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

殷振

（大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引言

制造業(yè)的競爭已進(jìn)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(wù)水平并縮短交貨期。然而，受市場波動(dòng)的影響，生產(chǎn)計(jì)劃管理上越來越難，對(duì)車間生產(chǎn)的引導(dǎo)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(jī)床是科技含量非常高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是制造其它工業(yè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)，也是發(fā)展和振興我國制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一。數(shù)控機(jī)床作為制造業(yè)的基礎(chǔ)，必須具有高質(zhì)量、高產(chǎn)量和反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)和需求的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)床的管理維護(hù)方式也提出了新的要求，為了滿足這種要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程的全程可監(jiān)控，可將新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到數(shù)控機(jī)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(shù)的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)。

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

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)是通過對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中的各種動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控底層設(shè)別的運(yùn)行狀態(tài)，采集設(shè)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(luò)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(shí)反饋給計(jì)劃層［3］。建立數(shù)控機(jī)床基本信息維護(hù)模塊，該模塊的作用是建立設(shè)備的信息表和對(duì)設(shè)備資料進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用管理，完成對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和處理，并將處理結(jié)果反饋給制造商和用戶。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)概述

數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)囊括了計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)控加工技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，其作用是監(jiān)測數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行情況、加工過程的參數(shù)以及數(shù)控機(jī)床是否平穩(wěn)運(yùn)行，并將監(jiān)測結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸送到后臺(tái)信息管理系統(tǒng)，由信息管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程的狀態(tài)和維護(hù)情況進(jìn)行統(tǒng)一的管理。其中：數(shù)控機(jī)床的基本情況包括數(shù)控機(jī)床的名稱、型號(hào)、加工能力、工時(shí)系數(shù)和加工工藝進(jìn)行錄入建立設(shè)備的履歷表等；加工過程的參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等；影響數(shù)控機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)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(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)主要由3部分組成，層次結(jié)構(gòu)自底向上分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)控機(jī)床感知層部分包括射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽、RFID探測器和各種傳感器，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集與感知，感知的對(duì)象可以是單獨(dú)存在的物體，也可以是一個(gè)特定的區(qū)域［4］。安裝在數(shù)控機(jī)床各功能部件上的傳感器實(shí)時(shí)采集部件的平穩(wěn)狀態(tài)信號(hào)，在采集過程中，傳感器信號(hào)獨(dú)立于數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行信號(hào)。RFID標(biāo)簽與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行綁定，產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，且RFID標(biāo)簽具有全球唯一性，不會(huì)產(chǎn)生重復(fù)。在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行現(xiàn)場安裝RFID探測器，可以全天候接收標(biāo)簽傳來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入網(wǎng)絡(luò)層，這些數(shù)據(jù)為數(shù)控機(jī)床的監(jiān)控提供了保障。

圖1 數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層由一些網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、交換機(jī)、路由器等設(shè)備構(gòu)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(luò)。RFID探測器和主干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸要借助中間件［5］和通用無線分組業(yè)務(wù)（general packet radio service,GPRS）。數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)中間件的功能是實(shí)現(xiàn)RFID硬件設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、過濾和數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)數(shù)控機(jī)床感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。該層主要是通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，以便對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行管理維護(hù)。

應(yīng)用層的主要功能是處理所收集的數(shù)據(jù)和判斷機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)。首先，它接收來自各機(jī)床的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)行設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)與管理，對(duì)由于使用、檢查維修、管理的原因造成的機(jī)械、動(dòng)力、電訊、儀器儀表等設(shè)備的損壞進(jìn)行記錄，對(duì)其維修過程進(jìn)行文檔保存，方便以后的問題能及時(shí)得到解決。

圖2 數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)中間件的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件和軟件構(gòu)成。硬件部分包括傳感器、RFID探測器的布置以及網(wǎng)絡(luò)線路的搭建；軟件部分是監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它由數(shù)據(jù)交換中心、機(jī)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(shù)在數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)通過監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)反映到終端上，設(shè)備管理員在監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)程，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)狀態(tài)進(jìn)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(yuǎn)程故障診斷技術(shù)。總之，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)滿足如下功能：

1）對(duì)機(jī)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(wù)器數(shù)據(jù)庫中，并設(shè)置了訪問權(quán)限，確保了程序的安全。

2）設(shè)定機(jī)床維護(hù)時(shí)間，每隔一段時(shí)間對(duì)機(jī)床做定期維護(hù)保養(yǎng)，避免給機(jī)床帶來無法修復(fù)的損失。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)機(jī)床運(yùn)行狀況做出評(píng)估，預(yù)防機(jī)床故障的發(fā)生。

4）機(jī)床通信模塊具有很好的遠(yuǎn)程維護(hù)性及易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有很好的擴(kuò)展性和兼容性。

5）系統(tǒng)配置全部在服務(wù)器上進(jìn)行，不會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生影響，方便、安全、可靠。

2.2 實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)主要由4部分組成：數(shù)據(jù)交換中心，機(jī)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(duì)機(jī)床上傳數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收與解析，并能對(duì)其中一些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，找出機(jī)床運(yùn)行過程中的異常信息。

機(jī)床智能終端部分：負(fù)責(zé)機(jī)床通信系統(tǒng)和信息顯示。

監(jiān)控中心系統(tǒng)：負(fù)責(zé)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床在生產(chǎn)過程中的運(yùn)行狀態(tài)并將運(yùn)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(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)思路，在數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部件上安裝傳感器，通過機(jī)床上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知模塊，將傳感器信息傳遞到RFID標(biāo)簽，標(biāo)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(dòng)探測器來接收機(jī)床上RFID標(biāo)簽發(fā)送的機(jī)床加工狀態(tài)和加工進(jìn)度等信息，這樣管理人員就可以及時(shí)方便地掌握生產(chǎn)的進(jìn)度和情況。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

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(jié)構(gòu)”總體方案，其中三層結(jié)構(gòu)由監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［6］，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)，該架構(gòu)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(zhuǎn)發(fā)和控制上傳與下達(dá)的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的反應(yīng)能力和強(qiáng)壯性。

系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)，通過與現(xiàn)場的傳感器的數(shù)據(jù)交換，得到在各個(gè)機(jī)床的生產(chǎn)信息及現(xiàn)場各個(gè)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，為指導(dǎo)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(wù)器）結(jié)構(gòu)，它是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而流行起來的，是在C/S結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的一種擴(kuò)展和改進(jìn)。該結(jié)構(gòu)減輕了客戶端的負(fù)擔(dān)，省去了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的麻煩，大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

1）應(yīng)用監(jiān)控層。系統(tǒng)的最上層是監(jiān)控層，包括服務(wù)器、監(jiān)控機(jī)等。

2）控制層?？刂茖邮窍到y(tǒng)的中間層，其核心設(shè)備為PLC，連接到現(xiàn)場總線［7］設(shè)備包括：分布式I/O站按鈕，指示燈和HMI站。

3）設(shè)備層。設(shè)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(hào)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(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

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(wù)器）結(jié)構(gòu)，這樣客戶端的反應(yīng)速度就會(huì)很快，憑借其較強(qiáng)的處理能力來處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。

3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)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(yīng)用實(shí)例

將監(jiān)控系統(tǒng)具體應(yīng)用到山東省某數(shù)控機(jī)床企業(yè)實(shí)際運(yùn)行中,在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要包括：1）實(shí)現(xiàn)了機(jī)床運(yùn)行狀況和加工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集；2）為數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；3）實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控；4）為數(shù)控機(jī)床的定期維護(hù)保養(yǎng)提供了參考依據(jù)。

5 結(jié)語

文中通過對(duì)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)過程存在的問題進(jìn)行分析,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)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(shù)的先進(jìn)性與機(jī)床監(jiān)控結(jié)合起來，構(gòu)建起了新的體系架構(gòu)。本系統(tǒng)在山東某數(shù)控機(jī)床企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行效果良好,因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使得企業(yè)能夠及時(shí)掌控?cái)?shù)控機(jī)床的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀況，并對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果調(diào)整數(shù)控機(jī)床的操作參數(shù)，數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率得到了很大提高。

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