田齊

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，江蘇無錫 214153)

數(shù)控機(jī)床因具有加工精度高、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)率高等優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)制造型企業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備。面對(duì)企業(yè)中越來越多的數(shù)控加工設(shè)備，如何改建現(xiàn)有的車間管理模式，以實(shí)現(xiàn)車間數(shù)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理和設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)提高企業(yè)加工設(shè)備的利用率、加強(qiáng)企業(yè)對(duì)加工過程的管理和增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。近年來，數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)已成為制造物聯(lián)技術(shù)應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專家們?cè)谶@方面做了深入研究，并獲得相關(guān)研究成果。Nunzio M TORRISI等［1］基于CyberOPC技術(shù)開發(fā)了一個(gè)新的開放式通信系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少了通信周期(與基于OPC技術(shù)的解決方案比較)，滿足網(wǎng)絡(luò)安全需求。Ronald FAASSEN［2］分別通過間接測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)、加速度信號(hào)和位移信號(hào)對(duì)切削產(chǎn)生的顫振進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、比較得出，加速度信號(hào)最適合用于進(jìn)行顫振監(jiān)測(cè)的結(jié)論。燕山大學(xué)的袁磊［3］基于C/S架構(gòu)，使用Visual C++6.0軟件作為開發(fā)工具，開發(fā)客戶端和服務(wù)器端軟件，最終實(shí)現(xiàn)的功能有NC程序的傳輸、工藝流程的管理、NC程序的管理和現(xiàn)場(chǎng)圖像的采集和傳輸。上海建通大學(xué)的夏志［4］基于B/S架構(gòu)，同時(shí)使用通用 Web Server和嵌入式WebServer技術(shù)，開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了嵌入式適配器配置與管理、數(shù)控程序傳輸與管理以及數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與管理的功能。江南大學(xué)的譚文才［5］基于RIA架構(gòu)，選擇CBX解決方案進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)完成基于Internet的壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及故障診斷專家系統(tǒng)的建立。

文中采用CBX的RIA技術(shù)開發(fā)了車間數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用串口服務(wù)器對(duì)車間底層數(shù)控機(jī)床進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)NC程序的遠(yuǎn)程傳輸、管理，對(duì)數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)機(jī)床的利用率，同時(shí)基于RIA系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程訪問。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車間底層數(shù)控設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要功能是:與嵌入式數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)反饋信息進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ);對(duì)NC程序進(jìn)行統(tǒng)一文件管理，并實(shí)現(xiàn)NC程序的遠(yuǎn)程傳輸;對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和利用，并可將相關(guān)信息上傳給上層車間管理系統(tǒng)，為管理層決策提供數(shù)據(jù)支持;對(duì)加工車間中與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的信息進(jìn)行管理，可以進(jìn)行查詢、添加、刪除和修改;在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)信息的共享，供有權(quán)限的用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工車間的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)更加廣泛范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，將系統(tǒng)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)劃分為3個(gè)層次:應(yīng)用層、車間層和設(shè)備層，4個(gè)組成部分:本地?cái)?shù)據(jù)采集監(jiān)控端、車間服務(wù)器監(jiān)測(cè)端、上層管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收端和遠(yuǎn)程監(jiān)控端，4個(gè)組成部分分別位于應(yīng)用層與車間層的相關(guān)設(shè)備中。文中開發(fā)的數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，本地?cái)?shù)據(jù)采集監(jiān)控端位于車間上位機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)車間層與設(shè)備層、應(yīng)用層之間的信息交互，以及相關(guān)信息的存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用功能，該平臺(tái)端由數(shù)據(jù)通信軟件和監(jiān)控管理軟件兩部分組成;車間服務(wù)器監(jiān)測(cè)端位于車間服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)車間服務(wù)器與車間上位機(jī)之間的信息交互，匯總多臺(tái)車間上位機(jī)的信息，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測(cè)功能，該平臺(tái)端由數(shù)據(jù)接收軟件和監(jiān)測(cè)軟件兩部分組成;車間管理系統(tǒng)端屬于車間上層管理軟件所處的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與本地端之間的信息交互;遠(yuǎn)程監(jiān)控端是本地?cái)?shù)據(jù)采集監(jiān)控端中監(jiān)控管理軟件和車間服務(wù)器監(jiān)測(cè)端中監(jiān)測(cè)軟件在網(wǎng)絡(luò)上的拓展應(yīng)用，不需要添加輔助軟件，遠(yuǎn)程客戶可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)、基于IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)快捷訪問，完成對(duì)數(shù)控機(jī)床工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。前3者通過使用Delphi語言編寫軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，遠(yuǎn)程客戶端可以通過互聯(lián)網(wǎng)直接實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，無需添加輔助軟件。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本地?cái)?shù)據(jù)采集監(jiān)控端通過自行研發(fā)的嵌入式數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床相關(guān)信息的采集，車間上位機(jī)中的數(shù)據(jù)接收軟件接收通過串口服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)上傳的采集信息，通過SDAC技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與Delphi之間的數(shù)據(jù)訪問，使用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫軟件實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。與應(yīng)用層軟件之間的信息交互基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理功能的軟件基于CBX框架實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)的搭建，通過Delphi軟件編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)的查看，以曲線、圖表等形式顯示，并有一套完整的本地?cái)?shù)控設(shè)備相關(guān)信息的查詢管理功能，能進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析。

2 監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中主要介紹課題組自主研發(fā)的車間上位機(jī)中的監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件，該軟件可分為4大功能模塊:數(shù)控機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，采集信息分析模塊，數(shù)控程序管理模塊和數(shù)控設(shè)備信息管理模塊。此軟件通過基于CBX的RIA技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框架的搭建，通過Delphi編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。CBX框架采用RO-Http-Bin三層模式進(jìn)行開發(fā)，是Delphi Midas類型的中間層結(jié)構(gòu)模式，完全繼承了Midas的結(jié)構(gòu)模式特點(diǎn)。在CBX中有兩種核心模塊類型:ao和xo?！癮o”是客戶端對(duì)象，被稱為Apple; “xo”是服務(wù)器運(yùn)行模塊，被稱為Servlet。在CBX的中間層容器中，加載有多個(gè)xo，每個(gè)xo對(duì)應(yīng)于Midas中的Remote Data Module，是一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)態(tài)庫，對(duì)xo模塊的編寫就是對(duì)CBX三層構(gòu)架中中間層的開發(fā)。ao和xo都是在CLXBase中進(jìn)行開發(fā)和編譯的，而CLXBase是基于Delphi7進(jìn)行開發(fā)的，其界面如圖2所示。

圖2 CLXBase界面

CBX框架可以稱得上是Web開發(fā)的控件倉庫，支持多種應(yīng)用方式:

(1)ao和xo配合開發(fā)，充分利用框架服務(wù)器端的無狀態(tài)對(duì)象pooling和RO組件的超高數(shù)據(jù)傳輸效率;

(2)單用ao于系統(tǒng)中，使之成為Web系統(tǒng)的UI組件，通過JavaScript來實(shí)現(xiàn)Web系統(tǒng)和ao對(duì)象的交互;

(3)在ao中通過Web Service或直接使用http協(xié)議和外部Heterogeneous Web Server交互;

(4)僅僅使用CBX的可執(zhí)行文件的運(yùn)行方式，脫離瀏覽器獨(dú)立運(yùn)行，這種模式就是著名的“Smart Client”模式;

(5)在系統(tǒng)中單獨(dú)使用xo，xo模塊可以在Web系統(tǒng)中充當(dāng)Reporting Service、Charting Service、Excel Exporting Service;

(6)使用CBX和VB、VC、PB、甚至于VBA混合編程。

文中選用第一種方式，即ao和xo配合開發(fā)的模式進(jìn)行軟件開發(fā)。

3 數(shù)控機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于了解數(shù)控車間的運(yùn)行情況非常重要，在此研究中，車間工作人員、企業(yè)管理人員和企業(yè)合作伙伴可以通過IE瀏覽器遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)控機(jī)床。

將數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)劃分為關(guān)機(jī)、加工、空閑、報(bào)警狀態(tài)。關(guān)機(jī)是指機(jī)床處于關(guān)閉狀態(tài)，電源沒有打開;加工是指機(jī)床處于正常加工狀態(tài)，正在運(yùn)行數(shù)控程序加工工件;空閑是指機(jī)床不處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，也不處于加工狀態(tài)，這時(shí)候可能是機(jī)床操作人員正在為即將進(jìn)行的加工步驟進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也可能是正在安裝毛坯或卸載零件;報(bào)警是指機(jī)床出現(xiàn)錯(cuò)誤警報(bào)，等待操作人員進(jìn)行調(diào)試的狀態(tài)［6］。

FUNAC、MITSUBISH及HAAS等數(shù)控系統(tǒng)具有外部通信宏指令:DPRNT、POPEN和PCLOSE，可以指定向外部設(shè)備實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)。通過在數(shù)控程序中添加外部通信宏指令，加工時(shí)數(shù)控機(jī)床通過RS232接口可以將加工進(jìn)度信息上傳到本地終端，實(shí)現(xiàn)加工進(jìn)度的監(jiān)控。為了不增加編程人員的工作負(fù)擔(dān)，減少出現(xiàn)人為錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，提供外部通信指令的自動(dòng)添加功能。外部通信宏指令添加流程如圖3所示。

圖3 外部通信宏指令添加流程圖

對(duì)于不提供外部通信宏指令的數(shù)控系統(tǒng)，采用對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸電機(jī)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，獲得數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行信息。

3.1 采集信息分析模塊

需要對(duì)數(shù)控機(jī)床的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以達(dá)到對(duì)數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。嵌入式系統(tǒng)是專門用于實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)視和輔助操作的機(jī)器和設(shè)備的裝置，具有操作方便、實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提供的驅(qū)動(dòng)接口可以滿足文中與數(shù)控機(jī)床接口的連接要求，因此，選擇嵌入式系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床多類型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。文中嵌入式數(shù)據(jù)采集器的功能如圖4所示。

圖4 嵌入式數(shù)據(jù)采集器功能圖

通過監(jiān)控管理軟件，不僅可以實(shí)時(shí)了解數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，還可以對(duì)之前采集到的信息進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，得到有用信息。對(duì)數(shù)控機(jī)床的歷史運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，可以獲得機(jī)床的利用率，從而總結(jié)出提高機(jī)床利用率的有效措施;可以獲得機(jī)床加工零件的平均時(shí)間，幫助合理安排零件加工順序;可以累積刀具的使用時(shí)間，以達(dá)到提前預(yù)警刀具故障、及時(shí)更換刀具、減少不必要的損失的目的。因此，需要把采集到的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，形成數(shù)控機(jī)床的使用記錄，通過對(duì)使用記錄的分析，以圖表的形式顯示得到的有用信息。

3.2 數(shù)控程序管理模塊

目前，數(shù)控加工車間在程序傳輸和管理方面存在缺陷。對(duì)于程序傳輸，常用的方法有:操作面板手動(dòng)輸入代碼，人工操作，出錯(cuò)率高，且輸入速度取決于操作人員的熟練水平，工作效率低;存儲(chǔ)卡傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，但是需要操作人員往返于計(jì)算機(jī)和機(jī)床之間，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且極易感染病毒和損壞機(jī)床的接口;單機(jī)RS232接口傳輸，傳輸距離短，車間放置多臺(tái)計(jì)算機(jī)，不易管理，惡劣的工業(yè)環(huán)境會(huì)縮短計(jì)算機(jī)使用壽命。程序管理的現(xiàn)狀是:技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)中建立不同的目錄，隨著人員的增加和程序量的膨脹，存在版本混亂、查找困難等問題;對(duì)于程序的修改沒有形成記錄，出現(xiàn)問題后找不到責(zé)任人。

文中通過使用串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，有效解決了程序管理和程序傳輸方面的問題，程序管理模塊的界面如圖5所示。該模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的查看、修改及保存，并對(duì)修改程序的人員、時(shí)間進(jìn)行記錄。

圖5 程序管理模塊界面圖

4 數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室的主要設(shè)備是數(shù)控機(jī)床四合一調(diào)試維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)，由南京德西數(shù)控新技術(shù)有限公司和南京數(shù)控培訓(xùn)中心合作開發(fā)，使用的數(shù)控系統(tǒng)有Siemens的802C數(shù)控系統(tǒng)和FANOC的Oi系列數(shù)控系統(tǒng)，可以滿足文中的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)方案

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于CBX實(shí)現(xiàn)的數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)界面如圖7所示。在該頁面下的“運(yùn)行狀態(tài)”項(xiàng)，針對(duì)數(shù)控機(jī)床不同的運(yùn)行狀態(tài)提供不同的文本框顏色，起提示作用，并通過點(diǎn)擊圖片，可以查詢對(duì)應(yīng)數(shù)控機(jī)床的利用率情況。

監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件的設(shè)備利用率分析界面如圖8所示，可以按照設(shè)備編號(hào)、以日期為單位對(duì)數(shù)控設(shè)備的開機(jī)狀況和運(yùn)行狀況進(jìn)行查詢，當(dāng)查詢的日期在sys_use數(shù)據(jù)表中沒有記錄時(shí)，根據(jù)sys_shop1_state數(shù)據(jù)表中記錄的數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀況進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果寫入sys_use數(shù)據(jù)表，供下次直接查詢使用。圖中，以表格形式顯示查詢時(shí)間段內(nèi)的所有查詢結(jié)果的數(shù)據(jù)，以餅圖形式顯示查詢時(shí)間段內(nèi)機(jī)床總的開機(jī)率和利用率，以直方圖形式顯示查詢時(shí)間段內(nèi)的單天運(yùn)行率。

圖7 數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)界面

圖8 設(shè)備利用率界面

監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件的設(shè)備綜合效率分析界面如圖9所示，可以以日期為單位對(duì)數(shù)控設(shè)備的設(shè)備綜合效率 (OEE)情況進(jìn)行查詢，當(dāng)查詢的日期在sys_shop1_percent數(shù)據(jù)表中沒有記錄時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提醒按照步驟進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)輸入，計(jì)算得到的結(jié)果會(huì)寫入數(shù)據(jù)表，供下次直接查詢使用。圖中，以表格形式顯示查詢時(shí)間段內(nèi)所有查詢結(jié)果的數(shù)據(jù)，以折線圖形式分別顯示查詢時(shí)間開動(dòng)率AE、效能開動(dòng)率PE、合格品率QE及OEE的結(jié)果，觀察變化趨勢(shì)，可提高設(shè)備效率的有效方案。

圖9 設(shè)備綜合效率界面

5 結(jié)束語

以數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，根據(jù)制造物聯(lián)3層構(gòu)架的理念，設(shè)計(jì)“制造物聯(lián)中車間底層數(shù)控設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控加工設(shè)備相關(guān)信息及其加工過程的有效管理。通過此系統(tǒng)，不僅可以了解數(shù)控車間的實(shí)時(shí)狀況，還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為車間安排生產(chǎn)計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支持，可有效的提高生產(chǎn)效率。

［1］TORRISI Nunzio M，O L IVEIRA Joa~o F G.Remote Control of CNC Machines Using the CyberOPC Communication System Over Public Networks［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，39(5/6):570－577.

［2］FAASSEN Ronald.Chatter Prediction and Control for High Speed Milling:Modeling and Experiments［D］.Eindhoven:Eindhoven University for Technology，2007.

［3］袁磊.基于C/S結(jié)構(gòu)的數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

［4］夏志.基于嵌入式適配器的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2012.

［5］譚文才.基于Internet的壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究［D］.無錫:江南大學(xué)，2012.

［6］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.

［7］王姣，宮政.基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床信息采集與監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(8):90 －92.

［8］焦圣明，包云軒，郭靜，等.基于RIA氣象站信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36(20):217－219.