何 虎，孫東江，郭建梅，伏金娟

（北京市電加工研究所，電火花加工技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191）

智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

何 虎，孫東江，郭建梅，伏金娟

（北京市電加工研究所，電火花加工技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191）

介紹了一種基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)在電火花成形機(jī)床上的架構(gòu)方案，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一套智能化電火花成形機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、移動(dòng)監(jiān)控終端和本地監(jiān)控終端對(duì)多臺(tái)電火花成形機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)控，同時(shí)為維修人員對(duì)機(jī)床故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確的診斷和維修提供技術(shù)支撐。

電火花成形機(jī)床；監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)；智能化

電火花成形加工技術(shù)主要適用于超硬、導(dǎo)電材料的高精密零部件、工具及模具的加工。隨著信息、網(wǎng)絡(luò)及材料科學(xué)等高新技術(shù)的發(fā)展，電火花成形加工機(jī)床已成為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)及先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。在航空航天等制造業(yè)中，電火花加工技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了鈦合金、高溫耐熱合金、超高溫陶瓷材料、新型復(fù)合材料、硬質(zhì)合金等硬、脆、韌、粘的難加工材料的高效低成本加工，還實(shí)現(xiàn)了窄縫、窄槽、空間位置復(fù)雜的微小孔等形狀復(fù)雜零件的加工，解決了上述材料和零件無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)金屬切削機(jī)床加工的瓶頸問(wèn)題，使相關(guān)企業(yè)的制造水平得到了大幅提升[1]。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)制造的電火花成形機(jī)床多為中低端產(chǎn)品，高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品基本上都依賴(lài)進(jìn)口。其原因是多方面的：除了設(shè)計(jì)水平低、整機(jī)制造能力差、關(guān)鍵功能部件的制造水平低外，主要還是因?yàn)闄C(jī)床的智能化程度及可靠性水平較低[2]。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)電火花成形機(jī)床的電氣系統(tǒng)故障率高及智能化程度低的問(wèn)題，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于云平臺(tái)的智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、移動(dòng)監(jiān)控終端和本地監(jiān)控終端對(duì)多臺(tái)電火花成形機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)控；同時(shí)，利用該系統(tǒng)能使機(jī)床維護(hù)人員對(duì)機(jī)床故障進(jìn)行準(zhǔn)確快速的診斷和維修，以提高售后服務(wù)質(zhì)量并降低系統(tǒng)的維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)

智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的框架體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。主要包括：本地采集及監(jiān)控終端、云服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、移動(dòng)監(jiān)控終端等四部分[3]。

本地采集及監(jiān)控終端包括：本地采集板卡及傳感器、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、工廠局域網(wǎng)中的服務(wù)器等。本地采集板卡通過(guò)各傳感器將機(jī)床關(guān)鍵部件狀態(tài)的信息采集上來(lái)，既可通過(guò)機(jī)床上安裝的監(jiān)控觸摸屏直接顯示，也可通過(guò)本地內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將本車(chē)間的所有機(jī)床狀態(tài)信息在本地監(jiān)控終端集中顯示，同時(shí)還可通過(guò)有線及3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心及移動(dòng)監(jiān)控終端可通過(guò)云服務(wù)器獲取各機(jī)床狀態(tài)信息。主要用于設(shè)備使用商對(duì)單個(gè)設(shè)備或是車(chē)間多臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。

云服務(wù)器通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與本地采集板卡或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)通訊，獲取各機(jī)床狀態(tài)信息，同時(shí)提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)及Web訪問(wèn)服務(wù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)瀏覽器向云服務(wù)器提出監(jiān)控請(qǐng)求，經(jīng)權(quán)限驗(yàn)證后可獲取最高權(quán)限的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。主要用于設(shè)備生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)備的監(jiān)控。

移動(dòng)監(jiān)控終端通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)向云服務(wù)器提出監(jiān)控請(qǐng)求，經(jīng)權(quán)限驗(yàn)證后可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。主要便于設(shè)備使用商隨時(shí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。主要分為：數(shù)據(jù)庫(kù)層、機(jī)床層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、平臺(tái)服務(wù)層及客戶端層等六個(gè)層次。

數(shù)據(jù)庫(kù)層采用三種數(shù)據(jù)庫(kù)引擎：Redis數(shù)據(jù)庫(kù)用于當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢(xún)；Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)用于一年內(nèi)的數(shù)據(jù)查詢(xún)；Hbase能存儲(chǔ)所有歷史數(shù)據(jù)，可用于大數(shù)據(jù)分析。

機(jī)床層是在機(jī)床上安裝狀態(tài)信息采集模塊，工廠內(nèi)部各機(jī)床狀態(tài)信息采集模塊通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或3G無(wú)線方式通信。

數(shù)據(jù)采集層使用開(kāi)源項(xiàng)目Modbus4j并基于Modbus TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)和參數(shù)設(shè)置。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層使用Mysql、Redis、Hbase數(shù)據(jù)庫(kù)各自的通訊方式，將采集到的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

平臺(tái)服務(wù)層包括：工作流引擎、業(yè)務(wù)規(guī)則引擎、報(bào)表引擎、消息引擎、事務(wù)引擎、架構(gòu)控制、安全認(rèn)證、SOA架構(gòu)、數(shù)據(jù)交換、集群支持、目錄服務(wù)、Web框架、服務(wù)擴(kuò)展、云數(shù)據(jù)同步等平臺(tái)，能為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)功能。

客戶端層支持PC、PAD、Mobile等多種設(shè)備接入。

圖2 智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡硬件實(shí)現(xiàn)

本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡采用基于Cotex-M3架構(gòu)的STM32F107作為核心處理器，負(fù)責(zé)采集電火花成形機(jī)床的各監(jiān)測(cè)傳感器信息，并對(duì)微小信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，同時(shí)對(duì)各傳感器接口及數(shù)字接口采用隔離靜電防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高板卡的可靠性。本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡硬件架構(gòu)框圖見(jiàn)圖3，實(shí)物電路板見(jiàn)圖4。

圖3 本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡硬件架構(gòu)框圖

2.1.1 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

采用DP83848 10/100 Mb/s單路物理層器件作為以太網(wǎng)PHY控制器，其通過(guò)RMII接口與CPU進(jìn)行通信，輸出接口采用HS9001C網(wǎng)口變壓器及TVS二極管陣列SLVU2.8-4進(jìn)行隔離及ESD防護(hù)，以提高網(wǎng)絡(luò)接口的通信可靠性[4]。其設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖5。

2.1.2 RS485通信接口設(shè)計(jì)

采用ADUM2587進(jìn)行RS485接口隔離設(shè)計(jì)，該器件具備±15 kV ESD保護(hù)功能，隔離電壓達(dá)2500 V，可防止輸入短路，有效保護(hù)RS485通信的可靠性。RS485通信隔離接口設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

2.1.3 I/O輸入接口設(shè)計(jì)

外部輸入信號(hào)均為24 V電平，采用AOZ8212CI-24進(jìn)行輸入信號(hào)的ESD防護(hù)，同時(shí)采用ULN2803進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換到5 V，使用ISO7340進(jìn)行隔離保護(hù)輸入，以提高I/O輸入信號(hào)的可靠性。I/ O輸入隔離接口設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7。

圖4 本地?cái)?shù)據(jù)采集模塊實(shí)物電路板

圖5 以太網(wǎng)接口隔離及ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

圖6 RS485通信隔離接口設(shè)計(jì)

圖7 I/O輸入電平轉(zhuǎn)換及隔離設(shè)計(jì)

2.2 本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 軟件架構(gòu)

本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡的軟件編寫(xiě)采用IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境，在STM32F107上加載μC/OS-II操作系統(tǒng)，集成FATFS文件系統(tǒng)用于配置數(shù)據(jù)的管理，集成LwIP TCP/IP協(xié)議棧完成FreeModbus TCP/IP應(yīng)用層通信協(xié)議，編寫(xiě)以太網(wǎng)接口、SPI接口、IIC接口等各傳感器及數(shù)字通信接口驅(qū)動(dòng)程序，完成各傳感器的信息采集及各模塊的數(shù)字通信。本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡軟件架構(gòu)見(jiàn)圖8。

圖8 采集板卡軟件架構(gòu)圖

2.2.2 軟件流程

采集板卡主要完成二個(gè)功能：一是通過(guò)各傳感器完成機(jī)床狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)采集與處理；二是對(duì)采集的數(shù)據(jù)完成本地顯示及發(fā)送給云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示。

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化并建立多個(gè)采集任務(wù)，采集各種傳感器的狀態(tài)信號(hào)，根據(jù)設(shè)置的極限參數(shù)判斷是否超限。如果超限及報(bào)警，提醒維修人員進(jìn)行維修；如果采集值正常，則在本地HIM觸摸屏顯示，同時(shí)根據(jù)HIM發(fā)送過(guò)來(lái)的不同信息進(jìn)行解析，判斷是極限參數(shù)設(shè)置還是權(quán)限管理校驗(yàn)。最后，將采集的數(shù)據(jù)推送給遠(yuǎn)端云平臺(tái)服務(wù)器，供遠(yuǎn)程監(jiān)控使用。采集板卡軟件流程見(jiàn)圖9。

2.3 本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)

本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡通過(guò)RS485與觸摸屏HIM進(jìn)行交互，完成采集數(shù)據(jù)的本地顯示、報(bào)警，并根據(jù)不同報(bào)警級(jí)別顯示不同顏色：正常為綠色，非嚴(yán)重錯(cuò)誤為黃色，嚴(yán)重錯(cuò)誤為紅色。本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡監(jiān)控界面見(jiàn)圖10。

圖9 采集板卡軟件流程圖

圖10 本地?cái)?shù)據(jù)采集板卡監(jiān)控界面

2.4 云服務(wù)平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的云服務(wù)平臺(tái)主要提供系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、采集管理及監(jiān)控管理等四大功能（圖11）。

云服務(wù)平臺(tái)提供的客戶端瀏覽器顯示界面見(jiàn)圖 12。該系統(tǒng)前端表現(xiàn)層采用 ExtJS、Jquery、Bootstrap等三項(xiàng)技術(shù)，服務(wù)器端采用平臺(tái)自身業(yè)務(wù)處理引擎來(lái)完成，采用的技術(shù)主要有：Servlet、JavaBean、Jbpm、Druid、Spring、Axis等，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL實(shí)現(xiàn)。

圖12 智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的客戶端瀏覽器界面

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了初步介紹，對(duì)其中各主要組成部分的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，初步探索了以物聯(lián)網(wǎng)為代表的“互聯(lián)網(wǎng)+”與傳統(tǒng)制造業(yè)的深度融合，加快催生以電火花成形加工裝備為依托的智能制造系統(tǒng)平臺(tái)，為智能制造在傳統(tǒng)電火花加工設(shè)備制造行業(yè)的實(shí)施提供借鑒。

[1] 曹鳳國(guó).電火花加工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[2] 傅建中.智能制造裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) [J].機(jī)電工程，2014，31（8）：959-962.

[3] 何虎，孫東江，劉建勇.智能化電火花成形機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[C]//2016年全國(guó)電火花成形加工技術(shù)研討會(huì)交流文集.北京，2016：93-97.

[4] 孫東江，伏金娟，何虎，等.基于運(yùn)行可靠性的電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].制造技術(shù)與機(jī)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，F(xiàn)U 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

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2014ZX04001-111）

何虎，男，1984年生，助理研究員。