數(shù)控機床運行時間采集系統(tǒng)研究

常欣

摘要： 介紹了數(shù)控機床利用率的含義及其在生產(chǎn)管理中的重要性。本文采用分布式采集方案，使用PLC、人機界面和上位機等組成機床運行時間采集系統(tǒng)。經(jīng)過試驗平臺驗證，該方案完全能夠滿足使用需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

Abstract： The NC machine tool using ratio is defined in this paper. The importance of machine using ratio in equipment management should not be disregarded. A distributed data acquisition system which is made up of PLC， HMI and host computer is well researched. The system is proved out by a test unit and it can totally meets the requirements.

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機床；利用率；采集系統(tǒng)

Key words： NC machine tool；using ratio；data acquisition system

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0081-02

0 引言

近幾年科研生產(chǎn)任務(wù)量逐年增加，然而設(shè)備和人員卻不可能無限制的增加。如何提高現(xiàn)有機床設(shè)備的利用率來提高產(chǎn)量并且滿足精益生產(chǎn)的要求，已成為一個棘手的問題。對所有機床利用率進行分析，尋找影響機床使用效率的原因并采取針對性措施是解決這一問題的重要方法。但是機床利用率的統(tǒng)計工作目前只能通過粗略的人工統(tǒng)計方式進行，實時性、準確性均難以滿足要求。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在商業(yè)及工業(yè)領(lǐng)域的大量使用，這些技術(shù)的應(yīng)用效果越來越顯著，對提高銷量或產(chǎn)量有著極大的推動作用。因此應(yīng)當(dāng)將這些技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工生產(chǎn)中去，建立起一套基于MDC（生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集）技術(shù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的加工中心運行監(jiān)控管理系統(tǒng)來輔助管理和決策部門合理安排生產(chǎn)，最終實現(xiàn)生產(chǎn)效率提升。鑒于目前市場上仍然缺乏此類成熟產(chǎn)品，而且難以給出適應(yīng)西安飛行自動控制研究所實際情況的解決方案來，因此本文主要以機床運行時間采集系統(tǒng)作為研究對象，對相關(guān)技術(shù)進行應(yīng)用試驗和驗證，嘗試開發(fā)適合所內(nèi)現(xiàn)狀的數(shù)控機床運行時間采集管理系統(tǒng)。

1 數(shù)控加工中心運行時間自動采集方法

機床利用率數(shù)據(jù)是由機床運行時長與開機時長的比值確定，比值越小就說明機床真正用于加工的時間越短。開機時長是指機床通電后的持續(xù)時間長度，反映出機床是否可用。包含了準備時間、等待時間、運行時間等。運行時長為機床實際加工所用時間長度，可等效為執(zhí)行自動程序所用時間。

針對這兩個時間的自動采集方法主要有兩種，一種是通過與加工中心數(shù)控系統(tǒng)通信的方式直接采集，另一種是通過外部儀器設(shè)備捕捉機床運行時產(chǎn)生的特征信息間接采集。

直接采集需要通過數(shù)控系統(tǒng)提供的通信端口并結(jié)合相應(yīng)的軟件或硬件才能實現(xiàn)。由于數(shù)控系統(tǒng)一般都不是開放的，通信協(xié)議也不同，想要通過一個平臺直接訪問多個品牌的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的變量是很困難的。據(jù)調(diào)研，國內(nèi)很少有成熟的解決方案。國外也非常少，蓋勒普公司有一套完整的MDC系統(tǒng)解決方案，但是價格高昂，并且不一定能滿足我所實際需求。與數(shù)控系統(tǒng)通信會帶來信息泄露和數(shù)控系統(tǒng)被惡意破壞的安全風(fēng)險，另外，由于直接采集要使用數(shù)控系統(tǒng)通信端口，使用中有可能會因為雷電、電網(wǎng)波動等原因燒壞通信端口甚至是數(shù)控系統(tǒng)（已有此類故障發(fā)生）。其次，直接采集方式對于沒有數(shù)控系統(tǒng)或類似控制器的普通機床、特種設(shè)備和其它科研生產(chǎn)設(shè)備都無法應(yīng)用，使用范圍有限。因此本文不傾向于直接采集方式。

間接采集可以不受數(shù)控系統(tǒng)軟件和硬件的限制，不會對機床及控制系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。通過附加的裝置采集能夠反映機床運行狀態(tài)的信號，這些裝置又可以連接成網(wǎng)絡(luò)，并由上位機統(tǒng)一記錄數(shù)據(jù)和監(jiān)控管理。該方法的優(yōu)勢在于成本低，容易實現(xiàn)，通用性、擴展性強。國內(nèi)已經(jīng)有多個企業(yè)在嘗試用該方法研發(fā)設(shè)備運行時間采集系統(tǒng)。據(jù)悉，有公司通過采集機床加工時的負載電流這一特征信號實現(xiàn)對機床運行時間的采集。因此本文最終選擇間接采集方式。

要實現(xiàn)間接采集，最關(guān)鍵的一點就是找到能夠反映機床運行狀態(tài)的特征信號，這個信號能夠在機床開始加工零件的時候出現(xiàn)，還能在加工完畢時消失。總結(jié)日常維修改造的經(jīng)驗，本文認為采用機床加工負載電流作為機床運行特征信號存在較多缺陷，比如每臺機床的電流閥值都不相同，需要逐臺進行標定；模擬量采集有誤差；存在較多干擾因素等。

為了尋找并確定合適的特征信號，本文選取了所內(nèi)30余臺典型的數(shù)控加工中心作為研究對象（見表1）。經(jīng)過逐臺對比分析，發(fā)現(xiàn)機床內(nèi)部的直流電源的輸出端或者通電時間計時器可以反映出機床是否通電，而機床自帶的自動程序運行時間計時器或者指示自動程序正在運行的指示燈可以反映出機床是否處在運行狀態(tài)，以這些開關(guān)量信號作為特征信號，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此更易實現(xiàn)且可靠性高。

2 數(shù)控加工中心運行時間采集系統(tǒng)組成及實現(xiàn)

本次研究采用目前較為成熟的技術(shù)和產(chǎn)品來構(gòu)建該采集系統(tǒng)。由圖1可見，采用西門子S7-200型PLC采集機床運行特征信號，再由人機界面顯示、記錄該信號并傳送至上位機。人機界面可以查詢對應(yīng)機床一個月內(nèi)的通電和運行記錄，還可進行操作人員登陸和注銷操作。通過上位機可以瀏覽所有接入系統(tǒng)的機床的開機時長、運行時長和其他狀態(tài)信息。人機界面和上位機中運行界面均使用昆侖通態(tài)的MCGS組態(tài)軟件進行開發(fā)。

該采集系統(tǒng)在工作狀態(tài)下能夠自動判斷和記錄機床狀態(tài)的變化情況，無需人工干預(yù)。信號通過硬接線方式從機床電氣柜中適當(dāng)?shù)墓?jié)點取出，接入PLC輸入端口，必要時可使用繼電器進行隔離轉(zhuǎn)換。當(dāng)機床通電后，PLC就能捕捉到相應(yīng)的信號并反饋給人機界面，人機界面會記錄通電的時間并以此為起點開始累計通電時長。當(dāng)機床開始執(zhí)行自動程序時，PLC又會捕捉到相應(yīng)信號并反饋給人機界面，人機界面以自動程序啟動時間為起點開始計時，直到該程序執(zhí)行完畢。當(dāng)執(zhí)行完下一個自動程序后，執(zhí)行該程序所用的時間會累加計入當(dāng)日的機床運行時長當(dāng)中。

3 試驗驗證

3.1 制作信號采集箱 為了安全可靠地完成現(xiàn)場信號采集和記錄，將PLC和人機界面及相關(guān)裝置集成在一個采集箱中。對PLC和人機界面進行編程和相應(yīng)設(shè)置，使其具備自動采集和記錄的功能。

3.2 單機采集試驗 選擇一臺DMU 60P鏜銑加工中心作為試驗對象，將采集箱布置在合適位置（見圖3）。查閱該機床電路圖，找到合適的電氣節(jié)點，用電纜將特征信號采集節(jié)點接入采集箱中。接通采集箱內(nèi)PLC和人機界面的電源，驗證采集箱能否正確采集和記錄機床狀態(tài)變化。采集箱接通電源后就自動進入工作狀態(tài)。

開機時長的記錄。開機時長每日統(tǒng)計一次，最大值1440分鐘。當(dāng)機床通電時，試驗箱捕捉到了上電信號，人機界面上顯示機床上電的指示燈點亮，并以此時刻作為起點開始計時。當(dāng)機床斷電時，指示燈熄滅，計時結(jié)束，這段時間就作為當(dāng)日的開機時長被記錄下來。

運行時長的記錄。運行時長也是按日統(tǒng)計，該時間不大于開機時長。當(dāng)機床操作者按下“NC Start”按鈕開始執(zhí)行自動程序時，采集箱捕捉到程序啟動信號，人機界面上點亮相對應(yīng)的指示燈，并從此刻開始計時。當(dāng)該段程序執(zhí)行完畢，機床停止時，計時也自動停止，機床剛才運行的這段時長被自動記錄下來。同樣，機床執(zhí)行其它程序所消耗的時間也被記錄下來，并與之前的計時進行累加。

每日結(jié)束時，系統(tǒng)將當(dāng)日的開機時長和運行時長進行統(tǒng)計并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，方便日后查詢。經(jīng)過一個月的采集，可以在人機界面中查看到該機床運行時長的所有記錄。從記錄的結(jié)果來看，記錄的數(shù)據(jù)與機床實際運行情況是完全相符的。

3.3 聯(lián)網(wǎng)試驗 用一個采集箱、一臺人機界面（模擬一個采集箱）和一臺計算機組成一個采集系統(tǒng)，進行編程和設(shè)置后進行聯(lián)網(wǎng)測試，驗證上位機的監(jiān)視和控制功能。從圖4可以看出上位機接收并顯示了設(shè)備1和設(shè)備2的運行狀態(tài)信息，具備了遠程集中監(jiān)控管理功能。

4 研究結(jié)論

經(jīng)過前期調(diào)研和多項試驗驗證，證明了通過采集能夠反映機床運行狀態(tài)的開關(guān)量特征信號，可以實現(xiàn)對機床是否運行進行判斷。以此方法建立的數(shù)控加工中心運行時間采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機床運行時間的采集和記錄，并且可以進行聯(lián)網(wǎng)和集中監(jiān)控。優(yōu)勢：投入成本低，容易實現(xiàn)；每臺機床都是一個獨立子系統(tǒng)，可以按需配置、靈活調(diào)整，不受機床自身軟硬件條件限制；PLC和人機界面功能豐富，可以擴展多種監(jiān)視和控制功能，還能夠擴展應(yīng)用到普通機床和其它科研生產(chǎn)設(shè)備中；通過以太網(wǎng)可實現(xiàn)大規(guī)模集中監(jiān)控。不足：采集精度仍需提高。自動程序運行中包含了換刀、測量和其他非加工時間，目前采集到的時間仍然不能完全反映純粹的加工時間，因此還需要作進一步研究；對于沒有計時器或運行指示燈的機床不適用，還要尋找新的解決辦法。總之，經(jīng)過后期的改進完善，該采集系統(tǒng)即可投入使用。如果全面應(yīng)用，將成為生產(chǎn)管理部門和決策層的重要管理工具。

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