在分析目前数控机床可靠性监控局限性的基础上, 将一种新的方法——物联网技术引入到数控机床可靠性监控研究中, 建立了基于物联网的数控机床运行监视预警系统的体系结构。介绍了系统硬件和软件的组成, 详细阐述了系统硬件的设计过程, 并建立了硬件各组成部分的电路; 对系统软件各部分的功能及使用技术进行了介绍, 研究了系统的实现方法并开发出原型系统。系统的开发与应用表明, 该方案是解决数控机床的可靠性监控问题的一种有效手段。
3684 计算机应用研究 第30卷 性的各种参数的采集,在采集模块设计中,首先需对传感器传号的形式发回给阅读器,实现对电子标签的读写操作。具体组 递过来的信号进行信号调理,使之变换成为合适的电压信号,成如图6所示。 对于其屮一些强电信号还需要进行光耦隔离电路设计,以提高 yGM天线 系统的抗干扰性,电路设计如图4所示。 模拟量输人模块(1)安装在西门子PLC的机架上,其工作 封啊 电源(L+,M)接入PLC电源模块(11):对于两线制传感器(2 3,4,5,6,7,8),共正极接入模拟量输入模块通道的正极 (M*+),负极接人模拟量输入模块通道的负极(M*-);对 丁四线制传感器(9,10,12),除∫与模拟量输入模块连接外 还要将工作电源输入端接人外接电源(13)的输出端,同时将 模拟量输入模块的COMP端和MANA端接入模坎负礽;)于电 压传感器(9)的检测信号输入端分别接入动力电源的A相、B相 和C相。 式/ 」-叫叫叫叫 2 M8+ 3M8 M9+ MI+ 4 自弹式S座 5 MO DC24V 6MI十 M2+6 图5GPS电路图 M2-7 8M1 本文硬件系统采用奥地利 Micro systems公司生产的射频 10 COMP COMP10 标签读写芯片AS3991。AS3991芯片是一款用于超高频的 11 MAN MANAlI 12Ml2+ RFID读写器专用芯片,是一个综合模拟前端和协议处理的系 13M2-0 M413 14M3 M5+ 15 M13 M5-15 统,完全支持l018000-6C( EPC GerL)空中接冂协议,兼容 16M4+ DC24V M+16 IS8OO0-6A/协议。该芯片集成度高,用」64脚的QFN 17 M14- M617 18Ml5+ 封装形式,具有并行和串行两种数据接口方式。 MT-19 1.模拟氫输入模共;2,主轴温度传感器;3.切削淑温传感器;4.液压油温度传感器 3系统软件实现 5.系统压力传感器;6.环覓温湿度变送器;7.凹油压力传感器;8.平衡压力传感器;9 电压传感器;10.液压油颗粒检测仪;1,西门子PLC;12,气源湿度变送器;12.外接电源 图4传感器效据与数控系统交互电路 系统软件包括登录信息模块、基本信息模块、数控机床运 2.3传感器与RFD交互电路 行信息模块、数控机床维修保养模块、数控机床运行嗑控模块 和数据处理模块,如图7所示。 无线传感网络节点和RFID识别器交互模块是由无线传 感器网终节点和RFID识读器组成。其屮无线传感器节点包 含各种传感器,一个数据处理单元即单片机、存储器、天线、无 线射频模块和供电单元五个部分,RFID识读器由单片机、无线 天线 射频模块、天线、串∏接冂模块和供电单元组成。 滤波匹配网络 检波电路 其乜哺助功能 2.4GPRS通信电路 功放电路 数控机床中密布的各类传感器和数控系统二次开发获取 RID读写电路 的各种参数需要不断地传输给后台数控机床运行监视预警信 总控制电路 息系统,由于数据较多且是不断更新,囚此,就需要较快的传输 图6RFID电路杠图 图7数控机床运行监视 速度。GPRS是以封包( packet)式来传输的,且传输速率可提 预警系统软件功能模块图 升至56Kbs甚至114Khps:同时用户在数据通信过程并不固3.1登录信息 定占用无线信道,因此对信道资源能够更合理地应用:再者 登录信息,即软件使用用户管理模块。用户包括生产厂 TCP和P协议与GPRS实现了无缝对接,因此,本文硬件通信家、用户厂家和国家管理部门,针对不同使用人员赋予不同的 系统选用了支持GPRS的SM90A器件。SIM90A模块是一权限,显示用户的基本信息,如用户名称、密码等,也可对用户 款尺寸紧凑的 GSM/ GPRS模块,采用SMT封装,基于STE的信息进行添加、修改、则除等操作,可设置用户的使用权限,并 单芯片,采用工业标准接口,工作频率为CSM/GPRS850900且提供了分级查看、分权查看等使用模式,只有具备相应权限 1800/1900MHzS900A采用省电技术设计,扩展的TCP/AP的用户才可以查看符合其权限的信息。 命令让用户使用TP/P协议更容易,其性能稳定,非常适合32基本信息模块 本文系统硬件的要求。图5为本文系统的GPHS电路图 该模块是软件系统的基础,包括数控机床的统一编码、基 2.5RFD电子标签和电源 本信息、用户厂家信息。数控机床编码主要采用原有标签附加 RFID3,即无线射频识别技术,由标签、天线和阅读器三NSI标笭标志的编码技术,卞要由承载NI信息的条码、 Ecode 个部分组成。当标签进入天线的工作范围内,就可以接收到从的LOCO和NSI的十六制信息共三部分组成,如图8所示。该 阅读器发出的射频信号,标签内内置的射频耦合元件凭借感应编码不仅实现了物联网中的一码一物,还有利于对物联网中每 电流激活内置芯片,最后将存储在芯片內的编祃信息以射频信个物品的管理,同时实现了对物品的实时追踪的功能;基本信 第12期 王国强,等:基于物联网技术的数控机床运行嗌视预警系统研究 息包括数控机床型号、生产厂家、数控系统、轴数、联动情况、耗 电量等;用户厂家信息包括用户厂家名称、单位地址、操作人员4系统实现 信息等。 4.1实现技术 该系统的开发环境主要包括网络结构、操作系统和开发平 台几个方面,综合考虑了系统的功能需求及开发特点,其具体 开发环境如下 NS1 O03H a)该系统以 Internet为硬件环境。 图8数掉机床编结构佟 b)B/S结构可以很好地实现数据服务和实用程序的共亨, 3.3数控机床运行信息模块 而且系统易扩充、很灵活,简化∫该系统的开发,ⅣS结构满足 了系统需求,系统将采用B/S开发模式。 该模块主要实现数控机床的运行情况数据的收集存储和 c)Jaa语言的“一次编程,到处可用”的特点使其成为网 统汁分析。这些数据主要包括数控机床的开机时间、加工时络环境下编程的最佳选择,具有高度的可移植性、稳定性和安 间维修时间、维护吋间、关机吋间、故障吋间等,是实现数控机全性等优点,这些使它一经推出就获得了广泛的支持,所以选 床可靠性评估的基础。系统采用文献[5~7]所述评估方法对择Jma作为本系统的开发语言利用 Eclipse开发工具实施。 这些数据进行处理,得到数控机床的各种可靠性指标。由十数 d)客户端采用 Windows2000操作系统,数摒库服务器和 据是不断更新的,所以本文系统所得到的可靠性指标也不断更Wcb服务器端选用 Windows2000Srer操作系统 新,随着效据的不断增多,所得结果也越来越准确,实现了数控 该原型系统以开放性、可拓展性和可移植性为目标进行了 机床可靠性指标的实时评价。 开发,实现了顶定功能。 3.4数控机床维修保养模块 4.2应用实例 数控机床的各个零部件都需要定期维修保养,然而事实上 利用上述开发的数控机床运行监视预警系统,对国内其机 许多用户忽略∫机床维修保养的重婁性,使得机床由于維修保床企业进行了实际试用。试用过程中,系统实现了该企业的数 养不良而引发大大小小的故3”。该模块通过对数控系统控机床的实时监控,主要包括:a)实现了机床用广厂家的加工 的一次开发,构建了维修保养监控系统,对维修保养项目进行数据和运行数据的实时收集;b)实现了数控机床可靠性指标 全程实时监控,将检测到需要维修保养的项目显示在维修保养的不断更新;c)实现了数控机床运行过程中的强制性维护;d) 界面上。只有用户对所有维修保养项日(包括:液压油液位、实现了数控机床运行过程的实时监控。 润滑油油位、调通风口、整机、油冷机温度、液压表压力、润滑 油压力、气动系统压力、液压泄漏、切削清洗和清扫卫生等)进5结束语 行维修保养活动后,数控机床才能继续正常运行。具体实现内 本文详细地介绍了在国家自然科学基金资助下所开发的 容如图9所示。 原型系统,该原型系统以物联网技术为工具,以开放性和可拓 3.5数控机床运行监控模块 展性为目标进行了开发,同时在系统中第次应用了新的编码 该模块实现了对加过程参数和影响数控机运行可靠分法,系统应用结果表明该系统为数控机床企业的信息化管 性的各种参数的实时监控,并对这些参数进行判断,判断是否理,提供了一个可行的解决方案和途径,对提高国产数控机床 超过预先设置的界限,如果超过,则证明数控机床运行过程处的可靠性有积极的现实意义。 于非可靠状态,此时就将该信息分别发送给相关单位和人员。参考文献 并以语言形式提示给值班人员。如图10所示:在运行条件监1贾亚汎,杨兆军.数挖机床可靠性国内外现状与技术发展策略 控界面中显示所有监测项信息,如主轴温度为11.60℃,环境 [J].中国制造业信息化:学犬版,2008(8):35-37 湿度为53.27%RH;在界面上方显示报警信息,如系统压力此2黄亚洲,可靠性向国严数控装备提出挑战[,机电国际场, 2001(4):14-16 时为0Mpa,系统显小报警700049,系统压力过低;在界面正文 可以点击 I Orizontal softkey-tet对应的水羋按钮,进入相应界「31张峰,张晓鹏,吴商成,基于物联网的机场集成行李处翌系统及 其应用研究LJ」.计算机应用研究,2010,27(10):3771-3774, 面,如点击环境可以查看环境湿度报警记录。 开机连护保养界而 [4]黄冬梅,方的苟,张明华,等.物联网技术在救灾物资配送管理系 开民护 7o+袋压 运行影件控系统界面 统中的应用[J].计算机应用研究,2011,28(1):189-191 [5]杨建国,王智明,王国強,等.数控机床可靠性指标的似然比检验 12=“m 区间估计LJ」.机械工程学报,2012,48(2):9-15,22 [6〗王智明,杨建国,王国强,等.多台数控杌床的时间截尾可靠性评 过c道 估[冂].哈尔滨二业大学学报,2011,43(3):85-89. 0月0天1时1分1秒 α『α_[7]王智明,杨建国,王国强,等,多台效控机床最小雏修的可靠性评 图9开机维修保养界面图10运行条件监系统界面 估[J].哈尔滨二业大学学报,2011,43(7):127-130. 3.6数据处理模块 [8』唐贤进数控机床运行可靠性控制技术研究[D].重庆:重庆大 学,2011l 该模块主要实现系统涉及的所有数据的存储、查洵、修改、[9]张根保,唐贤进,崔有志,敏控杌床功餉部件可靠度建模与维扩预 删除等操作。 警系统开发[J].计算机应用研究,2011,28(8):2946-2948