基于物聯網技術的數控機床監控系統研究

殷振

（大連工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034）

0 引言

制造業的競爭已進入白熱化，為了贏得用戶與市場，必須全面提高產品質量、環境質量、服務水平并縮短交貨期。然而，受市場波動的影響，生產計劃管理上越來越難，對車間生產的引導和控制出現滯后，底層數據信息難與上層系統同步。數控機床是科技含量非常高的機電一體化產品，是制造其它工業產品的基礎，也是發展和振興我國制造業的關鍵設備之一。數控機床作為制造業的基礎，必須具有高質量、高產量和反應速度快等優點。隨著技術和需求的不斷發展，對機床的管理維護方式也提出了新的要求，為了滿足這種要求，實現數控機床運行過程的全程可監控，可將新興物聯網技術引入到數控機床監控系統中，因此，本文擬開發基于物聯網技術的數控機床監控系統。

物聯網［1-2］（Internet of things）是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

基于物聯網技術的數控機床監控系統是通過對數控機床運行中的各種動態參數進行實時采集，實時監控底層設別的運行狀態，采集設備、儀表的狀態數據，經過分析與處理，并將數據通過無線網絡方式傳輸至信息系統，從而方便、可靠地將控制系統與信息系統聯系在一起，并將生產狀況及時反饋給計劃層［3］。建立數控機床基本信息維護模塊，該模塊的作用是建立設備的信息表和對設備資料進行存儲和調用管理，完成對數據的實時顯示和處理，并將處理結果反饋給制造商和用戶。

1 系統體系結構

1.1 系統概述

數控機床監控系統囊括了計算機技術，數控加工技術和網絡技術等，其作用是監測數控機床的運行情況、加工過程的參數以及數控機床是否平穩運行，并將監測結果通過無線網絡傳輸送到后臺信息管理系統，由信息管理系統對數控機床運行過程的狀態和維護情況進行統一的管理。其中：數控機床的基本情況包括數控機床的名稱、型號、加工能力、工時系數和加工工藝進行錄入建立設備的履歷表等；加工過程的參數包括主軸轉速、進給速度等；影響數控機床平穩運行的因素包括電源電壓、切削液品質、主軸偏差、液壓油溫度、刀具定位、夾具壓力、環境溫濕度等。

1.2 系統體系結構

數控機床監控系統主要由3部分組成，層次結構自底向上分別為感知層、網絡層、應用層，其系統體系結構如圖1所示。

數控機床感知層部分包括射頻識別（RFID）標簽、RFID探測器和各種傳感器，主要進行數據信息的采集與感知，感知的對象可以是單獨存在的物體，也可以是一個特定的區域［4］。安裝在數控機床各功能部件上的傳感器實時采集部件的平穩狀態信號，在采集過程中，傳感器信號獨立于數控系統的運行信號。RFID標簽與數控機床進行綁定，產生一一對應的關系，且RFID標簽具有全球唯一性，不會產生重復。在數控機床運行現場安裝RFID探測器，可以全天候接收標簽傳來的數據，并將數據傳入網絡層，這些數據為數控機床的監控提供了保障。

圖1 數控機床監控系統體系結構

網絡層由一些網關、網橋、交換機、路由器等設備構成，主要是處理和融合數據，并將數據傳入核心網絡。RFID探測器和主干網絡的數據傳輸要借助中間件［5］和通用無線分組業務（general packet radio service,GPRS）。數控機床監控系統中間件的功能是實現RFID硬件設備與監控系統之間的數據格式轉換、過濾和數據傳輸以及對數控機床感知層的數據進行整理，其基本結構如圖2所示。該層主要是通過GPRS將數據傳輸到應用層，以便對數控機床進行管理維護。

應用層的主要功能是處理所收集的數據和判斷機床運行狀態。首先，它接收來自各機床的實時數據并對數據進行分析處理，進行設備故障統計與管理，對由于使用、檢查維修、管理的原因造成的機械、動力、電訊、儀器儀表等設備的損壞進行記錄，對其維修過程進行文檔保存，方便以后的問題能及時得到解決。

圖2 數控機床監控系統中間件的基本結構

數控機床監控系統主要由硬件和軟件構成。硬件部分包括傳感器、RFID探測器的布置以及網絡線路的搭建；軟件部分是監控系統的設計，它由數據交換中心、機床部件監控中心和基本信息中心三大中心組成。

2 物聯網技術在數控機床監控系統中的應用方案

2.1 設計目標

數控機床的運行參數通過監控系統及時反映到終端上，設備管理員在監控點實時監測整個生產進程，確保設備正常運轉，實時監控數控機床的運行狀態并對狀態進行分析，可以發現并解決某些潛在的故障，其所提供的狀態信息完善了遠程故障診斷技術。總之，基于物聯網技術的數控機床監控系統應滿足如下功能：

1）對機床加工程序集中化管理，為了減少因數控程序管理不規范帶來的麻煩，我們將生產中用到的所有數控程序存入服務器數據庫中，并設置了訪問權限，確保了程序的安全。

2）設定機床維護時間，每隔一段時間對機床做定期維護保養，避免給機床帶來無法修復的損失。

3）實時監控機床運行狀態，對機床運行狀況做出評估，預防機床故障的發生。

4）機床通信模塊具有很好的遠程維護性及易于擴展的優點。采用模塊化設計技術開發的數控機床網絡系統，具有很好的擴展性和兼容性。

5）系統配置全部在服務器上進行，不會對數控機床產生影響，方便、安全、可靠。

2.2 實現環節

基于物聯網技術的數控機床監控系統主要由4部分組成：數據交換中心，機床智能終端，監控中心系統和傳感模塊系統。

數據交換中心：數據交換中心對機床上傳數據包進行接收與解析，并能對其中一些數據進行分析和比較，找出機床運行過程中的異常信息。

機床智能終端部分：負責機床通信系統和信息顯示。

監控中心系統：負責監控數控機床在生產過程中的運行狀態并將運行狀態以數據的形式上傳到上層監控系統。

傳感模塊系統：運用物聯網的技術思路，在數控機床關鍵部件上安裝傳感器，通過機床上的無線傳感器網絡感知模塊，將傳感器信息傳遞到RFID標簽，標簽的信息可以被周圍的RFID探測器接收，然后探測器將數據通過GPRS傳入監控系統，管理人員可以通過手持移動探測器來接收機床上RFID標簽發送的機床加工狀態和加工進度等信息，這樣管理人員就可以及時方便地掌握生產的進度和情況。

3 基于物聯網技術的數控機床監控系統應用架構

3.1 系統的整體架構

該監控系統采用傳統的“集中監測、分散控制、三層結構”總體方案，其中三層結構由監控層、控制層和設備層構成，監控系統總框架如圖3所示。

圖3 監控系統總框架圖

3.2 系統結構設計

物聯網的關鍵技術包括無線傳感器網絡技術［6］，構建了基于物聯網技術的數控機床監控系統總體架構，該架構除了傳統管理系統外增加了數據交換中心層，數據交換中心解析，轉發和控制上傳與下達的數據，增強了系統的反應能力和強壯性。

系統以網絡環境為基礎，通過與現場的傳感器的數據交換，得到在各個機床的生產信息及現場各個機床的運行狀態。監控系統對機床運行狀態進行實時記錄，將數據保存到數據庫中，通過SPC查詢模塊，方便管理人員更好地掌握機床運行狀態，為指導生產提供數據依據。

SPC查詢模塊采用的是B/S（瀏覽器/服務器）結構，它是隨著網絡技術的發展而流行起來的，是在C/S結構基礎上的一種擴展和改進。該結構減輕了客戶端的負擔，省去了系統維護與升級的麻煩，大大降低了系統的維護成本。

1）應用監控層。系統的最上層是監控層，包括服務器、監控機等。

2）控制層?？刂茖邮窍到y的中間層，其核心設備為PLC，連接到現場總線［7］設備包括：分布式I/O站按鈕，指示燈和HMI站。

3）設備層。設備層位于系統的最底層，包括工位按鈕、指示燈、工位PC等。各工位按鈕信號首先傳入本區域的I/O箱，然后接入系統PLC控制柜。

監控系統網絡架構如圖4所示。

圖4 監控系統網絡架構圖

4 系統實現

4.1 系統實現技術

具體開發環境如下：

1）該系統以Internet為硬件環境。

2）監控系統是采用C/S（客戶端/服務器）結構，這樣客戶端的反應速度就會很快，憑借其較強的處理能力來處理復雜的業務流程。

3）數據庫服務器和Web服務器端選用Windows Sever 2003操作系統，客戶端采用Windows 2000操作系統。

4）Microsoft Visual 2010開發環境，Visual C#是一種全新的現代化的完全面向對象的語言，讓程序員能夠快速地創建集成解決方案。

4.2 應用實例

將監控系統具體應用到山東省某數控機床企業實際運行中,在實際應用中，系統實現了對數控機床的實時監控，主要包括：1）實現了機床運行狀況和加工數據的實時收集；2）為數控機床可靠性評價提供了數據基礎；3）實現了數控機床運行過程的實時監控；4）為數控機床的定期維護保養提供了參考依據。

5 結語

文中通過對數控機床生產過程存在的問題進行分析,將物聯網技術應用到數控機床監控系統之中,提出了一種全新的思路，將物聯網技術的先進性與機床監控結合起來，構建起了新的體系架構。本系統在山東某數控機床企業的實際運行效果良好,因此物聯網技術的應用使得企業能夠及時掌控數控機床的生產數據和運行狀況，并對數據作進一步的分析，根據數據分析的結果調整數控機床的操作參數，數控機床的生產效率得到了很大提高。

［1］ 張峰，張曉鵬，吳商成.基于物聯網的機場集成行李處理系統及其應用研究 ［J］. 計算機應用研究，2010，27（10）：3771-3774，3778.

［2］ 黃冬梅，方的茍，張明華，等.物聯網技術在救災物資配送管理系統中的應用［J］.計算機應用研究，2011，28（1）：189-191.

［3］ 黃永杰.制造執行管理系統（MES）的應用探索［J］.價值工程，2011，30（21）：163-164.

［4］ 董麗華.RFID技術與應用［M］.北京：電子工業出版社，2008:178-180.

［5］ 張云勇.中間件技術原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004：85-88.

［6］ 孫利民.無線傳感器網絡［M］.北京：清華大學出版社，2005:69-72.

［7］ 李正軍.現場總線與工業以太網及其應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2011：131-132.