基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王浩林，徐志明，李郝林，程松，周吉，楊家榮

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070)

基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王浩林，徐志明，李郝林，程松，周吉，楊家榮

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070)

介紹基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和基本實(shí)現(xiàn)方法。集成開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)，實(shí)時獲取數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)、PLC信號、報警信息、伺服電流，在線管理加工程序、故障診斷、遠(yuǎn)程控制、維護(hù)機(jī)床信息等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。

數(shù)控機(jī)床;遠(yuǎn)程監(jiān)控;故障診斷

1 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理中心、通信模塊及網(wǎng)絡(luò)三部分組成。其中遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理中心用于信號分析、監(jiān)控、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度、刀具管理、數(shù)據(jù)存儲，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床監(jiān)控與管理功能;通信模塊由客戶端通信模塊和服務(wù)器通信模塊組成，客戶端通信模塊安裝在數(shù)控機(jī)床端，主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床 (包括數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng))的信號采集及發(fā)送，服務(wù)器端安裝在遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理中心，主要實(shí)現(xiàn)同客戶端通信模塊通信，實(shí)時獲取來自客戶端通信模塊的信號，并將信號發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理中心;文中的網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成，其中遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理中心和上海電氣臨港基地數(shù)控機(jī)床通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理中心和機(jī)械工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

1.2 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)軟件構(gòu)架

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)軟件構(gòu)架主要有C/S和B/S兩種。B/S結(jié)構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器模式，具有分布性特點(diǎn)，可以隨時隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。C/S結(jié)構(gòu)，即客戶機(jī)/服務(wù)器模式，能充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，具有應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷較輕、數(shù)據(jù)的儲存管理功能較為透明等特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件開發(fā)難度相對較低，開發(fā)周期短，開發(fā)成本低，且系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，有利于數(shù)據(jù)安全［3］。

1.3 軟件結(jié)構(gòu)功能模塊介紹

圖2 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理功能結(jié)構(gòu)圖

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)由用戶管理模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊和遠(yuǎn)程管理模塊三部分組成，其中用戶管理模塊用來添加或修改用戶信息，為數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)使用提供用戶登陸;遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊由視頻監(jiān)視模塊、工藝參數(shù)監(jiān)視模塊、PLC監(jiān)視模塊、電機(jī)電流監(jiān)視模塊、故障報警模塊以及遠(yuǎn)程控制模塊組成，主要用來實(shí)現(xiàn)加工過程中的視頻監(jiān)控、工藝參數(shù)監(jiān)控、機(jī)床部分關(guān)鍵部件PLC狀態(tài)監(jiān)控以及機(jī)床故障報警等;遠(yuǎn)程管理模塊由故障診斷模塊、程序管理模塊、機(jī)床信息管理模塊、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度及刀具管理模塊以及通信管理模塊組成，用來實(shí)現(xiàn)故障診斷、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度、刀具管理以及機(jī)床信息管理、通信等功能。功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控信號獲取

2.1.1 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控信號獲取

數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)有大量機(jī)床關(guān)鍵部件、液壓系統(tǒng)、PLC、工藝參數(shù)等信號，若能直接采集這些信號，可以避免安裝大量傳感器，降低監(jiān)控成本。針對西門子840D數(shù)控系統(tǒng)等具有網(wǎng)絡(luò)接口的開放式數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)了基于OPC技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，該模塊所采用的OPC技術(shù)將西門子840D數(shù)控系統(tǒng)底層硬件驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序開發(fā)有效分隔開，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備協(xié)議間的數(shù)據(jù)互訪［4］，并采用TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)和PLC內(nèi)核信號的實(shí)時采集。OPC技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成和基于OPC技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊連接圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 OPC技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成

圖4 基于OPC技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊連接圖

2.1.2 伺服電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控信號獲取

進(jìn)給軸機(jī)械連接部件如齒輪、導(dǎo)軌、絲桿等的磨損、損壞會導(dǎo)致伺服電機(jī)電流增大或報警，影響加工精度。伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)能間接反映進(jìn)給軸機(jī)械連接部件狀態(tài)，通過對伺服電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，可有效避免在導(dǎo)軌、絲桿等部件上安裝傳感器，節(jié)省監(jiān)控成本。文中通過研究伺服電機(jī)驅(qū)動器通信協(xié)議，集成開發(fā)了基于RS422的遠(yuǎn)程通信模塊軟硬件，實(shí)時采集并譯碼伺服電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、報警等信號，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床傳動鏈狀態(tài)監(jiān)控。原理圖如圖5所示。

圖5 基于RS422的遠(yuǎn)程通信模塊原理圖

2.2 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷功能實(shí)現(xiàn)

采用基于案例推理的數(shù)控機(jī)床故障診斷方法實(shí)現(xiàn)診斷功能。如圖6所示，功能模塊由故障案例錄入、故障案例查詢、故障案例修改刪除以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理四部分組成。根據(jù)數(shù)控機(jī)床故障的特點(diǎn)及保障維修的實(shí)際情況，將現(xiàn)場調(diào)研的大量一手資料抽象為多元組:

圖6 基于案例推理的數(shù)控機(jī)床故障診斷功能模塊圖

其中:I為案例號;E為故障現(xiàn)象，Ei={ei，di}，ei為定性征兆，di為征兆現(xiàn)象的級別;P為故障部位;F為故障特征;G為故障原因;T為檢測順序;M為排除方法;D為故障說明;A為附件。并錄入故障信息數(shù)據(jù)庫。使用時，采用故障部位結(jié)構(gòu)索引和相似案例檢索方法，進(jìn)行故障診斷，同時還可通過故障案例修改刪除以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊對故障信息進(jìn)行管理和維護(hù)。

2.3 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程管理功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程程序管理

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程程序管理由程序新建、程序編輯和程序刪除等組成，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序編寫、修改、上傳、下載等功能，其工作原理圖如圖7所示。

圖7 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程程序管理工作原理圖

2.3.2 數(shù)控機(jī)床信息管理

圖8 數(shù)控機(jī)床信息管理工作原理圖

數(shù)控機(jī)床信息管理由信息瀏覽、添加、修改和刪除幾部分組成，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床信息登記、維護(hù)，其工作原理圖如圖8所示。數(shù)控機(jī)床信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)格式為:(1)機(jī)床編號;(2)機(jī)床名稱;(3)數(shù)控系統(tǒng);(4)機(jī)床型號;(5)生產(chǎn)廠商;(6)出廠日期;(7)IP地址;(8)照片;(9)特點(diǎn)用途。

2.3.3 生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度與刀具管理

按照機(jī)床負(fù)荷平衡原則，綜合考慮零件編號、加工設(shè)備、加工工藝、配套刀具、加工時間、加工數(shù)量、交貨期等信息，使用遺傳算法求解生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度問題。調(diào)度原理如圖9所示，首先根據(jù)基本信息和約束條件隨機(jī)生成一定數(shù)量生產(chǎn)任務(wù)，遵循最少時間法則進(jìn)行篩選，并對篩選后的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行復(fù)制、交叉、變異和再篩選，直至滿足預(yù)定的遺傳群體容量、遺傳代數(shù)、交叉概率、變異概率等要求，求出最優(yōu)加工任務(wù)。

圖9 調(diào)度原理圖

文中將刀具定義為在庫、等待和加工在線3種狀態(tài)，為每一把刀設(shè)置條行形碼信息，并在出庫、入庫、安裝到機(jī)床上加工時，進(jìn)行條形碼掃描，實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤管理。刀具管理流程見圖10。

圖10 刀具管理流程

圖11 服務(wù)器端流程

圖12 客戶端流程

2.4 網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，數(shù)控機(jī)床一般分布在不同的廠房和車間，存在設(shè)備分散、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，且在數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中需重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)組建成本和網(wǎng)絡(luò)安全性問題。采用EarthCAT以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng) (IEEE 802.3)網(wǎng)絡(luò)以及帶NIC的多個開放式數(shù)控系統(tǒng)CNC的局域網(wǎng)的構(gòu)建，有效兼容了大部分企業(yè)存在辦公局域網(wǎng)情況，設(shè)置一個DMZ區(qū)域來保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，有效阻止了網(wǎng)絡(luò)蠕蟲病毒，阻擋了惡意瀏覽，安全實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)平臺和數(shù)控機(jī)床、互聯(lián)網(wǎng)的通信。

圖13 DMZ區(qū)域保護(hù)

3 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

文中開發(fā)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)目前已在上海電氣集團(tuán)試用。生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度與刀具管理測試實(shí)驗(yàn)在以下3臺數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)床信息如表1所示。

表1 機(jī)床信息表

刀具信息如表2所示。

表2 刀具信息表

測試模型的加工任務(wù)如表3所示。

表3 加工任務(wù)表

續(xù)表3

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖14－16所示。

圖14 遠(yuǎn)程控制界面

圖15 電機(jī)電流監(jiān)視界面

取遺傳算法的參數(shù)為:遺傳群體容量為 40;遺傳代數(shù)為 5;交叉概率為0. 9;變異概率為0.05。

5次調(diào)度結(jié)果均值的柱形圖如圖17所示。

圖16 任務(wù)調(diào)度界面

圖17 調(diào)度結(jié)果分析圖

從走向趨勢可以看出調(diào)度結(jié)果已經(jīng)趨向于平穩(wěn)，所以取平均值為36.5的第5次調(diào)度作為目標(biāo)問題的近似解。從第5次調(diào)度結(jié)果中取工作時間為36時間單位的染色體作為加工任務(wù)的最佳結(jié)果，其設(shè)備甘特圖如圖18所示。

圖18 設(shè)備甘特圖

通過此調(diào)度過程，實(shí)現(xiàn)了刀具的動態(tài)分配功能，任務(wù)調(diào)度結(jié)果更符合實(shí)際。3臺數(shù)控中心按照調(diào)度結(jié)果進(jìn)行仿真加工，監(jiān)控中心對加工進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控，采集并記錄數(shù)控中心運(yùn)行時間，每個工件的加工時間如表4所示。

表4 系統(tǒng)加工時間表

整個加工任務(wù)實(shí)際加工時間為38 min 22 s，比預(yù)計的36 min多出了2分多鐘，總加工時間基本滿足調(diào)度結(jié)果。

4 結(jié)論

根據(jù)上海電氣集團(tuán)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理的需要，以提高數(shù)控裝備的利用率為目標(biāo)，重點(diǎn)研究了數(shù)控和伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、故障診斷、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度和刀具管理方法，集成開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)，實(shí)時獲取數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)、PLC信號、報警信息、伺服電流，在線管理加工程序、故障診斷、遠(yuǎn)程控制、維護(hù)機(jī)床信息等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。成果已經(jīng)在機(jī)械工業(yè)開放式重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期效果。

［1］槐博超，王錚.基于互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.微計算機(jī)信息，2007，23(8):8 －9.

［2］汪惠芬，劉婷婷，張友良.基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程管理［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(10):70 －73.

［3］張海軍，郭艷玲.基于Internet的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2005(10):77－79.

［4］王嘉，蘇紅旗，劉清志，等.OPC技術(shù)在油田生產(chǎn)組態(tài)管理系統(tǒng)中應(yīng)用的研究［J］.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007(5):49－51.

Design of Remote Monitoring and Management System of NC Machine Tool Based on Network

WANG Haolin，XU Zhiming，LIHaolin，CHENG Song，ZHOU Ji，YANG Jiarong
(Central Academe，Shanghai Electric Group Co.，Ltd.，Shanghai200070，China)

The remotemonitoring and management system of NCmachine tool based on network was designed with the functions of real-time acquiring technics parameters，PLC signal，alarm information and servo current，fault diagnosis，remote control，maintenance ofmachine tool information.

CNCmachine tool;Remotemonitoring;Fault diagnosis

2013－04－22 基金項(xiàng)目:2011年度上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計劃 (11XD1421200);工信部重大專項(xiàng) (2009ZX04014103) 作者簡介:王浩林 (1981—)，男，研究員，工程師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)控制自動化。E－mail:dalen.wang@hotmail.com。

TG659

B

1001－3881(2014)10－149－7

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.046

隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)越來越向網(wǎng)絡(luò)化、開放性發(fā)展［1］。傳統(tǒng)的單機(jī)管理模式因技術(shù)手段落后、生產(chǎn)效率低、管理和維護(hù)費(fèi)用高昂等弊端，已不能適應(yīng)企業(yè)發(fā)展需要［2］。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)，采集分布在不同地方的數(shù)控機(jī)床信息，并自動傳送到遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行分析和管理，可以使操作和維護(hù)人員擺脫地理位置和條件的限制，提高數(shù)控機(jī)床使用效率。文中綜合考慮制造執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、數(shù)控刀具管理系統(tǒng)以及數(shù)控網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，開發(fā)了包含故障診斷、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度、刀具管理功能的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

圖1 硬件原理圖