支持云制造的數控系統無線移動單元研究與設計*

王力超　韓　江　夏　鏈

(合肥工業大學機械與汽車工程學院CIMS研究所，安徽 合肥 230009)

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支持云制造的數控系統無線移動單元研究與設計*

王力超韓江夏鏈

(合肥工業大學機械與汽車工程學院CIMS研究所，安徽 合肥 230009)

提出一種基于云制造服務模式的數控系統無線移動單元，該系統可使用智能移動設備遠程訪問與操作現場數控系統，并能夠將機床運行狀態信息及故障信息發送至云端遠程監控平臺服務器。遠程監控平臺可將歷史數據存儲起來，供異地故障診斷專家分析，同時專家還能夠通過網絡攝像頭以及各種傳感器實時觀測到機床運行狀態，并通過視頻會議的方式對故障機床進行聯合診斷。系統內每個的制造設備都將以“社交機器”的方式在云制造服務平臺上注冊基本信息、技術指標、歷史加工案例等，其制造能力將作為一種“資源”在平臺上共享，其他企業或個人通過查找與咨詢來租賃與自己加工要求相匹配的制造能力，以實現制造資源與服務的開放式協作。

數控系統；無線移動單元；遠程監控；云制造服務

近年來，我國機械工程研究領域取得了一系列突出進展和原創性成果，但是機械工程科學在國際上總體還處于落后地位。未來制造技術的發展總趨勢是數字網絡化、智能集成化、高效精確化及極端制造化技術。采用德爾菲調查方法及研究分析，未來20年內，無線網絡技術、網絡光通信技術，衛星通信技術，基于網絡的虛擬制造技術等科學技術將有大的發展[1]。隨著世界經濟競爭格局正在發生的深刻變化，主要發達國家都提出“再工業化”戰略，并推出依靠科技創新重振制造業的重大舉措，新一輪工業革命正在深化[2]。譬如，德國政府提出的“工業4.0”戰略，旨在提高德國工業的競爭力，在新一輪工業革命中占領先機。制造業數字化智能化正是新的工業革命的核心技術，這其中，實現現場制造設備的廣泛互聯和遠程監控，正是未來研究的熱點之一[3]。在德國國家科學與工程院撰寫的《確保德國制造業的未來——對實施“工業4.0”戰略計劃的建議》一文中就提到了一個遠程監控的案例：現在的遠程服務是通過在機器供應商和用戶之間建立個人通信解決方案來實現的。技術員通常通過調制解調器直接連接到機器。在工業4.0戰略中，技術人員將不再手動連接到他們進行服務的機器。制造系統將作為“社交機器”進行運作——在網絡里，并且將自動連接到基于云計算的遠程監控平臺，用來尋找適合的專家來應對出現的問題。專家們能夠通過移動設備使用集成知識平臺、視頻會議工具和增強的工程方法來執行更有效的傳統遠程維護服務。通過將復雜的計算任務(如模擬和預測)從機器轉向門戶，可以使用大量的處理能力以確保它們能在最短的時間內運行，從而提供額外的生產力[4]。而移動互聯技術和智能掌上設備的飛速發展及其在其他領域的廣泛應用，必將對制造模式產生深刻的影響，為數字化制造帶來重大的機遇和挑戰[5]。此前，以合肥工業大學CIMS研究所王治森教授為首的科研團隊將最新無線通信技術和個人手持設備——掌上電腦PDA終端相結合，設計了一種便攜的、可移動的數控PDA和嵌入式機床控制器集成的新型數控系統[6]，已經在基于移動通信技術的車間數字助理和掌上數控課題方面取得了非常重要的成果。然而，數控PDA和機床控制器之間是通過藍牙技術實現近距離通信，由于藍牙技術的帶寬大約為1 Mbps，而傳輸距離一般為0.5～10 m[7]，嚴重限制了可同時控制的數控設備數量以及操作員的地理位置，不能將“可移動”的優勢充分發揮。此外，傳統個人數字助理也存在CPU速度比較低、待電時間短以及第三方軟件不夠穩定等問題。

因此，本文提出一種新的基于云制造的數控系統無線移動單元。此系統既可供現場操作工遠程移動操作數控機床，也可供企業管理層實時了解機器運行狀態，更有效地進行生產任務調度與管理。同時，對于發生故障的機器，處在異地的專家可以獲取其現狀及歷史運行數據，方便對其進行故障診斷，而企業內維修工人將第一時間得到專家診斷的結果，大大縮短因故障造成的停機時間，有效提高企業生產效率，增強競爭力。系統內的所有制造設備都會作為一種制造資源共享在云端平臺上，為其他有需求的企業或個人提供制造服務，充分利用社會資源。

1　總體架構及系統功能概述

本文提出的系統根據訪問所限制的地理位置可分為兩個模塊，分別是加工現場的手持數控模塊以及全球范圍的遠程監控平臺與云制造服務平臺模塊。其總體架構圖如圖1所示。

《半導體制造技術》一書中提出了半導體制造業E-診斷標準[8]，其中E-診斷功能根據能力水平的提高可分為4個等級，等級的提高基于一些混合因素，比如支持任務的順序執行、是否易于實現、是否可以減少人的因素以及增加自動化能力[9]。對于本文研究的制造系統，可以借鑒E-診斷標準來進行功能評估，其所具備的功能如表1所示。

表1功能總結(E-診斷標準)

功能(等級)描述具備此功能的模塊語音傳輸(0)提供參與者之間IP語音的能力RMP視頻傳輸(0)提高參與者之間流媒體視頻的能力RMP靜態圖像(0)在參與者之間交流靜態圖像的能力RMP、CMSP聊天功能(0)支持參與者之間文字聊天的能力RMP、CMSP文件傳輸(0)能夠為用戶提供文件傳輸功能RMP、CMSP數據收集-操作(1)提供收集設備數據代理,包括傳感器數據、工程測量數據或設備設置數據HNC、RMP數據收集-異常(1)由設備自動檢測的錯誤、警告、警報以及其他預期外的異常HNC、RMP數據存儲(1)數據存儲在系統中,供未來分析和報告使用RMP軟實時監控遠程設備操作(1)被授權的遠程用戶可以軟實時地檢測設備參數變化與/或狀態變化HNC遠程配置(1)允許遠程用戶訪問設備或設備環境分析以及修改設備軟件HNC遠程設備操作(1)遠程視圖及驅動用戶界面功能的能力,如同站在設備旁直接操作HNC歷史數據(2)提供查看歷史數據報表的功能,包括操作、異常和參數數據RMP報告操作和異常數據(3)提供足夠的細節以了解設備的操作和異常狀態HNC、RMP診斷決策支持(3)能夠應用邏輯或規則的數據做出簡單的而決定并啟動二次操作RMP

(HNC: Handheld Numerical Control；RMP: Remote Monitoring Platform；CMSP: Cloud Manufacturing Service Platform)

2　手持數控系統模塊

本文提出一種新型手持數控系統(HNC，handheld numerical control)，采用通用的手持智能移動設備(如智能手機、平板電腦)作為終端，利用成熟并且通用的Wi-Fi無線通信技術(Wi-Fi標準的帶寬可以達到11～108 Mbps，傳輸距離可以達到1 km[7]。加上中繼器之后其信號可以覆蓋整個工廠)，可以實時地遠程訪問與操作現場數控設備。目前，市場上很多高性能手持智能移動設備(以下簡稱“手持設備”)的出現，為HNC的研究提供了堅實的基礎和現實意義。

手持設備與多個數控系統之間的連接主要采用C/S架構(圖2)。手持設備充當服務器，主要包括界面展示層、業務邏輯層以及數據訪問層。數控系統充當客戶端，主要包括數據訪問層以及相關的數據更新程序。

2.1手持設備端

手持設備作為服務端，安裝自主研發的APP軟件HandheldNC。

出于安全考慮，手持設備必須與數控系統處于企業內部同一個無線局域網段內，此無線網必須采用先進技術進行加密(加密算法本文中不再贅述)。作為客戶端的數控系統只對指定MAC地址和IP地址的手持設備發送連接請求，即只有被指定的那個(或那些)手持設備才能與數控系統進行無線連接。此外，手持端APP軟件HandheldNC將采用指紋識別技術進行登錄，由企業對其所指定的操作工或管理人員進行授權。而HandheldNC會將使用者的姓名、工號以及登錄時間等信息記錄到數據庫中，以便日后查詢，安全責任落實到人。

當被授權的使用者成功登錄之后，軟件便呈現出企業內車間與機床的選擇界面。右邊選擇車間，左邊將會顯示這個車間內所有的數控機床。作為服務端的手持設備在登錄成功后便打開網絡端口，接受運行中并且打開網絡功能的數控系統的連接。若某一臺數控機床與手持設備連接成功，那么與其對應的機床圖片右下角的Wi-Fi按鈕將會呈現為藍色可選狀態，表示此數控機床可進行遠程監控。若未能成功連接，Wi-Fi按鈕將會呈現為灰色不可選狀態。此時，所有連接成功的數控系統將會實時監測其報警信息，若發生報警，數控系統會將報警時間、報警號等信息及時發送給手持設備。手持設備會在第一時間出現紅色報警信息框以提示操作工人。操作工根據情況需要可以對機床進行急停操作。遠程急停操作依賴于一個專門的急停控制中樞中心，該中心通過無線方式與數個急停控制單元相連。一個急停控制單元與一個機床相連接，是一個獨立的硬件模塊，并不依賴于數控系統。急停控制單元電路板成本低廉，無需改動機床操作面板原有布局及功能。急停模塊原理見圖3。

選中某個需要監控的機床之后，手持設備將進入與該機床的數控系統相匹配的操作界面。該界面與其系統界面保持高度一致，可以監測到數控系統上能呈現的所有運行狀態信息，并且可以實時地對其進行操作，所有功能與該數控系統本身的功能保持一致。也就是說，在手持設備上對數控系統進行操作與現場直接操作數控系統可以達到同樣的目的。

2.2數控系統端

企業內各個機床的數控系統作為客戶端，采用合肥工業大學CIMS研究所自主研發的、針對各種類型機床的數控系統。數控系統正常啟動之后，將由現場操作工選擇是否打開其網絡功能。如果網絡功能被打開，數控系統會向指定MAC地址和IP地址的手持設備發送連接請求。待成功建立連接后，數控系統會將機床運行狀態等相關信息實時地發送給手持終端，供其遠程監測。與此同時，等待手持設備的相關操作指令。

手持設備的操作指令發送給數控系統的網絡模塊，網絡模塊負責解讀指令并下發給系統相應執行模塊。手持設備端操作與現場數控系統端操作并不沖突，并且互相獨立，即便手持設備出現故障也不會影響到數控系統本身的功能。

3　遠程監控及云制造服務模塊(圖4)

遠程監控平臺主要提供現場制造設備狀態信息異地訪問，以及相關歷史數據存儲，供異地故障診斷專家分析。云制造服務平臺主要將各種制造設備信息共享，為有需求的企業或個人提供制造服務。

為了便于用戶使用方便，遠程監控及云制造服務模塊都采用B/S架構，任何安裝了瀏覽器的設備都可以進行訪問。

3.1數控系統端

HNC系統正常工作時，手持設備會將與其連接的所有機器的運行狀態發送至云端的數據庫服務器。數據庫服務器用于存儲機器歷史運行及故障等相關數據。任何被授權的用戶只需安裝瀏覽器就可以查詢機器相關信息。

每臺機器就如同一個在社交網絡上注冊的“人”，由所屬企業注冊，包括機器的基礎信息，更為重要的是其加工能力以及歷史加工案例展示。企業將其擁有的制造能力作為一種“制造資源”展示在“社交網絡”上，給有需求的企業或個人代工，收取一定的費用。可以充分利用其所擁有的制造裝備，在企業本身沒有加工任務的情況下提升其制造裝備的使用率，并為企業帶來一定的經濟收入，減少資源浪費。

3.2遠程監控平臺

遠程監控平臺擁有一個中心服務器，所有與之相連的數控機床會將它們的運行狀態信息以及發生故障時的故障信息發送給中心服務器。中心服務器把這些信息存儲起來當作歷史數據，作為訓練模糊神經網絡的樣本。當機床發生故障時，遠程監控平臺中的故障診斷模塊將會被啟動，利用模糊神經網絡加專家系統的方式對故障機床進行初步診斷，并將診斷結果返回給現場操作工或維修工。對于系統不能診斷的疑難故障，平臺將尋求遠程專家的人工診斷。遠程故障診斷專家既可以查詢到該故障機床歷史運行數據以及故障信息，他們還可以通過網絡攝像頭實時觀測機床，通過一系列傳感器了解機床運行時的噪聲、振動等信息，幫助其對故障進行判斷。同時，處于不同地理位置的專家們還可以采用視頻會議的方式，第一時間做出聯合診斷，將診斷結果發送至企業現場維修工人，有效地減少停機時間，降低維修成本。

3.3云制造服務平臺

云制造服務平臺利用信息技術實現制造資源的高度共享，建立共享制造資源的公共服務平臺，提供一個類似“社交網絡”的網站，把巨大的社會制造資源(大量企業、工廠或高校的制造裝備)連接在一起，將這些愿意提供制造服務的制造設備的相關信息進行公開，實現制造資源與服務的開放協作。其他企業或者個人用戶不再需要投入高昂的成本購買加工設備，而是在云制造服務平臺上通過查找與咨詢來租賃與自己加工要求相匹配的制造能力。被共享的制造設備的主要信息如表2所示。

表2制造設備主要共享信息

基本信息品牌、型號、生產廠商、生產日期、所屬單位技術指標技術參數、加工參數、平面圖歷史加工案例產品照片、檢測指標聯系方式所屬單位負責人聯系電話、傳真

4　測試與實驗

采用合肥工業大學CIMS研究所擁有的多套數控系統及多臺數控機床為實驗平臺，初步設計試驗原型系統的框架，各模塊功能實現及測試。

HNC功能測試如圖5所示。手持設備與一臺五軸聯動加工中心的數控系統相連，操作界面與數控系統界面保持高度一致，數控系統的相關數據實時傳輸給手持設備。

圖6所示的是一臺數控插齒機在加工時，手持設備通過互聯網訪問安裝在機床上的網絡攝像頭，可實時觀測加工狀態，并且可以控制攝像頭向4個方向偏轉。

5　總語

未來制造業必將向網絡化、智能化方向發展，并且制造能力也將成為一種資源，就像現在的水、電、煤氣一樣。本文結合了數控技術、信息技術、移動互聯技術和云計算技術等，實現多學科交叉，從實驗室角度對未來制造模式進行探索式研究，在技術層面上證明了其是可行的。

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[2]周濟. 制造業數字化智能化[J]. 中國機械工程, 2012, 23(20):2395-2400.

[3]劉日良, 張承瑞, 姜宇,等. 基于MTConnect的數控機床網絡化監控技術[J]. 計算機集成制造系統, 2013, 19(5):1078-1084.

[4]德國國家科學與工程院. 確保德國制造業的未來——對實施“工業4.0”戰略計劃的建議[Z]. 2013.

[5]王治森, 曹斌, 高榮. 采用無線通信技術的新型數控系統[J]. 制造業自動化, 2005, 27(1):47-51.

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Research and design a wireless mobile unit of numerical control system for cloud manufacturing mode

WANG Lichao, HAN Jiang, XIA Lian

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, CHN)

A wireless mobile unit of numerical control system for cloud manufacturing mode was proposed. The system could access and operate a numerical control system in industry field remotely and sent information of machine running status and fault to the remote monitoring platform in cloud server. Historical data for analysis of long-distance fault diagnosis experts could be stored in remote monitoring platform. Experts could observe machine running status in real time by network camera and other sensors and diagnosis to fault machine through video meeting. Every equipment in system would share its manufacturing capacity in cloud manufacturing service platform. Other enterprises or individuals would lease manufacturing capacity that matches their processing requirements in order to realize the open collaboration of manufacturing resources and services.

numerical control system; wireless mobile unit; remote monitoring; cloud manufacturing

TH166

A

王力超，男，1986年生，博士研究生，主要研究方向為計算機集成制造系統、數控設備網絡化、云制造服務等，已發表論文10余篇。

(編輯李靜)(2015-11-24)

160538

國家科技支撐計劃(2015BAF26B01)，安徽省重大科技攻關計劃項目(1301021005)