基于WSN的車間數(shù)據(jù)智能采集與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

張 新 孫文磊 張建杰 徐楚橋

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，我國大多數(shù)的制造業(yè)將迎來新的挑戰(zhàn)。一方面，全民生活質(zhì)量的提高，從而提升了我們對產(chǎn)品的個性化、舒適度、多樣性等多種需求要求，市場產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度持續(xù)加快，所以制造企業(yè)必須要考慮縮短產(chǎn)品的生命周期。另一方面，制造商需優(yōu)化升級制造車間體系，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)方式，全面提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，以至于在市場競爭中脫穎而出[1-4]。

物聯(lián)網(wǎng)是新型信息技術(shù)的重要組成部分，也是時代“信息化”的進(jìn)一步發(fā)展[5]。利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)把傳感器技術(shù)、機(jī)器設(shè)備、人員與物物等有機(jī)的鏈接，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化管理[6]。將物聯(lián)網(wǎng)的思想運(yùn)用到生產(chǎn)車間中，制造物聯(lián)網(wǎng)將人員、機(jī)器以及通信數(shù)據(jù)等有機(jī)的聯(lián)系，使得管控系統(tǒng)分散化，生產(chǎn)信息聯(lián)系密集化[7]。對于傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)復(fù)雜、時效、異構(gòu)等特點(diǎn)，采用工業(yè)以太網(wǎng)或車間現(xiàn)場總線等有線的傳輸方式[8]。此模式受車間物料多變、地點(diǎn)限制、外界加工環(huán)境的影響，滿足不了現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)交流、實(shí)時響應(yīng)的車間制造[9-13]。

本文將車間機(jī)床RS232、RS485串口通過串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換為RJ45以太網(wǎng)口，然后接入到無線接入器轉(zhuǎn)換為無線網(wǎng)絡(luò)，接入到車間局域網(wǎng)或WIFI網(wǎng)絡(luò)，并利用ZigBee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸。

1 無線AP組網(wǎng)通信

1.1 AP組網(wǎng)

無線接入器也可稱為無線AP(如圖1)，它可認(rèn)為是無線路由器的網(wǎng)絡(luò)信號增強(qiáng)設(shè)備，可有效擴(kuò)展車間無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域。在生產(chǎn)加工車間中，事先只預(yù)留了一個有線網(wǎng)口，與較遠(yuǎn)區(qū)域交換信息，若要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線將會造成資源浪費(fèi)，還有其他信息區(qū)域由于地形復(fù)雜多變，不可能實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)連接。由于以上情況，我們要監(jiān)控的區(qū)域往往都超出了單個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的有線區(qū)域，我們可以采用在車間設(shè)置多個無線接入點(diǎn)集成協(xié)作，可擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)的有效范圍。AP接入點(diǎn)工作模式構(gòu)建了以無線AP為核心的集成管控式網(wǎng)絡(luò)，車間數(shù)據(jù)通信都經(jīng)過AP轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的數(shù)據(jù)交換。

1.2 機(jī)床通信

車間機(jī)床通信通過機(jī)床RS232、RS485經(jīng)串口經(jīng)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換為RJ45以太網(wǎng)口，由無線AP接入器轉(zhuǎn)換成無線網(wǎng)絡(luò)。無線連接器采用“末端跨接法”(End-Span)供電方式，不需要設(shè)置獨(dú)立輸電的專用線，讓AP擺脫了電源接入點(diǎn)的限制。將無線接入器裝夾在車間機(jī)床床身上，然后通過無線接入器的AP client(AP 客戶端)模式下和其他AP連接，對車間內(nèi)所有機(jī)床以及顯示PC分配IP地址，對AP統(tǒng)一管配，實(shí)現(xiàn)AP零配置使用。然后將固定IP和MAK地址與總無線AP相連，通過Ethernet(以太網(wǎng))局域網(wǎng)把總AP連接服務(wù)器和PC終端上，達(dá)到車間機(jī)床和PC終端的無線聯(lián)網(wǎng)。

2 車間無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

2.1 WSN需求分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，可以監(jiān)測、控制外部設(shè)備。傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的獲取和處理功能[14-15]。以數(shù)據(jù)為中心的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)的聯(lián)系為感知外部世界提供了可能性。

在車間內(nèi)建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)，一方面進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，對機(jī)床設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行信號檢測，如加工過程中機(jī)床的溫度、壓力、位移、速度以及加工產(chǎn)生的震動等信號作為數(shù)據(jù)檢測，以便保證工件的加工質(zhì)量；另一方面監(jiān)控物料的生產(chǎn)調(diào)度，由傳感網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)充分了解機(jī)床設(shè)備正在加工或閑置的狀態(tài)，智能進(jìn)行物料調(diào)度，提高設(shè)備的利用率及減少生產(chǎn)時間。分析信號特征與狀態(tài)識別，描述機(jī)床使用中參數(shù)的運(yùn)行規(guī)律，對非正常信號進(jìn)行識別，避免機(jī)床出現(xiàn)重大故障問題，降低設(shè)備對人員的影響。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系如圖2所示，主要構(gòu)成包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)[16-17]。在被感知區(qū)域附近部署大量的微小傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)以自組織方式形成分布式的無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，以多跳(multi-hop)的無線通信方式采集、處理節(jié)點(diǎn)區(qū)域中所需的數(shù)據(jù)信息，通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星將檢測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芸毓?jié)點(diǎn)中心統(tǒng)一處理，從而可以采集、處理和分析車間區(qū)域任何機(jī)床的實(shí)時數(shù)據(jù)。

3 車間無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集

在車間內(nèi)部設(shè)計(jì)傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)的最佳路由方案，并布置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。由于拓?fù)涫蕉喾种ЫY(jié)構(gòu)都會配有接收數(shù)據(jù)的根節(jié)點(diǎn)，所以采集的數(shù)據(jù)以周期性的方式由子節(jié)點(diǎn)向上傳送到父節(jié)點(diǎn)，然后傳給根節(jié)點(diǎn)。由此構(gòu)建車間無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)，具有較長的工作壽命以及減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率，此過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)延遲一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。

3.1 WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由許多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，而每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要構(gòu)成包括：數(shù)據(jù)采集模塊，無線通訊模塊，處理器模塊，感知模塊，能量供應(yīng)模塊等。傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)通信自組網(wǎng)，然后將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺蝿?wù)管理節(jié)點(diǎn)處統(tǒng)一管理。如圖3所示無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，感知模塊采集自定義檢測區(qū)域中的待檢測物體的基本信息以及所需信息，并傳輸轉(zhuǎn)換采集到的數(shù)據(jù)信息，以便后續(xù)處理；處理器模塊通過格式轉(zhuǎn)換、信息識別處理由傳感器模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及存儲、備份數(shù)據(jù)；無線通訊模塊將數(shù)據(jù)信息通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為無線信號，與鄰居傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。能量供應(yīng)模塊(電源)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電保證正常工作。

3.2 車間WSN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在車間內(nèi)部利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，需針對不同的具體應(yīng)用來分別設(shè)計(jì)研究。由于考慮到車間機(jī)床通常位置固定，且使用率較高，在其區(qū)域分布大量密集固定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

由節(jié)點(diǎn)通訊產(chǎn)生了多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，與遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時需借助鄰居節(jié)點(diǎn)及中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。

采用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)、IEEE自定義協(xié)議網(wǎng)絡(luò)以及物理MAC網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，系統(tǒng)安全性能較高、網(wǎng)絡(luò)通信功能較大、靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對用電功耗、網(wǎng)絡(luò)延遲和其他網(wǎng)絡(luò)沖突方面有較好的改進(jìn)，如圖4所示。

對于以上各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電以后，系統(tǒng)初始化，網(wǎng)絡(luò)接口與監(jiān)控中心通信，實(shí)現(xiàn)無線傳輸。然后參數(shù)初始化，輸入信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(AD)轉(zhuǎn)換成需要的信號格式，再由相同頻率的輸出通道將從傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息傳給協(xié)調(diào)器，按照異步模式的接口通信方式流經(jīng)處理器，存儲、處理后轉(zhuǎn)換為無線信號，接入到車間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，最終監(jiān)控中心PC管控制造數(shù)據(jù)信息。無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

4 應(yīng)用案例

根據(jù)以上理論基礎(chǔ)和研究方法，本文用Java語言和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫為開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)開發(fā)了智能車間無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，并在新疆大學(xué)工程訓(xùn)練中心進(jìn)行了應(yīng)用。

根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)流程，該平臺主要分為DNC、智能車間、跟蹤查詢、刀具管理和統(tǒng)計(jì)分析等模塊。

(1)智能模塊。主要向車間設(shè)備發(fā)送和接收NC代碼、工藝卡片、2D圖紙、3D模型等工藝文檔，如圖6所示。

(2)智能車間。主要實(shí)時提取各車間設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前加工工件、完成加工任務(wù)情況等詳細(xì)過程數(shù)據(jù)，并實(shí)時調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)等，并據(jù)此進(jìn)行按需配送生產(chǎn)任務(wù)、故障診斷、維護(hù)報(bào)警等行為，如圖7所示。

5 結(jié)語

在車間實(shí)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不僅削弱了空間環(huán)境的影響，還提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。本文對車間內(nèi)采取AP組網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)架，與車間機(jī)床無線通信。設(shè)計(jì)車間傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，模塊化的統(tǒng)一管理，進(jìn)一步地優(yōu)化了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的制造車間數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過具體實(shí)際應(yīng)用說明了車間無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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