楊佳淼　袁藝超　趙聯(lián)昌　夏冬

關鍵詞：Vue；Spring Boot；數(shù)控機床；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0089-04

1 引言

智能制造和工業(yè)4.0的核心是實現(xiàn)制造過程的信息化、網(wǎng)絡化、智能化，而數(shù)控機床是智能制造單元以及智能化生產線中的核心設備[1]，其運行狀態(tài)的好壞直接影響著產品質量和加工效率。對于生產線來說，一臺設備故障往往影響整個生產線的正常運轉。數(shù)控機床作為一種復雜機電產品，價格高昂，維修成本高，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)對機床的遠程監(jiān)控，可以實時掌握機床的運行狀態(tài)，以及加工過程中的關鍵參數(shù)的變化趨勢，當機床發(fā)生故障時可及時告知設備維護人員處理機床發(fā)生的故障，從而提高機床的使用效率，提升加工產品質量[2]。

隨著Web技術、物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，使得實現(xiàn)多種類不同通信協(xié)議數(shù)控機床的監(jiān)控成為可能。本文針對市場上使用率較高的西門子、力士樂、華中數(shù)控系統(tǒng)，采用目前流行的開發(fā)框架Vue 和SpringBoot，以及第三方組件庫Element UI、Echarts、DataV等，開發(fā)出前后端分離的機床監(jiān)控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、Web用戶操作界面，用戶只需要通過瀏覽器就可實現(xiàn)對系統(tǒng)的訪問。

2 系統(tǒng)功能需求

系統(tǒng)需能實現(xiàn)如下功能。

2.1 權限管理

系統(tǒng)的使用人員可以分為系統(tǒng)管理員、設備管理員、設備維護人員、生產管理人員等，不同的人員應能設置查看系統(tǒng)中與其自身職責相關的功能。授權的用戶可以通過瀏覽器訪問系統(tǒng)。

2.2 機床數(shù)據(jù)采集展示功能

需要實時采集機床運行過程中的數(shù)據(jù)，能夠靈活設置需要采集的參數(shù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，便于后續(xù)的分析研究。同時系統(tǒng)可以顯示監(jiān)測的數(shù)據(jù)以及趨勢圖、報警記錄及統(tǒng)計報表、機床效率等。

2.3 故障維修經(jīng)驗的存儲

需建立故障維修經(jīng)驗庫，設備維護人員需要把工作過程中習得的經(jīng)驗進行線上存儲。

3 系統(tǒng)功能模塊介紹

機床監(jiān)控系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理、基礎數(shù)據(jù)、機床監(jiān)控、故障診斷、數(shù)據(jù)分析。模塊結構如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)管理

由系統(tǒng)管理員對這些模塊的數(shù)據(jù)進行初始化，包括錄入使用系統(tǒng)的用戶信息、角色信息、部門信息等，為每個用戶分配角色，對不同的角色劃分不同的功能模塊權限，使不同類型的管理人員使用與自身職能相對應的功能模塊。通過管理員添加并激活的用戶才有權登錄系統(tǒng)。配置管理用于設置上傳圖片的路徑。

3.2 基礎數(shù)據(jù)基礎數(shù)據(jù)

包括機床信息模塊、參數(shù)設置模塊。機床信息模塊用于對系統(tǒng)中管理的機床信息進行初始化，包括機床編號、型號、名稱、IP地址、通信協(xié)議、端口、機床圖片等，其中通信協(xié)議主要包含OPCUA、OPCDA、Nc-Link、Modbus。在參數(shù)設置模塊中對每臺機床需要采集的參數(shù)進行靈活設置。

3.3 機床監(jiān)控機床監(jiān)控

包括監(jiān)控中心模塊、事件中心模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。監(jiān)控中心模塊可查看機床的基本信息、當前的加工數(shù)量、機床當前的狀態(tài)以及詳細的運行參數(shù)。事件中心模塊可以記錄機床開機、關機、故障等事件。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可以查看采集機床的歷史數(shù)據(jù)，并可以將數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，從而直觀地查看數(shù)據(jù)的變化趨勢。

3.4 故障診斷

故障診斷包括故障信息模塊、維修信息模塊、故障案例檢索模塊。通過建立故障庫、維修經(jīng)驗庫，設備維護人員在遇到自己難以解決的機床故障時，可以在系統(tǒng)中進行查詢，幫助其快速定位問題發(fā)生的原因以及故障的解決辦法，提高工作效率。同時方便設備維護人員進行經(jīng)驗知識的分享，不會因為人員流動造成維修經(jīng)驗的流失。

3.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析可以統(tǒng)計機床OEE以及故障統(tǒng)計報表。通過OEE及故障統(tǒng)計報表，管理人員可以直觀地看出影響生產效率的瓶頸工序，對綜合利用率低以及容易發(fā)生故障的設備及時進行維護和檢修，從而提高生產效率，降低因停機造成的損失。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S架構，前后端分離技術進行開發(fā)，前端采用Vue框架，后端采用Spring Boot框架。

4.1 采用的Vue框架和Spring Boot 框架介紹

Vue是一套用于構建用戶界面的漸進式的Js框架，只關注視圖層，采用自底向上增量開發(fā)的設計，Vue框架采用MVVM模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向綁定，能將后端傳遞的數(shù)據(jù)轉化成所看到的頁面，也能將所看到的頁面轉化成后端的數(shù)據(jù)。它與Angular Js、React框架相比，Vue更加簡單，運行速度更快，易于與第三方庫整合[3]。

Spring Boot是由Pivotal團隊提供的框架，其設計目的是簡化Spring應用的初始搭建以及開發(fā)過程。SpringBoot遵循“約定優(yōu)于配置”的原則，可以極大地簡化Spring配置流程，從而使開發(fā)人員不再需要自定義樣板化的配置，讓開發(fā)人員更加專注于系統(tǒng)業(yè)務的實現(xiàn)[4]。

4.2 開發(fā)環(huán)境

開發(fā)工具：Eclipse；開發(fā)環(huán)境：Windows7；Web服務器：Apache-tomcat-8.5.51、JDK 1.8.0_192；數(shù)據(jù)庫：MySQL 5.7.17。

4.3 數(shù)據(jù)采集程序開發(fā)

機床實時數(shù)據(jù)是由監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集程序完成。在Spring Boot 中需要引入OPCUA、OPCDA、Nc-Link、Modbus相關協(xié)議的jar包，與機床通信時調用jar包中對應的通信接口函數(shù)。下面以西門子數(shù)控系統(tǒng)的OPCUA通信協(xié)議為例，數(shù)據(jù)采集程序步驟如圖2所示。

進行機床數(shù)據(jù)采集時，首先在系統(tǒng)機床信息模塊中，手動開啟連接選項，系統(tǒng)才會進行機床連接與數(shù)據(jù)讀取。關閉連接選項后，系統(tǒng)會斷開連接停止數(shù)據(jù)采集。

建立連接：根據(jù)獲取的機床信息，通過getEnd?points（String endpointUrl）獲取OPC UA的服務端節(jié)點，設置OPCUA的連接配置，創(chuàng)建OPCUA 客戶端opcUaClient，然后利用connect（）.get（）進行連接。

讀取數(shù)據(jù)：調用read?Values （ double maxAge，TimestampsToReturn time?stampsToReturn， List nodeIds）進行數(shù)據(jù)讀取。在調用該方法前，需要將機床采集的參數(shù)添加到List中。

斷開連接：調用dis?connect（）.get（）斷開系統(tǒng)與機床的連接。

4.4 界面程序開發(fā)

在Vue 中引入Ele?ment UI、Echarts、DataV組件進行界面開發(fā)，ElementUI 是基于Vue 的一個UI組件庫，該庫中包含了豐富的網(wǎng)頁端組件，不需要開發(fā)人員對常用的按鈕、輸入框、下拉框、表格、樹等組件進行二次封裝，只需要對屬性進行簡單配置就能滿足使用需求，方便程序員進行頁面快速布局和開發(fā)，整個UI風格簡約、實用，同時極大地提高了開發(fā)者的效率，是一個非常受歡迎的組件庫。Echarts和DataV提供了豐富的折線圖、柱狀圖、餅圖、邊框等數(shù)據(jù)可視化圖表，方便程序開發(fā)人員構建大屏數(shù)據(jù)展示頁面，并且兼容當前大部分的主流瀏覽器[5]。如圖3 所示，監(jiān)控中心界面可以查看機床基本信息、當前的狀態(tài)以及加工數(shù)量。

通過點擊單臺機床圖片進入到單臺機床監(jiān)控界面，如圖4所示，可以查看單臺機床詳細的運行參數(shù)，例如主軸轉速、主軸倍率、進給軸倍率、主軸電流、跟隨誤差等實時數(shù)據(jù)。

如圖5所示，維修信息界面可以查看與機床故障相對應的維修辦法。

4.5 后端程序開發(fā)

后端程序采用三層結構設計，分為Controller層、Service層、Dao層。Controller層是控制層，負責接收前端發(fā)來的http 請求以及參數(shù)，調用Service 層中的方法，并接收方法返回值，傳遞數(shù)據(jù)給前端。Service層是服務層，主要負責處理業(yè)務邏輯，調用Dao層中的方法，接收方法返回值，傳遞數(shù)據(jù)給Controller層。Dao層是數(shù)據(jù)持久層，該層負責對數(shù)據(jù)庫表進行增、刪、改、查操作，返回數(shù)據(jù)給Service層。這使程序結構非常清晰，實現(xiàn)了程序的高度解耦。下面以監(jiān)控中心模塊中獲取機床信息、狀態(tài)為例。

1） Controller層負責接收前端請求，調用service層getAllList（）方法，并將結果返回給前端

@GetMapping（value="/allList"）

public Object getAllList（）{

List> list=machineInfoService.

getAllList（）;

return Rets.success（list）;

}

2） Service層調用調用Dao層getAllList（）方法，并將結果返回上層

public List> getAllList（） {

return machineInfoRepository.getAllList（）;

}

3） Dao層負責從數(shù)據(jù)庫查詢并將結果返回給上層

@Query（nativeQuery = true，value = "select mi.id as

id，mi.code as code， "+

"mi.name as name，mi.pictrue as pictrue，" +

" mi.ip as ip，mi.isopcua as connect，mi.status as sta?

tus，"+

" mi. process_count as processCount， fi. real_file_

name as img"+

" from machine_info mi LEFT JOIN t_sys_file_info

fi on mi.pictrue=fi.id"）

List> getAllList（）;

4.6 前后端的數(shù)據(jù)交互

前后端交互通過JSON（JavaScript Object Notation）格式的數(shù)據(jù)。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，完全獨立于編程語言，結構簡潔，數(shù)據(jù)存儲空間小、數(shù)據(jù)冗余少且傳輸速度快[6]，可以在不同語言之間進行數(shù)據(jù)交換。監(jiān)控中心界面向后端發(fā)送請求，后端返回給前端機床信息、機床圖片信息、加工數(shù)量及當前狀態(tài)等JSON格式的數(shù)據(jù)，最終由前端程序接收并對數(shù)據(jù)進行展示。如圖6所示，通過瀏覽器的開發(fā)者工具查看后端返回的JSON格式數(shù)據(jù)。

5 結束語

1） 本文提出基于Vue+Spring Boot的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)，為機床監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)提供了一套切實可行的方法。系統(tǒng)上線后，經(jīng)現(xiàn)場驗證，運行穩(wěn)定可靠。

2） 系統(tǒng)實現(xiàn)了OPCUA、OPCDA、Nc-Link、Modbus協(xié)議的通信，進行此類設備通信時，無需再做二次開發(fā)。連接新設備時，只需通過機床信息模塊和參數(shù)設置模塊手動錄入相關信息就可實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集、存儲、展示。

3） 該系統(tǒng)實現(xiàn)對機床數(shù)據(jù)的實時采集存儲，為將來實現(xiàn)設備的預測性維護提供數(shù)據(jù)支撐。

4） 采用前后端分離的模式開發(fā)機床監(jiān)控系統(tǒng)，前端界面和后端程序可同步開發(fā)，提升了系統(tǒng)開發(fā)效率，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。后端采用三層結構設計有利于系統(tǒng)的更新和維護工作。