的監控方法，及時發現和識別冷鐓機的常見故障，以做出相應決策，避免嚴重故障發生，是十分必要的。遠程智能監控系統可以實現對設備的實時在線監測，對故障代碼進行分析，并提供有效的故障解決方案。這種遠程監控系統能夠大大提高冷鐓機的使用壽命，降低冷鐓機的使用和維修成本，為冷鐓機操作帶來很多便利，也提高了企業生產工藝和管理水平，對我國機械加工自動化的發展將具有很大的促進作用[2,3]。

1 冷鐓加工工藝及冷鐓機工作原理

1.1 冷鐓加工工藝

冷鐓加工屬于無切削加工，是在常溫下，利用坯料的塑性變形，通過模具和一定的鐓擠力，在一定的速度作用下，使坯料變成所需形狀、尺寸及具有一定性能的零件，其關鍵是對冷鐓模具結構以及鐓制工藝的設計。對于一般的冷鐓成形加工，根據冷鐓工藝的要求，至少有三個工位，對于復雜的零件有的甚至有更多工位同步加工。

1.2 冷鐓機工作原理

冷鐓機的工序節拍如圖1 所示。

多工位冷鐓機的主要功能部件由主傳動機構、送料機構和人機界面模塊等構成，能實現鐓壓、切料、送料、頂料和機械手送料等動作功能，其總體方框結構如圖2 所示。

圖2 多工位冷鐓機結構示意圖Fig.2 Structure of multi-station cold heading machine

2 總體方案

遠程監控系統由冷鐓機、微處理器、SIM900 模塊、GPRS 移動數據和遠程維護中心等組成。冷鐓機的遠程監控系統的硬件組成如圖3 所示。

冷鐓機的電氣控制系統以及數據采集模塊進行數據的采集，采集到的數據通過RS-232接口與SIM900 透明數據傳輸終端相連，通過微處理器對數據進行處理，按協議封裝后發送到GPRS 網絡。遠程維護中心負責對遠端發送的數據進行分析與處理，并通過與數據庫的連接，實現故障部位和故障原因的分析，然后顯示相應的解決方案，同時將有效數據上傳到數據庫。

圖3 監控系統結構框圖Fig.3 System architecture of monitoring system

3 監控系統硬件分析

系統硬件由微處理器、GPRS 數據傳輸模塊和數據采集模塊構成，主控模塊實物如圖4 所示。

圖4 監控系統主模塊實物圖Fig.4 The picture of main module for the monitoring system

3.1 微處理器

監控系統采用ARM 公司推出的基于Cotex-M3 內核的STM32 處理器作為嵌入式系統的核心。芯片STM32采用2.0V 到3.6V 電源供電和I/O 引腳，時鐘頻率可達到72MHz，0 等待周期的存儲器，單周期乘法和硬件除法。內部帶有256～512KB 的Flash 程序存儲器，帶有4個片選靜態存儲器控制器。其集成性高、低功耗、功能強大、價格低廉等特點充分滿足了系統的設計要求。

3.2 GPRS 數據傳輸模塊

為了實現用戶能夠利用計算機遠程監控冷鐓機，利用了GPRS 模塊的數據傳輸功能。GPRS 是通用分組無線業務的簡稱，是在GSM 基礎上發展出來的一種新型的分組數據承載業務，具有實時在線、按量計費、高速傳輸、自如切換、快捷登錄等優點。特別適用于間斷性、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸，該技術特點正好適用于工業上的遠程監控。

本設計采用SIMCOM 公司的SIM900 GSM/GPRS 模塊作為數據傳輸部分的核心器件。它可以通過發送SMS 短信或者通過內嵌的TCP/IP 協議，連接固定的IP 地址和端口號實現數據的傳輸。該模塊采用了非常強大的ARM926EJS 單芯片處理器，采用工業標準接口，性能穩定，外觀小巧，性價比高，工作頻率為850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。

STM32 通過AT 指令和SIM900 模塊進行通信，整個通信過程可以分為： ①初始化。STM32 處理器發送AT 指令，控制GPRS 模塊，完成系統的啟動，初始化串口，包括波特率、數據位、停止位、數據流控制、奇偶校驗等，如使用AT+IPR= “115200”，把波特率設置為115200b/s；②配置參數。在GPRS 通信過程中，需要使用一些重要的參數，只要配置項有： 設置進入網關、設置移動終端類別、激活GPRS、AT+CGACT=1.1；③建立連接。STM32 利用AT 指令控制GPRSModem 連接服務器，連接成功后即可進行數據的特明傳輸。

3.3 數據采集模塊

本設計需要監測冷鐓機的多種電氣參數，例如： 各工位鐓鍛力實時顯示，模具、剪切、夾鉗、送料系統的故障狀況，滑塊的運動情況等。可以按照需要選擇不同類型的傳感器。

4 遠程維護平臺

本設計采用的數據庫管理系統軟件為SQL Server 2010，該數據庫系統的優點體現在安全性、準確性和運行速度方面，并且處理數據量大，效率高；采用Microsoft 公司的Microsoft Visual Studio 2010 為主要的開發工具，可以與SQL Server 2010 數據庫無縫連接： 采用C# 作為開發語言，Microsoft.Net 在應用程序開發領域里開創了一個嶄新的時代，C#.NET 語言從C 和C++語言演化而來，是一種簡單但功能強大的編程語言。遠程維護平臺可以進行故障診斷，提出相應的故障排除方案并予以記錄保存，然后根據各種實測的狀態參數判斷出機器的運行情況，計時調整加工工藝參數，從而高效加工出高質量的零件。

首先登陸系統，接著與數據庫連接，打開服務器網絡端口，準備接收數據。一旦接收到數據，使用字符串在數據庫中查詢故障部位、故障原因以及解決方法。另外，也可以手動查詢故障，并且在數據庫內增加記錄。相應的界面如圖5 所示。

圖5 遠程維護系統界面Fig.5 Interface of remote maintenance system

5 監控系統軟件設計

軟件是系統至關重要的部分，本次設計使用Keil4作為系統軟件的編譯調試軟件，本系統軟件主要包括STM32 初始化、SIM900 初始化、故障信號采集、故障代碼發送等，相應軟件流程如圖6 所示。

首先給模塊上電，完成各個模塊的初始化以及開中斷，STM32 給SIM900發 送 AT 指令，使得SIM900 連接到GPRS 網 絡并登錄到服務器，登陸成功后，進入主循環，若接收到故障代碼，則發送到遠程維護平臺，等待下一次故障代碼的接收。

圖6 監控系統軟件主流程圖Fig.6 Software flowchart of monitoring system

6 結論

本文對基于GPRS 的嵌入式多工位冷鐓機遠程監控系統進行了較為系統的介紹，在實際運用中經過反復調試，系統運行較穩定，能及時傳送故障代碼。冷鐓機用戶可以在遠程維護平臺實時監測到冷鐓機的運行情況。系統具有低功耗，壽命短，可移植等優點，可以運用在各種數控機床上，有著非常好的發展前景。另外，下階段還可以開展進一步的研究工作，在遠程維護平臺以視頻的形式實時監測冷鐓機的運行狀況；增加監控對象，實現對冷鐓機群的監控；建立并完善專家系統，根據某領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，來解決需要人類專家處理的復雜問題。

[1] 劉志剛.冷鐓機故障的在線檢測[J].機械工業自動化，2007，4.

[2] 王曉強.冷擠壓設備現狀及發展[J]. 鍛壓設備與制造技術，2007，3.

[3] 侯明亮，張金政，張代濤，等. 多工位冷鐓機生產過程狀態監控方法及數據處理[J]. 萊陽農學院學報，1997，1.

[4] 王永虹，徐偉. STM32 系列ARM Cortex-M3 微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[5] 周雪松，許立瑾，邵寶福，等. 基于GPRS 遠程監控系統的研究[J].機械設計與制造，2010，1.

[6] 王鐵流，馮正乾，周尚，等.基于SIM900 的無線遠程海洋監測終端機的設計[J].電子測量技術，2012，12.