基于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機床電控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

曹世超

摘要：針對傳統(tǒng)數(shù)控機床實時監(jiān)控能力有限的問題，本文提出并設(shè)計了一種新型的數(shù)控機床電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，以STM32為主控制器，提高了數(shù)控機床的工作效率和運維水平。

關(guān)鍵詞：NB-IOT物聯(lián)網(wǎng);電控系統(tǒng);數(shù)控機床

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0010-01

0 引言

我國目前處于工業(yè)化中期，工業(yè)的高速增長帶來了數(shù)控機床的旺盛需求，大多數(shù)電控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的GPRS、3G、4G等無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳，較好的實現(xiàn)機床的遠程監(jiān)控，但這些方式存在成本高、功耗大、容量小、頻率低等不足。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能數(shù)控機床，通過信息化手段提高機床產(chǎn)品的智能化水平，實現(xiàn)數(shù)控機床運行中全程可監(jiān)控，便于機床的管理維護，同時能夠提高機床運行的整體性能及可靠性，最大程度減少損失[1]。本文提出一種基于NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）新興無線通信技術(shù)的數(shù)控機床電控系統(tǒng)[2]。NB-IOT技術(shù)是專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的窄帶通信技術(shù)，工作帶寬為180 kHz，具有覆蓋廣、低功耗、信號強、低成本等優(yōu)點，將數(shù)控機床的加工過程參數(shù)和影響運行可靠性的各種參數(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)信息平臺，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機床電控系統(tǒng)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、NB-IOT網(wǎng)絡(luò)、Internet、數(shù)據(jù)信息平臺等幾部分構(gòu)成。傳感器模塊負責(zé)機床運行工況參數(shù)的感知，數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)的處理與傳輸，Internet實現(xiàn)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)信息平臺的互聯(lián)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 NB-IOT模塊

采用NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)控機床與數(shù)據(jù)信息平臺之間的信息交互，數(shù)據(jù)的安全性和可靠性都有較大提高，且減少了許多不必要的干擾。NB-IOT技術(shù)具有：（1）海量連接和深度覆蓋的優(yōu)勢，比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50～100倍的接入數(shù)，比LTE提升20dB增益，覆蓋能力提高了100倍;（2）超低功耗，引入了超長DRX省電技術(shù)和PSM省電態(tài)模式，5Wh之內(nèi)提供至少10年的支持，適用于不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備;（3）超低成本，基于LTE協(xié)議棧對終端和網(wǎng)絡(luò)進行功能精簡，實現(xiàn)低成本。

本系統(tǒng)選用的是中國移動物聯(lián)網(wǎng)的M5310-A型NB-IOT模塊。M5310-A 是一款工作在頻段Band3/Band5/Band8的工業(yè)級NB-IoT模組，采用LCC貼片式封裝，30個引腳，最大限度滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求。M5310-A 在支持eSIM和OneNET云平臺協(xié)議的基礎(chǔ)上，支持最新3GPP Release14標(biāo)準，支持更高通信速率，支持基站定位。同時支持FOTA功能，方便進行遠程固件升級。M5310-A內(nèi)嵌LwM2M/MQTT-SN/TCP/UDP/COAP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及擴展的AT命令。M5310-A模塊采用了低功耗技術(shù)，供電電壓3.6V，電流功耗在PSM模式下低至3uA。

2.2 微控制器模塊

本系統(tǒng)選用ST公司的STM32F103RBT6作為核心處理器，對機床傳感器采集的工況參數(shù)等數(shù)據(jù)進行實時處理，并以一定的幀格式通過NB-IOT模塊轉(zhuǎn)發(fā)至核心網(wǎng)，同時對本地顯示模塊、電源模塊進行有效控制。STM32系列是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，該型號有64個引腳，CPU主頻最高速度達72 MHz，128KB的Flash存儲器，具有多種控制外設(shè)、USB全速接口和CAN，集高性能、實時功能、數(shù)字信號處理、低功耗與低電壓操作等特性于一體，同時還保持了集成度高和易于開發(fā)的特點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主控程序首先對機床電控系統(tǒng)進行初始化，其中NB-IOT模塊進行聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集模塊通過機床傳感器獲取機床運行工況參數(shù)，并按照自定義的幀格式將數(shù)據(jù)打包轉(zhuǎn)發(fā)，利用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)經(jīng)核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)平臺。為保證無線通信的實時性和和準確性，在每一幀的通信數(shù)據(jù)中加入幀頭0xFF、幀尾0xEE和CRC校驗。數(shù)據(jù)包有效長度共10個字節(jié)，字節(jié)1是幀頭，字節(jié)2是機床編號，字節(jié)3是傳感器編號，字節(jié)4是數(shù)據(jù)幀長度，字節(jié)5-8是傳感器數(shù)據(jù)，字節(jié)9是校驗位。字節(jié)10是幀尾。平臺接收到數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)幀解析，如果數(shù)據(jù)有效則將數(shù)據(jù)存儲，如果數(shù)據(jù)無效則重新請求發(fā)送。系統(tǒng)運行流程如圖2所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)在冀南某數(shù)控機床企業(yè)經(jīng)測試運行效果良好，基于新興NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸安全高效地上傳至數(shù)據(jù)信息平臺，數(shù)控機床生產(chǎn)中的加工信息數(shù)據(jù)和實時運行狀況得到及時反饋，使得數(shù)控機床的智能化、自動化、信息化水平得到了很大的提高。

參考文獻

[1] 林景山.面向智能制造的數(shù)控機床互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（9）：171.

[2] 徐海.基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控機床監(jiān)控方法研究[J].機床與液壓，2018（14）：123-127.