基于CPS數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

張 瑤

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系，山西 長治 046000)

0 引言

《中國制造2025》中所提出的戰(zhàn)略舉措，強(qiáng)調(diào)指出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化在工業(yè)制造業(yè)中要作為核心技術(shù)[1]。新一輪科技革命所包含的智能制造、能源互聯(lián)網(wǎng)為中國裝備制造業(yè)技術(shù)的突破提供了牽引動(dòng)力，也為裝備制造業(yè)特別是高端裝備制造業(yè)提供了巨大的市場，其中機(jī)床行業(yè)是信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)重要的交匯點(diǎn)，對新技術(shù)具有較強(qiáng)的敏感度和適應(yīng)性[2]。

目前，傳統(tǒng)企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床大多是功能單一的數(shù)據(jù)孤島式的，而且資源不能有效利用和整合。將人、機(jī)器和數(shù)據(jù)相互連接構(gòu)成信息物理融合系統(tǒng)即CPS(Cyber-Physical System)，是將3C(Computing，Communication，Control)技術(shù)融合于一體的多維智能系統(tǒng)，系統(tǒng)優(yōu)勢在于綜合功能的可擴(kuò)展、系統(tǒng)性能效率的提升和整體資源的優(yōu)化配置，為傳統(tǒng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化提供了一個(gè)很好的解決方案，同時(shí)為智能制造的監(jiān)控監(jiān)測提出了更高的要求與更明確的方向，有效推動(dòng)了信息物理系統(tǒng)和智能監(jiān)測的綜合發(fā)展[3]。針對數(shù)控機(jī)床加工過程中出現(xiàn)的故障監(jiān)測不及時(shí)、監(jiān)測方法方式單一和CPS的實(shí)際應(yīng)用差等問題，本文提出了一個(gè)基于CPS的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以UML建模方法論、CPS五層模型為理論指導(dǎo)，以WinCC、PLC編程、數(shù)據(jù)采集技術(shù)為硬件組態(tài)設(shè)計(jì)方案，以Java語言編程結(jié)合前端開發(fā)語言、Ajax局部刷新技術(shù)、接口技術(shù)為服務(wù)器端系統(tǒng)開發(fā)方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)床刀具狀態(tài)、溫度、加工路徑、診斷等的遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)功能主要包含機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)信號采集顯示、機(jī)床參數(shù)采集顯示、刀具路徑監(jiān)測、偏移量監(jiān)測、溫度監(jiān)測、進(jìn)給監(jiān)測、主軸速度監(jiān)測、急停操作、故障統(tǒng)計(jì)、狀態(tài)分析、報(bào)警預(yù)警、分析和處理等。

CPS注重于物理空間與信息空間的資源整合與分配，通過兩個(gè)空間不斷的融合交互，以可靠、安全、實(shí)時(shí)、高效的方式監(jiān)控物理系統(tǒng)，使物理系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同運(yùn)作，共同完成加工任務(wù)[4]。圖1為數(shù)控機(jī)床物理系統(tǒng)理論模型，本系統(tǒng)將參與的人和產(chǎn)品融入信息物理系統(tǒng)，智能連接層將功能部件、數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)與傳感器深度嵌入完成信息采集；數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層和網(wǎng)絡(luò)層將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸給CPS模型；認(rèn)知層將任務(wù)分解，將數(shù)據(jù)代入計(jì)算模型進(jìn)行輸入輸出；控制層連接上位機(jī)與管理系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互[5]。

圖1 數(shù)控機(jī)床物理系統(tǒng)理論模型

2 模塊化單元結(jié)構(gòu)建模

數(shù)控機(jī)床既包含由電子控制、伺服系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感模塊等組成的控制系統(tǒng)，也包含由遙感臂(動(dòng)力臂)、機(jī)械軸、電機(jī)、集成芯片等組成的機(jī)械硬件主體部分。本文研究的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用OOP(面向?qū)ο?的建模方式，結(jié)合數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)和硬件主體，通過UML的3類重要元素來描述復(fù)雜物理架構(gòu)的相互關(guān)系，映射出物理單元、邏輯塊和參與者之間的關(guān)系，從而設(shè)計(jì)出更加符合業(yè)務(wù)場景的監(jiān)測系統(tǒng)。

本文運(yùn)用Bruce Powel Douglass提出的高效建模方法，按照圖2所示模塊化單元節(jié)點(diǎn)建模流程，完成了如何識別物理設(shè)備動(dòng)作、事件、消息來源(含總線消息)、隊(duì)列數(shù)據(jù)、目標(biāo)操作。

圖2 模塊化單元節(jié)點(diǎn)建模流程

建模流程節(jié)點(diǎn)反映了數(shù)控機(jī)床生命周期內(nèi)不同的行為和定義，通過用例圖、序列圖、類圖、狀態(tài)圖、組件圖、活動(dòng)圖、協(xié)作圖完美表達(dá)電氣設(shè)備與機(jī)械主體之間功能、結(jié)構(gòu)、行為之間的關(guān)系，也為系統(tǒng)開發(fā)提供模型依據(jù)。

序列圖用來描述多個(gè)對象之間的邏輯交互的動(dòng)態(tài)協(xié)作，在數(shù)控機(jī)床中反映為對信息流和時(shí)序的描述。圖3為模塊化節(jié)點(diǎn)活動(dòng)序列模型，左上角對應(yīng)角色為操作人員，水平方向是對象包含初始設(shè)置、信息顯示、加工、輔助加工，表達(dá)了參與交互的對象在時(shí)間維度上沿垂直方向生命線執(zhí)行的操作過程，從開始啟動(dòng)、信息顯示到機(jī)床加工環(huán)節(jié)、輔助環(huán)節(jié)與角色之間的消息互動(dòng)，既有同步消息，也有異步消息，同步消息是把控制傳遞給操作人員就停止活動(dòng)，等待操作者的反饋，異步消息是把消息發(fā)給操作者后繼續(xù)自己的活動(dòng)，不用等待返回消息，直至結(jié)束。

圖3 模塊化節(jié)點(diǎn)活動(dòng)序列模型

類圖描述的是實(shí)體與對象、實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系，本文指的是機(jī)床對象與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，人機(jī)交互關(guān)系類圖如圖4所示。圖4中，菱形箭頭表示組合關(guān)系，單向箭頭表示有方向的關(guān)聯(lián)關(guān)系，數(shù)字表示1對1或1對多。類圖將人機(jī)交互界面所涉及的器件(顯示屏、LED指示燈、按鈕、開關(guān))及動(dòng)作抽象為類，描述了機(jī)床工具與接口、傳感器、指示燈、操作按鈕之間的實(shí)體關(guān)系。

圖4 人機(jī)交互關(guān)系類圖

3 數(shù)控機(jī)床硬件組態(tài)設(shè)計(jì)

WinCC是實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化的重要平臺(tái)，能夠提供完善的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能，本文中的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)硬件組態(tài)設(shè)計(jì)需要完成以下三大步驟：①在WinCC變量管理器中設(shè)置和管理變量，進(jìn)行畫面組態(tài)設(shè)計(jì)和腳本設(shè)計(jì)[6]；②在滿足通信協(xié)議基礎(chǔ)上完成驅(qū)動(dòng)與I/O模塊設(shè)計(jì)，模擬輸入輸出量、進(jìn)給量、開關(guān)量[7]；③完成PLC(S7-1200)與WinCC通信數(shù)據(jù)采集[8]。

為了實(shí)現(xiàn)刀具路徑、偏移量、變頻器溫度等硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，PLC和WinCC上位機(jī)均采用模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，PLC程序模塊功能表如表1所示。

表1 PLC程序模塊功能

通過WinCC上位機(jī)畫面組態(tài)設(shè)計(jì)和腳本設(shè)計(jì)，完成了程序運(yùn)行情況監(jiān)測、手動(dòng)運(yùn)行程序、刀具路徑監(jiān)測、偏移量監(jiān)測，主監(jiān)測界面如圖5所示。

圖5 WinCC主監(jiān)測界面

4 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Web服務(wù)器模塊開發(fā)是基于MVC(模型-視圖-控制器)三層架構(gòu)，對數(shù)據(jù)顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層進(jìn)行設(shè)計(jì)，技術(shù)棧包括：Java的SpringMVC、MyBatis框架，前端H5+CSS+JSP+Ajax，圖形展示Echarts插件[9-10]。WinCC采集數(shù)據(jù)后通過本地服務(wù)配置、腳本代碼編寫與遠(yuǎn)程服務(wù)器關(guān)聯(lián)，將采集好的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。整個(gè)Web服務(wù)器展示如圖6監(jiān)測界面所示，功能模塊有數(shù)控機(jī)床工具監(jiān)測模塊、檢修模塊、預(yù)警告警模塊、查詢展示模塊、系統(tǒng)管理模塊、機(jī)床信息分布模塊、生產(chǎn)報(bào)表輸出模塊。工具監(jiān)測包含溫度監(jiān)測、刀具監(jiān)測、路徑檢測、進(jìn)給監(jiān)測、主軸監(jiān)測，后續(xù)根據(jù)監(jiān)測任務(wù)的需求可擴(kuò)展監(jiān)測內(nèi)容。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠完成遠(yuǎn)程監(jiān)測任務(wù)。

圖6 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)刀具監(jiān)測

5 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是一套綜合性的復(fù)雜系統(tǒng)，對計(jì)算機(jī)技術(shù)、工控技術(shù)、電氣技術(shù)都有所涉及，本文在基于UML建模方法論、CPS五層模型的理論指導(dǎo)前提下，結(jié)合WinCC組態(tài)設(shè)計(jì)、PLC編程通信、B/S系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)床刀具狀態(tài)、溫度、加工路徑等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，為數(shù)控機(jī)床的智能化、遠(yuǎn)程監(jiān)測提供了可執(zhí)行解決方案。