基于LabVIEW的机床加工远程监控系统研究与开发

沈奕锋，迟玉伦

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

随着我国工业化水平的不断提高，数控机床在机加工行业的使用越来越普遍[1-2]。数控机床是一种集电子、计算机控制、伺服等技术的机电一体化产品[3]，其价格高昂，加上本身的复杂性，使得维修成本很高[4-5]，所以有必要对数控机床运行情况进行有效监控，以提高机床使用效率，并提升加工产品质量。

随着计算机网络和通信技术的发展，很多研究者都将这些新兴技术运用到机床的监控管理中。苏宪利[6]等设计了基于Web 环境的数控机床远程监控系统，该系统利用Java，S2SH 和Ajax等技术最终实现了对数控机床的监测功能；马晓光[7]等利用OEM 二次开发技术、ActiveX 技术、html5 与Java 等技术，提出了一种基于Web 的智能工厂机床远程监控解决方案。他们虽然都实现了数控机床的远程监控功能，但用到的编程技术繁多，需要专业人员开发，且开发周期很长；黄炜[8]等构建了基于LabVIEW 的远程可视化实验平台的方案，并通过运行结果证明其可行性与可移植性；张智艺[9]设计了一种基于LabVIEW 的远程实时监控与故障诊断系统，实现了齿轮箱状态的远距离实时监控与故障诊断。他们开发的远程监控系统虽都基于LabVIEW，开发周期短，但其客户端都需配置相应的LabVIEW 运行环境并运行相应的客户端程序，不利于技术的推广。

本文基于LabVIEW 开发了一套机床加工远程监控系统，从数据的采集、传输和Web 用户界面显示都由LabVIEW 开发而成，用户无需使用其他插件或安装程序即可在任何现代Web 浏览器、平板电脑或手机上浏览用户界面，从而实现了远程监控的目的。

1 远程监控系统构架与流程

本机床加工远程监控系统主要由工控机系统、云服务器和客户端三大部分组成，其工作流程图如图1 所示。

首先，在工控机内运行基于LabVIEW 的数据监控采集程序，通过DAQmx 数据采集中的相关节点搭建的程序获取各类传感器的数据，同时，采集的监控数据通过Database Connectivity Toolkit的相关节点，实时传输到云服务器的MySQL 数据库中，而LabVIEW 和MySQL 数据库的连接是通过开放数据库连接（Open Database Connectivity,ODBC）建立的。

在云服务器中，运用MySQL 实时存储传输过来的监控数据，同时，基于LabVIEW NXG（Next Generation）的GVI 应用程序会通过GDatabase 相关节点实时地读取数据库中最新的数据，并通过SystemLink 数据服务将数据传输到NI Web 服务器。

在客户端，用户打开的网页实质上是基于LabVIEW NXG 所做的WebVI，它是通过云服务器的IIS 服务发布的，它也能通过SystemLink 数据服务实时访问NI Web 服务器中的监控数据，从而将远程监控数据实时地显示在网页上，达到机床加工远程监控的目的。有了SystemLink 数据服务与NI Web 服务器的帮助，云服务器中的GVI 也能根据用户发过来的数据请求，查找相应时间段内的数据，将结果显示到客户端的网页上并可供用户下载。

2 远程监控系统具体实现

2.1 数据采集

在LabVIEW 中有两种实时采集数据的实现方法，一种是采用LabVIEW 软件自带的DAQ 助手；另一种是采用DAQmx 数据采集中的相关节点进行编程[10]。DAQ 助手虽然简化了编程，提供了良好的用户交互界面，但同时也丧失了一定的功能性和灵活性[11]。本研究开发中选用了DAQmx 数据采集中的相关节点来实现机床加工远程监控的数据采集，其实现程序如图2 所示。

图2 DAQmx 数据采集程序Fig.2 DAQmx data acquisition program

在DAQmx 数据采集程序中，主要用到了4个节点，即：创建通道、定时、开始任务和读取。创建通道主要是建立程序与采集卡各通道的联系并设定测量电压的范围，使得能获取采集卡指定通道连接的传感器的数据。定时函数主要用以配置数据采集的采样模式和采样率。配置好上述两个函数之后才能开始数据采集任务，并通过读取函数读取单个或多个通道的波形数据。

2.2 数据远程传输

由于本系统都是基于LabVIEW 开发的，且暂不存在可以直接将LabVIEW 采集的数据传输到网页上的方法[12]，故将数据传输分为2 部分。第1 部分是LabVIEW 与MySQL 数据库间的数据传输；第2 部分是GVI 与WebVI 间的数据传输。

2.2.1 LabVIEW 与MySQL 数据库间的数据传输

为实现LabVIEW 与MySQL 数据库间的数据传输，首先要通过ODBC数据源管理程序创建数据源。创建数据源就是创建DSN（Data Source Names，数据源名称），这是连接LabVIEW 与MySQL 数据库的关键[13]。创建数据源界面如图3 所示。

图3 创建数据源界面Fig.3 Create data source interface

在创建数据源界面主要配置了数据源名称、所要访问的数据库位置、数据库授权的账号和密码以及所要访问的数据库。这些配置的信息都会存储在DSN 中，在LabVIEW 访问数据库时，需要使用DSN 创建数据连接。

LabVIEW 开发平台提供了Database Connectivity Toolkit，能够实现对本地或者远程数据库的快速连接与访问[14]。而Database Connectivity Toolkit 需要使用UDL（Universal Data Link，通用数据连接）文件才能与MySQL 数据库连接。在LabVIEW 中，可以通过Create Data Link 来创建UDL 文件，其配置界面如图4 所示。

图4 创建UDL 文件界面Fig.4 Create UDL file interface

其中，使用的数据源名称即为先前通过ODBC 创建的数据源名称，使用的初始目录即为需要操作的数据库名称。配置完成后即可生成UDL 文件，结合使用Database Connectivity Toolkit中的有关节点就能完成LabVIEW 与MySQL 数据库间的数据传输，将实时采集上来的监控数据传输到云服务器中的MySQL 数据库中。

2.2.2 GVI 与WebVI 间的数据传输

LabVIEW NXG 是下一代LabVIEW 软件开发软件，其VI 应用程序称为GVI，基于Web 的用户界面称为WebVI。通过运用GDataBase for MySQL 这一附加工具，GVI 程序可以便捷地实时读取MySQL 数据库中的数据。在GVI 读取到MySQL 中的数据之后，需要实时传输给WebVI，这就需要通过SystemLink 标签功能。SystemLink是服务器-客户端的架构，因此首先需要配置NI Web 服务器，配置完成后的界面如图5 所示。

图5 NI Web 服务器配置摘要Fig.5 NI Web server configuration summary

在编程时主要用到打开配置、打开标签、读取标签、写入标签、关闭标签和关闭配置。打开配置节点发起与NI Web 服务器的连接，此时需要用到配置NI Web 服务器时的相关信息。打开标签节点，打开对服务器上某个标签的引用，为读取标签和写入标签做准备。读取标签节点是将标签中的值读取出来，写入标签是将值写入标签中。关闭标签和关闭配置是将标签引用关闭并关闭与配置相关联的连接。通过上述几个节点即能实现GVI 与WebVI 之间的数据传输，并能在NI Web 服务器上查看标签中的数据，以确保系统按预期返回标签数据。

2.3 Web 远程用户界面

LabVIEW NXG Web 模块是LabVIEW NXG的一个软件附件，可用于设计和部署基于Web的用户界面，即WebVI[15]。WebVI 可通过云服务器上的IIS（Internet Information Services，互联网信息服务）进行网站发布，从而实现远程监控的目的，图6 为监控界面。

图6 监控界面Fig.6 Monitoring interface

机床运行状态监控数据图表用以显示机床实时的监控数据曲线，其原始数据显示在下方的信号显示控件中，经过换算，其真实功率值显示在功率值显示控件中。页面中间的4 个圆圈由圆形指示灯和圆形进度条组合而成，分别表示机床4种不同的运行状态，即机床断电、机床上电、机床空转和机床切削状态。当机床处于某种状态时，其对应的圆形指示灯就会亮，而圆形进度条显示的则是当天此种状态所占的百分比，对应的数值显示在下方的显示控件中。下拉列表控件可以选择“实时”、“昨天”、“上周”、“上月”4个时间段，以使圆形进度条切换不同时间段的各种状态占比情况。页面最下方的波形图用于显示查询的某段时间内的监控数据。通过时间标识输入控件选定查询数据的起止时间，点击查询按钮之后，波形图就会显示该段时间内的监控数据，点击波形图左上角的下载，就能下载该时间段内的数据。

3 系统功能测试

3.1 试验设置

本节通过数控端面磨床来测试本文开发的机床加工远程监控系统的性能。试验平台如图7 所示，所采用的的机床是数控端面磨床，通过对其运行时数据的采集传输以及运行状态的监控，验证本文所提远程监控系统的性能。

图7 试验平台Fig.7 Test platform

机床的运行状态与其功率变化有着紧密的联系，通过对机床功率的监控，可以判断机床处于何种状态。为了监测磨削加工过程中砂轮轴功率的变化，将功率传感器串联于主轴电机和变频器之间。功率传感器接线示意图如图8 所示。

图8 功率传感器接线示意图Fig.8 Wiring diagram of power sensor

在Web 远程用户界面部分的编程中，4 个圆形指示灯须准确显示机床运行状态，故需得到机床各种状态下的临界功率值。经过多次监控，得到表1 所示临界功率值。

表1 临界功率值Tab.1 Critical power value

有了各种状态的临界功率值后，便可设置各指示灯亮的条件，从而准确显示机床运行状态。

3.2 试验结果

经过对机床的长期监控，本文所开发的机床加工远程监控系统能很好地按照预期运行。工控机系统实时采集的数据能实时传输到云服务的MySQL 数据库中。数据库中最新的一条数据记录会被云服务中的GVI 应用程序读取，并通过SystemLink 标签功能传输到Web 远程用户界面，如图9 所示。

图9 Web 远程用户界面Fig.9 Web remote user interface

在Web 远程用户界面上，能看到实时的监控数据、机床运行状态以及每种状态的占比情况。查询数据功能也能按照输入的时间段查询该段时间的数据，并供用户下载。

图10 为查询2019 年12 月18 日9 点到9 点30分的监控数据，数据显示在波形图中。点击下载，弹出文件下载对话框，可下载保存该段数据。

图10 查询下载功能Fig.10 Query download function

4 结论

基于LabVIEW 的机床加工远程监控系统，利用DAQmx 数据采集中的相关函数实现了数据的实时采集；结合利用ODBC 数据源管理程序和Database Connectivity Toolkit 中的有关节点实现了LabVIEW 与MySQL 数据库间的数据传输；利用SystemLink 标签功能实现了GVI 与WebVI 间的数据传输；利用LabVIEW NXG Web 模块搭建Web 用户界面，最终实现机床加工远程监控。本套系统都基于LabVIEW 编程，系统有很大灵活性，可根据需要迅速方便地修改和重新定义功能，容易升级。同时，用户无需安装程序即可在任何现代Web 浏览器上浏览用户界面，使得监控更加便捷。经过试验验证，该套系统采集传输的数据真实、可靠，能有效地实现机床运行状态的监控，应用前景广阔。