基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)研究

殷振

（大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034）

0 引言

制造業(yè)的競爭已進入白熱化，為了贏得用戶與市場，必須全面提高產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量、服務水平并縮短交貨期。然而，受市場波動的影響，生產(chǎn)計劃管理上越來越難，對車間生產(chǎn)的引導和控制出現(xiàn)滯后，底層數(shù)據(jù)信息難與上層系統(tǒng)同步。數(shù)控機床是科技含量非常高的機電一體化產(chǎn)品，是制造其它工業(yè)產(chǎn)品的基礎，也是發(fā)展和振興我國制造業(yè)的關鍵設備之一。數(shù)控機床作為制造業(yè)的基礎，必須具有高質(zhì)量、高產(chǎn)量和反應速度快等優(yōu)點。隨著技術和需求的不斷發(fā)展，對機床的管理維護方式也提出了新的要求，為了滿足這種要求，實現(xiàn)數(shù)控機床運行過程的全程可監(jiān)控，可將新興物聯(lián)網(wǎng)技術引入到數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)中，因此，本文擬開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)［1-2］（Internet of things）是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)是通過對數(shù)控機床運行中的各種動態(tài)參數(shù)進行實時采集，實時監(jiān)控底層設別的運行狀態(tài)，采集設備、儀表的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析與處理，并將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡方式傳輸至信息系統(tǒng)，從而方便、可靠地將控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)聯(lián)系在一起，并將生產(chǎn)狀況及時反饋給計劃層［3］。建立數(shù)控機床基本信息維護模塊，該模塊的作用是建立設備的信息表和對設備資料進行存儲和調(diào)用管理，完成對數(shù)據(jù)的實時顯示和處理，并將處理結果反饋給制造商和用戶。

1 系統(tǒng)體系結構

1.1 系統(tǒng)概述

數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)囊括了計算機技術，數(shù)控加工技術和網(wǎng)絡技術等，其作用是監(jiān)測數(shù)控機床的運行情況、加工過程的參數(shù)以及數(shù)控機床是否平穩(wěn)運行，并將監(jiān)測結果通過無線網(wǎng)絡傳輸送到后臺信息管理系統(tǒng)，由信息管理系統(tǒng)對數(shù)控機床運行過程的狀態(tài)和維護情況進行統(tǒng)一的管理。其中：數(shù)控機床的基本情況包括數(shù)控機床的名稱、型號、加工能力、工時系數(shù)和加工工藝進行錄入建立設備的履歷表等；加工過程的參數(shù)包括主軸轉速、進給速度等；影響數(shù)控機床平穩(wěn)運行的因素包括電源電壓、切削液品質(zhì)、主軸偏差、液壓油溫度、刀具定位、夾具壓力、環(huán)境溫濕度等。

1.2 系統(tǒng)體系結構

數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)主要由3部分組成，層次結構自底向上分別為感知層、網(wǎng)絡層、應用層，其系統(tǒng)體系結構如圖1所示。

數(shù)控機床感知層部分包括射頻識別（RFID）標簽、RFID探測器和各種傳感器，主要進行數(shù)據(jù)信息的采集與感知，感知的對象可以是單獨存在的物體，也可以是一個特定的區(qū)域［4］。安裝在數(shù)控機床各功能部件上的傳感器實時采集部件的平穩(wěn)狀態(tài)信號，在采集過程中，傳感器信號獨立于數(shù)控系統(tǒng)的運行信號。RFID標簽與數(shù)控機床進行綁定，產(chǎn)生一一對應的關系，且RFID標簽具有全球唯一性，不會產(chǎn)生重復。在數(shù)控機床運行現(xiàn)場安裝RFID探測器，可以全天候接收標簽傳來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入網(wǎng)絡層，這些數(shù)據(jù)為數(shù)控機床的監(jiān)控提供了保障。

圖1 數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)體系結構

網(wǎng)絡層由一些網(wǎng)關、網(wǎng)橋、交換機、路由器等設備構成，主要是處理和融合數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入核心網(wǎng)絡。RFID探測器和主干網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸要借助中間件［5］和通用無線分組業(yè)務（general packet radio service,GPRS）。數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)中間件的功能是實現(xiàn)RFID硬件設備與監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)格式轉換、過濾和數(shù)據(jù)傳輸以及對數(shù)控機床感知層的數(shù)據(jù)進行整理，其基本結構如圖2所示。該層主要是通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤樱员銓?shù)控機床進行管理維護。

應用層的主要功能是處理所收集的數(shù)據(jù)和判斷機床運行狀態(tài)。首先，它接收來自各機床的實時數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析處理，進行設備故障統(tǒng)計與管理，對由于使用、檢查維修、管理的原因造成的機械、動力、電訊、儀器儀表等設備的損壞進行記錄，對其維修過程進行文檔保存，方便以后的問題能及時得到解決。

圖2 數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)中間件的基本結構

數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件和軟件構成。硬件部分包括傳感器、RFID探測器的布置以及網(wǎng)絡線路的搭建；軟件部分是監(jiān)控系統(tǒng)的設計，它由數(shù)據(jù)交換中心、機床部件監(jiān)控中心和基本信息中心三大中心組成。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術在數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)中的應用方案

2.1 設計目標

數(shù)控機床的運行參數(shù)通過監(jiān)控系統(tǒng)及時反映到終端上，設備管理員在監(jiān)控點實時監(jiān)測整個生產(chǎn)進程，確保設備正常運轉，實時監(jiān)控數(shù)控機床的運行狀態(tài)并對狀態(tài)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)并解決某些潛在的故障，其所提供的狀態(tài)信息完善了遠程故障診斷技術。總之，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)應滿足如下功能：

1）對機床加工程序集中化管理，為了減少因數(shù)控程序管理不規(guī)范帶來的麻煩，我們將生產(chǎn)中用到的所有數(shù)控程序存入服務器數(shù)據(jù)庫中，并設置了訪問權限，確保了程序的安全。

2）設定機床維護時間，每隔一段時間對機床做定期維護保養(yǎng)，避免給機床帶來無法修復的損失。

3）實時監(jiān)控機床運行狀態(tài)，對機床運行狀況做出評估，預防機床故障的發(fā)生。

4）機床通信模塊具有很好的遠程維護性及易于擴展的優(yōu)點。采用模塊化設計技術開發(fā)的數(shù)控機床網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有很好的擴展性和兼容性。

5）系統(tǒng)配置全部在服務器上進行，不會對數(shù)控機床產(chǎn)生影響，方便、安全、可靠。

2.2 實現(xiàn)環(huán)節(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)主要由4部分組成：數(shù)據(jù)交換中心，機床智能終端，監(jiān)控中心系統(tǒng)和傳感模塊系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)交換中心：數(shù)據(jù)交換中心對機床上傳數(shù)據(jù)包進行接收與解析，并能對其中一些數(shù)據(jù)進行分析和比較，找出機床運行過程中的異常信息。

機床智能終端部分：負責機床通信系統(tǒng)和信息顯示。

監(jiān)控中心系統(tǒng)：負責監(jiān)控數(shù)控機床在生產(chǎn)過程中的運行狀態(tài)并將運行狀態(tài)以數(shù)據(jù)的形式上傳到上層監(jiān)控系統(tǒng)。

傳感模塊系統(tǒng)：運用物聯(lián)網(wǎng)的技術思路，在數(shù)控機床關鍵部件上安裝傳感器，通過機床上的無線傳感器網(wǎng)絡感知模塊，將傳感器信息傳遞到RFID標簽，標簽的信息可以被周圍的RFID探測器接收，然后探測器將數(shù)據(jù)通過GPRS傳入監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可以通過手持移動探測器來接收機床上RFID標簽發(fā)送的機床加工狀態(tài)和加工進度等信息，這樣管理人員就可以及時方便地掌握生產(chǎn)的進度和情況。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)應用架構

3.1 系統(tǒng)的整體架構

該監(jiān)控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的“集中監(jiān)測、分散控制、三層結構”總體方案，其中三層結構由監(jiān)控層、控制層和設備層構成，監(jiān)控系統(tǒng)總框架如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)總框架圖

3.2 系統(tǒng)結構設計

物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術包括無線傳感器網(wǎng)絡技術［6］，構建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)總體架構，該架構除了傳統(tǒng)管理系統(tǒng)外增加了數(shù)據(jù)交換中心層，數(shù)據(jù)交換中心解析，轉發(fā)和控制上傳與下達的數(shù)據(jù)，增強了系統(tǒng)的反應能力和強壯性。

系統(tǒng)以網(wǎng)絡環(huán)境為基礎，通過與現(xiàn)場的傳感器的數(shù)據(jù)交換，得到在各個機床的生產(chǎn)信息及現(xiàn)場各個機床的運行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)對機床運行狀態(tài)進行實時記錄，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，通過SPC查詢模塊，方便管理人員更好地掌握機床運行狀態(tài)，為指導生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

SPC查詢模塊采用的是B/S（瀏覽器/服務器）結構，它是隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展而流行起來的，是在C/S結構基礎上的一種擴展和改進。該結構減輕了客戶端的負擔，省去了系統(tǒng)維護與升級的麻煩，大大降低了系統(tǒng)的維護成本。

1）應用監(jiān)控層。系統(tǒng)的最上層是監(jiān)控層，包括服務器、監(jiān)控機等。

2）控制層。控制層是系統(tǒng)的中間層，其核心設備為PLC，連接到現(xiàn)場總線［7］設備包括：分布式I/O站按鈕，指示燈和HMI站。

3）設備層。設備層位于系統(tǒng)的最底層，包括工位按鈕、指示燈、工位PC等。各工位按鈕信號首先傳入本區(qū)域的I/O箱，然后接入系統(tǒng)PLC控制柜。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)技術

具體開發(fā)環(huán)境如下：

1）該系統(tǒng)以Internet為硬件環(huán)境。

2）監(jiān)控系統(tǒng)是采用C/S（客戶端/服務器）結構，這樣客戶端的反應速度就會很快，憑借其較強的處理能力來處理復雜的業(yè)務流程。

3）數(shù)據(jù)庫服務器和Web服務器端選用Windows Sever 2003操作系統(tǒng)，客戶端采用Windows 2000操作系統(tǒng)。

4）Microsoft Visual 2010開發(fā)環(huán)境，Visual C#是一種全新的現(xiàn)代化的完全面向?qū)ο蟮恼Z言，讓程序員能夠快速地創(chuàng)建集成解決方案。

4.2 應用實例

將監(jiān)控系統(tǒng)具體應用到山東省某數(shù)控機床企業(yè)實際運行中,在實際應用中，系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)控機床的實時監(jiān)控，主要包括：1）實現(xiàn)了機床運行狀況和加工數(shù)據(jù)的實時收集；2）為數(shù)控機床可靠性評價提供了數(shù)據(jù)基礎；3）實現(xiàn)了數(shù)控機床運行過程的實時監(jiān)控；4）為數(shù)控機床的定期維護保養(yǎng)提供了參考依據(jù)。

5 結語

文中通過對數(shù)控機床生產(chǎn)過程存在的問題進行分析,將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)之中,提出了一種全新的思路，將物聯(lián)網(wǎng)技術的先進性與機床監(jiān)控結合起來，構建起了新的體系架構。本系統(tǒng)在山東某數(shù)控機床企業(yè)的實際運行效果良好,因此物聯(lián)網(wǎng)技術的應用使得企業(yè)能夠及時掌控數(shù)控機床的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和運行狀況，并對數(shù)據(jù)作進一步的分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結果調(diào)整數(shù)控機床的操作參數(shù)，數(shù)控機床的生產(chǎn)效率得到了很大提高。

［1］ 張峰，張曉鵬，吳商成.基于物聯(lián)網(wǎng)的機場集成行李處理系統(tǒng)及其應用研究 ［J］. 計算機應用研究，2010，27（10）：3771-3774，3778.

［2］ 黃冬梅，方的茍，張明華，等.物聯(lián)網(wǎng)技術在救災物資配送管理系統(tǒng)中的應用［J］.計算機應用研究，2011，28（1）：189-191.

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［5］ 張云勇.中間件技術原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004：85-88.

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［7］ 李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011：131-132.