基于LabVIEW的機床加工遠程監控系統研究與開發

沈奕鋒，遲玉倫

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

隨著我國工業化水平的不斷提高，數控機床在機加工行業的使用越來越普遍[1-2]。數控機床是一種集電子、計算機控制、伺服等技術的機電一體化產品[3]，其價格高昂，加上本身的復雜性，使得維修成本很高[4-5]，所以有必要對數控機床運行情況進行有效監控，以提高機床使用效率，并提升加工產品質量。

隨著計算機網絡和通信技術的發展，很多研究者都將這些新興技術運用到機床的監控管理中。蘇憲利[6]等設計了基于Web 環境的數控機床遠程監控系統，該系統利用Java，S2SH 和Ajax等技術最終實現了對數控機床的監測功能；馬曉光[7]等利用OEM 二次開發技術、ActiveX 技術、html5 與Java 等技術，提出了一種基于Web 的智能工廠機床遠程監控解決方案。他們雖然都實現了數控機床的遠程監控功能，但用到的編程技術繁多，需要專業人員開發，且開發周期很長；黃煒[8]等構建了基于LabVIEW 的遠程可視化實驗平臺的方案，并通過運行結果證明其可行性與可移植性；張智藝[9]設計了一種基于LabVIEW 的遠程實時監控與故障診斷系統，實現了齒輪箱狀態的遠距離實時監控與故障診斷。他們開發的遠程監控系統雖都基于LabVIEW，開發周期短，但其客戶端都需配置相應的LabVIEW 運行環境并運行相應的客戶端程序，不利于技術的推廣。

本文基于LabVIEW 開發了一套機床加工遠程監控系統，從數據的采集、傳輸和Web 用戶界面顯示都由LabVIEW 開發而成，用戶無需使用其他插件或安裝程序即可在任何現代Web 瀏覽器、平板電腦或手機上瀏覽用戶界面，從而實現了遠程監控的目的。

1 遠程監控系統構架與流程

本機床加工遠程監控系統主要由工控機系統、云服務器和客戶端三大部分組成，其工作流程圖如圖1 所示。

首先，在工控機內運行基于LabVIEW 的數據監控采集程序，通過DAQmx 數據采集中的相關節點搭建的程序獲取各類傳感器的數據，同時，采集的監控數據通過Database Connectivity Toolkit的相關節點，實時傳輸到云服務器的MySQL 數據庫中，而LabVIEW 和MySQL 數據庫的連接是通過開放數據庫連接（Open Database Connectivity,ODBC）建立的。

在云服務器中，運用MySQL 實時存儲傳輸過來的監控數據，同時，基于LabVIEW NXG（Next Generation）的GVI 應用程序會通過GDatabase 相關節點實時地讀取數據庫中最新的數據，并通過SystemLink 數據服務將數據傳輸到NI Web 服務器。

在客戶端，用戶打開的網頁實質上是基于LabVIEW NXG 所做的WebVI，它是通過云服務器的IIS 服務發布的，它也能通過SystemLink 數據服務實時訪問NI Web 服務器中的監控數據，從而將遠程監控數據實時地顯示在網頁上，達到機床加工遠程監控的目的。有了SystemLink 數據服務與NI Web 服務器的幫助，云服務器中的GVI 也能根據用戶發過來的數據請求，查找相應時間段內的數據，將結果顯示到客戶端的網頁上并可供用戶下載。

2 遠程監控系統具體實現

2.1 數據采集

在LabVIEW 中有兩種實時采集數據的實現方法，一種是采用LabVIEW 軟件自帶的DAQ 助手；另一種是采用DAQmx 數據采集中的相關節點進行編程[10]。DAQ 助手雖然簡化了編程，提供了良好的用戶交互界面，但同時也喪失了一定的功能性和靈活性[11]。本研究開發中選用了DAQmx 數據采集中的相關節點來實現機床加工遠程監控的數據采集，其實現程序如圖2 所示。

圖2 DAQmx 數據采集程序Fig.2 DAQmx data acquisition program

在DAQmx 數據采集程序中，主要用到了4個節點，即：創建通道、定時、開始任務和讀取。創建通道主要是建立程序與采集卡各通道的聯系并設定測量電壓的范圍，使得能獲取采集卡指定通道連接的傳感器的數據。定時函數主要用以配置數據采集的采樣模式和采樣率。配置好上述兩個函數之后才能開始數據采集任務，并通過讀取函數讀取單個或多個通道的波形數據。

2.2 數據遠程傳輸

由于本系統都是基于LabVIEW 開發的，且暫不存在可以直接將LabVIEW 采集的數據傳輸到網頁上的方法[12]，故將數據傳輸分為2 部分。第1 部分是LabVIEW 與MySQL 數據庫間的數據傳輸；第2 部分是GVI 與WebVI 間的數據傳輸。

2.2.1 LabVIEW 與MySQL 數據庫間的數據傳輸

為實現LabVIEW 與MySQL 數據庫間的數據傳輸，首先要通過ODBC數據源管理程序創建數據源。創建數據源就是創建DSN（Data Source Names，數據源名稱），這是連接LabVIEW 與MySQL 數據庫的關鍵[13]。創建數據源界面如圖3 所示。

圖3 創建數據源界面Fig.3 Create data source interface

在創建數據源界面主要配置了數據源名稱、所要訪問的數據庫位置、數據庫授權的賬號和密碼以及所要訪問的數據庫。這些配置的信息都會存儲在DSN 中，在LabVIEW 訪問數據庫時，需要使用DSN 創建數據連接。

LabVIEW 開發平臺提供了Database Connectivity Toolkit，能夠實現對本地或者遠程數據庫的快速連接與訪問[14]。而Database Connectivity Toolkit 需要使用UDL（Universal Data Link，通用數據連接）文件才能與MySQL 數據庫連接。在LabVIEW 中，可以通過Create Data Link 來創建UDL 文件，其配置界面如圖4 所示。

圖4 創建UDL 文件界面Fig.4 Create UDL file interface

其中，使用的數據源名稱即為先前通過ODBC 創建的數據源名稱，使用的初始目錄即為需要操作的數據庫名稱。配置完成后即可生成UDL 文件，結合使用Database Connectivity Toolkit中的有關節點就能完成LabVIEW 與MySQL 數據庫間的數據傳輸，將實時采集上來的監控數據傳輸到云服務器中的MySQL 數據庫中。

2.2.2 GVI 與WebVI 間的數據傳輸

LabVIEW NXG 是下一代LabVIEW 軟件開發軟件，其VI 應用程序稱為GVI，基于Web 的用戶界面稱為WebVI。通過運用GDataBase for MySQL 這一附加工具，GVI 程序可以便捷地實時讀取MySQL 數據庫中的數據。在GVI 讀取到MySQL 中的數據之后，需要實時傳輸給WebVI，這就需要通過SystemLink 標簽功能。SystemLink是服務器-客戶端的架構，因此首先需要配置NI Web 服務器，配置完成后的界面如圖5 所示。

圖5 NI Web 服務器配置摘要Fig.5 NI Web server configuration summary

在編程時主要用到打開配置、打開標簽、讀取標簽、寫入標簽、關閉標簽和關閉配置。打開配置節點發起與NI Web 服務器的連接，此時需要用到配置NI Web 服務器時的相關信息。打開標簽節點，打開對服務器上某個標簽的引用，為讀取標簽和寫入標簽做準備。讀取標簽節點是將標簽中的值讀取出來，寫入標簽是將值寫入標簽中。關閉標簽和關閉配置是將標簽引用關閉并關閉與配置相關聯的連接。通過上述幾個節點即能實現GVI 與WebVI 之間的數據傳輸，并能在NI Web 服務器上查看標簽中的數據，以確保系統按預期返回標簽數據。

2.3 Web 遠程用戶界面

LabVIEW NXG Web 模塊是LabVIEW NXG的一個軟件附件，可用于設計和部署基于Web的用戶界面，即WebVI[15]。WebVI 可通過云服務器上的IIS（Internet Information Services，互聯網信息服務）進行網站發布，從而實現遠程監控的目的，圖6 為監控界面。

圖6 監控界面Fig.6 Monitoring interface

機床運行狀態監控數據圖表用以顯示機床實時的監控數據曲線，其原始數據顯示在下方的信號顯示控件中，經過換算，其真實功率值顯示在功率值顯示控件中。頁面中間的4 個圓圈由圓形指示燈和圓形進度條組合而成，分別表示機床4種不同的運行狀態，即機床斷電、機床上電、機床空轉和機床切削狀態。當機床處于某種狀態時，其對應的圓形指示燈就會亮，而圓形進度條顯示的則是當天此種狀態所占的百分比，對應的數值顯示在下方的顯示控件中。下拉列表控件可以選擇“實時”、“昨天”、“上周”、“上月”4個時間段，以使圓形進度條切換不同時間段的各種狀態占比情況。頁面最下方的波形圖用于顯示查詢的某段時間內的監控數據。通過時間標識輸入控件選定查詢數據的起止時間，點擊查詢按鈕之后，波形圖就會顯示該段時間內的監控數據，點擊波形圖左上角的下載，就能下載該時間段內的數據。

3 系統功能測試

3.1 試驗設置

本節通過數控端面磨床來測試本文開發的機床加工遠程監控系統的性能。試驗平臺如圖7 所示，所采用的的機床是數控端面磨床，通過對其運行時數據的采集傳輸以及運行狀態的監控，驗證本文所提遠程監控系統的性能。

圖7 試驗平臺Fig.7 Test platform

機床的運行狀態與其功率變化有著緊密的聯系，通過對機床功率的監控，可以判斷機床處于何種狀態。為了監測磨削加工過程中砂輪軸功率的變化，將功率傳感器串聯于主軸電機和變頻器之間。功率傳感器接線示意圖如圖8 所示。

圖8 功率傳感器接線示意圖Fig.8 Wiring diagram of power sensor

在Web 遠程用戶界面部分的編程中，4 個圓形指示燈須準確顯示機床運行狀態，故需得到機床各種狀態下的臨界功率值。經過多次監控，得到表1 所示臨界功率值。

表1 臨界功率值Tab.1 Critical power value

有了各種狀態的臨界功率值后，便可設置各指示燈亮的條件，從而準確顯示機床運行狀態。

3.2 試驗結果

經過對機床的長期監控，本文所開發的機床加工遠程監控系統能很好地按照預期運行。工控機系統實時采集的數據能實時傳輸到云服務的MySQL 數據庫中。數據庫中最新的一條數據記錄會被云服務中的GVI 應用程序讀取，并通過SystemLink 標簽功能傳輸到Web 遠程用戶界面，如圖9 所示。

圖9 Web 遠程用戶界面Fig.9 Web remote user interface

在Web 遠程用戶界面上，能看到實時的監控數據、機床運行狀態以及每種狀態的占比情況。查詢數據功能也能按照輸入的時間段查詢該段時間的數據，并供用戶下載。

圖10 為查詢2019 年12 月18 日9 點到9 點30分的監控數據，數據顯示在波形圖中。點擊下載，彈出文件下載對話框，可下載保存該段數據。

圖10 查詢下載功能Fig.10 Query download function

4 結論

基于LabVIEW 的機床加工遠程監控系統，利用DAQmx 數據采集中的相關函數實現了數據的實時采集；結合利用ODBC 數據源管理程序和Database Connectivity Toolkit 中的有關節點實現了LabVIEW 與MySQL 數據庫間的數據傳輸；利用SystemLink 標簽功能實現了GVI 與WebVI 間的數據傳輸；利用LabVIEW NXG Web 模塊搭建Web 用戶界面，最終實現機床加工遠程監控。本套系統都基于LabVIEW 編程，系統有很大靈活性，可根據需要迅速方便地修改和重新定義功能，容易升級。同時，用戶無需安裝程序即可在任何現代Web 瀏覽器上瀏覽用戶界面，使得監控更加便捷。經過試驗驗證，該套系統采集傳輸的數據真實、可靠，能有效地實現機床運行狀態的監控，應用前景廣闊。