智能化电火花成形机床远程监控维护系统的研究与设计

何 虎，孙东江，郭建梅，伏金娟

（北京市电加工研究所，电火花加工技术北京市重点实验室，北京100191）

智能化电火花成形机床远程监控维护系统的研究与设计

何 虎，孙东江，郭建梅，伏金娟

（北京市电加工研究所，电火花加工技术北京市重点实验室，北京100191）

介绍了一种基于云平台的远程监控维护系统在电火花成形机床上的架构方案，并据此设计了一套智能化电火花成形机床的远程监控维护系统，实现了远程监控中心、移动监控终端和本地监控终端对多台电火花成形机床的状态监控，同时为维修人员对机床故障进行快速准确的诊断和维修提供技术支撑。

电火花成形机床；监控维护系统；智能化

电火花成形加工技术主要适用于超硬、导电材料的高精密零部件、工具及模具的加工。随着信息、网络及材料科学等高新技术的发展，电火花成形加工机床已成为高端装备制造产业及先进制造技术领域不可或缺的重要组成部分。在航空航天等制造业中，电火花加工技术不仅实现了钛合金、高温耐热合金、超高温陶瓷材料、新型复合材料、硬质合金等硬、脆、韧、粘的难加工材料的高效低成本加工，还实现了窄缝、窄槽、空间位置复杂的微小孔等形状复杂零件的加工，解决了上述材料和零件无法通过传统金属切削机床加工的瓶颈问题，使相关企业的制造水平得到了大幅提升[1]。

长期以来，我国制造的电火花成形机床多为中低端产品，高档数控机床产品基本上都依赖进口。其原因是多方面的：除了设计水平低、整机制造能力差、关键功能部件的制造水平低外，主要还是因为机床的智能化程度及可靠性水平较低[2]。本文针对国内电火花成形机床的电气系统故障率高及智能化程度低的问题，利用互联网技术设计了一套基于云平台的智能化电火花成形机床远程监控维护系统，实现了远程监控中心、移动监控终端和本地监控终端对多台电火花成形机床的状态监控；同时，利用该系统能使机床维护人员对机床故障进行准确快速的诊断和维修，以提高售后服务质量并降低系统的维护成本。

1 系统体系结构

1.1 系统框架体系结构

智能化电火花成形机床远程监控维护系统的框架体系结构见图1。主要包括：本地采集及监控终端、云服务器、远程监控中心、移动监控终端等四部分[3]。

本地采集及监控终端包括：本地采集板卡及传感器、现场监控计算机、工厂局域网中的服务器等。本地采集板卡通过各传感器将机床关键部件状态的信息采集上来，既可通过机床上安装的监控触摸屏直接显示，也可通过本地内部网络将本车间的所有机床状态信息在本地监控终端集中显示，同时还可通过有线及3G无线网络将数据发送到云端服务器。远程监控中心及移动监控终端可通过云服务器获取各机床状态信息。主要用于设备使用商对单个设备或是车间多台设备的状态监控。

云服务器通过有线或无线网络与本地采集板卡或现场监控计算机通讯，获取各机床状态信息，同时提供监控数据的存储及Web访问服务。

远程监控中心通过浏览器向云服务器提出监控请求，经权限验证后可获取最高权限的远程监测功能。主要用于设备生产厂家对设备的监控。

移动监控终端通过移动互联网向云服务器提出监控请求，经权限验证后可实现远程监测功能。主要便于设备使用商随时对设备状态进行监控。

图1 智能化电火花成形机床远程监控维护系统框架体系结构图

1.2 系统技术体系结构

智能化电火花成形机床远程监控维护系统的技术体系结构见图2。主要分为：数据库层、机床层、数据采集层、数据存储层、平台服务层及客户端层等六个层次。

数据库层采用三种数据库引擎：Redis数据库用于当前实时数据的存储与查询；Mysql数据库用于一年内的数据查询；Hbase能存储所有历史数据，可用于大数据分析。

机床层是在机床上安装状态信息采集模块，工厂内部各机床状态信息采集模块通过有线网络或3G无线方式通信。

数据采集层使用开源项目Modbus4j并基于Modbus TCP/IP协议进行数据通信，可实时进行数据查询和参数设置。

数据存储层使用Mysql、Redis、Hbase数据库各自的通讯方式，将采集到的数据保存在数据库中。

平台服务层包括：工作流引擎、业务规则引擎、报表引擎、消息引擎、事务引擎、架构控制、安全认证、SOA架构、数据交换、集群支持、目录服务、Web框架、服务扩展、云数据同步等平台，能为用户提供相应的服务功能。

客户端层支持PC、PAD、Mobile等多种设备接入。

图2 智能化电火花成形机床远程监控维护系统技术体系结构

2 系统实现

2.1 本地数据采集板卡硬件实现

本地数据采集板卡采用基于Cotex-M3架构的STM32F107作为核心处理器，负责采集电火花成形机床的各监测传感器信息，并对微小信号进行放大、滤波处理，同时对各传感器接口及数字接口采用隔离静电防护设计技术，以提高板卡的可靠性。本地数据采集板卡硬件架构框图见图3，实物电路板见图4。

图3 本地数据采集板卡硬件架构框图

2.1.1 以太网接口设计

采用DP83848 10/100 Mb/s单路物理层器件作为以太网PHY控制器，其通过RMII接口与CPU进行通信，输出接口采用HS9001C网口变压器及TVS二极管阵列SLVU2.8-4进行隔离及ESD防护，以提高网络接口的通信可靠性[4]。其设计原理见图5。

2.1.2 RS485通信接口设计

采用ADUM2587进行RS485接口隔离设计，该器件具备±15 kV ESD保护功能，隔离电压达2500 V，可防止输入短路，有效保护RS485通信的可靠性。RS485通信隔离接口设计见图6。

2.1.3 I/O输入接口设计

外部输入信号均为24 V电平，采用AOZ8212CI-24进行输入信号的ESD防护，同时采用ULN2803进行电平转换到5 V，使用ISO7340进行隔离保护输入，以提高I/O输入信号的可靠性。I/ O输入隔离接口设计见图7。

图4 本地数据采集模块实物电路板

图5 以太网接口隔离及ESD防护设计

图6 RS485通信隔离接口设计

图7 I/O输入电平转换及隔离设计

2.2 本地数据采集板卡软件实现

2.2.1 软件架构

本地数据采集板卡的软件编写采用IAR开发环境，在STM32F107上加载μC/OS-II操作系统，集成FATFS文件系统用于配置数据的管理，集成LwIP TCP/IP协议栈完成FreeModbus TCP/IP应用层通信协议，编写以太网接口、SPI接口、IIC接口等各传感器及数字通信接口驱动程序，完成各传感器的信息采集及各模块的数字通信。本地数据采集板卡软件架构见图8。

图8 采集板卡软件架构图

2.2.2 软件流程

采集板卡主要完成二个功能：一是通过各传感器完成机床状态信息的数据采集与处理；二是对采集的数据完成本地显示及发送给云服务平台，实现远端的数据存储及显示。

系统上电后，进行初始化并建立多个采集任务，采集各种传感器的状态信号，根据设置的极限参数判断是否超限。如果超限及报警，提醒维修人员进行维修；如果采集值正常，则在本地HIM触摸屏显示，同时根据HIM发送过来的不同信息进行解析，判断是极限参数设置还是权限管理校验。最后，将采集的数据推送给远端云平台服务器，供远程监控使用。采集板卡软件流程见图9。

2.3 本地数据采集板卡监控界面实现

本地数据采集板卡通过RS485与触摸屏HIM进行交互，完成采集数据的本地显示、报警，并根据不同报警级别显示不同颜色：正常为绿色，非严重错误为黄色，严重错误为红色。本地数据采集板卡监控界面见图10。

图9 采集板卡软件流程图

图10 本地数据采集板卡监控界面

2.4 云服务平台功能实现

智能化电火花成形机床远程监控维护系统的云服务平台主要提供系统管理、设备管理、采集管理及监控管理等四大功能（图11）。

云服务平台提供的客户端浏览器显示界面见图 12。该系统前端表现层采用 ExtJS、Jquery、Bootstrap等三项技术，服务器端采用平台自身业务处理引擎来完成，采用的技术主要有：Servlet、JavaBean、Jbpm、Druid、Spring、Axis等，数据库采用MySQL实现。

图12 智能化电火花成形机床远程监控维护系统的客户端浏览器界面

3 结束语

本文对智能化电火花成形机床远程监控维护系统的设计方案进行了初步介绍，对其中各主要组成部分的关键技术进行了详细阐述，初步探索了以物联网为代表的“互联网+”与传统制造业的深度融合，加快催生以电火花成形加工装备为依托的智能制造系统平台，为智能制造在传统电火花加工设备制造行业的实施提供借鉴。

[1] 曹凤国.电火花加工[M].北京：化学工业出版社，2014.

[2] 傅建中.智能制造装备的发展现状与趋势 [J].机电工程，2014，31（8）：959-962.

[3] 何虎，孙东江，刘建勇.智能化电火花成形机床远程监控及故障诊断系统研究与设计[C]//2016年全国电火花成形加工技术研讨会交流文集.北京，2016：93-97.

[4] 孙东江，伏金娟，何虎，等.基于运行可靠性的电火花加工机床监控维护系统设计 [J].制造技术与机床，2017（1）：29-33.

Study and Design of Remote Monitoring and Maintenance System for Intelligent Sinking Electro-discharge Machines

HE Hu，SUN Dongjiang，GUO Jianmei，FU Jinjuan
（Beijing Key Laboratory of Electrical Discharge Machining Technology，Beijing Institute of Electro-Machining，Beijing 100191，China）

This paper introduces the overall framework for a remote monitoring and maintenance system based on cloud platform in intelligent sinking electro-discharge machines，according to this framework，we had realized this kind of system.People can monitor many sinking electro-discharge machines thought the monitoring center，mobile monitoring terminal and local monitoring terminal.At the same time，this system can support for the maintenance staff to fix and solve the machine′s problems quickly and accurately.

sinking electro-discharge machines；monitoring and maintenance system；intelligent

TG661

A

1009－279X（2017）02－0017-06

2016-12-29

国家科技重大专项（2014ZX04001-111）

何虎，男，1984年生，助理研究员。