基于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹世超

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)監(jiān)控能力有限的問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)控機(jī)床電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，以STM32為主控制器，提高了數(shù)控機(jī)床的工作效率和運(yùn)維水平。

關(guān)鍵詞：NB-IOT物聯(lián)網(wǎng);電控系統(tǒng);數(shù)控機(jī)床

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）07-0010-01

0 引言

我國(guó)目前處于工業(yè)化中期，工業(yè)的高速增長(zhǎng)帶來(lái)了數(shù)控機(jī)床的旺盛需求，大多數(shù)電控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的GPRS、3G、4G等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳，較好的實(shí)現(xiàn)機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控，但這些方式存在成本高、功耗大、容量小、頻率低等不足。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能數(shù)控機(jī)床，通過(guò)信息化手段提高機(jī)床產(chǎn)品的智能化水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中全程可監(jiān)控，便于機(jī)床的管理維護(hù)，同時(shí)能夠提高機(jī)床運(yùn)行的整體性能及可靠性，最大程度減少損失[1]。本文提出一種基于NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）新興無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的數(shù)控機(jī)床電控系統(tǒng)[2]。NB-IOT技術(shù)是專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的窄帶通信技術(shù)，工作帶寬為180 kHz，具有覆蓋廣、低功耗、信號(hào)強(qiáng)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，將數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程參數(shù)和影響運(yùn)行可靠性的各種參數(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床電控系統(tǒng)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、NB-IOT網(wǎng)絡(luò)、Internet、數(shù)據(jù)信息平臺(tái)等幾部分構(gòu)成。傳感器模塊負(fù)責(zé)機(jī)床運(yùn)行工況參數(shù)的感知，數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與傳輸，Internet實(shí)現(xiàn)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)信息平臺(tái)的互聯(lián)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 NB-IOT模塊

采用NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與數(shù)據(jù)信息平臺(tái)之間的信息交互，數(shù)據(jù)的安全性和可靠性都有較大提高，且減少了許多不必要的干擾。NB-IOT技術(shù)具有：（1）海量連接和深度覆蓋的優(yōu)勢(shì)，比現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)技術(shù)提供50～100倍的接入數(shù)，比LTE提升20dB增益，覆蓋能力提高了100倍;（2）超低功耗，引入了超長(zhǎng)DRX省電技術(shù)和PSM省電態(tài)模式，5Wh之內(nèi)提供至少10年的支持，適用于不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備;（3）超低成本，基于LTE協(xié)議棧對(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能精簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)低成本。

本系統(tǒng)選用的是中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的M5310-A型NB-IOT模塊。M5310-A 是一款工作在頻段Band3/Band5/Band8的工業(yè)級(jí)NB-IoT模組，采用LCC貼片式封裝，30個(gè)引腳，最大限度滿(mǎn)足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求。M5310-A 在支持eSIM和OneNET云平臺(tái)協(xié)議的基礎(chǔ)上，支持最新3GPP Release14標(biāo)準(zhǔn)，支持更高通信速率，支持基站定位。同時(shí)支持FOTA功能，方便進(jìn)行遠(yuǎn)程固件升級(jí)。M5310-A內(nèi)嵌LwM2M/MQTT-SN/TCP/UDP/COAP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及擴(kuò)展的AT命令。M5310-A模塊采用了低功耗技術(shù)，供電電壓3.6V，電流功耗在PSM模式下低至3uA。

2.2 微控制器模塊

本系統(tǒng)選用ST公司的STM32F103RBT6作為核心處理器，對(duì)機(jī)床傳感器采集的工況參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并以一定的幀格式通過(guò)NB-IOT模塊轉(zhuǎn)發(fā)至核心網(wǎng)，同時(shí)對(duì)本地顯示模塊、電源模塊進(jìn)行有效控制。STM32系列是基于A(yíng)RM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，該型號(hào)有64個(gè)引腳，CPU主頻最高速度達(dá)72 MHz，128KB的Flash存儲(chǔ)器，具有多種控制外設(shè)、USB全速接口和CAN，集高性能、實(shí)時(shí)功能、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗與低電壓操作等特性于一體，同時(shí)還保持了集成度高和易于開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控程序首先對(duì)機(jī)床電控系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中NB-IOT模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)機(jī)床傳感器獲取機(jī)床運(yùn)行工況參數(shù)，并按照自定義的幀格式將數(shù)據(jù)打包轉(zhuǎn)發(fā)，利用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)經(jīng)核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)平臺(tái)。為保證無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)時(shí)性和和準(zhǔn)確性，在每一幀的通信數(shù)據(jù)中加入幀頭0xFF、幀尾0xEE和CRC校驗(yàn)。數(shù)據(jù)包有效長(zhǎng)度共10個(gè)字節(jié)，字節(jié)1是幀頭，字節(jié)2是機(jī)床編號(hào)，字節(jié)3是傳感器編號(hào)，字節(jié)4是數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，字節(jié)5-8是傳感器數(shù)據(jù)，字節(jié)9是校驗(yàn)位。字節(jié)10是幀尾。平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀解析，如果數(shù)據(jù)有效則將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如果數(shù)據(jù)無(wú)效則重新請(qǐng)求發(fā)送。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在冀南某數(shù)控機(jī)床企業(yè)經(jīng)測(cè)試運(yùn)行效果良好，基于新興NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸安全高效地上傳至數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)中的加工信息數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況得到及時(shí)反饋，使得數(shù)控機(jī)床的智能化、自動(dòng)化、信息化水平得到了很大的提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 林景山.面向智能制造的數(shù)控機(jī)床互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（9）：171.

[2] 徐海.基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控方法研究[J].機(jī)床與液壓，2018（14）：123-127.