基于分布式數控機床管控系統設計與應用

沈榮成，張秋菊，李克修，左文娟

(1. 江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122； 2. 江蘇省食品先進制造裝備與技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著計算機、通信和網絡、軟件技術的發展，數控系統正向智能化、網絡化方向發展，數控機床作為制造系統的核心裝備[1-3]，其內部的復雜程度及智能化程度也在不斷提高，而數控機床的加工精度、機床運行狀態、機床耗能情況都需要一定指標進行反映，監控系統在一定程度上保證機床安全可靠地運行[4]，尤其是當前數控機床高速、高精度、智能化的趨勢[5]，機床監控系統也要不斷發展以滿足數控機床的需求[6]。對于數控機床監控系統的研究，雖然已有一些成果，如第一代監測與診斷系統，以及后來的基于Internet的網絡化遠程監測及故障診斷系統[7]。然而隨著數控機床水平的提升，也對監控系統提出更高的要求。如可擴展性、實時性、運行狀態的在線監測等，監控系統也顯得越來越重要[8-9]。另外，網絡技術的發展為遠程監測提供了可行性，可在遠離機床的地點了解機床各部分狀況，并對其狀態進行分析，這是數控機床監控技術發展的又一重要方向[10]。目前，數控機床監控系統都處在對單一類型機床程序及各類數據管理的層面，難以支持機床運行數據的跨平臺交換與操作。

針對以上問題，系統結合總線技術和組態技術的優點，應用RS485總線[11]、PLC和HMI組成底層采集監控系統，應用串口服務器實現PLC、數控系統與上層軟件組成可跨平臺的上層管控系統。這種分布式管控系統既能實現底層采集監控系統對不同類型數控機床的數控系統信息、PLM信息及運行變量的監控，又能實現上層管控系統實時對機床的監測和各類信息的分析、處理及保存。系統能實現預測維修、減少停機損失，提高生產效率，此系統充分利用了485總線、組態軟件、OPC技術[12]及上位機軟件技術的各自特點，實現優勢互補，具有較大推廣價值。

1 機床管控系統總體結構

監控系統監控內容主要有數控機床、底層采集終端與上位機監控系統。為了給經常需要更新的數據保留足夠的帶寬，所以監控系統的任務可以分為未激活組和激活組兩類。未激活組指不經常讀取的數據項，比如上位機在向數控機床或底層采集終端發出指令時，返回特定的結果，如讀取機床的參數及數控機床的加工參數等[13]。激活組指的是經常需要讀取的數據項，如實時地向數控機床發出讀取各電機軸轉速、電流、溫度等指令[14]，并實時繪制相應曲線和生成圖標等。這些數據通過友好的人機界面反饋給用戶。

1.1 系統構成及特點

根據管控系統的監控要求，系統整體結構如圖1所示。

圖1 機床管控系統結構

該系統具有分布式數據采集及計算機管控系統，其硬件系統由以下幾部分組成：

1)上位機服務器

具有較高可靠性和集成裝置的PC機，裝有Windows XP以上系統，支持Microsoft .NET framework 4以上框架。

2)無線AP

MOXA AWK3121這款無線AP支持長距離數據傳輸，能夠在寬溫度環境下工作，適用于任何苛刻的工業環境。

3)無線串口服務器

AWK1127 WLAN客戶端是適用于有線無線布線方案，可將任何具有以太網功能或者RS-232/422/485口的設備轉換為無線聯網設備。串口服務器能與不同數控系統進行串口通訊，并將串口信號轉換成以太網信號傳輸到上位機，實現與數控系統的交互。與底層采集控制器Siemens PLC實現以太網連接，通過OPC技術，實現采集終端與上位機管控系統的通訊。

4)Siemens S7-200 Smart PLC

此款PLC本體配有以太網口，集成強大的以太網通信功能，可通過此接口與其他CPU模塊、觸摸屏、計算機組網。具有專用PC Access Smart OPC 功能，滿足系統全方位需求。本系統選用SR30 CPU、擴展SMB0(RS-232/485)通訊模塊、AE08(8路模擬量輸入)模塊。

5)下層監控顯示設備——HMI

SmartLine1000 IE經濟實用具有高性價比，與Smart PLC組成完美的自動化控制與人機交互平臺，10″大屏操作界面，方便車間層的實時監視。

6)外圍設備

包括3軸電流傳感器、1軸電流傳感器、接觸式溫度傳感器及其他輔助設備。

1.2 底層采集監控系統的設計與組態

底層采集系統即為整個管控系統的設備層。采集器的整體電氣原理圖如圖2所示。

圖2 采集終端電氣原理圖

系統中涉及到2種電流傳感器，1路溫度傳感器，首先將2種電流傳感器通過PLC上的通訊模塊應用Modbus RTU通訊協議與PLC通訊。串口通訊參數為波特率9 600，數據位8位，停止位1位，無奇偶校驗。

由于RS485為半雙工模式，所以PLC對2個傳感器采用輪詢模式，用通訊成功位觸發下一查詢，這樣編程實時性好，可靠性高。程序段12是對采集的數據進行數據處理，具體計算方法如式(1)。

(1)

其中：I為設備PLC讀取的電流數據(雙字節，高位在前，最高位為符號位)，A為傳感器的電流量程(其中1路電流傳感器量程15A，3路電流傳感器量程5A)。此傳感器測出的電流精度可達0.2%。

溫度傳感器模擬量的組態，系統中選用的貼片型溫度傳感器，便于安裝與更好地測出最真實的溫度。溫度傳感器選擇三線制PT100測溫度法，此方法可以較好地消除引線電阻的影響，其測量原理圖如圖3所示。

圖3 雙臂電橋三線制電阻測量

圖3中Rt為熱電阻；R0為溫度t=0℃時熱電阻Rt的阻值；R1=R2=R總為分壓電阻；r1=r2=r3=r總為導線電阻；Eb=24V為外部電源；Vx為輸出電壓；運算放大電路放大倍數為Ad；△Rt=Rt-R0；在R總>>R0,R總>>Rt,R總>>r的前提下, 推導出式(2)。

(2)

三線制測溫保證3根導線電阻相等，引線電阻僅影響滿度值，不影響零點，當R總足夠大時，引線電阻對測量結果的影響可忽略。

本傳感器輸出信號為4～20mA,PLC模擬量的電流輸入范圍為0～20mA，所以根據對應關系，溫度的計算如式(3)所示。

(3)

其中：C為實際測出溫度值；AIW16為PLC采樣值；M為傳感器最大測量值。

底層采集監控端HMI組態，該HMI提供了按鈕、實時曲線、歷時曲線、報警窗口、動畫制作等復雜的應用對象。在建立與PLC的連接之后，需要對變量進行定義，指定名稱、連接、數據類型、地址、采集周期等。每對畫面中的構建組態定義，即為將畫面圖形中的對象與變量一一建立聯系。在HMI的實時運行環境中，通過使用圖片優化界面，達到友好的人機交互界面。

根據管控系統底層采集端的實際要求，設計的軟件將實現以曲線的形式反映機床四軸電流與時間的關系，主軸電流與轉速關系，及加工時溫度與時間關系，以表格的形式反映報警歷史記錄和用戶登錄記錄，實時顯示機床參數和與當前運行程序相關的屬性等。

1.3 上層管控系統的結構與設計

上層管控系統由NET平臺下的C#語言WPF框架搭建，具有良好的視覺體驗。WPF是一個與分辨率無關并且基于向量的呈現引擎，有強大的圖形呈現優勢，結合MVVM框架，能夠更好的應用WPF的數據綁定特性，能做到界面開發與業務邏輯分開，使系統功能模塊化，提高代碼的重用率。應用Microsoft SQL Server2008數據庫儲存系統各類數據。

上層管控軟件系統功能圖如圖4所示。

圖4 管控系統軟件功能圖

由圖4可以看出上位機軟件提供了豐富的功能，在數據顯示方面以圖形化、曲線化直觀地表現系統中的數據及實時表現當前系統的運行狀態。系統中，所有的變量按照不同的控制要求，以數據表的形式儲存在數據庫中，通過C#語言對數據庫中數據實現增、刪、改、查、更新等操作，方便快捷，并且可以保存海量的系統數據。

系統的主監控窗口如圖5所示，根據系統的控制要求，監控機床的實時運行狀態，監控機床的實時運行數據，可以實時顯示故障報警畫面、查詢歷史數據，并設置報警上下限值；統計機床的故障狀況、能耗情況、設備的綜合使用效率及刀具壽命統計等；可生成系統的實時報表及歷史報表，支持導出Excel，txt等格式，支持在線打印功能；管控系統還集成DNC功能，可在線編輯數控程序，可自動添加宏指令，通過RS232串口實現與數控系統通訊，支持程序的上傳下達的功能。

圖5 分布式管控系統主界面

2 管控系統實時監測

系統中底層采集終端通過PLC采集I/O信號和將外部電流傳感器、溫度傳感器等數據傳遞給底層HMI監控端，上位機實時下達控制指令也傳送至HMI設備。底層監控端通過提取實時數據庫中電流傳感器及溫度傳感器寄存器的值，對機床實時監測并實時繪制其趨勢曲線。應用用戶對象控件和趨勢曲線控件，針對不同的對象進行組態，可實現對電流、轉速、溫度和用戶登錄的歷史記錄查詢，并可以根據上位機監測數據進行對比。

上位機監控端，通過MOXA無線串口服務器與無線AP 的組態，實現無線監控，最多可支持擴展255個下位機對象。上位機監測系統實時監測機床外部信號及數控系統的內部信號，并通過WPF框架下豐富的功能控件組態。系統將實時對管控系統中的用戶登錄表、程序管理表、機床管理表、機床維修表、零件加工工時統計表、機床功效分析圖、設備使用效率分析圖、機床功效分析圖、各傳感器歷史變化趨勢圖等統計結果進行更新并以直觀、形象的方式呈現在監控窗口中。

系統啟動時，首先需要用戶登錄，根據登錄用戶所屬類型，系統將依據權限進行功能限制，然后進行相應的通訊的配置，參數的設置等。具體管控系統的工作流程如圖6所示。

圖6 工作流程

2.1 實現方法

系統監控的對象為5臺數控機床，下面介紹1臺數控機床的監控實現方法。采集的數據分別來自數控系統和底層采集器及機床的I/O接口。根據監測要求，對機床的監測點見表1。

表1 測點統計表

續表1

上位機管控系統充分考慮人機交互，系統中的柱狀圖、餅狀圖、折線圖通過使用Visifire.Charts.dll實時獲取數據庫中的信息并以3D動畫的形式繪制圖形。上位機讀取西門子PLC中的數據，使用西門子官方發布的PC Access Smart OPC完美兼容Smart PLC，保證數據讀取的實時性與精確度。在SQL2008數據庫中對系統中所使用的數據庫i_DNC_Database進行安全設置，添加了用戶識別與鑒定、數據加密和儲存備份，最大限度保證系統的安全性、可靠性與穩定性。

2.2 監測結果

如圖7所示，在該實驗平臺下，正常啟動數控機床、底層采集端及上位機軟件，在系統啟動、登錄完畢后，工程師無需打開與西門子相關及無線模塊軟件，通過以太網及串口進行通訊，輸入PLC的IP地址及映射好的COM口號，建立好連接后，分布式系統將自動對數控系統及相應傳感器進行監測，采集的數據將實時反映在底層監控端和上層監測端。

圖7 下位采集終端實驗平臺

在本管控系統中，集成了較多的圖表控件，工作人員可以通過軟件操作實時觀察當前系統的運行狀態，也可以通過條件篩選出符合查看要求的歷史數據曲線，進行綜合分析比較。如圖8所示，顯示了4路電流傳感器的實時趨勢曲線圖，并且顯示上位機對機床各方面數據分析的結果和溫度實時變化曲線與主軸實時轉速曲線。

圖8 采集終端人機交互界面數據顯示

上位機通過實時刷新記錄在數據庫中的數據，實時更新各統計表中的數據信息及相應曲線。如圖9所示，柱狀圖是對機床工作時間、能耗與總開機時間和能耗數據的分析，得到11月份和12月份機床綜合使用效率。折線圖是對一段時間內主軸速度與溫度值的描述圖，通過對數據庫中上萬個采集點的分析，得出主軸轉速與溫度的關系。為了滿足海量數據的描繪，可雙擊折線圖進行放大，觀察每一個時刻的實時值。

分布式機床管控系統通過對底層采集端的合理配置與上位機軟件的合理設計，可以實時、準確地反映系統的運行狀況。系統通過對大數據的分析，當機床出現不合理參數時，可給出相應原因，便于工程師維護與使用以及管理者優化管理方案。

圖9 上位機數據分析表

3 結語

該系統設計是運用先進的計算機軟件和多種通訊技術的產物，各部分以模擬量和通訊的方式建立聯系，簡化了控制器的硬件設計，提高了控制器的可靠性，降低了設計成本，擴大了適用范圍。各組成部分在功能上相對獨立，易于控制器的組成和擴展，具有良好的應用前景。

該分布式管控系統具有以下優勢：

1) 使用PLC技術，保證系統具有極高的可靠性與抗干擾能力；

2) 具有靈活的I/O擴展功能和強大的通訊功能；

3) 可以縮短系統的開發周期，方便快捷；

4) 具備強大的數據處理能力、完善的系統管理方案及數控程序編寫方案；

5) 系統具有自我識別、自動調節的功能，具備完善的報警機制。

數控機床管控系統對于提高機床的使用效率、優化管理方案具有重要作用。目前該管控系統是客戶端軟件，需要安裝其他一些專業軟件才能對系統監控，希望以后開發一套基于B/S模型的系統，將客戶端與網頁端結合，可以更好地滿足工業要求。