大功率激光切割機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

卜祥麗，徐 斌，李孝平，黎 冠

(華北科技學院 機電工程學院，北京 東燕郊 101601)

大功率激光切割機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

卜祥麗，徐 斌，李孝平，黎 冠

(華北科技學院 機電工程學院，北京 東燕郊 101601)

針對現(xiàn)有大功率激光切割機床產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化不足、維護效率低、維護成本高等問題，結(jié)合目前成熟的GPRS移動通信技術(shù)，提出了基于云服務(wù)器的高功率切割機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)造遠程監(jiān)控平臺，能夠遠程監(jiān)控多臺激光切割機床設(shè)備。針對高功率激光切割機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)采集智能終端，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)傳送到云端，為高功率激光切割故障的快速診斷與處理提供了數(shù)據(jù)支撐。

激光切割；遠程監(jiān)控；云服務(wù)；GPRS；STM32

0 引言

目前，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光加工技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。激光加工已廣泛應(yīng)用于鈑金切割、雕刻、打孔、焊接、表面處理等領(lǐng)域。激光切割過程是將激光束聚焦到工件表面，利用其釋放的能量瞬間使工件融化并蒸發(fā)，從而達到切割和雕刻的目的。激光加工具有切割速度遠遠高于傳統(tǒng)的切割技術(shù)，切割精度高，可以實現(xiàn)自動排版加工，且不受切割圖案限制，切口平滑等特點，將在切割市場占有越來越多的市場份額[1-4]。隨著電子、通信以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光加工也朝著大功率，高速度等方向快速發(fā)展，同時，激光切割機床信息化和智能化技術(shù)也得到了越來越多的重視。當前，國內(nèi)鈑金加工車間工作環(huán)境相對較差，加工粉塵、輻射、噪聲等都會給現(xiàn)場操作人員身體造成不同程度的危害，因此，遠程實時監(jiān)控激光切割機床工作狀態(tài)和現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)成為激光加工機床制造業(yè)重點研究的熱點問題之一[5]。文獻[6]針對FANUC等3種不同的數(shù)控系統(tǒng)，利用一臺服務(wù)器，基于通用的通信接口，實時采集數(shù)控設(shè)備的加工狀態(tài)和工藝過程參數(shù)等信息；文獻[7]利用網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)控機床加工工藝參數(shù)、系統(tǒng)報警信息、PLC控制信號、伺服驅(qū)動參數(shù)、系統(tǒng)故障診斷、機床維護信息等進行遠程監(jiān)控和管理；文獻[8]利用傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)實時采集數(shù)據(jù)，采用ARM Cortex-M3嵌入式芯片對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)了基于Web環(huán)境的數(shù)控機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)。伴隨著GPRS技術(shù)的不斷完善發(fā)展，越來越多的應(yīng)用于機床監(jiān)控領(lǐng)域[9-11]。本文提出針對大功率激光切割機床，利用GPRS無線通信技術(shù)，在激光切割機床現(xiàn)場設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸模塊，實時將激光切割機床的加工狀態(tài)和環(huán)境信息傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，從而實現(xiàn)對激光切割機床狀態(tài)的遠程實時監(jiān)控。

1 總體方案設(shè)計

目前一些先進的數(shù)控系統(tǒng)具有通信接口，能夠?qū)?shù)據(jù)參數(shù)傳送出來，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)對分散的數(shù)控設(shè)備的遠程控制。GPRS能夠?qū)崟r在線，支持多點數(shù)據(jù)同傳，傳輸時延小，滿足一般監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。隨著國內(nèi)移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，絕大部分地區(qū)已經(jīng)覆蓋了GPRS網(wǎng)絡(luò)，因此為大范圍的設(shè)備在線監(jiān)控提供了基礎(chǔ)條件，系統(tǒng)的傳輸容量大，能很好滿足傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)的需要，且通信費用越來越低，應(yīng)用方便。隨著智能手機的普及，維修人員可以通過應(yīng)用程序瀏覽云端數(shù)據(jù)，進而得知數(shù)控機床發(fā)生故障前后的數(shù)據(jù)，為快速診斷奠定了應(yīng)用的基礎(chǔ)。

本文以發(fā)格激光切割機床作為控制對象，基于串口通信和GPRS移動通信技術(shù)構(gòu)建高功率激光切割機數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)對激光切割機床狀態(tài)的無線遠程監(jiān)控。激光切割機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由6部分組成：現(xiàn)場激光切割機床、攝像機、車間環(huán)境采集模塊、現(xiàn)場智能監(jiān)控終端模塊、云服務(wù)器以及遠處監(jiān)控客戶端，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 激光切割機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

硬件部分主要涉及現(xiàn)場智能監(jiān)控終端模塊，本系統(tǒng)以STM32微處理器和GPRS無線通信模塊為核心，現(xiàn)場智能監(jiān)控終端通過串口數(shù)控機床進行通信，并將數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信模塊實時傳輸?shù)皆贫?。云端服?wù)器自動記錄上傳的數(shù)據(jù)，任何聯(lián)網(wǎng)的電腦通過云端均可獲取當前機床的工作狀態(tài)。當激光切割機床出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場智能監(jiān)控終端將故障信息通過短信服務(wù)模塊發(fā)送到預制的手機電話號碼。維修人員通過短信即可獲取數(shù)控機床故障信息，并進行故障診斷。

2.1 現(xiàn)場智能監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計

現(xiàn)場智能監(jiān)控模塊的硬件由32位微處理器、數(shù)據(jù)顯示單元、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊組成，系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備硬件原理圖

微處理器選用STM32系列單片機STM32F103VBT6作為主控芯片。采用SIMcom公司的SIM800E模塊進行GPRS數(shù)據(jù)傳輸，SIM800E是一種專門用于GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊，SIM800E支持多種TCPIP連接協(xié)議和多種連接方式，單步與多步開發(fā)環(huán)境，傳輸模式可選擇透明與非透明模式，在服務(wù)端或客戶端支持TCP和UDP協(xié)議棧，在本系統(tǒng)設(shè)計中，SIM800E模塊和STM32單片機的串口2相連，實現(xiàn)GPRS模塊與單片機之間的通信。顯示單元采用3.5寸真彩觸摸屏，實現(xiàn)人機交互。

2.2 攝像頭監(jiān)控硬件設(shè)計

圖像采集選用串口攝像頭模塊，采用成都藍矩科技生產(chǎn)的LJ-DSC02系列串口攝像頭，200萬像素，該模塊內(nèi)置0 V系列高性能CMOS傳感器，直接輸出JPEG圖片，通過RS232或者RS485進行數(shù)據(jù)傳輸，配置6顆850 nm夜視燈進行紅外補光。在本系統(tǒng)中將LJ-DSC02和單片機的串口1相連，實現(xiàn)攝像頭數(shù)據(jù)的采集。

2.3 環(huán)境采集模塊硬件設(shè)計

環(huán)境參數(shù)采集采用GK-508F模塊，該模塊可以采集16路模擬量信號，通信支持RS232、RS485和MODBUS協(xié)議接口。在本系統(tǒng)中，主要采集激光切割機床工作時的環(huán)境溫度、濕度、壓力、電源電壓、電流、冷卻風機溫度等信號。

3 軟件設(shè)計

在Keil開發(fā)環(huán)境中設(shè)計終端控制軟件，軟件主要分為系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、觸摸屏顯示模塊、通信模塊等。

智能監(jiān)控設(shè)備啟動后首先進入系統(tǒng)初始化模塊，初始化完成后，開始數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集部分主要包括對對數(shù)控機床運行參數(shù)的采集、對攝像機圖像的采集、現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的采集。數(shù)據(jù)采集完成后，進入數(shù)據(jù)分析模塊、分析完成后，進行數(shù)據(jù)顯示和存儲，最后進入通信子程序進行數(shù)據(jù)遠傳。數(shù)據(jù)傳送完成后，進入下一個循環(huán)，軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件控制流程圖

系統(tǒng)初始化主要進行時鐘、中斷、GPIO、串口等初始化工作。完成后依次與數(shù)控機床、串口攝像機、環(huán)境采集模塊和GPRS模塊依次通信。激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的通信采用串口異步通信協(xié)議?，F(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備程序運行時，首先向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送握手請求，握手成功后，接收數(shù)控系統(tǒng)傳出的各種參數(shù)數(shù)據(jù)；握手失敗，發(fā)送故障顯示接口。在數(shù)據(jù)處理分析模塊中，將激光加工機床的工藝參數(shù)、NC程序、螺距誤差補償參數(shù)、工件坐標數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進行分類保存，通過GPRS傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。當接收到云端服務(wù)器更新數(shù)據(jù)請求的命令時，數(shù)控機床通信管理模塊通過通知數(shù)控機床修改通信參數(shù)，進行數(shù)據(jù)更新工作。

串口攝像機模塊通過單片機獲取攝像頭圖像，設(shè)備上電初始化時打開串口，設(shè)置圖像分辨率。正常通信時循環(huán)執(zhí)行開始采集圖像、獲取圖像數(shù)據(jù)、結(jié)束采集圖像并上傳。

數(shù)據(jù)分析模塊對采集的各種數(shù)據(jù)，與設(shè)定值進行比較，符合報警條件時，將信號發(fā)送至報警子程序。為了方便人機交互，設(shè)置了數(shù)據(jù)顯示模塊，采用迪文4.3寸真彩觸摸屏，完成數(shù)據(jù)顯示與報警信息查看。為了避免由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障時，數(shù)據(jù)不能及時上傳，現(xiàn)場設(shè)置數(shù)據(jù)存儲模塊，將采集到的數(shù)據(jù)及報警信息，本地存儲于工業(yè)SD卡，確保數(shù)據(jù)的安全性。

GPRS模塊通信時，首先進行參數(shù)初始化，主要參數(shù)有：手機卡號碼、DNS服務(wù)設(shè)置、GPRS服務(wù)密碼、APN設(shè)置、IP地址、TCP端口號等，系統(tǒng)上電后，自動建立一個TCP通訊，通信成功后，智能終端模塊和云端的數(shù)據(jù)實現(xiàn)無線交互。

4 結(jié)論

實踐表明，利用STM32單片機和SIM800LGPRS通信模塊設(shè)計的現(xiàn)場智能監(jiān)控終端，體積小、功耗低，可以與激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)實時對接，通過該終端，能夠?qū)⒓す馇懈顧C床現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)，傳送至云端服務(wù)器，通過云服務(wù)監(jiān)控客戶端，維修人員可以給用戶提供方便快捷的技術(shù)支持，具有較好的現(xiàn)實意義和推廣價值。

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Design of remote monitoring and control system for highpower laser cutting machine

BU Xiang-li，XU Bin，LI Xiao-Ping，LI Guan

(SchoolofMechanical-electricalEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In the field of laser processing, there are some problems such as network shortage, low maintenance efficiency and high maintenance cost. Using GPRS mobile communication technology and cloud server, high power laser cutting machine remote monitoring system was proposed. Field data acquisition intelligent terminal was designed by using STM32 micro-controller. Field data was transmitted to the cloud through GPRS technology, which provided data support for the rapid diagnosis and treatment of high power laser cutting faults.

Laser cutting; remote monitoring; cloud service; GPRS；STM32

2016-03-25

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助(3142015036，3142013068)

卜祥麗(1984-)，女，江蘇徐州人，碩士，華北科技學院機電工程學院講師，研究方向：數(shù)控加工技術(shù)。E-mail：bxl2008.ok@163.com

TH132.4

A

1672-7169(2016)03-0077-04