田齊

(江蘇信息職業(yè)技術學院電氣工程系，江蘇無錫 214153)

數(shù)控機床因具有加工精度高、自動化程度高、生產(chǎn)率高等優(yōu)勢，已成為我國制造型企業(yè)的主要生產(chǎn)設備。面對企業(yè)中越來越多的數(shù)控加工設備，如何改建現(xiàn)有的車間管理模式，以實現(xiàn)車間數(shù)控設備的網(wǎng)絡化管理和設備運行狀況的實時監(jiān)測，對提高企業(yè)加工設備的利用率、加強企業(yè)對加工過程的管理和增強企業(yè)的市場競爭力有重要意義。近年來，數(shù)控設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計開發(fā)已成為制造物聯(lián)技術應用研究的一個熱點。國內(nèi)外學者和專家們在這方面做了深入研究，并獲得相關研究成果。Nunzio M TORRISI等［1］基于CyberOPC技術開發(fā)了一個新的開放式通信系統(tǒng)，用于實現(xiàn)工業(yè)數(shù)控機床的遠程監(jiān)控，減少了通信周期(與基于OPC技術的解決方案比較)，滿足網(wǎng)絡安全需求。Ronald FAASSEN［2］分別通過間接測量動態(tài)信號、加速度信號和位移信號對切削產(chǎn)生的顫振進行監(jiān)測，并通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、比較得出，加速度信號最適合用于進行顫振監(jiān)測的結(jié)論。燕山大學的袁磊［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)客戶端和服務器端軟件，最終實現(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)場圖像的采集和傳輸。上海建通大學的夏志［4］基于B/S架構(gòu)，同時使用通用 Web Server和嵌入式WebServer技術，開發(fā)遠程監(jiān)控軟件，實現(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)控機床運行狀態(tài)監(jiān)視與管理的功能。江南大學的譚文才［5］基于RIA架構(gòu)，選擇CBX解決方案進行開發(fā)，設計完成基于Internet的壓縮機遠程監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測軟件平臺的設計以及故障診斷專家系統(tǒng)的建立。

文中采用CBX的RIA技術開發(fā)了車間數(shù)控設備遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用串口服務器對車間底層數(shù)控機床進行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)NC程序的遠程傳輸、管理，對數(shù)控機床的工作狀態(tài)和參數(shù)進行實時監(jiān)測，統(tǒng)計機床的利用率，同時基于RIA系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)基于Internet的遠程訪問。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

車間底層數(shù)控設備監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要功能是:與嵌入式數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)通信，對反饋信息進行處理、顯示和存儲;對NC程序進行統(tǒng)一文件管理，并實現(xiàn)NC程序的遠程傳輸;對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和利用，并可將相關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;對加工車間中與數(shù)控機床相關的信息進行管理，可以進行查詢、添加、刪除和修改;在網(wǎng)絡上實現(xiàn)信息的共享，供有權限的用戶實時監(jiān)測加工車間的實時工作狀態(tài)，實現(xiàn)更加廣泛范圍內(nèi)的實時監(jiān)測。為了實現(xiàn)上述功能，將系統(tǒng)平臺網(wǎng)絡劃分為3個層次:應用層、車間層和設備層，4個組成部分:本地數(shù)據(jù)采集監(jiān)控端、車間服務器監(jiān)測端、上層管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收端和遠程監(jiān)控端，4個組成部分分別位于應用層與車間層的相關設備中。文中開發(fā)的數(shù)控設備遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，本地數(shù)據(jù)采集監(jiān)控端位于車間上位機，用于實現(xiàn)車間層與設備層、應用層之間的信息交互，以及相關信息的存儲、管理和應用功能，該平臺端由數(shù)據(jù)通信軟件和監(jiān)控管理軟件兩部分組成;車間服務器監(jiān)測端位于車間服務器，用于實現(xiàn)車間服務器與車間上位機之間的信息交互，匯總多臺車間上位機的信息，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測功能，該平臺端由數(shù)據(jù)接收軟件和監(jiān)測軟件兩部分組成;車間管理系統(tǒng)端屬于車間上層管理軟件所處的服務器，實現(xiàn)與本地端之間的信息交互;遠程監(jiān)控端是本地數(shù)據(jù)采集監(jiān)控端中監(jiān)控管理軟件和車間服務器監(jiān)測端中監(jiān)測軟件在網(wǎng)絡上的拓展應用，不需要添加輔助軟件，遠程客戶可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)、基于IE瀏覽器實現(xiàn)快捷訪問，完成對數(shù)控機床工作狀態(tài)的遠程在線監(jiān)控。前3者通過使用Delphi語言編寫軟件實現(xiàn)相關功能，遠程客戶端可以通過互聯(lián)網(wǎng)直接實現(xiàn)監(jiān)測功能，無需添加輔助軟件。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

本地數(shù)據(jù)采集監(jiān)控端通過自行研發(fā)的嵌入式數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)數(shù)控機床相關信息的采集，車間上位機中的數(shù)據(jù)接收軟件接收通過串口服務器聯(lián)網(wǎng)上傳的采集信息，通過SDAC技術實現(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)庫軟件實現(xiàn)信息的存儲。與應用層軟件之間的信息交互基于Socket的網(wǎng)絡通信技術實現(xiàn)。本地實現(xiàn)監(jiān)控管理功能的軟件基于CBX框架實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)的搭建，通過Delphi軟件編程實現(xiàn)實時、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數(shù)控設備相關信息的查詢管理功能，能進行簡單的數(shù)據(jù)分析。

2 監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件設計

文中主要介紹課題組自主研發(fā)的車間上位機中的監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件，該軟件可分為4大功能模塊:數(shù)控機床狀態(tài)實時監(jiān)測模塊，采集信息分析模塊，數(shù)控程序管理模塊和數(shù)控設備信息管理模塊。此軟件通過基于CBX的RIA技術實現(xiàn)系統(tǒng)框架的搭建，通過Delphi編程實現(xiàn)相關功能。CBX框架采用RO-Http-Bin三層模式進行開發(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。在CBX中有兩種核心模塊類型:ao和xo?！癮o”是客戶端對象，被稱為Apple; “xo”是服務器運行模塊，被稱為Servlet。在CBX的中間層容器中，加載有多個xo，每個xo對應于Midas中的Remote Data Module，是一個獨立的動態(tài)庫，對xo模塊的編寫就是對CBX三層構(gòu)架中中間層的開發(fā)。ao和xo都是在CLXBase中進行開發(fā)和編譯的，而CLXBase是基于Delphi7進行開發(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，支持多種應用方式:

(1)ao和xo配合開發(fā)，充分利用框架服務器端的無狀態(tài)對象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來實現(xiàn)Web系統(tǒng)和ao對象的交互;

(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)行文件的運行方式，脫離瀏覽器獨立運行，這種模式就是著名的“Smart Client”模式;

(5)在系統(tǒng)中單獨使用xo，xo模塊可以在Web系統(tǒng)中充當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)的模式進行軟件開發(fā)。

3 數(shù)控機床狀態(tài)實時監(jiān)測模塊

實時監(jiān)測數(shù)控機床的運行狀態(tài)對于了解數(shù)控車間的運行情況非常重要，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瀏覽器遠程實時監(jiān)測數(shù)控機床。

將數(shù)控機床的運行狀態(tài)劃分為關機、加工、空閑、報警狀態(tài)。關機是指機床處于關閉狀態(tài)，電源沒有打開;加工是指機床處于正常加工狀態(tài)，正在運行數(shù)控程序加工工件;空閑是指機床不處于關機狀態(tài)，也不處于加工狀態(tài)，這時候可能是機床操作人員正在為即將進行的加工步驟進行參數(shù)設置，也可能是正在安裝毛坯或卸載零件;報警是指機床出現(xiàn)錯誤警報，等待操作人員進行調(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，可以指定向外部設備實時輸出數(shù)據(jù)。通過在數(shù)控程序中添加外部通信宏指令，加工時數(shù)控機床通過RS232接口可以將加工進度信息上傳到本地終端，實現(xiàn)加工進度的監(jiān)控。為了不增加編程人員的工作負擔，減少出現(xiàn)人為錯誤的機會，提供外部通信指令的自動添加功能。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

對于不提供外部通信宏指令的數(shù)控系統(tǒng)，采用對數(shù)控機床的主軸電機電流進行監(jiān)測的方法，獲得數(shù)控機床的運行信息。

3.1 采集信息分析模塊

需要對數(shù)控機床的相關數(shù)據(jù)信息進行實時采集，以達到對數(shù)控機床的工作狀態(tài)進行監(jiān)測的目的。嵌入式系統(tǒng)是專門用于實現(xiàn)控制、監(jiān)視和輔助操作的機器和設備的裝置，具有操作方便、實時性好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，提供的驅(qū)動接口可以滿足文中與數(shù)控機床接口的連接要求，因此，選擇嵌入式系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)對數(shù)控機床多類型數(shù)據(jù)的實時采集。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，不僅可以實時了解數(shù)控機床的運行狀態(tài)，還可以對之前采集到的信息進行分析和統(tǒng)計，得到有用信息。對數(shù)控機床的歷史運行狀態(tài)進行分析，可以獲得機床的利用率，從而總結(jié)出提高機床利用率的有效措施;可以獲得機床加工零件的平均時間，幫助合理安排零件加工順序;可以累積刀具的使用時間，以達到提前預警刀具故障、及時更換刀具、減少不必要的損失的目的。因此，需要把采集到的信息存儲到數(shù)據(jù)庫，形成數(shù)控機床的使用記錄，通過對使用記錄的分析，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。對于程序傳輸，常用的方法有:操作面板手動輸入代碼，人工操作，出錯率高，且輸入速度取決于操作人員的熟練水平，工作效率低;存儲卡傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，但是需要操作人員往返于計算機和機床之間，費時費力，且極易感染病毒和損壞機床的接口;單機RS232接口傳輸，傳輸距離短，車間放置多臺計算機，不易管理，惡劣的工業(yè)環(huán)境會縮短計算機使用壽命。程序管理的現(xiàn)狀是:技術人員在計算機中建立不同的目錄，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;對于程序的修改沒有形成記錄，出現(xiàn)問題后找不到責任人。

文中通過使用串口服務器實現(xiàn)數(shù)控機床聯(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。該模塊可以實現(xiàn)數(shù)控程序的查看、修改及保存，并對修改程序的人員、時間進行記錄。

圖5 程序管理模塊界面圖

4 數(shù)控設備遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的實驗

4.1 實驗條件

實驗室的主要設備是數(shù)控機床四合一調(diào)試維修實訓臺，由南京德西數(shù)控新技術有限公司和南京數(shù)控培訓中心合作開發(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)采集實驗要求。實驗方案的實現(xiàn)如圖6所示。

圖6 實驗方案

4.2 實驗結(jié)果

基于CBX實現(xiàn)的數(shù)控設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時狀態(tài)界面如圖7所示。在該頁面下的“運行狀態(tài)”項，針對數(shù)控機床不同的運行狀態(tài)提供不同的文本框顏色，起提示作用，并通過點擊圖片，可以查詢對應數(shù)控機床的利用率情況。

監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件的設備利用率分析界面如圖8所示，可以按照設備編號、以日期為單位對數(shù)控設備的開機狀況和運行狀況進行查詢，當查詢的日期在sys_use數(shù)據(jù)表中沒有記錄時，根據(jù)sys_shop1_state數(shù)據(jù)表中記錄的數(shù)控機床運行狀況進行計算，并將計算結(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間段內(nèi)機床總的開機率和利用率，以直方圖形式顯示查詢時間段內(nèi)的單天運行率。

圖7 數(shù)控設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時狀態(tài)界面

圖8 設備利用率界面

監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件的設備綜合效率分析界面如圖9所示，可以以日期為單位對數(shù)控設備的設備綜合效率 (OEE)情況進行查詢，當查詢的日期在sys_shop1_percent數(shù)據(jù)表中沒有記錄時，系統(tǒng)會提醒按照步驟進行相關數(shù)據(jù)輸入，計算得到的結(jié)果會寫入數(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間開動率AE、效能開動率PE、合格品率QE及OEE的結(jié)果，觀察變化趨勢，可提高設備效率的有效方案。

圖9 設備綜合效率界面

5 結(jié)束語

以數(shù)控機床為研究對象，根據(jù)制造物聯(lián)3層構(gòu)架的理念，設計“制造物聯(lián)中車間底層數(shù)控設備監(jiān)控管理系統(tǒng)”，以實現(xiàn)對數(shù)控加工設備相關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)控車間的實時狀況，還可以對歷史數(shù)據(jù)進行分析，為車間安排生產(chǎn)計劃提供數(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)控設備網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.秦皇島:燕山大學，2011.

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

［5］譚文才.基于Internet的壓縮機遠程監(jiān)測與故障診斷技術研究［D］.無錫:江南大學，2012.

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

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

［8］焦圣明，包云軒，郭靜，等.基于RIA氣象站信息平臺的設計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2010，36(20):217－219.