基于s3c2410的數控機床監控管理系統設計

洪耀球

HONG Yao-qiu

（景德鎮高等專科學校 數學與信息工程系，景德鎮 333000）

0 引言

數控技術是制造業的關鍵領域，早期的數控機床監控，需要工作人員親自在機床跟前，查看機床的工作狀態，輸入控制命令，程序代碼等，當機床出現故障時能立即采取措施進行維護。這種監控方式對工作人員的要求比較高，工作人員要對機床特別了解，特別是出現故障時要求工作人員能迅速準確的做出判斷，專業人員得需求量較大。另外，一些有危險作業環境的機床，如高溫作業環境，高轉速切削等，會對工作人員造成身體危害，而車間內的噪聲也是對健康的一個大的威脅。

隨著信息技術的快速發展，數控技術也獲得了不斷的進步，出現了遠離危險作業環境的機床監控技術，但是一臺監控主機只能監控一臺機床，不能完成多臺機床的統一管理。隨著嵌入式技術的飛速發展和網絡技術的日益普遍運用，智能化、網絡化成為當代數控機床發展的主要方向。本文提出了一個在網絡環境下實現數控機床的監視及控制系統設計，增加了對機床的控制數量，提高了數控設備利用率，為實現數控機床的高速、強力切削，數控加工的無人化環境奠定了基礎。

1 系統總體結構設計

本系統核心部分采用目前比較流行的嵌入式ARM處理器（s3c2410）和Linux操作系統，對機床進行狀態信息采集及信息發送。在處理器芯片的存儲器中，寫入了Linux操作系統和目前較前沿的嵌入式SQLite數據庫，將從機床接收到的狀態信息，經過處理后，存入嵌入式數據庫，同時向上反饋給車間級監控主機，以及接收從車間級監控主機發送來的控制命令或程序代碼。此外，本系統還具備一定的智能功能，能根據接收到的報警狀態信息，在傳送到車間級監控主機之前，從嵌入式數據庫中調出相應報警信息所對應的控制命令（系統初始化時自行設置），如對機床進行停機等，來對機床緊急狀態作出自動處理，避免機床損壞。因擁有嵌入式數據庫，以及能對機床緊急狀態作出自動處理，所以減輕了車間級監控主機的實時監控負擔，工作人員可以在監控室來監控整個車間或幾個車間的機床的工作狀態，以及對車間級的各機床發送控制命令，從而實現局域網內的數控機床遠程監控。如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統的硬件結構設計與實現

本系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

在此系統中，主要部件功能如下：

1）車間級監控主機是本系統的前端工控機，通過RTL8139網卡與后端核心控制模塊相連，向控制模塊發送對機床的控制命令或程序代碼，以及通過控制模塊接收來自機床的狀態信息，監控主機將接收到的狀態信息實時寫入數據庫，并且可以將必要的狀態信息打包，通過互聯網發送到遠程，進行遠程故障診斷。

2）該系統中最核心的部分是基于S3C2410X的嵌入式控制模塊，該模塊擴展集成了AX88796A網絡芯片，通過該芯片與監控主機通信。此外，控制模塊內部集成了UART控制器，利用該控制器與機床相連，接收和發送機床狀態信息和控制命令。

3）機床部分，則由PLC 的I/O口接收和發送機床狀態信息及控制命令；另外，機床的刀具部分，由外部傳感器獲得刀具狀態，然后將信號發送到嵌入式處理器,再通過ADC將模擬信號轉換成數字信號。

3 系統軟件設計與實現

該系統采用了裁剪和優化后的嵌入式Linux操作系統，使用嵌入式數據庫SQLite來存儲機床的狀態信息,系統具有自動報警等智能功能，能根據特定的報警信號發送控制命令，以保證系統安全運行。系統主要包括收發信號處理、智能控制、串口通信、網口通信等模塊，其中信號處理模塊、智能控制模塊功能如下：

1）收發信號處理模塊完成系統主要的功能，包括從前端工控機接收控制命令和程序代碼，經過處理后直接發向機床，接收來自機床PLC的狀態信息和經機床外置傳感器傳來的信息，經過處理發送給前端工控機，同時將狀態信息實時寫入嵌入式數據庫SQLite；

2）智能控制模塊主要對接受的機床狀態信息進行處理，判斷是普通狀態信息還是報警信息，如果是報警信息則根據不同的報警狀態自動發送控制命令到機床，以達到保護機床的目的，此外由于模塊內存儲器容量有限，使得嵌入式數據庫的數據量也有限，本模塊還負責對數據庫內的數據進行定期清理，刪除已經在前端監控主機備份的數據；本模塊主要代碼如下：

4 結論

監控系統開發完成后，與經裁剪的嵌入式Linux操作系統一塊燒寫到S3C2410開發板中，配置好軟硬件環境進行實驗，經測試，本系統能完成所設計的各項功能，包括接收機床的狀態信息；接收監控主機發送的控制命令并發向機床；實時備份和清理嵌入式數據庫；模擬機床報警狀態智能發送控制命令到機床等。

圖3 主程序流程示意圖

本系統是基于嵌入式的數控機床遠程監控系統，相比傳統工控機有很多優點：

1）在監控范圍和兼容性方面，由于本系統采用模塊化設計，將核心模塊與機床相互獨立，即插即用，擴展性強，適合大范圍的監控需求；而傳統工控機控制模塊與機床緊密相關，兼容性不強，擴充不易，系統適用范圍較小。

2）在監控和維護方面，本系統可進行遠離現場環境的遠程監控，甚至能利用前端工控機將機床狀態信息發送到互聯網，實現網絡監控和維護；而傳統工控機一般不可能遠程維護，甚至大部分都是現場監控和維護，車間環境對工作人員健康影響較大且維護費用較高。

3）在系統成本上，本系統使用的是普通PC機作為前端監控機，價格低，整體系統方案簡單，方便審查，建設成本，維護成本和擴展成本低；傳統工控機使用的是專門的工作站，建設成本，維護成本和擴展成本很高。另一方面相比傳統工控機來說，本系統的硬件升級簡單，軟件更新方便，界面友好。

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