基于網絡的數控機床遠程監控與管理系統設計與實現

田齊

(江蘇信息職業技術學院電氣工程系，江蘇無錫 214153)

數控機床因具有加工精度高、自動化程度高、生產率高等優勢，已成為我國制造型企業的主要生產設備。面對企業中越來越多的數控加工設備，如何改建現有的車間管理模式，以實現車間數控設備的網絡化管理和設備運行狀況的實時監測，對提高企業加工設備的利用率、加強企業對加工過程的管理和增強企業的市場競爭力有重要意義。近年來，數控設備遠程監控系統的設計開發已成為制造物聯技術應用研究的一個熱點。國內外學者和專家們在這方面做了深入研究，并獲得相關研究成果。Nunzio M TORRISI等［1］基于CyberOPC技術開發了一個新的開放式通信系統，用于實現工業數控機床的遠程監控，減少了通信周期(與基于OPC技術的解決方案比較)，滿足網絡安全需求。Ronald FAASSEN［2］分別通過間接測量動態信號、加速度信號和位移信號對切削產生的顫振進行監測，并通過對監測數據的分析、比較得出，加速度信號最適合用于進行顫振監測的結論。燕山大學的袁磊［3］基于C/S架構，使用Visual C++6.0軟件作為開發工具，開發客戶端和服務器端軟件，最終實現的功能有NC程序的傳輸、工藝流程的管理、NC程序的管理和現場圖像的采集和傳輸。上海建通大學的夏志［4］基于B/S架構，同時使用通用 Web Server和嵌入式WebServer技術，開發遠程監控軟件，實現了嵌入式適配器配置與管理、數控程序傳輸與管理以及數控機床運行狀態監視與管理的功能。江南大學的譚文才［5］基于RIA架構，選擇CBX解決方案進行開發，設計完成基于Internet的壓縮機遠程監測及故障診斷系統，實現了遠程監測軟件平臺的設計以及故障診斷專家系統的建立。

文中采用CBX的RIA技術開發了車間數控設備遠程監控管理系統。該系統使用串口服務器對車間底層數控機床進行聯網，實現NC程序的遠程傳輸、管理，對數控機床的工作狀態和參數進行實時監測，統計機床的利用率，同時基于RIA系統架構實現基于Internet的遠程訪問。

1 系統總體結構設計

車間底層數控設備監控管理系統的主要功能是:與嵌入式數據采集器進行數據通信，對反饋信息進行處理、顯示和存儲;對NC程序進行統一文件管理，并實現NC程序的遠程傳輸;對采集到的數據進行分析和利用，并可將相關信息上傳給上層車間管理系統，為管理層決策提供數據支持;對加工車間中與數控機床相關的信息進行管理，可以進行查詢、添加、刪除和修改;在網絡上實現信息的共享，供有權限的用戶實時監測加工車間的實時工作狀態，實現更加廣泛范圍內的實時監測。為了實現上述功能，將系統平臺網絡劃分為3個層次:應用層、車間層和設備層，4個組成部分:本地數據采集監控端、車間服務器監測端、上層管理系統數據接收端和遠程監控端，4個組成部分分別位于應用層與車間層的相關設備中。文中開發的數控設備遠程監控管理系統的網絡結構如圖1所示。其中，本地數據采集監控端位于車間上位機，用于實現車間層與設備層、應用層之間的信息交互，以及相關信息的存儲、管理和應用功能，該平臺端由數據通信軟件和監控管理軟件兩部分組成;車間服務器監測端位于車間服務器，用于實現車間服務器與車間上位機之間的信息交互，匯總多臺車間上位機的信息，實現統一監測功能，該平臺端由數據接收軟件和監測軟件兩部分組成;車間管理系統端屬于車間上層管理軟件所處的服務器，實現與本地端之間的信息交互;遠程監控端是本地數據采集監控端中監控管理軟件和車間服務器監測端中監測軟件在網絡上的拓展應用，不需要添加輔助軟件，遠程客戶可以直接通過互聯網、基于IE瀏覽器實現快捷訪問，完成對數控機床工作狀態的遠程在線監控。前3者通過使用Delphi語言編寫軟件實現相關功能，遠程客戶端可以通過互聯網直接實現監測功能，無需添加輔助軟件。

圖1 系統網絡結構圖

本地數據采集監控端通過自行研發的嵌入式數據采集器實現數控機床相關信息的采集，車間上位機中的數據接收軟件接收通過串口服務器聯網上傳的采集信息，通過SDAC技術實現數據庫與Delphi之間的數據訪問，使用SQL Server 2000數據庫軟件實現信息的存儲。與應用層軟件之間的信息交互基于Socket的網絡通信技術實現。本地實現監控管理功能的軟件基于CBX框架實現系統架構的搭建，通過Delphi軟件編程實現實時、歷史數據的查看，以曲線、圖表等形式顯示，并有一套完整的本地數控設備相關信息的查詢管理功能，能進行簡單的數據分析。

2 監控管理系統軟件設計

文中主要介紹課題組自主研發的車間上位機中的監控管理系統軟件，該軟件可分為4大功能模塊:數控機床狀態實時監測模塊，采集信息分析模塊，數控程序管理模塊和數控設備信息管理模塊。此軟件通過基于CBX的RIA技術實現系統框架的搭建，通過Delphi編程實現相關功能。CBX框架采用RO-Http-Bin三層模式進行開發，是Delphi Midas類型的中間層結構模式，完全繼承了Midas的結構模式特點。在CBX中有兩種核心模塊類型:ao和xo。“ao”是客戶端對象，被稱為Apple; “xo”是服務器運行模塊，被稱為Servlet。在CBX的中間層容器中，加載有多個xo，每個xo對應于Midas中的Remote Data Module，是一個獨立的動態庫，對xo模塊的編寫就是對CBX三層構架中中間層的開發。ao和xo都是在CLXBase中進行開發和編譯的，而CLXBase是基于Delphi7進行開發的，其界面如圖2所示。

圖2 CLXBase界面

CBX框架可以稱得上是Web開發的控件倉庫，支持多種應用方式:

(1)ao和xo配合開發，充分利用框架服務器端的無狀態對象pooling和RO組件的超高數據傳輸效率;

(2)單用ao于系統中，使之成為Web系統的UI組件，通過JavaScript來實現Web系統和ao對象的交互;

(3)在ao中通過Web Service或直接使用http協議和外部Heterogeneous Web Server交互;

(4)僅僅使用CBX的可執行文件的運行方式，脫離瀏覽器獨立運行，這種模式就是著名的“Smart Client”模式;

(5)在系統中單獨使用xo，xo模塊可以在Web系統中充當Reporting Service、Charting Service、Excel Exporting Service;

(6)使用CBX和VB、VC、PB、甚至于VBA混合編程。

文中選用第一種方式，即ao和xo配合開發的模式進行軟件開發。

3 數控機床狀態實時監測模塊

實時監測數控機床的運行狀態對于了解數控車間的運行情況非常重要，在此研究中，車間工作人員、企業管理人員和企業合作伙伴可以通過IE瀏覽器遠程實時監測數控機床。

將數控機床的運行狀態劃分為關機、加工、空閑、報警狀態。關機是指機床處于關閉狀態，電源沒有打開;加工是指機床處于正常加工狀態，正在運行數控程序加工工件;空閑是指機床不處于關機狀態，也不處于加工狀態，這時候可能是機床操作人員正在為即將進行的加工步驟進行參數設置，也可能是正在安裝毛坯或卸載零件;報警是指機床出現錯誤警報，等待操作人員進行調試的狀態［6］。

FUNAC、MITSUBISH及HAAS等數控系統具有外部通信宏指令:DPRNT、POPEN和PCLOSE，可以指定向外部設備實時輸出數據。通過在數控程序中添加外部通信宏指令，加工時數控機床通過RS232接口可以將加工進度信息上傳到本地終端，實現加工進度的監控。為了不增加編程人員的工作負擔，減少出現人為錯誤的機會，提供外部通信指令的自動添加功能。外部通信宏指令添加流程如圖3所示。

圖3 外部通信宏指令添加流程圖

對于不提供外部通信宏指令的數控系統，采用對數控機床的主軸電機電流進行監測的方法，獲得數控機床的運行信息。

3.1 采集信息分析模塊

需要對數控機床的相關數據信息進行實時采集，以達到對數控機床的工作狀態進行監測的目的。嵌入式系統是專門用于實現控制、監視和輔助操作的機器和設備的裝置，具有操作方便、實時性好、穩定性強等優點，提供的驅動接口可以滿足文中與數控機床接口的連接要求，因此，選擇嵌入式系統開發數據采集器，實現對數控機床多類型數據的實時采集。文中嵌入式數據采集器的功能如圖4所示。

圖4 嵌入式數據采集器功能圖

通過監控管理軟件，不僅可以實時了解數控機床的運行狀態，還可以對之前采集到的信息進行分析和統計，得到有用信息。對數控機床的歷史運行狀態進行分析，可以獲得機床的利用率，從而總結出提高機床利用率的有效措施;可以獲得機床加工零件的平均時間，幫助合理安排零件加工順序;可以累積刀具的使用時間，以達到提前預警刀具故障、及時更換刀具、減少不必要的損失的目的。因此，需要把采集到的信息存儲到數據庫，形成數控機床的使用記錄，通過對使用記錄的分析，以圖表的形式顯示得到的有用信息。

3.2 數控程序管理模塊

目前，數控加工車間在程序傳輸和管理方面存在缺陷。對于程序傳輸，常用的方法有:操作面板手動輸入代碼，人工操作，出錯率高，且輸入速度取決于操作人員的熟練水平，工作效率低;存儲卡傳輸，保證數據傳輸的準確性，但是需要操作人員往返于計算機和機床之間，費時費力，且極易感染病毒和損壞機床的接口;單機RS232接口傳輸，傳輸距離短，車間放置多臺計算機，不易管理，惡劣的工業環境會縮短計算機使用壽命。程序管理的現狀是:技術人員在計算機中建立不同的目錄，隨著人員的增加和程序量的膨脹，存在版本混亂、查找困難等問題;對于程序的修改沒有形成記錄，出現問題后找不到責任人。

文中通過使用串口服務器實現數控機床聯網，有效解決了程序管理和程序傳輸方面的問題，程序管理模塊的界面如圖5所示。該模塊可以實現數控程序的查看、修改及保存，并對修改程序的人員、時間進行記錄。

圖5 程序管理模塊界面圖

4 數控設備遠程監控與管理系統的實驗

4.1 實驗條件

實驗室的主要設備是數控機床四合一調試維修實訓臺，由南京德西數控新技術有限公司和南京數控培訓中心合作開發，使用的數控系統有Siemens的802C數控系統和FANOC的Oi系列數控系統，可以滿足文中的數據采集實驗要求。實驗方案的實現如圖6所示。

圖6 實驗方案

4.2 實驗結果

基于CBX實現的數控設備遠程監控系統的實時狀態界面如圖7所示。在該頁面下的“運行狀態”項，針對數控機床不同的運行狀態提供不同的文本框顏色，起提示作用，并通過點擊圖片，可以查詢對應數控機床的利用率情況。

監控管理系統軟件的設備利用率分析界面如圖8所示，可以按照設備編號、以日期為單位對數控設備的開機狀況和運行狀況進行查詢，當查詢的日期在sys_use數據表中沒有記錄時，根據sys_shop1_state數據表中記錄的數控機床運行狀況進行計算，并將計算結果寫入sys_use數據表，供下次直接查詢使用。圖中，以表格形式顯示查詢時間段內的所有查詢結果的數據，以餅圖形式顯示查詢時間段內機床總的開機率和利用率，以直方圖形式顯示查詢時間段內的單天運行率。

圖7 數控設備遠程監控系統實時狀態界面

圖8 設備利用率界面

監控管理系統軟件的設備綜合效率分析界面如圖9所示，可以以日期為單位對數控設備的設備綜合效率 (OEE)情況進行查詢，當查詢的日期在sys_shop1_percent數據表中沒有記錄時，系統會提醒按照步驟進行相關數據輸入，計算得到的結果會寫入數據表，供下次直接查詢使用。圖中，以表格形式顯示查詢時間段內所有查詢結果的數據，以折線圖形式分別顯示查詢時間開動率AE、效能開動率PE、合格品率QE及OEE的結果，觀察變化趨勢，可提高設備效率的有效方案。

圖9 設備綜合效率界面

5 結束語

以數控機床為研究對象，根據制造物聯3層構架的理念，設計“制造物聯中車間底層數控設備監控管理系統”，以實現對數控加工設備相關信息及其加工過程的有效管理。通過此系統，不僅可以了解數控車間的實時狀況，還可以對歷史數據進行分析，為車間安排生產計劃提供數據支持，可有效的提高生產效率。

［1］TORRISI Nunzio M，O L IVEIRA Joa~o F G.Remote Control of CNC Machines Using the CyberOPC Communication System Over Public Networks［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，39(5/6):570－577.

［2］FAASSEN Ronald.Chatter Prediction and Control for High Speed Milling:Modeling and Experiments［D］.Eindhoven:Eindhoven University for Technology，2007.

［3］袁磊.基于C/S結構的數控設備網絡化監控系統研究［D］.秦皇島:燕山大學，2011.

［4］夏志.基于嵌入式適配器的數控機床數據采集與監視系統設計與開發［D］.上海:上海交通大學，2012.

［5］譚文才.基于Internet的壓縮機遠程監測與故障診斷技術研究［D］.無錫:江南大學，2012.

［6］張海軍，郭艷玲.基于Internet的數控機床遠程監控系統的研究［J］.制造技術與機床，2005(10):77－79.

［7］王姣，宮政.基于嵌入式系統的數控機床信息采集與監測技術的研究［J］.機床與液壓，2010，38(8):90 －92.

［8］焦圣明，包云軒，郭靜，等.基于RIA氣象站信息平臺的設計與實現［J］.計算機工程，2010，36(20):217－219.