基于Lab VIEW的机床智能监控系统

吴继华,张向利,叶 进

(1.桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004; 2.广西大学计算机与电子信息学院,南宁 530004)

基于Lab VIEW的机床智能监控系统

吴继华1,张向利1,叶 进2

(1.桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004; 2.广西大学计算机与电子信息学院,南宁 530004)

针对企业对机床集中监控和管理的需求,利用信号处理、无线传感器网络和Lab VIEW,设计了一种智能机床监控系统。根据实际需求将系统划分为4层管理,各层之间统一使用Lab VIEW开发,以解决不同层设备之间的交互难题。通过虚拟仪器为基础的软硬件平台,实现了在机床车间环境中对监控系统的快速开发和应用。与传统监控系统相比,本系统更加方便机床集中控制和高效管理。

机床监控;无线传感器网络;Lab VIEW;数据采集系统

随着机床设备在企业大规模使用,机床故障时常发生,为了减少机械事故,对机床进行实时监控和高效管理十分必要。随着计算机网络和通信技术的发展,越来越多的研究者将这些新兴技术运用到机床的监控管理中。如文献[1-3]将无线传感器网络技术和以太网有线网络相结合设计了基于Web环境的数控机床远程监控系统;文献[4-5]将物联网技术和数控机床系统有机结合,实现了数控机床远程监控的网络化;文献[6-10]用Lab VIEW设计上位机监控软件,并采用DataSocket技术完成与底层设备的通信和数据传输,是一种快速开发方案。

目前机床监控系统正朝着监控智能化、管理集中化方向发展,在理论研究上结合物联网有很好的统一系统模型[5],而在实现上却没有统一、具体的技术规范。机床监控系统现场感知层多使用ARM等智能MCU为核心的外围板构建硬件系统进行嵌入式C开发,客户端上位机或基于B/S模式的远程Web访问使用C/C#、Lab VIEW等技术开发。由于缺少具体的技术规范,这种开发模式的底层系统所使用的内核环境特定性强,需要专业人员开发,且上位机和下位机交互时的联调周期长,投入成本较高。另外,机床工作环境设备多、电磁环境复杂,在这些特定环境下开发的机床监控系统抗干扰能力弱、实时性差和可靠性低,短期内难以投入实际应用和实现平台的通用性。为此,设计了一种开发效率高、通用性强的分布式机床无线网络监控系统,为用户提供机床的远程无线实时诊断和智能管理服务。

1 系统总体设计

机床智能监控系统的根本目的是让机床系统的操作管理人员即使不在现场或天气恶劣时也能监控生产设备的运行状态,让接受过专业训练的操作人员利用本地资源控制远方对象,从而减少现场值班人员,提高机床检修维护效率。基于用户功能需求,将机床监控系统设计为物理感知层、车间级网络监控层、工厂级网络监控层和远程监控层4层子系统,其总体结构如图1所示。

图1 智能机床监控系统的总体结构Fig.1 The block diagram of intelligent monitor and control system for machine tools

物理感知层主要完成机床信息的收集,在环境条件相对恶劣的机床现场,利用无线传感器网络(WSN)系统感知数据,从源头减少错误数据,省去了普通机床有线监控的布线费用,降低了电磁环境对系统的干扰,从而有效地收集机床现场数据至车间网络。车间级网络监控层主要包括无线网关(数据交换设备)和车间网络监控中心:无线网关完成下行数据收集处理和上行数据交换功能;车间网络监控中心是针对大规模车间而设立,主要是划分职能范围,使本车间人员只负责管理本车间的机床设备,各司其职。工厂级监控中心收集由车间网络监控中心通过企业内网汇聚的数据,对整个企业的设备状态进行监测,使企业可以根据设备运转状况,合理安排检修任务。中央数据库提供的数据为动态、准确地制定生产计划提供科学依据。远程监控层负责设置Internet访问工厂监控中心发布的实时数据信息。通过本监控系统可使机床设备由一个“信息孤岛”变为一个企业的信息节点,形成统一、协调的信息流,完成对机床的智能监控。

考虑到对不同种类的机床设备的高效管理,本系统在设计时根据机床设备的不同特性,在物理感知层采用不同的手段感知数据,完成在底层对数据的统一抽象封装。对于可以自身检测运转数据的机床设备(通常带有网卡或串口等外围接口),则使用接口转化设备将数据转化为无线数据格式发送至无线网关;而对于普通机床,不具备感知自身系统数据信息的功能,则需要选取重要参数进行测量,然后通过节点传送至无线网关。

2 系统实现

2.1 机床监控信号和传感器的选取

机床智能监控系统要求实时感知机床运行状态,且能在10 s内对机床的异常作出反应并实时预警。而机床主轴是机床的最关键部件,其运动精度直接影响工件的加工质量,所以选取机床主轴作为主要的监控对象。当主轴出现异常时,会出现机床电源功率激增、机箱温度升高和电流增大的现象,同时转速也会不均匀并引起振动,严重时会产生较大的噪声。因此,根据机床主轴运行呈现的状态,选取与主轴相关的温度、噪声、电流、主轴转速和机床振动频率5个物理量作为机床状态的有效监测对象。

对于传感器模块,根据信号测量类型和工业标准按如下选取:温度感知采用铂电阻Pt100,测量范围为―200～500℃,热响应时间为1 s,符合实时检测要求;噪声感知采用拾音器收集噪声信号,经线性放大、整流和对数变换电路将噪声信号转变为可测量的电压信号;电流信号的采集采用流压转换芯片ACS712将机床的工作电流信号转化为易采集的电压信号;主轴转速的测量采用霍尔传感器,将收集的传感器信号经信号处理电路转化为可识别的数字信号;机床振动频率的测量采用弹簧振子,将收集的信号经相应调理后变换为数字信号。根据传感器采集模块调理后得到的信号种类可知:温度、噪声、电流可通过模拟信号系统测量;主轴转速和机床振动频率可通过数字信号系统测量。

为了更准确地预判机床异常状况,对于温度和噪声的预警判别方式以温差ΔTi和噪声差ΔNi衡量:其中:Ti为机床节点温度值;Tb为车间现场温度基准值;Ni为机床节点噪声值;Nb为车间现场噪声基准值;i为各个车间的机床节点。

车间现场的温度和噪声因季节和环境而不同,会影响机床自身的温度和噪声值,所以用温差和噪声差判别机床是否出现故障更加准确、可靠。而温度和噪声在车间的空间分布相对于季节的变化影响基本上可看作是均匀分布,所以对于每台机床的温差和噪声差的基准值可取车间级网络监控层的无线网关处的温度值和噪声值。

2.2 系统的硬件平台

上位机监控程序运行环境在PC上即可进行。下位机以美国国家仪器(NI)公司最新推出的WSN系统及Compact RIO系统作为硬件架构。NI公司的WSN系统专门为严苛环境系统而设计,具有―40～70℃的宽工作温度范围,300 m的视距,能承受50倍重力加速度冲击,可用来监测系统状态和运行环境,其小巧的体积也易于携带和方便安装。WSN节点可配置为终端节点或路由器节点,单一WSN网关最多可与8个终端节点(星形拓扑)或最多36个测量节点(网状拓扑)连接[11-12],其通信基于ZigBee的2.4 GHz无线协议,功耗低、安全性强,可保障系统稳定、可靠地传输数据。Compact RIO是NI公司生产的一款可重新配置的嵌入式控制和采集系统,其主要组成部分有实时控制器、内嵌的可重新配置的现场可编程门阵列FPGA模块和I/O模块。I/O模块包含隔离、转换电路,具有信号调理功能,可直接与工业传感器或执行机构相连,同时每个I/O模块直连FPGA,默认情况下,该FPGA自动与I/O模块通信,并通过PCI BUS提供确定性I/O给实时处理器,进而完成数据的传输、处理。I/O模块可根据系统功能的需要灵活定制。Compact RIO内部使用实时操作系统Lab VIEW RT,在该嵌入式实时操作系统环境下运行的程序循环抖动在μs量级,进程的调度按优先级,执行程序准确、稳定,满足工业现场对控制器的要求。实时控制器的编程采用Lab VIEW图形化开发工具,以简化工作流程。CompactRIO和WSN系统构成如图2所示。WSN系统的网关以I/O模块的形式直接插接在CompactRIO的插槽,CompactRIO通过实时控制器可自动读取网关收集的数据信息。

图2 CompactRIO和WSN的系统构成Fig.2 The structure of CompactRIO and WSN

图2中系统在Lab VIEW的控制下,数据传输过程如图3所示。在物理感知层,WSN节点感知机床监控对象,将传感器信号转换为自定义发布的WSN节点共享变量,节点通过唤醒无线发送程序传递共享变量。WSN接收网关在接收端根据ZigBee协议可自动解码出共享变量,使节点与网关之间通过共享变量通信。WSN网关解码接收到WSN节点的信息后,通过FPGA上直连的I/O与Compact RIO经内部PCI总线传递给Lab VIEW Real-Time系统进行数据处理,Lab VIEW Real-Time系统利用Lab VIEW对外发布网络数据,完成数据在各个监控点的流通。在Lab VIEW管理下,各平台协同合作,快速、无缝集成,共同实现监控系统的功能。

图3 系统数据传输功能图Fig.3 The data transfer flow chart of system

2.3 系统软件设计

系统软件的开发采用Lab VIEW。由于Lab-VIEW具有美观的显示界面,并且是图形化的编程语言,通常仅被用于界面设计。而本系统在选择了NI公司的Compact RIO和WSN系统平台后,在系统硬件嵌入式开发中也使用Lab VIEW,从而从复杂的文本编程中解放出来,把精力更多地集中在系统的功能开发上,大大缩减开发周期。

根据不同层系统的功能需求,用Lab VIEW开发的系统总体监控功能如图4所示。程序的功能按层划分,WSN节点模块实现图1中物理感知层的功能。物理感知层是整个系统的最底层,它是与机床环境直接联系的一层,可通过WSN节点感知物理环境信息。

图4 系统总体监控功能图Fig.4 The software function of monitoring system

物理感知层机床监测节点采用NI公司的4通道、20位、电压/RTD组合节点WSN3226,该节点有4路模拟输入通道AI0～AI3和2路处于工业电压的双向数字通道DIO0、DIO1,满足传感器信号数据采集的要求。控制该节点的程序包括节点参数配置程序(节点ID、类型、采样间隔等)、传感器信号采集和无线通信程序。该节点的程序执行模型基于事件的执行,如图5所示,可扩展WSN节点的自定义行为。该模型旨在高效执行程序,同时优化可用电池寿命(若使用电池供电)。平时节点处于休眠状态,若有事件需要处理才被唤醒并触发事件状态的执行。图5中的关系图显示了事件触发和执行状态之间的关系。当前状态完成后,另一个状态的事件立即被提交,然后执行下一个被提交的状态。通过Lab VIEW开发的WSN节点部分嵌入式程序如图6所示。此程序是节点在采样Sample状态下的程序,程序中的DIO0_Speed(转速)、DIO1_Vbr(振动)为自定义共享变量,它们的值通过while循环对数字信号采集获取;AI0～AI3为系统共享变量,直接对WSN3226的模拟端口采集数据,以获取温度、噪声和电流信号。采样事件结束后,触发节点状态改变,启动射频发送程序,将共享变量传送至无线接收网关。

图5 WSN节点程序执行模型Fig.5 The NI WSN execution model

车间级网络监控层是整个系统的核心,它负责系统的上行数据和下行数据之间的协调工作,完成WSN系统的数据向以太网数据的转换。其实现的主要功能系统有车间监控功能系统、车间数据库系统、报警执行系统、数据采集系统、与WSN及局域网的通信系统。车间数据库采用SQL Server 2005作为数据库中心,每台机床都有其对应的机床数据表,为机床诊断提供数据支持。系统报警包括程序弹窗报警和Compact RIO控制器闪烁指示灯报警,报警阈值可自行设定。当触发报警条件时,程序会自动弹出窗口报警,同时发送控制信号至Compact RIO控制器,打开报警灯,及时提醒工作人员检修。

图6 WSN3226节点部分嵌入式程序Fig.6 Part of embedded program in WSN3226

工厂级网络监控层负责统一管理整个企业的机床设备,方便企业了解设备运转状况,合理安排检修任务。通过此层可根据每年机械维修统计状况,更加准确地预算每年的维修费用,为动态、科学地制定生产计划提供依据。工厂级网络监控层的实时数据也是与外部远程监控访问机床数据的网络接口,据此可将工厂级网络监控层分为中央数据库系统、工厂监控系统、用户管理系统和为远程访问端提供Web服务的系统。

3 系统功能测试

智能机床监控系统整体功能测试主要针对传统机床,首先需在机床节点将传感器安装在合适的位置,传感器连接及安装位置如表1所示。

系统测试在型号为GL2306/1的龙门铣床上进行,将传感器按照表1的位置对应安装,连接WSN的节点控制器,车间控制器Compact RIO安放在车间监控端,并在各层PC机上安装对应的软件,即可进行系统联调。

表1 机床节点传感器连接和安装位置Tab.1 The position and connection of sensors

车间的报警自动提示界面如图7所示,机床监控实时数据趋势图如图8所示。从图7、8可看出,本系统能够实时、准确地显示机床的监测数据,及时发现并弹出故障预警,同时通过车间实际环境检验,实现了对机床的有效监管。

图7 报警自动提示界面Fig.7 The auto-alarming interface

图8 机床监控实时数据趋势图Fig.8 The data trend diagram of machine tools

4 结束语

通过NI Compact RIO和WSN系统构建的机床监控系统,实现了实时感知机床温度、电流和噪声等功能。根据实际需求,将系统划分为4层管理,实现了对运行中机床设备智能预警和统一管理的功能,同时数据库中存储的大量机床节点的实时数据,可为企业科学生产提供有力的数据支持。

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编辑:张所滨

Intelligent monitoring system of machine tools based on Lab VIEW

Wu Jihua1,Zhang Xiangli1,Ye Jin2
(1.School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China;
2.School of Computer,Electrics and Information,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In view of the enterprise’s requirements of monitoring and centralized management of machine tools,an intelligent monitoring system is designed by making use of the advantages of signal processing,wireless sensor networks(WSN)and virtual instrument.Four subsystems are classified for easily management based on the actual demand and every subsystem is developed by Lab VIEW uniformly,which can enhance the subsystem’s interactive robustness.Platform based on virtual instrument can implement in machine shop environment for rapid development and application in monitoring system.Compared with the traditional monitoring system,it is more convenient centralized control and efficient management for machine tools.

machine tools monitoring;wireless sensor networks;Lab VIEW;data acquisition system

TG659;TP393

:A

:1673-808X(2015)04-0298-07

2015-03-12

国家自然科学基金(61363031,61462007);桂林市科学研究与技术开发计划(20120104-13);广西云计算与复杂系统重点实验室基金(14101)

张向利(1968―),女,陕西渭南人,教授,博士,研究方向为物联网技术、网络化监控系统、计算机应用。E-mail:xlzhang@guet.edu.cn

吴继华,张向利,叶进.基于Lab VIEW的机床智能监控系统[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(4):298-304.