基于物联网的数控机床群监测预警系统设计

引言

随着经济的发展以及产业结构的升级,对数控机床的需求量日益增长,而目前维修人员已无法满足数控机床的定期巡检需求,不能实时掌控机床设备的自身运行状态,设备维保工作被动且效率低,企业运营成本不断攀升。因此,亟需设计一种数控机床群智能监测预警系统,对数控机床进行自动化和远程化的状态监测与故障诊断,使机床生产商为用户提供更为优质的售后服务。

在工业40和"互联网＋"的技术背景下,数控机床将成为能够产生透明数据信息的智能终端,实现制造过程全透明,产生服务于加工生产及过程管理的实时数据,实现生产和管理环节的资源共享与信息互联,在确保产品质量的同时,能够完善售后服务。机床群物联网技术能满足工业制造企业需求,帮助传统生产制造型企业转型升级,降低生产和维护成本,提高生产效率。本文集成了NB-1oT窄带物联网、传感器、微处理器、移动通信等关键技术,设计了基于物联网的数控机床群监测预警系统。采用NB-1oT物联网技术实现了长距离、低时延、低能耗的远程监测数据传输,将数控机床的工作状态信息发送到后台数据监测预警平台,通过大数据分析,完成机床的健康诊断和故障预测。

1预警系统总体设计

数控机床群监测预警系统总体结构由节点信息采集终端、ZigBee无线传感器自组局域网、数据信息汇聚终端、NB-1oT转发终端、核心网、远程监测预警平台组成。节点信息采集终端之间通过ZigBee无线传感器自组局域网,并将采集到的数控机床传感器数据发送给汇聚终端;数据信息汇聚终端将接收到的感知信息通过NB-1oT转发终端和核心网上传至远程监测预警平台,完成前端数据的实时存储和分析处理,反馈处理结果,从而实现对数控机床群的监测和预警。监测预警系统总体结构如图1所示。

2预警系统硬件设计

2.1NB-1oT数据透传模块

窄带物联网NB-1oT技术以蜂窝网络为基本结构,仅需要180kHz的带宽,可直接部署于GsM网络、UMTs网络和LTE网络,降低部署成本。本文选用上海移远公司的BC95系列数据透传模块,它是一款高性能、低功耗的NB-1oT无线通信模块,共有94个引脚,兼容移远通信GsM/GPRs模块,易于产品升级,内嵌丰富的网络服务协议栈,支持UDP和CoAP协议。该模块1DLE工作模式下电流为6mA,PsM状态下电流仅为5μA。NB-1oT通信模块与主控芯片采用串口连接。BC95模块接口电路设计如图2所示。

2.2微控制器模块

本系统需要监测的参数众多,包括不同的传感器感知的加工数据以及数控机床运行信息参数,同时也要便于将处理后的数据通过NB-1oT模块无线转发。因此选用的主控制器是意法半导体公司的sTM32F103系列芯片,该系列是基于ARMCortex-M3内核的高性能处理器,最大256K的Flash程序存储器,最高工作频率为72MHz,具有丰富的增强I/o端口,其内部包含9个高性能通信接口和两路l2位的AD。该处理器完全能够满足系统需求设计。

3预警系统软件设计

系统上电后,首先进行初始化,采集节点自组局域网,NB-IoT模块联网成功后开始进行通信。采集节点之间采用优化蚁群自组路由算法,将机床工况数据按照自定义的帧格式打包发送,利用NB-IoT网络经核心网将数据上传至数据平台。

如果没有数据通信,采集节点和NB-IoT模块进入休眠模式,等待唤醒。采集节点网络协议采用l0字节数据包格式,第l个字节是帧头0xFF,第2个字节是机床编码,第3个字节是采集节点地址编码,第4个字节是数据帧长度,第5至第8字节是传感器数据,第9个字节是CRC校验位,第l0个字节是帧尾0xEE。

系统软件流程如图4所示。

4数据监测预警平台设计

数据监测预警平台对数控机床运行工状、加工过程及维护情况产生的数据进行存储分析,通过大数据分析对数控机床及加工信息进行监测预警。本系统采用基于.NET框架的完全面向对象的VB.NET编程语言进行设计。

该开发环境操作简单、功能强大,包括参数设置、程序管理、机床状态显示、加工信息采集等模块,能实现网络参数配置、通信参数设置、历史数据查询、生产管理信息查询、程序上传下载、维护模式查询、加工任务信息查询、监测预警等功能。数据监测预警平台如图5所示。

5结语

本系统将NB-IoT无线通信技术应用于数控机床群物联网,提高了数控机床的运行管理和维护水平,实现了对数控机床自身工况和加工信息的远程监测预警,使数控机床的后期运维得到了有效保障。经测试,本系统运行可靠、数据准确,能对监测数据进行精确预警,降低了机床故障发生率,达到了预期功能。