基于CPS數控機床遠程監測系統

張 瑤

(山西機電職業技術學院 數控工程系，山西 長治 046000)

0 引言

《中國制造2025》中所提出的戰略舉措，強調指出數字化、網絡化、智能化在工業制造業中要作為核心技術[1]。新一輪科技革命所包含的智能制造、能源互聯網為中國裝備制造業技術的突破提供了牽引動力，也為裝備制造業特別是高端裝備制造業提供了巨大的市場，其中機床行業是信息技術和工業技術重要的交匯點，對新技術具有較強的敏感度和適應性[2]。

目前，傳統企業現有的數控機床大多是功能單一的數據孤島式的，而且資源不能有效利用和整合。將人、機器和數據相互連接構成信息物理融合系統即CPS(Cyber-Physical System)，是將3C(Computing，Communication，Control)技術融合于一體的多維智能系統，系統優勢在于綜合功能的可擴展、系統性能效率的提升和整體資源的優化配置，為傳統制造業實現數字化、智能化提供了一個很好的解決方案，同時為智能制造的監控監測提出了更高的要求與更明確的方向，有效推動了信息物理系統和智能監測的綜合發展[3]。針對數控機床加工過程中出現的故障監測不及時、監測方法方式單一和CPS的實際應用差等問題，本文提出了一個基于CPS的數控機床遠程監測系統。

1 遠程監測系統總體設計

本系統是以UML建模方法論、CPS五層模型為理論指導，以WinCC、PLC編程、數據采集技術為硬件組態設計方案，以Java語言編程結合前端開發語言、Ajax局部刷新技術、接口技術為服務器端系統開發方案，實現數控機床運行狀態、機床刀具狀態、溫度、加工路徑、診斷等的遠程監測。系統功能主要包含機床狀態實時信號采集顯示、機床參數采集顯示、刀具路徑監測、偏移量監測、溫度監測、進給監測、主軸速度監測、急停操作、故障統計、狀態分析、報警預警、分析和處理等。

CPS注重于物理空間與信息空間的資源整合與分配，通過兩個空間不斷的融合交互，以可靠、安全、實時、高效的方式監控物理系統，使物理系統各節點之間協同運作，共同完成加工任務[4]。圖1為數控機床物理系統理論模型，本系統將參與的人和產品融入信息物理系統，智能連接層將功能部件、數控機床、數控系統與傳感器深度嵌入完成信息采集；數據-信息轉換層和網絡層將傳感器采集的數據通過總線技術和網絡技術傳輸給CPS模型；認知層將任務分解，將數據代入計算模型進行輸入輸出；控制層連接上位機與管理系統進行人機交互[5]。

圖1 數控機床物理系統理論模型

2 模塊化單元結構建模

數控機床既包含由電子控制、伺服系統、動力系統、傳感模塊等組成的控制系統，也包含由遙感臂(動力臂)、機械軸、電機、集成芯片等組成的機械硬件主體部分。本文研究的遠程監測系統采用OOP(面向對象)的建模方式，結合數控機床控制系統和硬件主體，通過UML的3類重要元素來描述復雜物理架構的相互關系，映射出物理單元、邏輯塊和參與者之間的關系，從而設計出更加符合業務場景的監測系統。

本文運用Bruce Powel Douglass提出的高效建模方法，按照圖2所示模塊化單元節點建模流程，完成了如何識別物理設備動作、事件、消息來源(含總線消息)、隊列數據、目標操作。

圖2 模塊化單元節點建模流程

建模流程節點反映了數控機床生命周期內不同的行為和定義，通過用例圖、序列圖、類圖、狀態圖、組件圖、活動圖、協作圖完美表達電氣設備與機械主體之間功能、結構、行為之間的關系，也為系統開發提供模型依據。

序列圖用來描述多個對象之間的邏輯交互的動態協作，在數控機床中反映為對信息流和時序的描述。圖3為模塊化節點活動序列模型，左上角對應角色為操作人員，水平方向是對象包含初始設置、信息顯示、加工、輔助加工，表達了參與交互的對象在時間維度上沿垂直方向生命線執行的操作過程，從開始啟動、信息顯示到機床加工環節、輔助環節與角色之間的消息互動，既有同步消息，也有異步消息，同步消息是把控制傳遞給操作人員就停止活動，等待操作者的反饋，異步消息是把消息發給操作者后繼續自己的活動，不用等待返回消息，直至結束。

圖3 模塊化節點活動序列模型

類圖描述的是實體與對象、實體與實體之間的關系，本文指的是機床對象與系統結構之間的關系，人機交互關系類圖如圖4所示。圖4中，菱形箭頭表示組合關系，單向箭頭表示有方向的關聯關系，數字表示1對1或1對多。類圖將人機交互界面所涉及的器件(顯示屏、LED指示燈、按鈕、開關)及動作抽象為類，描述了機床工具與接口、傳感器、指示燈、操作按鈕之間的實體關系。

圖4 人機交互關系類圖

3 數控機床硬件組態設計

WinCC是實現設備自動化的重要平臺，能夠提供完善的監控和數據采集功能，本文中的遠程監測系統硬件組態設計需要完成以下三大步驟：①在WinCC變量管理器中設置和管理變量，進行畫面組態設計和腳本設計[6]；②在滿足通信協議基礎上完成驅動與I/O模塊設計，模擬輸入輸出量、進給量、開關量[7]；③完成PLC(S7-1200)與WinCC通信數據采集[8]。

為了實現刀具路徑、偏移量、變頻器溫度等硬件設備的數據采集，PLC和WinCC上位機均采用模塊化的思想進行設計，PLC程序模塊功能表如表1所示。

表1 PLC程序模塊功能

通過WinCC上位機畫面組態設計和腳本設計，完成了程序運行情況監測、手動運行程序、刀具路徑監測、偏移量監測，主監測界面如圖5所示。

圖5 WinCC主監測界面

4 Web服務器設計與實現

Web服務器模塊開發是基于MVC(模型-視圖-控制器)三層架構，對數據顯示層、業務邏輯層、數據訪問層進行設計，技術棧包括：Java的SpringMVC、MyBatis框架，前端H5+CSS+JSP+Ajax，圖形展示Echarts插件[9-10]。WinCC采集數據后通過本地服務配置、腳本代碼編寫與遠程服務器關聯，將采集好的數據存入數據庫中。整個Web服務器展示如圖6監測界面所示，功能模塊有數控機床工具監測模塊、檢修模塊、預警告警模塊、查詢展示模塊、系統管理模塊、機床信息分布模塊、生產報表輸出模塊。工具監測包含溫度監測、刀具監測、路徑檢測、進給監測、主軸監測，后續根據監測任務的需求可擴展監測內容。經實際應用表明，該系統能夠完成遠程監測任務。

圖6 數控機床遠程監測系統刀具監測

5 結束語

數控機床遠程監測系統是一套綜合性的復雜系統，對計算機技術、工控技術、電氣技術都有所涉及，本文在基于UML建模方法論、CPS五層模型的理論指導前提下，結合WinCC組態設計、PLC編程通信、B/S系統開發技術設計開發了一套數控機床遠程監測系統，最終實現了數控機床運行狀態、機床刀具狀態、溫度、加工路徑等參數的遠程監測，為數控機床的智能化、遠程監測提供了可執行解決方案。