基于分布式數(shù)控機(jī)床管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

沈榮成，張秋菊，李克修，左文娟

(1. 江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)、軟件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)正向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為制造系統(tǒng)的核心裝備[1-3]，其內(nèi)部的復(fù)雜程度及智能化程度也在不斷提高，而數(shù)控機(jī)床的加工精度、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)床耗能情況都需要一定指標(biāo)進(jìn)行反映，監(jiān)控系統(tǒng)在一定程度上保證機(jī)床安全可靠地運(yùn)行[4]，尤其是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床高速、高精度、智能化的趨勢(shì)[5]，機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)也要不斷發(fā)展以滿足數(shù)控機(jī)床的需求[6]。對(duì)于數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)的研究，雖然已有一些成果，如第一代監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，以及后來(lái)的基于Internet的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)[7]。然而隨著數(shù)控機(jī)床水平的提升，也對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)提出更高的要求。如可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)等，監(jiān)控系統(tǒng)也顯得越來(lái)越重要[8-9]。另外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供了可行性，可在遠(yuǎn)離機(jī)床的地點(diǎn)了解機(jī)床各部分狀況，并對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行分析，這是數(shù)控機(jī)床監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的又一重要方向[10]。目前，數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)都處在對(duì)單一類型機(jī)床程序及各類數(shù)據(jù)管理的層面，難以支持機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)交換與操作。

針對(duì)以上問(wèn)題，系統(tǒng)結(jié)合總線技術(shù)和組態(tài)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用RS485總線[11]、PLC和HMI組成底層采集監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)PLC、數(shù)控系統(tǒng)與上層軟件組成可跨平臺(tái)的上層管控系統(tǒng)。這種分布式管控系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)底層采集監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)不同類型數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)信息、PLM信息及運(yùn)行變量的監(jiān)控，又能實(shí)現(xiàn)上層管控系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)床的監(jiān)測(cè)和各類信息的分析、處理及保存。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)維修、減少停機(jī)損失，提高生產(chǎn)效率，此系統(tǒng)充分利用了485總線、組態(tài)軟件、OPC技術(shù)[12]及上位機(jī)軟件技術(shù)的各自特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有較大推廣價(jià)值。

1 機(jī)床管控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容主要有數(shù)控機(jī)床、底層采集終端與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。為了給經(jīng)常需要更新的數(shù)據(jù)保留足夠的帶寬，所以監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)可以分為未激活組和激活組兩類。未激活組指不經(jīng)常讀取的數(shù)據(jù)項(xiàng)，比如上位機(jī)在向數(shù)控機(jī)床或底層采集終端發(fā)出指令時(shí)，返回特定的結(jié)果，如讀取機(jī)床的參數(shù)及數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)等[13]。激活組指的是經(jīng)常需要讀取的數(shù)據(jù)項(xiàng)，如實(shí)時(shí)地向數(shù)控機(jī)床發(fā)出讀取各電機(jī)軸轉(zhuǎn)速、電流、溫度等指令[14]，并實(shí)時(shí)繪制相應(yīng)曲線和生成圖標(biāo)等。這些數(shù)據(jù)通過(guò)友好的人機(jī)界面反饋給用戶。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

根據(jù)管控系統(tǒng)的監(jiān)控要求，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)床管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)具有分布式數(shù)據(jù)采集及計(jì)算機(jī)管控系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)由以下幾部分組成：

1)上位機(jī)服務(wù)器

具有較高可靠性和集成裝置的PC機(jī)，裝有Windows XP以上系統(tǒng)，支持Microsoft .NET framework 4以上框架。

2)無(wú)線AP

MOXA AWK3121這款無(wú)線AP支持長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸，能夠在寬溫度環(huán)境下工作，適用于任何苛刻的工業(yè)環(huán)境。

3)無(wú)線串口服務(wù)器

AWK1127 WLAN客戶端是適用于有線無(wú)線布線方案，可將任何具有以太網(wǎng)功能或者RS-232/422/485口的設(shè)備轉(zhuǎn)換為無(wú)線聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。串口服務(wù)器能與不同數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行串口通訊，并將串口信號(hào)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)的交互。與底層采集控制器Siemens PLC實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接，通過(guò)OPC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采集終端與上位機(jī)管控系統(tǒng)的通訊。

4)Siemens S7-200 Smart PLC

此款PLC本體配有以太網(wǎng)口，集成強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能，可通過(guò)此接口與其他CPU模塊、觸摸屏、計(jì)算機(jī)組網(wǎng)。具有專用PC Access Smart OPC 功能，滿足系統(tǒng)全方位需求。本系統(tǒng)選用SR30 CPU、擴(kuò)展SMB0(RS-232/485)通訊模塊、AE08(8路模擬量輸入)模塊。

5)下層監(jiān)控顯示設(shè)備——HMI

SmartLine1000 IE經(jīng)濟(jì)實(shí)用具有高性價(jià)比，與Smart PLC組成完美的自動(dòng)化控制與人機(jī)交互平臺(tái)，10″大屏操作界面，方便車間層的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

6)外圍設(shè)備

包括3軸電流傳感器、1軸電流傳感器、接觸式溫度傳感器及其他輔助設(shè)備。

1.2 底層采集監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組態(tài)

底層采集系統(tǒng)即為整個(gè)管控系統(tǒng)的設(shè)備層。采集器的整體電氣原理圖如圖2所示。

圖2 采集終端電氣原理圖

系統(tǒng)中涉及到2種電流傳感器，1路溫度傳感器，首先將2種電流傳感器通過(guò)PLC上的通訊模塊應(yīng)用Modbus RTU通訊協(xié)議與PLC通訊。串口通訊參數(shù)為波特率9 600，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

由于RS485為半雙工模式，所以PLC對(duì)2個(gè)傳感器采用輪詢模式，用通訊成功位觸發(fā)下一查詢，這樣編程實(shí)時(shí)性好，可靠性高。程序段12是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體計(jì)算方法如式(1)。

(1)

其中：I為設(shè)備PLC讀取的電流數(shù)據(jù)(雙字節(jié)，高位在前，最高位為符號(hào)位)，A為傳感器的電流量程(其中1路電流傳感器量程15A，3路電流傳感器量程5A)。此傳感器測(cè)出的電流精度可達(dá)0.2%。

溫度傳感器模擬量的組態(tài)，系統(tǒng)中選用的貼片型溫度傳感器，便于安裝與更好地測(cè)出最真實(shí)的溫度。溫度傳感器選擇三線制PT100測(cè)溫度法，此方法可以較好地消除引線電阻的影響，其測(cè)量原理圖如圖3所示。

圖3 雙臂電橋三線制電阻測(cè)量

圖3中Rt為熱電阻；R0為溫度t=0℃時(shí)熱電阻Rt的阻值；R1=R2=R總為分壓電阻；r1=r2=r3=r總為導(dǎo)線電阻；Eb=24V為外部電源；Vx為輸出電壓；運(yùn)算放大電路放大倍數(shù)為Ad；△Rt=Rt-R0；在R總>>R0,R總>>Rt,R總>>r的前提下, 推導(dǎo)出式(2)。

(2)

三線制測(cè)溫保證3根導(dǎo)線電阻相等，引線電阻僅影響滿度值，不影響零點(diǎn)，當(dāng)R總足夠大時(shí)，引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可忽略。

本傳感器輸出信號(hào)為4～20mA,PLC模擬量的電流輸入范圍為0～20mA，所以根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，溫度的計(jì)算如式(3)所示。

(3)

其中：C為實(shí)際測(cè)出溫度值；AIW16為PLC采樣值；M為傳感器最大測(cè)量值。

底層采集監(jiān)控端HMI組態(tài)，該HMI提供了按鈕、實(shí)時(shí)曲線、歷時(shí)曲線、報(bào)警窗口、動(dòng)畫制作等復(fù)雜的應(yīng)用對(duì)象。在建立與PLC的連接之后，需要對(duì)變量進(jìn)行定義，指定名稱、連接、數(shù)據(jù)類型、地址、采集周期等。每對(duì)畫面中的構(gòu)建組態(tài)定義，即為將畫面圖形中的對(duì)象與變量一一建立聯(lián)系。在HMI的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境中，通過(guò)使用圖片優(yōu)化界面，達(dá)到友好的人機(jī)交互界面。

根據(jù)管控系統(tǒng)底層采集端的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)的軟件將實(shí)現(xiàn)以曲線的形式反映機(jī)床四軸電流與時(shí)間的關(guān)系，主軸電流與轉(zhuǎn)速關(guān)系，及加工時(shí)溫度與時(shí)間關(guān)系，以表格的形式反映報(bào)警歷史記錄和用戶登錄記錄，實(shí)時(shí)顯示機(jī)床參數(shù)和與當(dāng)前運(yùn)行程序相關(guān)的屬性等。

1.3 上層管控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

上層管控系統(tǒng)由NET平臺(tái)下的C#語(yǔ)言WPF框架搭建，具有良好的視覺(jué)體驗(yàn)。WPF是一個(gè)與分辨率無(wú)關(guān)并且基于向量的呈現(xiàn)引擎，有強(qiáng)大的圖形呈現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合MVVM框架，能夠更好的應(yīng)用WPF的數(shù)據(jù)綁定特性，能做到界面開發(fā)與業(yè)務(wù)邏輯分開，使系統(tǒng)功能模塊化，提高代碼的重用率。應(yīng)用Microsoft SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)。

上層管控軟件系統(tǒng)功能圖如圖4所示。

圖4 管控系統(tǒng)軟件功能圖

由圖4可以看出上位機(jī)軟件提供了豐富的功能，在數(shù)據(jù)顯示方面以圖形化、曲線化直觀地表現(xiàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)表現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)中，所有的變量按照不同的控制要求，以數(shù)據(jù)表的形式儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)C#語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)增、刪、改、查、更新等操作，方便快捷，并且可以保存海量的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的主監(jiān)控窗口如圖5所示，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，監(jiān)控機(jī)床的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控機(jī)床的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)顯示故障報(bào)警畫面、查詢歷史數(shù)據(jù)，并設(shè)置報(bào)警上下限值；統(tǒng)計(jì)機(jī)床的故障狀況、能耗情況、設(shè)備的綜合使用效率及刀具壽命統(tǒng)計(jì)等；可生成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)表及歷史報(bào)表，支持導(dǎo)出Excel，txt等格式，支持在線打印功能；管控系統(tǒng)還集成DNC功能，可在線編輯數(shù)控程序，可自動(dòng)添加宏指令，通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)通訊，支持程序的上傳下達(dá)的功能。

圖5 分布式管控系統(tǒng)主界面

2 管控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)中底層采集終端通過(guò)PLC采集I/O信號(hào)和將外部電流傳感器、溫度傳感器等數(shù)據(jù)傳遞給底層HMI監(jiān)控端，上位機(jī)實(shí)時(shí)下達(dá)控制指令也傳送至HMI設(shè)備。底層監(jiān)控端通過(guò)提取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中電流傳感器及溫度傳感器寄存器的值，對(duì)機(jī)床實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)繪制其趨勢(shì)曲線。應(yīng)用用戶對(duì)象控件和趨勢(shì)曲線控件，針對(duì)不同的對(duì)象進(jìn)行組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、轉(zhuǎn)速、溫度和用戶登錄的歷史記錄查詢，并可以根據(jù)上位機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

上位機(jī)監(jiān)控端，通過(guò)MOXA無(wú)線串口服務(wù)器與無(wú)線AP 的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控，最多可支持?jǐn)U展255個(gè)下位機(jī)對(duì)象。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床外部信號(hào)及數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部信號(hào)，并通過(guò)WPF框架下豐富的功能控件組態(tài)。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)對(duì)管控系統(tǒng)中的用戶登錄表、程序管理表、機(jī)床管理表、機(jī)床維修表、零件加工工時(shí)統(tǒng)計(jì)表、機(jī)床功效分析圖、設(shè)備使用效率分析圖、機(jī)床功效分析圖、各傳感器歷史變化趨勢(shì)圖等統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行更新并以直觀、形象的方式呈現(xiàn)在監(jiān)控窗口中。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先需要用戶登錄，根據(jù)登錄用戶所屬類型，系統(tǒng)將依據(jù)權(quán)限進(jìn)行功能限制，然后進(jìn)行相應(yīng)的通訊的配置，參數(shù)的設(shè)置等。具體管控系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

圖6 工作流程

2.1 實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)監(jiān)控的對(duì)象為5臺(tái)數(shù)控機(jī)床，下面介紹1臺(tái)數(shù)控機(jī)床的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方法。采集的數(shù)據(jù)分別來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)和底層采集器及機(jī)床的I/O接口。根據(jù)監(jiān)測(cè)要求，對(duì)機(jī)床的監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

上位機(jī)管控系統(tǒng)充分考慮人機(jī)交互，系統(tǒng)中的柱狀圖、餅狀圖、折線圖通過(guò)使用Visifire.Charts.dll實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息并以3D動(dòng)畫的形式繪制圖形。上位機(jī)讀取西門子PLC中的數(shù)據(jù)，使用西門子官方發(fā)布的PC Access Smart OPC完美兼容Smart PLC，保證數(shù)據(jù)讀取的實(shí)時(shí)性與精確度。在SQL2008數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)系統(tǒng)中所使用的數(shù)據(jù)庫(kù)i_DNC_Database進(jìn)行安全設(shè)置，添加了用戶識(shí)別與鑒定、數(shù)據(jù)加密和儲(chǔ)存?zhèn)浞?，最大限度保證系統(tǒng)的安全性、可靠性與穩(wěn)定性。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

如圖7所示，在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，正常啟動(dòng)數(shù)控機(jī)床、底層采集端及上位機(jī)軟件，在系統(tǒng)啟動(dòng)、登錄完畢后，工程師無(wú)需打開與西門子相關(guān)及無(wú)線模塊軟件，通過(guò)以太網(wǎng)及串口進(jìn)行通訊，輸入PLC的IP地址及映射好的COM口號(hào)，建立好連接后，分布式系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)及相應(yīng)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集的數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)反映在底層監(jiān)控端和上層監(jiān)測(cè)端。

圖7 下位采集終端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在本管控系統(tǒng)中，集成了較多的圖表控件，工作人員可以通過(guò)軟件操作實(shí)時(shí)觀察當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，也可以通過(guò)條件篩選出符合查看要求的歷史數(shù)據(jù)曲線，進(jìn)行綜合分析比較。如圖8所示，顯示了4路電流傳感器的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線圖，并且顯示上位機(jī)對(duì)機(jī)床各方面數(shù)據(jù)分析的結(jié)果和溫度實(shí)時(shí)變化曲線與主軸實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速曲線。

圖8 采集終端人機(jī)交互界面數(shù)據(jù)顯示

上位機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)刷新記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新各統(tǒng)計(jì)表中的數(shù)據(jù)信息及相應(yīng)曲線。如圖9所示，柱狀圖是對(duì)機(jī)床工作時(shí)間、能耗與總開機(jī)時(shí)間和能耗數(shù)據(jù)的分析，得到11月份和12月份機(jī)床綜合使用效率。折線圖是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)主軸速度與溫度值的描述圖，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中上萬(wàn)個(gè)采集點(diǎn)的分析，得出主軸轉(zhuǎn)速與溫度的關(guān)系。為了滿足海量數(shù)據(jù)的描繪，可雙擊折線圖進(jìn)行放大，觀察每一個(gè)時(shí)刻的實(shí)時(shí)值。

分布式機(jī)床管控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)底層采集端的合理配置與上位機(jī)軟件的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的分析，當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)不合理參數(shù)時(shí)，可給出相應(yīng)原因，便于工程師維護(hù)與使用以及管理者優(yōu)化管理方案。

圖9 上位機(jī)數(shù)據(jù)分析表

3 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件和多種通訊技術(shù)的產(chǎn)物，各部分以模擬量和通訊的方式建立聯(lián)系，簡(jiǎn)化了控制器的硬件設(shè)計(jì)，提高了控制器的可靠性，降低了設(shè)計(jì)成本，擴(kuò)大了適用范圍。各組成部分在功能上相對(duì)獨(dú)立，易于控制器的組成和擴(kuò)展，具有良好的應(yīng)用前景。

該分布式管控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 使用PLC技術(shù)，保證系統(tǒng)具有極高的可靠性與抗干擾能力；

2) 具有靈活的I/O擴(kuò)展功能和強(qiáng)大的通訊功能；

3) 可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，方便快捷；

4) 具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、完善的系統(tǒng)管理方案及數(shù)控程序編寫方案；

5) 系統(tǒng)具有自我識(shí)別、自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，具備完善的報(bào)警機(jī)制。

數(shù)控機(jī)床管控系統(tǒng)對(duì)于提高機(jī)床的使用效率、優(yōu)化管理方案具有重要作用。目前該管控系統(tǒng)是客戶端軟件，需要安裝其他一些專業(yè)軟件才能對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控，希望以后開發(fā)一套基于B/S模型的系統(tǒng)，將客戶端與網(wǎng)頁(yè)端結(jié)合，可以更好地滿足工業(yè)要求。