基于Lab VIEW的機床智能監控系統

吳繼華,張向利,葉 進

(1.桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004; 2.廣西大學計算機與電子信息學院,南寧 530004)

基于Lab VIEW的機床智能監控系統

吳繼華1,張向利1,葉 進2

(1.桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004; 2.廣西大學計算機與電子信息學院,南寧 530004)

針對企業對機床集中監控和管理的需求,利用信號處理、無線傳感器網絡和Lab VIEW,設計了一種智能機床監控系統。根據實際需求將系統劃分為4層管理,各層之間統一使用Lab VIEW開發,以解決不同層設備之間的交互難題。通過虛擬儀器為基礎的軟硬件平臺,實現了在機床車間環境中對監控系統的快速開發和應用。與傳統監控系統相比,本系統更加方便機床集中控制和高效管理。

機床監控;無線傳感器網絡;Lab VIEW;數據采集系統

隨著機床設備在企業大規模使用,機床故障時常發生,為了減少機械事故,對機床進行實時監控和高效管理十分必要。隨著計算機網絡和通信技術的發展,越來越多的研究者將這些新興技術運用到機床的監控管理中。如文獻[1-3]將無線傳感器網絡技術和以太網有線網絡相結合設計了基于Web環境的數控機床遠程監控系統;文獻[4-5]將物聯網技術和數控機床系統有機結合,實現了數控機床遠程監控的網絡化;文獻[6-10]用Lab VIEW設計上位機監控軟件,并采用DataSocket技術完成與底層設備的通信和數據傳輸,是一種快速開發方案。

目前機床監控系統正朝著監控智能化、管理集中化方向發展,在理論研究上結合物聯網有很好的統一系統模型[5],而在實現上卻沒有統一、具體的技術規范。機床監控系統現場感知層多使用ARM等智能MCU為核心的外圍板構建硬件系統進行嵌入式C開發,客戶端上位機或基于B/S模式的遠程Web訪問使用C/C#、Lab VIEW等技術開發。由于缺少具體的技術規范,這種開發模式的底層系統所使用的內核環境特定性強,需要專業人員開發,且上位機和下位機交互時的聯調周期長,投入成本較高。另外,機床工作環境設備多、電磁環境復雜,在這些特定環境下開發的機床監控系統抗干擾能力弱、實時性差和可靠性低,短期內難以投入實際應用和實現平臺的通用性。為此,設計了一種開發效率高、通用性強的分布式機床無線網絡監控系統,為用戶提供機床的遠程無線實時診斷和智能管理服務。

1 系統總體設計

機床智能監控系統的根本目的是讓機床系統的操作管理人員即使不在現場或天氣惡劣時也能監控生產設備的運行狀態,讓接受過專業訓練的操作人員利用本地資源控制遠方對象,從而減少現場值班人員,提高機床檢修維護效率?；谟脩艄δ苄枨?將機床監控系統設計為物理感知層、車間級網絡監控層、工廠級網絡監控層和遠程監控層4層子系統,其總體結構如圖1所示。

圖1 智能機床監控系統的總體結構Fig.1 The block diagram of intelligent monitor and control system for machine tools

物理感知層主要完成機床信息的收集,在環境條件相對惡劣的機床現場,利用無線傳感器網絡(WSN)系統感知數據,從源頭減少錯誤數據,省去了普通機床有線監控的布線費用,降低了電磁環境對系統的干擾,從而有效地收集機床現場數據至車間網絡。車間級網絡監控層主要包括無線網關(數據交換設備)和車間網絡監控中心:無線網關完成下行數據收集處理和上行數據交換功能;車間網絡監控中心是針對大規模車間而設立,主要是劃分職能范圍,使本車間人員只負責管理本車間的機床設備,各司其職。工廠級監控中心收集由車間網絡監控中心通過企業內網匯聚的數據,對整個企業的設備狀態進行監測,使企業可以根據設備運轉狀況,合理安排檢修任務。中央數據庫提供的數據為動態、準確地制定生產計劃提供科學依據。遠程監控層負責設置Internet訪問工廠監控中心發布的實時數據信息。通過本監控系統可使機床設備由一個“信息孤島”變為一個企業的信息節點,形成統一、協調的信息流,完成對機床的智能監控。

考慮到對不同種類的機床設備的高效管理,本系統在設計時根據機床設備的不同特性,在物理感知層采用不同的手段感知數據,完成在底層對數據的統一抽象封裝。對于可以自身檢測運轉數據的機床設備(通常帶有網卡或串口等外圍接口),則使用接口轉化設備將數據轉化為無線數據格式發送至無線網關;而對于普通機床,不具備感知自身系統數據信息的功能,則需要選取重要參數進行測量,然后通過節點傳送至無線網關。

2 系統實現

2.1 機床監控信號和傳感器的選取

機床智能監控系統要求實時感知機床運行狀態,且能在10 s內對機床的異常作出反應并實時預警。而機床主軸是機床的最關鍵部件,其運動精度直接影響工件的加工質量,所以選取機床主軸作為主要的監控對象。當主軸出現異常時,會出現機床電源功率激增、機箱溫度升高和電流增大的現象,同時轉速也會不均勻并引起振動,嚴重時會產生較大的噪聲。因此,根據機床主軸運行呈現的狀態,選取與主軸相關的溫度、噪聲、電流、主軸轉速和機床振動頻率5個物理量作為機床狀態的有效監測對象。

對于傳感器模塊,根據信號測量類型和工業標準按如下選取:溫度感知采用鉑電阻Pt100,測量范圍為―200～500℃,熱響應時間為1 s,符合實時檢測要求;噪聲感知采用拾音器收集噪聲信號,經線性放大、整流和對數變換電路將噪聲信號轉變為可測量的電壓信號;電流信號的采集采用流壓轉換芯片ACS712將機床的工作電流信號轉化為易采集的電壓信號;主軸轉速的測量采用霍爾傳感器,將收集的傳感器信號經信號處理電路轉化為可識別的數字信號;機床振動頻率的測量采用彈簧振子,將收集的信號經相應調理后變換為數字信號。根據傳感器采集模塊調理后得到的信號種類可知:溫度、噪聲、電流可通過模擬信號系統測量;主軸轉速和機床振動頻率可通過數字信號系統測量。

為了更準確地預判機床異常狀況,對于溫度和噪聲的預警判別方式以溫差ΔTi和噪聲差ΔNi衡量:其中:Ti為機床節點溫度值;Tb為車間現場溫度基準值;Ni為機床節點噪聲值;Nb為車間現場噪聲基準值;i為各個車間的機床節點。

車間現場的溫度和噪聲因季節和環境而不同,會影響機床自身的溫度和噪聲值,所以用溫差和噪聲差判別機床是否出現故障更加準確、可靠。而溫度和噪聲在車間的空間分布相對于季節的變化影響基本上可看作是均勻分布,所以對于每臺機床的溫差和噪聲差的基準值可取車間級網絡監控層的無線網關處的溫度值和噪聲值。

2.2 系統的硬件平臺

上位機監控程序運行環境在PC上即可進行。下位機以美國國家儀器(NI)公司最新推出的WSN系統及Compact RIO系統作為硬件架構。NI公司的WSN系統專門為嚴苛環境系統而設計,具有―40～70℃的寬工作溫度范圍,300 m的視距,能承受50倍重力加速度沖擊,可用來監測系統狀態和運行環境,其小巧的體積也易于攜帶和方便安裝。WSN節點可配置為終端節點或路由器節點,單一WSN網關最多可與8個終端節點(星形拓撲)或最多36個測量節點(網狀拓撲)連接[11-12],其通信基于ZigBee的2.4 GHz無線協議,功耗低、安全性強,可保障系統穩定、可靠地傳輸數據。Compact RIO是NI公司生產的一款可重新配置的嵌入式控制和采集系統,其主要組成部分有實時控制器、內嵌的可重新配置的現場可編程門陣列FPGA模塊和I/O模塊。I/O模塊包含隔離、轉換電路,具有信號調理功能,可直接與工業傳感器或執行機構相連,同時每個I/O模塊直連FPGA,默認情況下,該FPGA自動與I/O模塊通信,并通過PCI BUS提供確定性I/O給實時處理器,進而完成數據的傳輸、處理。I/O模塊可根據系統功能的需要靈活定制。Compact RIO內部使用實時操作系統Lab VIEW RT,在該嵌入式實時操作系統環境下運行的程序循環抖動在μs量級,進程的調度按優先級,執行程序準確、穩定,滿足工業現場對控制器的要求。實時控制器的編程采用Lab VIEW圖形化開發工具,以簡化工作流程。CompactRIO和WSN系統構成如圖2所示。WSN系統的網關以I/O模塊的形式直接插接在CompactRIO的插槽,CompactRIO通過實時控制器可自動讀取網關收集的數據信息。

圖2 CompactRIO和WSN的系統構成Fig.2 The structure of CompactRIO and WSN

圖2中系統在Lab VIEW的控制下,數據傳輸過程如圖3所示。在物理感知層,WSN節點感知機床監控對象,將傳感器信號轉換為自定義發布的WSN節點共享變量,節點通過喚醒無線發送程序傳遞共享變量。WSN接收網關在接收端根據ZigBee協議可自動解碼出共享變量,使節點與網關之間通過共享變量通信。WSN網關解碼接收到WSN節點的信息后,通過FPGA上直連的I/O與Compact RIO經內部PCI總線傳遞給Lab VIEW Real-Time系統進行數據處理,Lab VIEW Real-Time系統利用Lab VIEW對外發布網絡數據,完成數據在各個監控點的流通。在Lab VIEW管理下,各平臺協同合作,快速、無縫集成,共同實現監控系統的功能。

圖3 系統數據傳輸功能圖Fig.3 The data transfer flow chart of system

2.3 系統軟件設計

系統軟件的開發采用Lab VIEW。由于Lab-VIEW具有美觀的顯示界面,并且是圖形化的編程語言,通常僅被用于界面設計。而本系統在選擇了NI公司的Compact RIO和WSN系統平臺后,在系統硬件嵌入式開發中也使用Lab VIEW,從而從復雜的文本編程中解放出來,把精力更多地集中在系統的功能開發上,大大縮減開發周期。

根據不同層系統的功能需求,用Lab VIEW開發的系統總體監控功能如圖4所示。程序的功能按層劃分,WSN節點模塊實現圖1中物理感知層的功能。物理感知層是整個系統的最底層,它是與機床環境直接聯系的一層,可通過WSN節點感知物理環境信息。

圖4 系統總體監控功能圖Fig.4 The software function of monitoring system

物理感知層機床監測節點采用NI公司的4通道、20位、電壓/RTD組合節點WSN3226,該節點有4路模擬輸入通道AI0～AI3和2路處于工業電壓的雙向數字通道DIO0、DIO1,滿足傳感器信號數據采集的要求?？刂圃摴濣c的程序包括節點參數配置程序(節點ID、類型、采樣間隔等)、傳感器信號采集和無線通信程序。該節點的程序執行模型基于事件的執行,如圖5所示,可擴展WSN節點的自定義行為。該模型旨在高效執行程序,同時優化可用電池壽命(若使用電池供電)。平時節點處于休眠狀態,若有事件需要處理才被喚醒并觸發事件狀態的執行。圖5中的關系圖顯示了事件觸發和執行狀態之間的關系。當前狀態完成后,另一個狀態的事件立即被提交,然后執行下一個被提交的狀態。通過Lab VIEW開發的WSN節點部分嵌入式程序如圖6所示。此程序是節點在采樣Sample狀態下的程序,程序中的DIO0_Speed(轉速)、DIO1_Vbr(振動)為自定義共享變量,它們的值通過while循環對數字信號采集獲取;AI0～AI3為系統共享變量,直接對WSN3226的模擬端口采集數據,以獲取溫度、噪聲和電流信號。采樣事件結束后,觸發節點狀態改變,啟動射頻發送程序,將共享變量傳送至無線接收網關。

圖5 WSN節點程序執行模型Fig.5 The NI WSN execution model

車間級網絡監控層是整個系統的核心,它負責系統的上行數據和下行數據之間的協調工作,完成WSN系統的數據向以太網數據的轉換。其實現的主要功能系統有車間監控功能系統、車間數據庫系統、報警執行系統、數據采集系統、與WSN及局域網的通信系統。車間數據庫采用SQL Server 2005作為數據庫中心,每臺機床都有其對應的機床數據表,為機床診斷提供數據支持。系統報警包括程序彈窗報警和Compact RIO控制器閃爍指示燈報警,報警閾值可自行設定。當觸發報警條件時,程序會自動彈出窗口報警,同時發送控制信號至Compact RIO控制器,打開報警燈,及時提醒工作人員檢修。

圖6 WSN3226節點部分嵌入式程序Fig.6 Part of embedded program in WSN3226

工廠級網絡監控層負責統一管理整個企業的機床設備,方便企業了解設備運轉狀況,合理安排檢修任務。通過此層可根據每年機械維修統計狀況,更加準確地預算每年的維修費用,為動態、科學地制定生產計劃提供依據。工廠級網絡監控層的實時數據也是與外部遠程監控訪問機床數據的網絡接口,據此可將工廠級網絡監控層分為中央數據庫系統、工廠監控系統、用戶管理系統和為遠程訪問端提供Web服務的系統。

3 系統功能測試

智能機床監控系統整體功能測試主要針對傳統機床,首先需在機床節點將傳感器安裝在合適的位置,傳感器連接及安裝位置如表1所示。

系統測試在型號為GL2306/1的龍門銑床上進行,將傳感器按照表1的位置對應安裝,連接WSN的節點控制器,車間控制器Compact RIO安放在車間監控端,并在各層PC機上安裝對應的軟件,即可進行系統聯調。

表1 機床節點傳感器連接和安裝位置Tab.1 The position and connection of sensors

車間的報警自動提示界面如圖7所示,機床監控實時數據趨勢圖如圖8所示。從圖7、8可看出,本系統能夠實時、準確地顯示機床的監測數據,及時發現并彈出故障預警,同時通過車間實際環境檢驗,實現了對機床的有效監管。

圖7 報警自動提示界面Fig.7 The auto-alarming interface

圖8 機床監控實時數據趨勢圖Fig.8 The data trend diagram of machine tools

4 結束語

通過NI Compact RIO和WSN系統構建的機床監控系統,實現了實時感知機床溫度、電流和噪聲等功能。根據實際需求,將系統劃分為4層管理,實現了對運行中機床設備智能預警和統一管理的功能,同時數據庫中存儲的大量機床節點的實時數據,可為企業科學生產提供有力的數據支持。

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編輯:張所濱

Intelligent monitoring system of machine tools based on Lab VIEW

Wu Jihua1,Zhang Xiangli1,Ye Jin2
(1.School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China;
2.School of Computer,Electrics and Information,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In view of the enterprise’s requirements of monitoring and centralized management of machine tools,an intelligent monitoring system is designed by making use of the advantages of signal processing,wireless sensor networks(WSN)and virtual instrument.Four subsystems are classified for easily management based on the actual demand and every subsystem is developed by Lab VIEW uniformly,which can enhance the subsystem’s interactive robustness.Platform based on virtual instrument can implement in machine shop environment for rapid development and application in monitoring system.Compared with the traditional monitoring system,it is more convenient centralized control and efficient management for machine tools.

machine tools monitoring;wireless sensor networks;Lab VIEW;data acquisition system

TG659;TP393

:A

:1673-808X(2015)04-0298-07

2015-03-12

國家自然科學基金(61363031,61462007);桂林市科學研究與技術開發計劃(20120104-13);廣西云計算與復雜系統重點實驗室基金(14101)

張向利(1968―),女,陜西渭南人,教授,博士,研究方向為物聯網技術、網絡化監控系統、計算機應用。E-mail:xlzhang@guet.edu.cn

吳繼華,張向利,葉進.基于Lab VIEW的機床智能監控系統[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(4):298-304.