基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床群監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級,對數(shù)控機(jī)床的需求量日益增長,而目前維修人員已無法滿足數(shù)控機(jī)床的定期巡檢需求,不能實時掌控機(jī)床設(shè)備的自身運(yùn)行狀態(tài),設(shè)備維保工作被動且效率低,企業(yè)運(yùn)營成本不斷攀升。因此,亟需設(shè)計一種數(shù)控機(jī)床群智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動化和遠(yuǎn)程化的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷,使機(jī)床生產(chǎn)商為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)。

在工業(yè)40和"互聯(lián)網(wǎng)＋"的技術(shù)背景下,數(shù)控機(jī)床將成為能夠產(chǎn)生透明數(shù)據(jù)信息的智能終端,實現(xiàn)制造過程全透明,產(chǎn)生服務(wù)于加工生產(chǎn)及過程管理的實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的資源共享與信息互聯(lián),在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時,能夠完善售后服務(wù)。機(jī)床群物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能滿足工業(yè)制造企業(yè)需求,幫助傳統(tǒng)生產(chǎn)制造型企業(yè)轉(zhuǎn)型升級,降低生產(chǎn)和維護(hù)成本,提高生產(chǎn)效率。本文集成了NB-1oT窄帶物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、微處理器、移動通信等關(guān)鍵技術(shù),設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床群監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。采用NB-1oT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了長距離、低時延、低能耗的遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸,將數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)信息發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警平臺,通過大數(shù)據(jù)分析,完成機(jī)床的健康診斷和故障預(yù)測。

1預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計

數(shù)控機(jī)床群監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由節(jié)點(diǎn)信息采集終端、ZigBee無線傳感器自組局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)信息匯聚終端、NB-1oT轉(zhuǎn)發(fā)終端、核心網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警平臺組成。節(jié)點(diǎn)信息采集終端之間通過ZigBee無線傳感器自組局域網(wǎng),并將采集到的數(shù)控機(jī)床傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚終端;數(shù)據(jù)信息匯聚終端將接收到的感知信息通過NB-1oT轉(zhuǎn)發(fā)終端和核心網(wǎng)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警平臺,完成前端數(shù)據(jù)的實時存儲和分析處理,反饋處理結(jié)果,從而實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床群的監(jiān)測和預(yù)警。監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1NB-1oT數(shù)據(jù)透傳模塊

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-1oT技術(shù)以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基本結(jié)構(gòu),僅需要180kHz的帶寬,可直接部署于GsM網(wǎng)絡(luò)、UMTs網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò),降低部署成本。本文選用上海移遠(yuǎn)公司的BC95系列數(shù)據(jù)透傳模塊,它是一款高性能、低功耗的NB-1oT無線通信模塊,共有94個引腳,兼容移遠(yuǎn)通信GsM/GPRs模塊,易于產(chǎn)品升級,內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧,支持UDP和CoAP協(xié)議。該模塊1DLE工作模式下電流為6mA,PsM狀態(tài)下電流僅為5μA。NB-1oT通信模塊與主控芯片采用串口連接。BC95模塊接口電路設(shè)計如圖2所示。

2.2微控制器模塊

本系統(tǒng)需要監(jiān)測的參數(shù)眾多,包括不同的傳感器感知的加工數(shù)據(jù)以及數(shù)控機(jī)床運(yùn)行信息參數(shù),同時也要便于將處理后的數(shù)據(jù)通過NB-1oT模塊無線轉(zhuǎn)發(fā)。因此選用的主控制器是意法半導(dǎo)體公司的sTM32F103系列芯片,該系列是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的高性能處理器,最大256K的Flash程序存儲器,最高工作頻率為72MHz,具有豐富的增強(qiáng)I/o端口,其內(nèi)部包含9個高性能通信接口和兩路l2位的AD。該處理器完全能夠滿足系統(tǒng)需求設(shè)計。

3預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行初始化,采集節(jié)點(diǎn)自組局域網(wǎng),NB-IoT模塊聯(lián)網(wǎng)成功后開始進(jìn)行通信。采集節(jié)點(diǎn)之間采用優(yōu)化蟻群自組路由算法,將機(jī)床工況數(shù)據(jù)按照自定義的幀格式打包發(fā)送,利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)經(jīng)核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)平臺。

如果沒有數(shù)據(jù)通信,采集節(jié)點(diǎn)和NB-IoT模塊進(jìn)入休眠模式,等待喚醒。采集節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用l0字節(jié)數(shù)據(jù)包格式,第l個字節(jié)是幀頭0xFF,第2個字節(jié)是機(jī)床編碼,第3個字節(jié)是采集節(jié)點(diǎn)地址編碼,第4個字節(jié)是數(shù)據(jù)幀長度,第5至第8字節(jié)是傳感器數(shù)據(jù),第9個字節(jié)是CRC校驗位,第l0個字節(jié)是幀尾0xEE。

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

4數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警平臺設(shè)計

數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警平臺對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行工狀、加工過程及維護(hù)情況產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲分析,通過大數(shù)據(jù)分析對數(shù)控機(jī)床及加工信息進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。本系統(tǒng)采用基于.NET框架的完全面向?qū)ο蟮腣B.NET編程語言進(jìn)行設(shè)計。

該開發(fā)環(huán)境操作簡單、功能強(qiáng)大,包括參數(shù)設(shè)置、程序管理、機(jī)床狀態(tài)顯示、加工信息采集等模塊,能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、通信參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查詢、生產(chǎn)管理信息查詢、程序上傳下載、維護(hù)模式查詢、加工任務(wù)信息查詢、監(jiān)測預(yù)警等功能。數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警平臺如圖5所示。

5結(jié)語

本系統(tǒng)將NB-IoT無線通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床群物聯(lián)網(wǎng),提高了數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行管理和維護(hù)水平,實現(xiàn)了對數(shù)控機(jī)床自身工況和加工信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警,使數(shù)控機(jī)床的后期運(yùn)維得到了有效保障。經(jīng)測試,本系統(tǒng)運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,能對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精確預(yù)警,降低了機(jī)床故障發(fā)生率,達(dá)到了預(yù)期功能。