基于GPRS的多工位冷鐓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

顧 艷，汪木蘭，趙雪雅

（南京工程學(xué)院，先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167）

0 引言

多工位冷鐓機(jī)是一種加工標(biāo)準(zhǔn)件的鍛壓機(jī)械，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行速度快，鐓鍛力大。如果機(jī)床調(diào)整不當(dāng)，某一運(yùn)動(dòng)部位稍不協(xié)調(diào)，或者材料硬度偏差較大超過一定范圍，都會(huì)隨時(shí)發(fā)生故障，甚至設(shè)備會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞。多工位冷鐓機(jī)的故障發(fā)生率一般是比較高的，尤其是砸車等常見故障的發(fā)生，如不及時(shí)1 停機(jī)將會(huì)導(dǎo)致砸毀夾料鉗體，損壞模具等嚴(yán)重后果，致使機(jī)床難以修復(fù)，停工停產(chǎn)，是冷鐓機(jī)的操作人員最為擔(dān)心的事情[1]。

目前，企業(yè)正在使用的冷鐓機(jī)大多數(shù)不帶有監(jiān)控系統(tǒng)，在沒有采用可靠監(jiān)控手段的情況下，容易導(dǎo)致廢品產(chǎn)生，造成生產(chǎn)效益不能與設(shè)備的加工速度同步增長，限制了勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。采取一種行之有效的監(jiān)控方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別冷鐓機(jī)的常見故障，以做出相應(yīng)決策，避免嚴(yán)重故障發(fā)生，是十分必要的。遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，對故障代碼進(jìn)行分析，并提供有效的故障解決方案。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠大大提高冷鐓機(jī)的使用壽命，降低冷鐓機(jī)的使用和維修成本，為冷鐓機(jī)操作帶來很多便利，也提高了企業(yè)生產(chǎn)工藝和管理水平，對我國機(jī)械加工自動(dòng)化的發(fā)展將具有很大的促進(jìn)作用[2,3]。

1 冷鐓加工工藝及冷鐓機(jī)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(guān)鍵是對冷鐓模具結(jié)構(gòu)以及鐓制工藝的設(shè)計(jì)。對于一般的冷鐓成形加工，根據(jù)冷鐓工藝的要求，至少有三個(gè)工位，對于復(fù)雜的零件有的甚至有更多工位同步加工。

1.2 冷鐓機(jī)工作原理

冷鐓機(jī)的工序節(jié)拍如圖1 所示。

多工位冷鐓機(jī)的主要功能部件由主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)和人機(jī)界面模塊等構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)鐓壓、切料、送料、頂料和機(jī)械手送料等動(dòng)作功能，其總體方框結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 多工位冷鐓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of multi-station cold heading machine

2 總體方案

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由冷鐓機(jī)、微處理器、SIM900 模塊、GPRS 移動(dòng)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程維護(hù)中心等組成。冷鐓機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成如圖3 所示。

冷鐓機(jī)的電氣控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)通過RS-232接口與SIM900 透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS 網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程維護(hù)中心負(fù)責(zé)對遠(yuǎn)端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，并通過與數(shù)據(jù)庫的連接，實(shí)現(xiàn)故障部位和故障原因的分析，然后顯示相應(yīng)的解決方案，同時(shí)將有效數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System architecture of monitoring system

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件分析

系統(tǒng)硬件由微處理器、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，主控模塊實(shí)物如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主模塊實(shí)物圖Fig.4 The picture of main module for the monitoring system

3.1 微處理器

監(jiān)控系統(tǒng)采用ARM 公司推出的基于Cotex-M3 內(nèi)核的STM32 處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心。芯片STM32采用2.0V 到3.6V 電源供電和I/O 引腳，時(shí)鐘頻率可達(dá)到72MHz，0 等待周期的存儲(chǔ)器，單周期乘法和硬件除法。內(nèi)部帶有256～512KB 的Flash 程序存儲(chǔ)器，帶有4個(gè)片選靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器。其集成性高、低功耗、功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉等特點(diǎn)充分滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了實(shí)現(xiàn)用戶能夠利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控冷鐓機(jī)，利用了GPRS 模塊的數(shù)據(jù)傳輸功能。GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，是在GSM 基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種新型的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、高速傳輸、自如切換、快捷登錄等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于間斷性、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，該技術(shù)特點(diǎn)正好適用于工業(yè)上的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)采用SIMCOM 公司的SIM900 GSM/GPRS 模塊作為數(shù)據(jù)傳輸部分的核心器件。它可以通過發(fā)送SMS 短信或者通過內(nèi)嵌的TCP/IP 協(xié)議，連接固定的IP 地址和端口號實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。該模塊采用了非常強(qiáng)大的ARM926EJS 單芯片處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價(jià)比高，工作頻率為850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。

STM32 通過AT 指令和SIM900 模塊進(jìn)行通信，整個(gè)通信過程可以分為： ①初始化。STM32 處理器發(fā)送AT 指令，控制GPRS 模塊，完成系統(tǒng)的啟動(dòng)，初始化串口，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、數(shù)據(jù)流控制、奇偶校驗(yàn)等，如使用AT+IPR= “115200”，把波特率設(shè)置為115200b/s；②配置參數(shù)。在GPRS 通信過程中，需要使用一些重要的參數(shù)，只要配置項(xiàng)有： 設(shè)置進(jìn)入網(wǎng)關(guān)、設(shè)置移動(dòng)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(wù)器，連接成功后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的特明傳輸。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計(jì)需要監(jiān)測冷鐓機(jī)的多種電氣參數(shù)，例如： 各工位鐓鍛力實(shí)時(shí)顯示，模具、剪切、夾鉗、送料系統(tǒng)的故障狀況，滑塊的運(yùn)動(dòng)情況等?？梢园凑招枰x擇不同類型的傳感器。

4 遠(yuǎn)程維護(hù)平臺(tái)

本設(shè)計(jì)采用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件為SQL Server 2010，該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在安全性、準(zhǔn)確性和運(yùn)行速度方面，并且處理數(shù)據(jù)量大，效率高；采用Microsoft 公司的Microsoft Visual Studio 2010 為主要的開發(fā)工具，可以與SQL Server 2010 數(shù)據(jù)庫無縫連接： 采用C# 作為開發(fā)語言，Microsoft.Net 在應(yīng)用程序開發(fā)領(lǐng)域里開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的時(shí)代，C#.NET 語言從C 和C++語言演化而來，是一種簡單但功能強(qiáng)大的編程語言。遠(yuǎn)程維護(hù)平臺(tái)可以進(jìn)行故障診斷，提出相應(yīng)的故障排除方案并予以記錄保存，然后根據(jù)各種實(shí)測的狀態(tài)參數(shù)判斷出機(jī)器的運(yùn)行情況，計(jì)時(shí)調(diào)整加工工藝參數(shù)，從而高效加工出高質(zhì)量的零件。

首先登陸系統(tǒng)，接著與數(shù)據(jù)庫連接，打開服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)端口，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。一旦接收到數(shù)據(jù)，使用字符串在數(shù)據(jù)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(dòng)查詢故障，并且在數(shù)據(jù)庫內(nèi)增加記錄。相應(yīng)的界面如圖5 所示。

圖5 遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)界面Fig.5 Interface of remote maintenance system

5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)至關(guān)重要的部分，本次設(shè)計(jì)使用Keil4作為系統(tǒng)軟件的編譯調(diào)試軟件，本系統(tǒng)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(fā)送等，相應(yīng)軟件流程如圖6 所示。

首先給模塊上電，完成各個(gè)模塊的初始化以及開中斷，STM32 給SIM900發(fā) 送 AT 指令，使得SIM900 連接到GPRS 網(wǎng) 絡(luò)并登錄到服務(wù)器，登陸成功后，進(jìn)入主循環(huán)，若接收到故障代碼，則發(fā)送到遠(yuǎn)程維護(hù)平臺(tái)，等待下一次故障代碼的接收。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)軟件主流程圖Fig.6 Software flowchart of monitoring system

6 結(jié)論

本文對基于GPRS 的嵌入式多工位冷鐓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的介紹，在實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，能及時(shí)傳送故障代碼。冷鐓機(jī)用戶可以在遠(yuǎn)程維護(hù)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測到冷鐓機(jī)的運(yùn)行情況。系統(tǒng)具有低功耗，壽命短，可移植等優(yōu)點(diǎn)，可以運(yùn)用在各種數(shù)控機(jī)床上，有著非常好的發(fā)展前景。另外，下階段還可以開展進(jìn)一步的研究工作，在遠(yuǎn)程維護(hù)平臺(tái)以視頻的形式實(shí)時(shí)監(jiān)測冷鐓機(jī)的運(yùn)行狀況；增加監(jiān)控對象，實(shí)現(xiàn)對冷鐓機(jī)群的監(jiān)控；建立并完善專家系統(tǒng)，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)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(fù)雜問題。

[1] 劉志剛.冷鐓機(jī)故障的在線檢測[J].機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化，2007，4.

[2] 王曉強(qiáng).冷擠壓設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)，2007，3.

[3] 侯明亮，張金政，張代濤，等. 多工位冷鐓機(jī)生產(chǎn)過程狀態(tài)監(jiān)控方法及數(shù)據(jù)處理[J]. 萊陽農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，1.

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

[5] 周雪松，許立瑾，邵寶福，等. 基于GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，1.

[6] 王鐵流，馮正乾，周尚，等.基于SIM900 的無線遠(yuǎn)程海洋監(jiān)測終端機(jī)的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2012，12.