基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機床能耗監(jiān)測系統(tǒng)

張玉良+劉強+劉啟通

摘 要： 為監(jiān)測數(shù)控機床加工過程中的能量消耗，設(shè)計了一套基于ARM及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的機床電壓、電流、功率及電能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM?M3的嵌入式微控制器、三相電能專用計量芯片ATT7022以及HKL?RM04型號的WiFi模塊為核心，重點研究了利用ATT7022獲取機床的電信號數(shù)據(jù)以及使用網(wǎng)絡(luò)通信的方式發(fā)送數(shù)據(jù)的原理及其實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)軟硬件工作正常，能準(zhǔn)確測量機床運行過程中的電壓、電流、功率以及能耗，具備一定的可靠性，能夠滿足數(shù)控加工過程中的能耗監(jiān)測任務(wù)的要求。

關(guān)鍵詞： 能耗監(jiān)測； 數(shù)控機床； 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； 可靠性

中圖分類號： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0124?04

Network?based energy consumption monitoring system of numerical control machine tool

ZHANG Yuliang， LIU Qiang， LIU Qitong

（School of Mechanical Engineering and Automation， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： In order to monitor the energy consumption generated in machining process of numerical control machine tool， a machine tool′s voltage， current， power and energy consumption monitoring system based on network technology and ARM was designed. The embedded microcomputer ARM?M3， three?phase electric energy dedicated measuring chip ATT7022 and HLK?RM04 WiFi module are taken as the cores of this system. The principle and implementation of using ATT7022 to acquire the electrical signal data of the machine tool and adopting network communication for data sending are studied emphatically. The experimental result shows that the software and hardware of the system can work normally； the system can precisely measure the current， voltage， power and energy consumption in the operation process of machine tool， has a certain reliability， and can meet the requirement of energy consumption monitoring in the machining process of numerical control machine tool.

Keywords： energy consumption monitoring； numerical control machine tool； network technology； reliability

0 引 言

制造業(yè)作為推動國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，在為社會創(chuàng)造巨大財富的同時，也產(chǎn)生了特別大的資源消耗，特別是能源消耗。根據(jù)美國能源部門的調(diào)查，美國大概31%的能量消耗產(chǎn)生于制造業(yè)相關(guān)的工業(yè)活動[1]。機械制造業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，近年來，學(xué)術(shù)界和企業(yè)界對機械制造業(yè)能量消耗的問題進(jìn)行了深入研究，研究分析的結(jié)論指出[2]：機床應(yīng)用的數(shù)量巨大，涉及范圍廣，能量消耗的總量十分大，并且能量利用效率低，我國的機床能量利用效率平均低于30%，節(jié)能潛在空間巨大。

針對機床能耗問題，國內(nèi)外已有諸多的研究和應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]建立了機械加工系統(tǒng)的能量平衡方程，并對典型制造工藝的資源消耗進(jìn)行了研究[3]。文獻(xiàn)[4]提出一種支持企業(yè)能效評估的能源消耗過程仿真建模方法，可模擬企業(yè)生產(chǎn)過程中能源使用與消耗的動態(tài)行為，為企業(yè)提供直接能耗、間接能耗等相關(guān)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5]指出優(yōu)化加工過程中的切削參數(shù)可以降低機床能耗64%。文獻(xiàn)[6]指出采用輕量化設(shè)計可以節(jié)能達(dá)47%，碳排放至少減少30%。馬扎克的機械加工經(jīng)理Rocky Rowland稱，利用網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控并管理位于肯塔基州佛羅倫薩工廠的30多臺機器。從2013年11月—2014年12月，每月的機床總停機時間從604 h下降到182 h，利用率上升了11.4%，平均每月節(jié)省27 506美元[7]。據(jù)此，對數(shù)控機床運行狀態(tài)中的能量消耗過程進(jìn)行監(jiān)控，基于能耗過程分析，合理調(diào)度安排流水線上各個節(jié)點數(shù)控機床的工作時間，有著重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

實現(xiàn)機床能量消耗的監(jiān)測有多種手段，傳統(tǒng)的電能表擁有精度高、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，但同時，隨著技術(shù)的發(fā)展，具有通信功能的電能監(jiān)測系統(tǒng)可以記錄電能消耗的時間軌跡，同時其與電腦的實時通信更有利于將監(jiān)測到的電信息應(yīng)用于機床的智能控制。而采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式可以將監(jiān)測到的電信息方便地傳輸至平板，從而實現(xiàn)在一個平板上對多臺機床甚至整個車間的同時監(jiān)控。endprint

本文針對數(shù)控機床能量消耗監(jiān)測問題，提出一種基于ARM和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的機床能量消耗監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)了其中軟硬件的功能，實驗結(jié)果證明，該機床能耗監(jiān)控系統(tǒng)能正確檢測機床實時的電能消耗，并具有一定的可靠性，可應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實際。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)為了實現(xiàn)采集電流、電壓信號，并由此計算出功耗，需要對系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行設(shè)計。首先需要電流、電壓傳感器分別采集A相、B相、C相三路電流、電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將連續(xù)的模擬電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)處理之后，再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控端。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機床能量消耗監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 芯片及傳感器選擇

1.1.1 電能計量芯片選擇

為了采集得到機床消耗的電能，最簡單直接的方式就是采用電能計量芯片。上海鉅泉光電科技有限公司開發(fā)的ATT7022是一款應(yīng)用于三相電能專用計量高精度芯片，該芯片適用于三相三線及三相四線的應(yīng)用，有功測量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)0.2S級、0.5S級，支持IEC 62053?22電表標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足采集機床電能消耗的要求。

根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊，ATT7022集成了7路二階[Σ?Δ]ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)。將ATT7022應(yīng)用于機床能耗監(jiān)測，不僅能夠滿足最基本的能耗監(jiān)測需求，還能獲得三相的電流、電壓、有功功率等數(shù)據(jù)，可用于對改進(jìn)機床的使用、優(yōu)化加工策略、提高加工質(zhì)量等。

ATT7022提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計量及校表參數(shù)的傳遞，這樣可以方便地從芯片內(nèi)部獲取經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)。

1.1.2 電流傳感器和電壓傳感器

為配合電能計量芯片ATT7022采集得到機床消耗的電能，需要選用電流傳感器和電壓傳感器對機床的電流、電壓進(jìn)行采樣。ATT7022通過將采樣值進(jìn)行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運算得到電流、電壓，并計算出有功功率和有功能量。

選用淄博元星生產(chǎn)的TV31B02電壓互感器對電壓進(jìn)行采樣，對機床的三相四線（其相電壓為220 V）并聯(lián)一個110 kΩ電阻對電壓進(jìn)行取樣，并讓其通過電壓互感器。該電壓互感器的輸入輸出為2 mA/2 mA，在交流電情況下，其產(chǎn)生的次級串聯(lián)一個50 Ω的電阻，互感器將產(chǎn)生一個有效值為0.1 V的正弦信號，滿足測量要求。

電流傳感器選用淄博元星生產(chǎn)的TA32BM型號的電流互感器。其輸入輸出比例為5 A/2.5 mA，假設(shè)機床最大電流為20 A，次級線圈將產(chǎn)生10 mA正弦電流，利用50 Ω電阻取樣，將得到有效電壓為0.5 V的交流電信號，從而滿足測量要求。

1.1.3 WiFi模塊

為實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，需要選用一個無線模塊實現(xiàn)其功能。這里選用深圳Hi?Link公司生產(chǎn)的HLK?RM04型號WiFi模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3個接口之間的任意轉(zhuǎn)換。這里設(shè)置使用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)無線網(wǎng)（WiFi）的功能，從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。模塊將使用WiFi模塊的串口轉(zhuǎn)WiFi功能，通過串口與STM32F103連接，將數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送。

1.1.4 微處理器

微處理器MCU主要負(fù)責(zé)對采集過程進(jìn)行編程控制，協(xié)調(diào)各個模塊運行的優(yōu)先級，協(xié)助調(diào)用系統(tǒng)資源。MCU通過SPI接口與ATT7022通信，讀取到相關(guān)的電信號參數(shù)。MCU通過串口與WiFi模塊連接，可以設(shè)置WiFi的相關(guān)參數(shù)（要連接的無線網(wǎng)絡(luò)SSID和密碼），并經(jīng)由WiFi模塊，將從ATT7022得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測端。選用STM32F103型號的ARM芯片作為MCU。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括下位機軟件和上位機軟件。下位機軟件主要實現(xiàn)對電流、電壓、功率、電能的采集處理發(fā)送。上位機軟件的功能主要是接收下位機采集到的各種信息并顯示，以達(dá)到監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)的目的。

2.1 下位機軟件設(shè)計

在Keil μvision5編程環(huán)境下，利用C語言設(shè)計下位機。下位機軟件實現(xiàn)的具體功能有：初始化ATT7022，設(shè)置SPI接口參數(shù)，并啟動ATT7022進(jìn)行采樣。設(shè)置WiFi模塊要連接的無線網(wǎng)絡(luò)的SSID和密碼。ATT7022自帶的16位ADC將以3.2 kHz的速率進(jìn)行采樣，其內(nèi)部的指令處理完采樣數(shù)據(jù)后將得到有物理意義的電信號參數(shù)，包括各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率、有功功率、有功電能等。MCU循環(huán)讀取ATT7022采集處理后的數(shù)據(jù)，并通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。下位機流程圖如圖2所示。

其中ATT7022以3.2 kHz的采樣頻率對機床的電信號進(jìn)行采樣，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，分別對電流電壓的采樣值進(jìn)行平方、開方和數(shù)字濾波得到電流有效值、電壓有效值。電流有效值為：

[I=1ni=1ni2n] （1）

式中[in]是第[n]次采樣得到的瞬時電流值。

電壓有效值為：

[U=1ni=1nu2n] （2）

其中[un]表示第[n]次采樣得到的瞬時電壓值。

根據(jù)有效電流和有效電壓，計算有功功率：

[P=1nn=0nU（n）×I（n）] （3）

式中：[U（n）]表示第[n]次計算得到的有效電壓值；[I（n）]表示第[n]次計算得到的電流有效值。

得到單相的功率后，計算三相的有功功率：

[P=Pa+Pb+Pc] （4）

根據(jù)瞬時功率得出能量消耗為：

[E=Pdt] （5）

2.2 上位機軟件設(shè)計

利用Visual Studio開發(fā)環(huán)境和C#語言，開發(fā)基于PC的監(jiān)控軟件，接收處理下位機采集到的電信號。使用socket編程接口能方便地建立TCP連接中的TCP服務(wù)器，從而建立可靠的連接。利用Eclipse開發(fā)環(huán)境和Java語言開發(fā)基于安卓的監(jiān)控軟件，與PC端一樣，安卓端的監(jiān)控軟件一樣利用socket編程接口實現(xiàn)。TCP作為一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

下位機被設(shè)計為TCP連接中的客戶端，上位機設(shè)計成TCP連接中的服務(wù)器。PC或者安卓連接路由器建立無線網(wǎng)，上位機獲取本地的IPv4地址并將其設(shè)置為TCP服務(wù)器的IP地址。將上位機監(jiān)測軟件的IP和端口設(shè)置進(jìn)下位機，同時設(shè)置WiFi模塊連接路由器。啟動上位機，點擊“開始監(jiān)測”按鈕，上位機開啟TCP偵聽，下位機啟動后，發(fā)起連接請求，當(dāng)連接成功后，下位機將自動發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)至上位機。

3 運行測試

軟硬件設(shè)計完成后，利用實驗室與山東魯南機床有限公司合作開發(fā)的五軸數(shù)控機床XH7132測試監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。首先進(jìn)行校表，將模塊接入機床電氣柜，并運行一段空程序，使機床處于運行狀態(tài)并監(jiān)測其電流、電壓、功率以及電能消耗變化。同時利用虹潤精密儀器生產(chǎn)的NHR?3300系列三相綜合電量表對機床進(jìn)行監(jiān)測，以此為標(biāo)準(zhǔn)對監(jiān)測模塊進(jìn)行校準(zhǔn)。將實驗得到的校表參數(shù)寫入下位機對開發(fā)的機床能耗監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。實驗系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

校表完成后，在機床運行時，利用搭建機床能量消耗監(jiān)控系統(tǒng)對機床能耗進(jìn)行監(jiān)控，并記錄數(shù)據(jù)。PC和安卓端監(jiān)控界面如圖4，圖5所示。

圖中，[Va，Vb，Vc，V]分別代表A，B，C三相的有效電壓和三相電壓矢量和；[Ca，Cb，Cc，C]分別代表A，B，C三相的有效電流和三相電流矢量和；[Pt，Qt，qf1]分別代表有功功率、無功功率和視在功率；[Ept]和[Eqt]分別代表三相有功電能和三相無功電能。將測得的數(shù)據(jù)與NHR?3300數(shù)字電量表進(jìn)行對比，實驗結(jié)果表明監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)控機床能耗監(jiān)控系統(tǒng)，并在機床運行過程中進(jìn)行了驗證，證明了軟硬件系統(tǒng)的可靠性。該機床能耗采集系統(tǒng)可以廣泛地用于各種設(shè)備的能耗監(jiān)測，而其采用的數(shù)據(jù)發(fā)送方式簡單易用，易于在不同的設(shè)備上實現(xiàn)，同時因為網(wǎng)絡(luò)的特點可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的能耗監(jiān)測，具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] BOURNAZIAN J. US energy information administration [R]. US： INFO， 2011.

[2] 胡韶華.現(xiàn)代數(shù)控機床多源能耗特性研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[3] 劉飛，徐宗俊，但斌.機械加工系統(tǒng)能量特性及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[4] 馬福民，王堅.支持企業(yè)能效評估的能源消耗過程仿真方法[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2008，14（12）：2361?2368.

[5] MORI M， FUJISHIMA M， INAMASU Y， et al. A study on energy efficiency improvement for machine tools [J]. CIRP annals： manufacturing technology， 2011， 60（1）： 145?148.

[6] NEUGEBAUER R， WABNER M， RENTZSCH H， et al. Structure principles of energy efficient machine tools [J]. CIRP journal of manufacturing science & technology， 2011， 4（2）： 136?147.

[7] MIKE Bacidore. Mazak improves OEE with MTConnect [EB/OL]. [2015?07?16]. http：//www.controldesign.com/articles/2015/mazak?improves?oee?with?mtconnect/.endprint