基于LabVIEW的機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)

沈奕鋒，遲玉倫

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著我國工業(yè)化水平的不斷提高，數(shù)控機(jī)床在機(jī)加工行業(yè)的使用越來越普遍[1-2]。數(shù)控機(jī)床是一種集電子、計(jì)算機(jī)控制、伺服等技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品[3]，其價(jià)格高昂，加上本身的復(fù)雜性，使得維修成本很高[4-5]，所以有必要對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)控，以提高機(jī)床使用效率，并提升加工產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，很多研究者都將這些新興技術(shù)運(yùn)用到機(jī)床的監(jiān)控管理中。蘇憲利[6]等設(shè)計(jì)了基于Web 環(huán)境的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Java，S2SH 和Ajax等技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)了對數(shù)控機(jī)床的監(jiān)測功能；馬曉光[7]等利用OEM 二次開發(fā)技術(shù)、ActiveX 技術(shù)、html5 與Java 等技術(shù)，提出了一種基于Web 的智能工廠機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案。他們雖然都實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，但用到的編程技術(shù)繁多，需要專業(yè)人員開發(fā)，且開發(fā)周期很長；黃煒[8]等構(gòu)建了基于LabVIEW 的遠(yuǎn)程可視化實(shí)驗(yàn)平臺的方案，并通過運(yùn)行結(jié)果證明其可行性與可移植性；張智藝[9]設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW 的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了齒輪箱狀態(tài)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷。他們開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)雖都基于LabVIEW，開發(fā)周期短，但其客戶端都需配置相應(yīng)的LabVIEW 運(yùn)行環(huán)境并運(yùn)行相應(yīng)的客戶端程序，不利于技術(shù)的推廣。

本文基于LabVIEW 開發(fā)了一套機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)的采集、傳輸和Web 用戶界面顯示都由LabVIEW 開發(fā)而成，用戶無需使用其他插件或安裝程序即可在任何現(xiàn)代Web 瀏覽器、平板電腦或手機(jī)上瀏覽用戶界面，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架與流程

本機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由工控機(jī)系統(tǒng)、云服務(wù)器和客戶端三大部分組成，其工作流程圖如圖1 所示。

首先，在工控機(jī)內(nèi)運(yùn)行基于LabVIEW 的數(shù)據(jù)監(jiān)控采集程序，通過DAQmx 數(shù)據(jù)采集中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)搭建的程序獲取各類傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)，采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過Database Connectivity Toolkit的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆品?wù)器的MySQL 數(shù)據(jù)庫中，而LabVIEW 和MySQL 數(shù)據(jù)庫的連接是通過開放數(shù)據(jù)庫連接（Open Database Connectivity,ODBC）建立的。

在云服務(wù)器中，運(yùn)用MySQL 實(shí)時(shí)存儲傳輸過來的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)，基于LabVIEW NXG（Next Generation）的GVI 應(yīng)用程序會通過GDatabase 相關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)地讀取數(shù)據(jù)庫中最新的數(shù)據(jù)，并通過SystemLink 數(shù)據(jù)服務(wù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅I Web 服務(wù)器。

在客戶端，用戶打開的網(wǎng)頁實(shí)質(zhì)上是基于LabVIEW NXG 所做的WebVI，它是通過云服務(wù)器的IIS 服務(wù)發(fā)布的，它也能通過SystemLink 數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)時(shí)訪問NI Web 服務(wù)器中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從而將遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在網(wǎng)頁上，達(dá)到機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。有了SystemLink 數(shù)據(jù)服務(wù)與NI Web 服務(wù)器的幫助，云服務(wù)器中的GVI 也能根據(jù)用戶發(fā)過來的數(shù)據(jù)請求，查找相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，將結(jié)果顯示到客戶端的網(wǎng)頁上并可供用戶下載。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

在LabVIEW 中有兩種實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法，一種是采用LabVIEW 軟件自帶的DAQ 助手；另一種是采用DAQmx 數(shù)據(jù)采集中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程[10]。DAQ 助手雖然簡化了編程，提供了良好的用戶交互界面，但同時(shí)也喪失了一定的功能性和靈活性[11]。本研究開發(fā)中選用了DAQmx 數(shù)據(jù)采集中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集，其實(shí)現(xiàn)程序如圖2 所示。

圖2 DAQmx 數(shù)據(jù)采集程序Fig.2 DAQmx data acquisition program

在DAQmx 數(shù)據(jù)采集程序中，主要用到了4個(gè)節(jié)點(diǎn)，即：創(chuàng)建通道、定時(shí)、開始任務(wù)和讀取。創(chuàng)建通道主要是建立程序與采集卡各通道的聯(lián)系并設(shè)定測量電壓的范圍，使得能獲取采集卡指定通道連接的傳感器的數(shù)據(jù)。定時(shí)函數(shù)主要用以配置數(shù)據(jù)采集的采樣模式和采樣率。配置好上述兩個(gè)函數(shù)之后才能開始數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并通過讀取函數(shù)讀取單個(gè)或多個(gè)通道的波形數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸

由于本系統(tǒng)都是基于LabVIEW 開發(fā)的，且暫不存在可以直接將LabVIEW 采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)頁上的方法[12]，故將數(shù)據(jù)傳輸分為2 部分。第1 部分是LabVIEW 與MySQL 數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)傳輸；第2 部分是GVI 與WebVI 間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.1 LabVIEW 與MySQL 數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)傳輸

為實(shí)現(xiàn)LabVIEW 與MySQL 數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)傳輸，首先要通過ODBC數(shù)據(jù)源管理程序創(chuàng)建數(shù)據(jù)源。創(chuàng)建數(shù)據(jù)源就是創(chuàng)建DSN（Data Source Names，數(shù)據(jù)源名稱），這是連接LabVIEW 與MySQL 數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵[13]。創(chuàng)建數(shù)據(jù)源界面如圖3 所示。

圖3 創(chuàng)建數(shù)據(jù)源界面Fig.3 Create data source interface

在創(chuàng)建數(shù)據(jù)源界面主要配置了數(shù)據(jù)源名稱、所要訪問的數(shù)據(jù)庫位置、數(shù)據(jù)庫授權(quán)的賬號和密碼以及所要訪問的數(shù)據(jù)庫。這些配置的信息都會存儲在DSN 中，在LabVIEW 訪問數(shù)據(jù)庫時(shí)，需要使用DSN 創(chuàng)建數(shù)據(jù)連接。

LabVIEW 開發(fā)平臺提供了Database Connectivity Toolkit，能夠?qū)崿F(xiàn)對本地或者遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的快速連接與訪問[14]。而Database Connectivity Toolkit 需要使用UDL（Universal Data Link，通用數(shù)據(jù)連接）文件才能與MySQL 數(shù)據(jù)庫連接。在LabVIEW 中，可以通過Create Data Link 來創(chuàng)建UDL 文件，其配置界面如圖4 所示。

圖4 創(chuàng)建UDL 文件界面Fig.4 Create UDL file interface

其中，使用的數(shù)據(jù)源名稱即為先前通過ODBC 創(chuàng)建的數(shù)據(jù)源名稱，使用的初始目錄即為需要操作的數(shù)據(jù)庫名稱。配置完成后即可生成UDL 文件，結(jié)合使用Database Connectivity Toolkit中的有關(guān)節(jié)點(diǎn)就能完成LabVIEW 與MySQL 數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)傳輸，將實(shí)時(shí)采集上來的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器中的MySQL 數(shù)據(jù)庫中。

2.2.2 GVI 與WebVI 間的數(shù)據(jù)傳輸

LabVIEW NXG 是下一代LabVIEW 軟件開發(fā)軟件，其VI 應(yīng)用程序稱為GVI，基于Web 的用戶界面稱為WebVI。通過運(yùn)用GDataBase for MySQL 這一附加工具，GVI 程序可以便捷地實(shí)時(shí)讀取MySQL 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。在GVI 讀取到MySQL 中的數(shù)據(jù)之后，需要實(shí)時(shí)傳輸給WebVI，這就需要通過SystemLink 標(biāo)簽功能。SystemLink是服務(wù)器-客戶端的架構(gòu)，因此首先需要配置NI Web 服務(wù)器，配置完成后的界面如圖5 所示。

圖5 NI Web 服務(wù)器配置摘要Fig.5 NI Web server configuration summary

在編程時(shí)主要用到打開配置、打開標(biāo)簽、讀取標(biāo)簽、寫入標(biāo)簽、關(guān)閉標(biāo)簽和關(guān)閉配置。打開配置節(jié)點(diǎn)發(fā)起與NI Web 服務(wù)器的連接，此時(shí)需要用到配置NI Web 服務(wù)器時(shí)的相關(guān)信息。打開標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，打開對服務(wù)器上某個(gè)標(biāo)簽的引用，為讀取標(biāo)簽和寫入標(biāo)簽做準(zhǔn)備。讀取標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)是將標(biāo)簽中的值讀取出來，寫入標(biāo)簽是將值寫入標(biāo)簽中。關(guān)閉標(biāo)簽和關(guān)閉配置是將標(biāo)簽引用關(guān)閉并關(guān)閉與配置相關(guān)聯(lián)的連接。通過上述幾個(gè)節(jié)點(diǎn)即能實(shí)現(xiàn)GVI 與WebVI 之間的數(shù)據(jù)傳輸，并能在NI Web 服務(wù)器上查看標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)按預(yù)期返回標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

2.3 Web 遠(yuǎn)程用戶界面

LabVIEW NXG Web 模塊是LabVIEW NXG的一個(gè)軟件附件，可用于設(shè)計(jì)和部署基于Web的用戶界面，即WebVI[15]。WebVI 可通過云服務(wù)器上的IIS（Internet Information Services，互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)）進(jìn)行網(wǎng)站發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，圖6 為監(jiān)控界面。

圖6 監(jiān)控界面Fig.6 Monitoring interface

機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)圖表用以顯示機(jī)床實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)曲線，其原始數(shù)據(jù)顯示在下方的信號顯示控件中，經(jīng)過換算，其真實(shí)功率值顯示在功率值顯示控件中。頁面中間的4 個(gè)圓圈由圓形指示燈和圓形進(jìn)度條組合而成，分別表示機(jī)床4種不同的運(yùn)行狀態(tài)，即機(jī)床斷電、機(jī)床上電、機(jī)床空轉(zhuǎn)和機(jī)床切削狀態(tài)。當(dāng)機(jī)床處于某種狀態(tài)時(shí)，其對應(yīng)的圓形指示燈就會亮，而圓形進(jìn)度條顯示的則是當(dāng)天此種狀態(tài)所占的百分比，對應(yīng)的數(shù)值顯示在下方的顯示控件中。下拉列表控件可以選擇“實(shí)時(shí)”、“昨天”、“上周”、“上月”4個(gè)時(shí)間段，以使圓形進(jìn)度條切換不同時(shí)間段的各種狀態(tài)占比情況。頁面最下方的波形圖用于顯示查詢的某段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。通過時(shí)間標(biāo)識輸入控件選定查詢數(shù)據(jù)的起止時(shí)間，點(diǎn)擊查詢按鈕之后，波形圖就會顯示該段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，點(diǎn)擊波形圖左上角的下載，就能下載該時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能測試

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

本節(jié)通過數(shù)控端面磨床來測試本文開發(fā)的機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的性能。試驗(yàn)平臺如圖7 所示，所采用的的機(jī)床是數(shù)控端面磨床，通過對其運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的采集傳輸以及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，驗(yàn)證本文所提遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的性能。

圖7 試驗(yàn)平臺Fig.7 Test platform

機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)與其功率變化有著緊密的聯(lián)系，通過對機(jī)床功率的監(jiān)控，可以判斷機(jī)床處于何種狀態(tài)。為了監(jiān)測磨削加工過程中砂輪軸功率的變化，將功率傳感器串聯(lián)于主軸電機(jī)和變頻器之間。功率傳感器接線示意圖如圖8 所示。

圖8 功率傳感器接線示意圖Fig.8 Wiring diagram of power sensor

在Web 遠(yuǎn)程用戶界面部分的編程中，4 個(gè)圓形指示燈須準(zhǔn)確顯示機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，故需得到機(jī)床各種狀態(tài)下的臨界功率值。經(jīng)過多次監(jiān)控，得到表1 所示臨界功率值。

表1 臨界功率值Tab.1 Critical power value

有了各種狀態(tài)的臨界功率值后，便可設(shè)置各指示燈亮的條件，從而準(zhǔn)確顯示機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對機(jī)床的長期監(jiān)控，本文所開發(fā)的機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能很好地按照預(yù)期運(yùn)行。工控機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆品?wù)的MySQL 數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫中最新的一條數(shù)據(jù)記錄會被云服務(wù)中的GVI 應(yīng)用程序讀取，并通過SystemLink 標(biāo)簽功能傳輸?shù)絎eb 遠(yuǎn)程用戶界面，如圖9 所示。

圖9 Web 遠(yuǎn)程用戶界面Fig.9 Web remote user interface

在Web 遠(yuǎn)程用戶界面上，能看到實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)以及每種狀態(tài)的占比情況。查詢數(shù)據(jù)功能也能按照輸入的時(shí)間段查詢該段時(shí)間的數(shù)據(jù)，并供用戶下載。

圖10 為查詢2019 年12 月18 日9 點(diǎn)到9 點(diǎn)30分的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示在波形圖中。點(diǎn)擊下載，彈出文件下載對話框，可下載保存該段數(shù)據(jù)。

圖10 查詢下載功能Fig.10 Query download function

4 結(jié)論

基于LabVIEW 的機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用DAQmx 數(shù)據(jù)采集中的相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；結(jié)合利用ODBC 數(shù)據(jù)源管理程序和Database Connectivity Toolkit 中的有關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了LabVIEW 與MySQL 數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)傳輸；利用SystemLink 標(biāo)簽功能實(shí)現(xiàn)了GVI 與WebVI 間的數(shù)據(jù)傳輸；利用LabVIEW NXG Web 模塊搭建Web 用戶界面，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工遠(yuǎn)程監(jiān)控。本套系統(tǒng)都基于LabVIEW 編程，系統(tǒng)有很大靈活性，可根據(jù)需要迅速方便地修改和重新定義功能，容易升級。同時(shí)，用戶無需安裝程序即可在任何現(xiàn)代Web 瀏覽器上瀏覽用戶界面，使得監(jiān)控更加便捷。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該套系統(tǒng)采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)真實(shí)、可靠，能有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，應(yīng)用前景廣闊。