基于物聯(lián)網(wǎng)的機床智能管理信息系統(tǒng)分析研究

李凌樂

（許昌學(xué)院，許昌 461000）

實訓(xùn)教學(xué)是高等院校培養(yǎng)應(yīng)用型高素質(zhì)人才的重要實踐環(huán)節(jié)。提高實訓(xùn)室的管理水平和機床利用率是高等院校亟待解決的問題。傳統(tǒng)的實訓(xùn)室管理方式是管理員定期管理和定期檢查，少部分的科研院所增加了信息化的輔助，能夠?qū)嵱?xùn)室的內(nèi)部環(huán)境進行檢測和監(jiān)控。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和實化應(yīng)用，借助新的技術(shù)設(shè)備對實訓(xùn)室的設(shè)備信息進行實時采集和智能管控，可以方便實訓(xùn)室設(shè)備的有效管理。

1 高校實訓(xùn)室管理現(xiàn)狀

高校實訓(xùn)室是進行實訓(xùn)教學(xué)、開展科學(xué)驗證、培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用技能的重要基地，也是學(xué)校教學(xué)科研工作的重要組成部分。實訓(xùn)室建設(shè)與管理水平直接關(guān)系到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

高校數(shù)控機床實訓(xùn)室是離散制造設(shè)備，在實訓(xùn)教學(xué)、工件加工、設(shè)備的使用與管理等方面存在以下問題：第一，設(shè)備的利用率、生產(chǎn)效率低下，設(shè)備使用數(shù)據(jù)均靠人工統(tǒng)計，無法實時獲取，且獲取信息不準確；第二，車間設(shè)備現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)接口不一，信息化程度不均衡，設(shè)備信息沒有互聯(lián)互通；第三，數(shù)控程序的管理與使用雜亂，程序沒有備份，且程序的仿真與輸入缺乏權(quán)限管理；第四，設(shè)備的日常管理與維護維修僅靠人工隨機完成，不能及時獲知設(shè)備的管理與維護信息，設(shè)備故障及原因反饋不及時；第五，實訓(xùn)課程模塊與機床的對應(yīng)信息僅靠人工設(shè)置，不能全面覆蓋機床使用類型和及時獲取機床使用信息。

近年來，針對實驗室管理，已經(jīng)有公司研發(fā)了信息管理系統(tǒng)商業(yè)軟件，如英普斯軟件有限公司研發(fā)的Inpro LIMS、北京中科科儀計算技術(shù)有限公司研發(fā)的SISC LIMS以及北京匯博瑞科技有限責任公司研發(fā)的LabBuilder LIMS等[1]。這些管理軟件已面向標準化的成熟公司應(yīng)用。高校的實驗實訓(xùn)室、設(shè)備資源要以實驗實訓(xùn)室為單元進行安排，具有獨特性，而且隨著實驗室的不斷建設(shè)，設(shè)備也在不斷更新變化。實驗實訓(xùn)課程設(shè)置有基礎(chǔ)課程，同時包含根據(jù)科技發(fā)展和科研成果所設(shè)置的創(chuàng)新前沿課程模塊，且在不斷發(fā)生變化。高校實驗實訓(xùn)室既分散又不斷更新變化，因此結(jié)合高校實驗實訓(xùn)室的教學(xué)和管理要求，針對高校實驗實訓(xùn)室的管理信息系統(tǒng)具有很大的研究空間。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在機床管理中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的概念是在1999年提出的，最初叫傳感網(wǎng)。該技術(shù)起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議將物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤以及監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)等的信息承載體，使所有能夠被獨立尋址的普通物理對象互聯(lián)互通。簡言之，物聯(lián)網(wǎng)就是通過信息傳感設(shè)備將物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，從而實現(xiàn)物物相通的智能識別和管理系統(tǒng)[2]。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互相操作，實現(xiàn)制造過程的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應(yīng)，達到資源的高效利用，從而構(gòu)建的服務(wù)驅(qū)動型新工業(yè)體系[3]。目前，物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)控機床管理中的應(yīng)用研究較多，主要體現(xiàn)在數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和數(shù)控機床監(jiān)測系統(tǒng)。例如：梅梅的《智能工廠之數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)》中，系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)器、IoT云平臺等通過以太網(wǎng)和無線傳輸進行聯(lián)網(wǎng)實施智能工廠，實現(xiàn)了工廠的完全信息化管理，消除了信息孤島，提高了機床管理和使用的信息化和智能化[4]。李響的《基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機床檢測系統(tǒng)設(shè)計》利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了實時監(jiān)測、低成本和可二次開發(fā)的數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[5]。陳亮的《數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》，設(shè)計實現(xiàn)了一種機床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解決方案，以以太網(wǎng)通信為基礎(chǔ)，采用統(tǒng)一通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，針對不同的機床設(shè)計網(wǎng)絡(luò)終端轉(zhuǎn)化為機床能識別的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式進行通信，實現(xiàn)了機床的實時狀態(tài)監(jiān)測和工作日志、加工記錄等信息的管理等[6]。

3 實訓(xùn)室機床管理信息系統(tǒng)構(gòu)建

以許昌學(xué)院數(shù)控加工實訓(xùn)室為研究對象，該實訓(xùn)室的智能管理信息系統(tǒng)目前硬件設(shè)備主要有DMG-5軸加工中心、Mazak-立式加工中心、KUKA-工業(yè)機器人、Mazak-4軸車削中心、Nachi-工業(yè)機器人、德西數(shù)控銑床以及沈陽一機床數(shù)控車床等。該實訓(xùn)室主要承接機械類、近機械類、電氣類、近電氣類專業(yè)本科生的數(shù)控加工、數(shù)控編程、數(shù)控機床拆裝與維修等專業(yè)實踐類課程和部分相關(guān)的創(chuàng)新實踐課程。

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心構(gòu)成，可通過RS232C接口、以太網(wǎng)接口、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的I/O接口、現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)等方式與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。將實訓(xùn)室數(shù)控機床面向智能管理有機聯(lián)網(wǎng)，可解決實訓(xùn)室信息集成問題，而且能夠?qū)嵱?xùn)室機床的生產(chǎn)信息、技術(shù)準備、數(shù)控編程代碼及加工操作等基本信息進行集中管理，也方便開發(fā)定制基于機床聯(lián)網(wǎng)的自動化生產(chǎn)線項目管理。此外，數(shù)控機床、工業(yè)機器人、物流小車、自動上下料以及智能倉儲等生產(chǎn)設(shè)備也可進行聯(lián)網(wǎng)并直接參與生產(chǎn)，通常采用PLC實現(xiàn)邏輯控制。高端數(shù)控系統(tǒng)具有現(xiàn)場總線接口，可與其他自動化設(shè)備組成現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)機床之間的聯(lián)網(wǎng)智能管理。

實訓(xùn)室硬件聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由數(shù)控設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)器以及云端IoT云平臺共同組成。該系統(tǒng)支持有線（以太網(wǎng)）和無線（Wi-Fi）傳輸。其中：對于有網(wǎng)口的新式數(shù)控機床（Computer Numerical Control，CNC）設(shè)備采用直接連接；對于只有串口的CNC可以采用串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)有本地部署和云端部署兩種方式[4]。其中，應(yīng)用服務(wù)器優(yōu)先設(shè)置本地部署。該服務(wù)器和CNC一起部署在車間時，最多可支持256個CNC設(shè)備。應(yīng)用服務(wù)器和IoT一起部署在云端時，要在設(shè)備層擴展設(shè)備連接模塊（如串口到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器、串口到無線轉(zhuǎn)換器等），從而使應(yīng)用服務(wù)器可以直接訪問設(shè)備。機床聯(lián)網(wǎng)方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)數(shù)控實訓(xùn)室的實際管理及教學(xué)運行需求進行調(diào)查分析，本系統(tǒng)主要包括機床設(shè)備管理、實訓(xùn)教學(xué)管理、實訓(xùn)室開放管理以及系統(tǒng)管理等4大功能模塊。實訓(xùn)室機床管理信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2 機床信息管理

機床信息管理模塊是本系統(tǒng)的一個突出創(chuàng)新功能，包括機床數(shù)字化信息管理、機床信息管理、機床維護保修等模塊。該模塊能夠基于實訓(xùn)室內(nèi)機床的互聯(lián)互通，將不同的數(shù)控機床通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，并打通數(shù)據(jù)接口，使實訓(xùn)室機床信息化，從而實現(xiàn)機床管理的智能化。

機床信息管理模塊主要負責在數(shù)據(jù)庫內(nèi)錄入機床設(shè)備信息，包括機床的類型、設(shè)備名稱、設(shè)備購入時間、廠商、管理負責人、聯(lián)網(wǎng)接口方式、操作系統(tǒng)、支持系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)和在線狀態(tài)等。機床信息模塊可新增、刪除、管理機床的詳細信息。通過數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)管理，可以在線為教師和同學(xué)提供詳細的機床信息和實訓(xùn)操作信息，從而提高數(shù)控機床的利用率，可以快速對機床的使用狀態(tài)和信息進行管理和任務(wù)分派。另外，機床的使用和排課信息可實時在線更新并存儲，從而為機床的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析提供準確的原始數(shù)據(jù)。

機床數(shù)字化信息管理可對數(shù)控機床的加工程序及相關(guān)信息進行數(shù)字化的錄入、管理與維護，而且可在此模塊開發(fā)數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)加工單元，并單獨進行管理類維護。同時，機床維護保修模塊可支持智能化的機床管理，可通過設(shè)置維保周期對機床進行常規(guī)的維護和保養(yǎng)。另外，對于出現(xiàn)故障的機床，可錄入故障及處理情況，以方便機床的后期使用和保養(yǎng)。

3.3 實訓(xùn)教學(xué)管理

在高校教學(xué)工作中，實訓(xùn)教學(xué)與理論教學(xué)有著同等重要的地位，是高校培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。實踐教學(xué)的管理涉及實踐學(xué)生、實驗實訓(xùn)室、實訓(xùn)教師以及實驗室設(shè)備等多個方面，而且實踐教學(xué)管理的質(zhì)量和效率也會影響實訓(xùn)教學(xué)的安排和落實。實訓(xùn)教學(xué)管理模塊能夠有效解決高校實訓(xùn)教學(xué)的管理流程，使得實訓(xùn)教學(xué)更加順暢合理。

本管理模塊包括實訓(xùn)課程管理、實訓(xùn)機床預(yù)約、實訓(xùn)教師管理以及實訓(xùn)成績管理等模塊。實訓(xùn)課程管理主要是以實驗室機床設(shè)備為基礎(chǔ)，可為機械類及近機械類專業(yè)提供實訓(xùn)課程。隨著科技的發(fā)展和高校實訓(xùn)室內(nèi)設(shè)備的變化，實訓(xùn)課程可根據(jù)情況實時進行增刪，增加了實訓(xùn)課程安排的靈活性。同時，可結(jié)合科技發(fā)展前言和新設(shè)備情況及時設(shè)置新課程，以提高學(xué)生接觸和學(xué)習(xí)前言科技的便捷性。實訓(xùn)機床預(yù)約可為學(xué)生提供開放性的實訓(xùn)設(shè)備，為有興趣有創(chuàng)新想法的同學(xué)提供實訓(xùn)機會，從而滿足學(xué)生不同的學(xué)習(xí)需求。實訓(xùn)教師管理可提供實訓(xùn)室內(nèi)機床的實訓(xùn)教師管理信息，使得實訓(xùn)課程的講授、設(shè)備的使用和維護更加有針對性，同時能使信息傳遞更加順暢和透明。實訓(xùn)成績管理模塊可提供學(xué)生的實訓(xùn)成績，并為學(xué)生提供一些設(shè)備使用的前期知識和考核，使實訓(xùn)的教與學(xué)更加立體化和多樣化。

3.4 開放項目管理

開放項目管理主要針對一些有實際加工需求的教師和學(xué)生而設(shè)置。該項目管理支持課程環(huán)節(jié)、大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽項目、卓越工程師項目以及工程教育認證項目等內(nèi)容。其中：課程環(huán)節(jié)包括課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計的實物制作、大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽項目與大學(xué)生工程訓(xùn)練競賽以及機器人比賽等；卓越工程師項目包括師生共同參與的創(chuàng)新實踐項目等；工程教育認證項目包括工程實訓(xùn)實物制作項目等。

3.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理包括用戶管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)日志管理和系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等模塊。針對不同的需求，訪問時需要設(shè)置不同的權(quán)限管理和用戶管理。為了方便系統(tǒng)的管理，用戶管理只針對教學(xué)管理人員、實驗室管理人員和實訓(xùn)學(xué)生。系統(tǒng)日志管理可以查詢用戶的登錄等信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可導(dǎo)出，從而方便進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

4 系統(tǒng)建設(shè)目標

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

目前，信息管理信息系統(tǒng)的部署方式有B/S架構(gòu)、C/S架構(gòu)以及3層C/S和B/S混合架構(gòu)。采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計時，這種結(jié)構(gòu)客戶端較為簡化，用戶打開計算機瀏覽器即可實現(xiàn)操作。當用戶通過Web瀏覽器向服務(wù)器發(fā)出請求時，服務(wù)器將完成訪問數(shù)據(jù)庫以及執(zhí)行應(yīng)用程序的工作，并將數(shù)據(jù)請求的處理結(jié)果返回到瀏覽器。B/S架構(gòu)客戶端免安裝，具備良好的瀏覽器兼容性，可同時滿足管理人員、學(xué)生等不同的用戶需求。C/S架構(gòu)具備技術(shù)成熟、交互性強、存取模式安全可靠、相應(yīng)速度快等特點，但此架構(gòu)缺少通用性，系統(tǒng)維護升級及數(shù)據(jù)拓展難度較大，僅適合于局域網(wǎng)。C/S和B/S混合架構(gòu)使用和操作方便，數(shù)據(jù)安全性較高，但也帶來了管理人員的工作流程復(fù)雜等問題，而且此混合模式的升級更新等涉及開發(fā)的問題對軟件公司的依賴性較大，有一定的管理成本。因此，鑒于使用和管理的便捷性，可優(yōu)先選擇系統(tǒng)架構(gòu)為B/S構(gòu)架。若考慮數(shù)據(jù)的安全性，可使用B/S和C/S混合模式。

4.2 建設(shè)目標

基于物聯(lián)網(wǎng)的機床智能管理信息系統(tǒng)的建設(shè)目標及建設(shè)效果如下。首先，完善實訓(xùn)室的智能管理，設(shè)備使用數(shù)據(jù)不再靠人工統(tǒng)計獲取，實現(xiàn)實訓(xùn)室數(shù)據(jù)管理的數(shù)字化，以便數(shù)據(jù)獲取實時、全面、有效。該系統(tǒng)可使用大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析了解實訓(xùn)室內(nèi)機床設(shè)備的使用率，從而有效管理機床。其次，實現(xiàn)數(shù)控機床的智能聯(lián)網(wǎng)，將不同接口不同類型的數(shù)控機床信息數(shù)字化，并錄入系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。另外，機床的智能聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了數(shù)控機床間的相互通信，可開發(fā)典型的生產(chǎn)線，從而提高實訓(xùn)機床管理整體的智能水平，為教師科研和學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控機床的智能管理提供平臺。再次，實現(xiàn)實驗室的分級管理，通過設(shè)置不同用戶的權(quán)限，使得信息數(shù)據(jù)能夠針對不同用戶，從而方便系統(tǒng)的分級管理，使實訓(xùn)室管理及使用更加便捷順暢。最后，實現(xiàn)機床設(shè)備的智能化維護，可通過定時設(shè)置維修維護時間，更好地滿足實訓(xùn)室數(shù)控機床硬件設(shè)備的智能化管理。

5 結(jié)語

針對目前實訓(xùn)室管理的實際問題和需求，分析設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的機床智能管理信息系統(tǒng)。設(shè)計過程中，先將實訓(xùn)室離散的數(shù)控機床通過聯(lián)網(wǎng)整合在一起，使得實訓(xùn)室設(shè)備達到了數(shù)字化的要求。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)控機床智能管理和實訓(xùn)課程排課的實際需求，設(shè)計了信息管理系統(tǒng)的主要模塊。該管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建實施，可以提高實驗室設(shè)備的智能管理水平和機床的利用率。同時，機床設(shè)備的智能化管理也可為實訓(xùn)室管理人員提供便捷和良好的使用環(huán)境，對于數(shù)控機床數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和大數(shù)據(jù)分析都有很大幫助。