一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電火花線切割機床遠程監(jiān)控管理授權(quán)系統(tǒng)

鄒逸君，湯維磊，蔡宇，許悅，殷盈

（1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016；2.金陵科技學(xué)院軟件工程學(xué)院，江蘇南京211169；3.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京211106）

電火花線切割技術(shù)可用于加工精密、復(fù)雜、不規(guī)則形狀、難加工導(dǎo)電材料[1]，其中，由我國首創(chuàng)的往復(fù)走絲電火花線切割機床的運行成本低、切割厚度大，其市場應(yīng)用前景巨大[2]。在往復(fù)走絲電火花線切割機床工作時，由于電極絲磨損或加工參數(shù)選擇不當(dāng)，常會出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，且斷絲后會因手動穿絲慢甚至無人響應(yīng)而導(dǎo)致加工效率降低，因此在采用往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)進行長時間連續(xù)工作時，一般需操作人員在附近值守。

針對上述問題，本文通過對單片機和ECS云服務(wù)器的研究與運用，基于工控計算機控制的電火花線切割機床，開發(fā)了一款遠程監(jiān)控管理授權(quán)系統(tǒng)，不僅能減輕操作人員的勞動強度，還能增強加工過程的實時控制能力。使用本系統(tǒng)后，操作人員不但可在移動APP中監(jiān)控機床即時運行的基本參數(shù)，還可遠程控制機床，實施緊急停機；車間或?qū)嶒炇夜芾砣藛T甚至可對機床進行遠程授權(quán)，管理機床的使用情況及開放其使用權(quán)限。通過對本系統(tǒng)做小幅個性化修改，還可遠程監(jiān)控同類機床的其他參數(shù)。

1 系統(tǒng)檢測原理

在設(shè)計系統(tǒng)時，選擇了斷絲信號、放電概率、水箱水位和環(huán)境溫度四個參數(shù)作為默認值。為了更準確地獲取上述參數(shù)，有針對性地選擇了對應(yīng)的檢測方法。

1.1 斷絲檢測

斷絲檢測方法是基于電火花線切割機床斷絲保護功能的思路得到，其原理見圖1。斷絲保護功能由一個繼電器實現(xiàn)，直流電通過機床絲架上的兩個導(dǎo)電塊與鉬絲電極接觸，并與繼電器連接構(gòu)成閉合回路，且繼電器的觸點開關(guān)連在機床控制電路內(nèi)，當(dāng)斷絲發(fā)生時，繼電器會立刻失電，切斷控制電路，機床停止工作。在上述回路中再增加一個繼電器，并將該繼電器的觸點開關(guān)連在單片機外圍電路中，同時增加一個可調(diào)電阻。當(dāng)可調(diào)電阻的阻值增大至斷絲發(fā)生時，兩個繼電器將同時失電，而單片機引腳將由高電平轉(zhuǎn)為低電平，通過檢測引腳的電平變化，可判斷是否發(fā)生斷絲。

圖1 斷絲檢測原理示意圖

1.2 放電概率檢測

放電概率檢測系統(tǒng)配備09型智能脈沖電源，其檢測裝置及原理示意見圖2。當(dāng)檢測到短路時，電源自動切斷脈沖輸出，減小短路電流。通過隨機截取100個放電脈沖，檢測到有效放電脈沖利用率。結(jié)果表明，隨著加工過程中工作液的循環(huán)和損耗，有效脈沖利用率逐步降低。

圖2 放電概率檢測裝置原理圖

加工時，從脈沖電源正極經(jīng)取樣電路獲得電流信號，從導(dǎo)電塊和工作臺之間經(jīng)取樣電路獲得電壓信號，經(jīng)信號處理后可得到電流脈沖概率或無脈沖電流概率?；谥悄茈娫吹奶匦?，可通過檢測相應(yīng)的電流脈沖概率或無脈沖電流概率在整個取樣時間內(nèi)占總脈沖的百分比來表征放電加工狀況。實驗結(jié)果表明，電流脈沖概率小于70%時，切割效率降低，加工表面質(zhì)量變差，即可認為工作狀態(tài)不正常。

1.3 水箱水位檢測

電火花線切割機床的工作液無論是乳化油還是復(fù)合工作液，都具有輕微腐蝕性。因此可采用超聲波傳感器測量水位，避免傳感器與工作液直接接觸。如圖3所示，當(dāng)置于水箱頂部的換能器向液面發(fā)射聲波脈沖并經(jīng)t時間后，換能器接收到回波。設(shè)換能器到液面的距離為h1，聲速為v，則：

設(shè)換能器到水箱底部的距離為h2，則被測水位為：

圖3 超聲波傳感器水位檢測原理圖

1.4 環(huán)境溫度檢測

采用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器芯片檢測環(huán)境溫度。與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，該類型芯片可將被測溫度直接轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號，與單片機引腳相連。

2 系統(tǒng)硬件體系設(shè)計

實驗搭建的遠程監(jiān)控管理授權(quán)平臺由STC單片機、繼電器陣列、傳感器、3G-DTU模塊、ECS云端服務(wù)器和移動終端APP組成，并以單片機和繼電器、傳感器構(gòu)成的外圍電路作為下位機，以3G-DTU模塊作為上位機。在信號上行時，采用一路繼電器作為斷絲信號采集，將通過并行方式與單片機相連的放電概率檢測系統(tǒng)作為放電概率采集，將分別通過串行方式與單片機相連的超聲波傳感器和DS18B20芯片作為水位信號采集，由單片機整合上述信號并生成了一組字符串，通過單片機串口線定時發(fā)出，通過串口傳輸至3G-DTU模塊，而3G-DTU模塊每次接收到字符串后將其通過3G網(wǎng)絡(luò)遠程上傳至云端服務(wù)器，供軟件系統(tǒng)調(diào)用。在信號下行時，當(dāng)云端服務(wù)器得到軟件系統(tǒng)發(fā)送的緊急停機或授權(quán)信號后，生成指定字符串發(fā)送至3G-DTU模塊，再通過串口傳輸至單片機，而單片機根據(jù)其串口線引腳得到的信號指令作出相應(yīng)的判斷。

若云端服務(wù)器得到緊急停機信號并生成字符“1”，單片機就要相應(yīng)地通過改變引腳高低電平控制來控制1號繼電器，使該繼電器的觸點開關(guān)串聯(lián)在機床或控制柜的緊急信號端口處；若云端服務(wù)器得到授權(quán)信號并生成字符“2”，單片機則要相應(yīng)地控制2號繼電器，使該繼電器的觸點開關(guān)串聯(lián)在機床總電源上。實驗從機床的安全性和使用壽命考慮，對單片機程序進行了設(shè)置，不允許在機床啟動后“取消授權(quán)”。

3 系統(tǒng)軟件體系設(shè)計

軟件系統(tǒng)是電火花線切割遠程監(jiān)控授權(quán)管理平臺的重要組成部分，承擔(dān)了管理控制多臺機床、集中數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控、控制數(shù)據(jù)交換的任務(wù)。針對機床所要實現(xiàn)的功能，監(jiān)控軟件由數(shù)據(jù)庫、云端服務(wù)器和移動端構(gòu)成。其中，云端服務(wù)器作為中間支撐層會接收機床的傳輸芯片傳送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行有效性判定，還會接收移動端的請求，并向移動端發(fā)送對應(yīng)的指令及響應(yīng)請求；移動端有管理員和普通用戶兩種模式，分別滿足對應(yīng)用戶的需求。

3.1 數(shù)據(jù)庫層

機床在運行中會產(chǎn)生大量如開關(guān)通斷信號量、水位、溫度、可靠度的動態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)控軟件需實時采集這些數(shù)據(jù)，并將其提供給服務(wù)器和移動端，因此需建立數(shù)據(jù)庫以存儲數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)變化頻率快，在運用數(shù)據(jù)時只要求實時提取，無需對數(shù)據(jù)做復(fù)雜處理，但考慮到實際應(yīng)用中有可能在進行維護時需提取舊數(shù)據(jù)，故在服務(wù)器上內(nèi)置了MySQL外接數(shù)據(jù)庫，易于存儲數(shù)據(jù)的管理、查找、提取及備份，且數(shù)據(jù)不易丟失。此外，數(shù)據(jù)庫中的操作語句采用事物模式，保證在多個線程訪問數(shù)據(jù)庫時，不會因一次性執(zhí)行多次操作而造成數(shù)據(jù)混亂。

數(shù)據(jù)庫主要由兩張表構(gòu)成，一張為機床信息記錄表，用于存儲機床通信模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)；另一張為用戶信息表，用于存儲用戶名、登陸密碼及用戶級別信息，其中用戶級別包括管理員、普通用戶兩種身份。

3.2 服務(wù)器端

云端服務(wù)器能保證服務(wù)器24小時不間斷運行，且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫烁踩?、方便，減少了自建服務(wù)器所需的硬件費用。服務(wù)器端采用Socket通信，在服務(wù)器端開啟特定的端口，客戶端通過IP和端口號與服務(wù)器建立Socket連接，再通過Java內(nèi)置的方法用流進行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器端接收客戶端傳遞來的數(shù)據(jù)，先判斷其是否為有效數(shù)據(jù)，再將有效數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，會在移動端發(fā)送請求時調(diào)出數(shù)據(jù)庫表中的最后5條記錄，以保證數(shù)據(jù)的時效性。服務(wù)器采用多線程模式，即使有多個終端同時訪問也不會出現(xiàn)混亂。為了減少端口的使用，服務(wù)器內(nèi)部只開一個端口，并在服務(wù)器內(nèi)部內(nèi)設(shè)指令判斷訪問者是客戶端或移動端，而客戶端和移動端通過發(fā)送各自對應(yīng)的指令來實現(xiàn)對服務(wù)器的請求。

3.3 移動端

移動端通過Android代碼實現(xiàn)，與服務(wù)器建立Socket連接并發(fā)送特定的Android請求，使服務(wù)器判定其為Android設(shè)備，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。移動端分別設(shè)管理員、普通用戶兩種模式。管理員模式設(shè)有3個按鈕，通過Send request按鈕可發(fā)送特定的指令以獲取服務(wù)器端內(nèi)存中所存取的數(shù)據(jù)，并在UI界面顯示出來；通過Stop1按鈕向服務(wù)器發(fā)送Stop1命令，即可控制機床上繼電器1的開關(guān)；通過Stop2按鈕向服務(wù)器發(fā)送Stop2命令，即可控制機床上繼電器2的開關(guān)，以滿足管理員管理設(shè)備的需求。普通用戶模式只設(shè)有第一個按鈕，以滿足普通用戶監(jiān)測的需求。此外，普通用戶可通過注冊界面進行注冊，管理員則無需注冊。

4 實驗驗證

利用DK7732型“中走絲”電火花線切割機床，分別對斷絲信號、放電概率、水位信號、環(huán)境溫度、繼電器陣列控制進行實驗驗證。

4.1 斷絲信號

由于斷絲是不可逆過程，所以當(dāng)機床發(fā)生斷絲后，相應(yīng)的繼電器閉合，單片機P3^4引腳由高電平變成低電平，上行信號字符串中原先的“ON”變成“OFF”，App相應(yīng)位置顯示的信息也變成“OFF”，移動終端設(shè)備的消息欄將提醒用戶機床發(fā)生了故障。

4.2 放電概率

放電概率檢測系統(tǒng)通過并行方式連接，不斷地將電流脈沖概率的數(shù)值輸入單片機P1口。上行信號字符串中的放電概率對應(yīng)數(shù)值及App相應(yīng)位置顯示的信息都會發(fā)生改變。當(dāng)放電概率數(shù)值小于70%時，移動終端設(shè)備的消息欄將提醒用戶機床工作狀態(tài)欠佳。

4.3 水位信號

超聲波傳感器采用串行方式連接，單片機P3^2引腳接收來自超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，并經(jīng)程序計算得到水箱水位值H。上行信號字符串中的水位對應(yīng)數(shù)值和APP相應(yīng)位置顯示的信息都會發(fā)生改變。

4.4 環(huán)境溫度

DS18B20芯片通過串行方式連接，單片機P2^2引腳接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)程序計算得到機床當(dāng)前工作環(huán)境溫度值T。上行信號的字符串中的環(huán)境溫度對應(yīng)數(shù)值和App相應(yīng)位置顯示的信息都會發(fā)生改變。

4.5 繼電器陣列控制

管理員在移動終端App上點擊“授權(quán)啟動”按鈕，繼電器2的觸點開關(guān)閉合，機床總電源啟動。當(dāng)機床運行時，管理員或普通用戶在移動終端App上點擊“緊急停機”按鈕，繼電器1的觸點開關(guān)閉合，機床控制柜觸發(fā)緊急停機信號，機床停止運行。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)電火花線切割機床遠程系統(tǒng)的總體方案、系統(tǒng)架構(gòu)、監(jiān)控管理授權(quán)方式，提出了運行于云端服務(wù)器的整體系統(tǒng)設(shè)計方案。同時提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的電火花線切割機床遠程監(jiān)控管理授權(quán)系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了使用者和管理者對機床的實時監(jiān)控和簡單管理，還利用云端數(shù)據(jù)庫對部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行了云存儲。對遠程監(jiān)管授權(quán)系統(tǒng)稍加改良，還可用于監(jiān)控記錄其他參數(shù)或用于實驗室、工廠內(nèi)的同類型數(shù)控機床。如何使該系統(tǒng)在機床遠程故障診斷、遠程工藝數(shù)據(jù)庫和智能電源應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用將是下一步研究的課題。

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