基于3G技术的数控机床远程监测系统的设计.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 0卷 第 1 8 期 机床与液压 MAC HI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS S e p ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 8 ． 0 4 0 基于 3 G技术的数控机床远程监测系统的设计 曹爱霞，武伟，钟佩思，徐永杰，曹传剑 青岛黄海职业学院机械电子工程学院，山东青岛2 6 6 4 2 7 摘要现有数控机床监测管理系统存在使用效率低、信息化管理及维护性低、网络化技术应用能力差等问题，随着 3 G 技术的不断成熟与完善，其在工业领域的应用进一步加深。提出了基于 3 G技术的数控机床远程监测系统，解决了其他网 络在数控机床远程监测应用上所存在的传输速率慢、带宽低等问题。结合 3 G通信技术与远程监测技术，建立了适合于数 控机床的远程数据采集软硬件应用方案 ，实现 3 G技术在数控机床远程监测上的应用 ，为制造业设备的网络化管理及维护 提供 了参考 。 关键词3 G技术；数控机床；远程监测 中图分类号T P 2 7 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 81 2 6 3 De s i g n o f Re mo t e M o n i t o r i n g S y s t e m B a s e d o n 3 G Te c h n o l o g y f o r C NC M a c h i n e To o l C A O A i x i a ，WU We i ，Z H O N G P e i s i ，X U Y o n g j i e ，C A O C h u a n j i a n S c h o o l o f M e c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，Q i n g d g o H u a n g h a i U n i v e r s i t y ， Q i a n g d g o S h a n d o n g 2 6 642 7 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e e x i s t i n g CN C ma c h i n e t o o l mo n i t o ri n g s y s t e ms h a d l o w u s a g e e f fi c i e n c y，p o o r i n f o r ma t i o n ma n a g e me n t a n d ma i n - t e n a n c e ，p o o r n e t w o r k a b i l i t y t o a p p l y t e c h n o l o g y a n d o t h e r p r o b l e ms ． Al o n g w i t h 3 G t e c h n o l o gy c o n t i n u e d t o ma t u r e a n d i mp r o v e，3 G t e c h n o l o g i e s w e r e mo v e d f o r w a r d i n i n d u s t ria l a p p l i c a t i o n ．A r e mo t e mo n i t o rin g s y s t e m b a s e d o n 3 G for CNC ma c h i n e t ool wa s p r o v i d - e d，wh i c h s o l v e d f a u l t s b e s i d e s s l o w t r a n s mi s s i o n r a t e，n a l T o w b a n d wi d t h a n d o t h e r s u s e d i n C NC r e mo t e n e t wo r k mo n i t o ri n g ． C o m b i n e d 3 G t e c h n o l o gy wi t h r e mo t e mo n i t o rin g， a s c h e me o f c o mp l e t e h ard w a r e a n d s o f t w are印 p l i c a t i o n o f r e mo t e d a t a a c q u i s i t i o n w a s p r o v i d e d t o a c h i e v e 3 G t e c h n o l o gy a p p l y i n g t o r e mo t e mo n i t o ri n g o f C NC ma c h i n e t o o 1 ． A r e f e r e n c e t o n e t wo r k ma n a g e me n t an d ma i n - t e n a n e e for ma n uf a c t urin g e qu i pme n t s i s g i v e n． Ke y wo r d s3G t e c h n o l o g y ； CN C ma c h i n e t o o l ； R e mo t e mo n i t o ri n g 数控机床是 自动化生产制造的基础单元，是现代 化生产的重要标志。随着信息化、网络化、智能化等 技术在生产设备上的广泛应用，数控机床的智能化加 工与监测功能已成为其主要发展特点及未来的趋势。 根据数字化 、智能化生产中数控机床的技术特点与现 场 要求 ，设计性能优越 的生产数据采集与控制终 端以 及选择合适的网络通信方式是实现数控机床网络化管 理和监测的核心问题。本文作者分析了 3 G通信技术 在数控机床网络化应用的可行性，结合远程监测与单 片机技术 ，提出了一种基于 3 G通信技术的数控机床 远程实 时监测 系统设计方案 。 目前 的数控机床 中多采用 R S 2 3 2 、R S 4 8 5 、G S M、 G P R S等通信技术 ，存在布线不便、兼容性差、以及 受数据采集终端与网络现实条件制约传输速率较低等 劣势 ，实际上只能完成一些简单数据的传输 ，对于远 程实时监测中的快速、大数据流无法有效地满足传输 要求。相对而言，3 G技术具有带宽明显增大、数据 传输安全、具有较高的传输速率等优点，其带宽足以 承载图像 、音频、视频流等多种媒体数据 ． 。3 G技 术应用于数控机床的远程监测系统中可很好地满足实 时工作状态监控、实时数据采集、在线故障诊断和制 造信息融合等功能 。 1 基于3 G技术的数控机床远程监测系统构成 基于3 G技术的数控机床远程监测系统主要有数 控机床远程监测管理中心、3 G通信系统、现场数据 采集终端三部分组成。远程监测管理中心主要进行整 个系统的 管理 和控 制 ，完成 人机 交 互 、网络链 路建 立、设备管理、人员管理、参数设置等；3 G网络是 整个系统的通信媒介 ，进行通信协议转换及数据的上 下级传输 ；现场数据采集终端是整个系统的核心，主 要完成数控机床实时数据的采集、处理和传送，以及 接收和执行远程监测管理中心的数据及指令。如图 1 收稿 日期 2 0 1 1 0 8一 o 4 基金项目山东省科技发展计划资助项目 2 0 1 0 G G X 1 0 4 0 8 ；青岛黄海学院资助项 目 X Y 1 0 0 1 作者简介曹爱霞 1 9 7 8 一 ，女，研究生，讲师，从事数控机床 、虚拟仪器、C A D ／ C A M技术研究。Em a i l c a o a i x i a l 1 2 3 1 6 3． c o rno 第 1 8期 曹爱霞 等基于 3 G技术的数控机床远程监测系统的设计 1 2 7 所示 。 远程 监测 管理 中 心 实时数据采集 ＼ 实现了终端用户对数控机床随时随地进行安全可靠的 无线远程监测应用 。 2 ． 2软 件 功能 监 测中心软件运行在应用工作站及前置机上 ，包 括应用管理 、通信管理、服务管理、数据库管理、通 信接入与人机交互等模块 ，监控系统软件功能划分如 图 2 所示 。主要完成从现场实时监测终端获取并 汇总 数据，配置控制终端设备运行，存储各终端运行数 据，同时完成对采集数据的分类、处理 、分析任务； 建立故障报警及诊断处理机制，当现场实时监测终端 获取到数控机床运行异常的信号后 ，则运行故障紧急 处理程序，如控制数控机床紧急停机、报警并发送故 障数据等。远程监测中心获取相关故障信息后与现场 终端协作完成对故障的处理程序，同时分析并记录故 障前后的数据，为查找排除故障提供可靠的技术依 据 。 1 I 1 r 1 f 1 在 线 会 议 模 块I I短 信 适 配 模 块 I I邮 件 适 配 模 块 J I u I 模 块l r l服 务 管 理 模 块 I l 应 用 管 理 模 块 I l通 信 管 理 模 块 I 【实 时 数 据 分 析 】 f系 统 参 数 配 置 l 【 系 统 状 态】 I历 史 数 据 分 析 】 【远 程 参 数 配 置 1 I 用 户 管 理1 通 信 【故 障 诊 断 分 析 】 【通 信 调 度 管 理 】 I 权 限 管 理】 接 入 【 在 线 巡 检 1 【网 络 配 置 管 理 1 I 新 建 设 备】 U 模 块 【 报 警 管 理】 l 设 备 管 理l l 区 域 管 理1 见 场 实 时 【 数 据 导 出1 【 连 接 管 理l 【 第 三 方 接 入 】 盏 测 终端 数据库管理模块 ， 图2 监测系统软件应用架构 3 3 G通信标准的选择 3 G的英文全称是 3 r d G e n e r a t i o n ，意为第三代移 动通信技术，指的是能够把无线通信与 I n t e me t 等多 媒体通信进行结合的新一代通信系统 。I T U T 国 际电信联盟于 2 0 0 0年 5月确定 了 W C D M A、C D - MA 2 0 0 0 、T D ． S C D MA以及 Wi MA X 4个主流无线接 口 标准 。 W． C D M A是英文 Wi d e b a n d C o d e D i v i s i o n M u l t i p l e A c c e s s 宽带 码分 多址 的英文 简称 ，是 一种 由 3 G P P具体制定的，基于 G S M MA P核心网，U T R A N U M T S 陆地无线接入网为无线接 口的第三代移动 通信 系统。目前 WC D M A有 R e l e a s e 9 9 、R e l e a s e 4 、 R e l e a s e 5 、R e l e a s e 6等版本 ；C D M A 2 0 0 0是由窄带 C D M A c D MA I S 9 5 技术发展而来的宽带 C D M A技 术 ，也 称 为 C D M A M u h i C a r r i e r ，有 C D MA 2 0 0 0 1 X 、 羞 J ■即卜 目￡ ， 1 2 8 机 床与液压 第 4 J 0卷 CDMA2 0 0 0 1 X R． I 。 I ’ 、 CDM3 _ 2 0 0 0 1 x EV、 C DMA2 0 0 0 3 x 几个 版本 ，C D MA 2 0 0 0做到 了对 C D M A i s - 9 5 系统 的完全兼 容 ，为技术 的延续性带来了明显的好处 成 熟性和可靠性 比较有保 障，同时也使 C D M A 2 0 0 0成 为从第二代向第三代移 动通信过渡最平滑的选择。 T D ． C D M A 全 称 为 T i m e D i v i s i o n ． S y n c h r o n o u s C D M A 时分同步 C D MA ，该标准是由中国大陆独 自制定 的 3 G标准，1 9 9 9年 6月 2 9日，中国原邮电部电信 科学技术研究院 大唐电信向 I T u提出。Wi M A X 的全名 是 微 波 存取 全 球 互 通 Wo r l d w i d e I n t e r o p e r a ． b i l i t y f o r Mi c r o w a v e A c c e s s ，又称 为 8 0 2 1 6无 线城 域网，是又一种为企业和家庭用户提供 “ 最后一英 里”的宽带无线连接方案 。2 0 0 7年 1 0月 1 9日， 在国际电信联盟在 日内瓦举行的无线通信全体会议上 批 准成 为继 WC D MA、C D M A 2 0 0 0和 T D ． S C D M A之后 的第 四个 全球 3 G标准。 在以上 4个 标 准 中，W- C D M A 运 用 范 围 最 广 ， 产业链最为成熟。在实际工业应用中，拥有网络速度 快、网络演进平滑，有较高的扩频增益 ，网络覆盖面 广等优势。在水利、气象、环保电力设施 、风电设 备、汽车、家电等行业应用广泛，因此在该系统设计 中采用此标准。 4现场实时监测终端设计 数控机床主要由数控系统、主传动系统、进给 传动系统 、自动换刀装置、液压与气压装置及其他 辅助装置等组成 。需要 监测 的数据类型包括 振 动 、温度 、开关 量 、压 力 、视频 、转 速 、声 音 、应 力应变等 ，根据需要选择模拟量或数字量形式 的传 感 器 。 4 ． 1 实时数 据采 集硬件 模块 现场实时监测终端 的设 计采用基 于 A R M 的嵌 入 式系统 ，其 中硬件 组 成 包 括微 控制 单 元 M C U 3 C 6 4 1 0 、数据采集模块 模拟量信号采集和数字 量信号采集 、W- C D M A模块 采用华为的 M U 2 0 3 、 显示模块、音频视频模块、外部存储模块等组成。微 控制单元 MC U作为整个现场实时监测终端的中枢， 控制完成终端的大规模数据处理工作 ，系统采用三星 S a m s u n g 3 C 6 4 1 0 X H - 6 6 ，内核 为 A R M1 1 7 6 J Z F S ，主 频优化后可达到 1 G H z ，满足实时数据采集对处理速 度 、能耗及稳定性的要求 。其他接 口还包括连接数控 系统的以太网 R J 4 5接 口、音频接 口，视频接 口、方 便进行扩展 的 U S B接 口、连接 L C D显示设 备 的输 出 接口等 。对于采集到的数据可及时传送回数据端服 务器也可存储到最大 3 2 G的 S D卡上。监测终端硬件 设 计框 图如图 3 所示 。 图 国 国 囡 Nand Fl a s b 圜囹圆圆圈 图3 硬件原理设计框图 4 ． 2实时数据采集软件模块 现场实时监测终端系统启动后，首先进行 w． C D M A通 信模块 的初 始化 ，通 过 A T命 令初 始 化 MU 2 0 3的参数设 置并 与远程 监测 管 理 中心建 立数 据 连接 ，然后运行终端侦听程序 ，如果侦听到远程命令 信息 ，将进行接收并转发给 MC U进行处理或执行。 MU 2 0 3 采用 U T MS网络 ，串行接 口是一个 6 0针 B 2 B全双工的 U A R T口，用户通过运行在监 测终端上 的软件发送 A T命令与 MU 2 0 3协作 ，M U 2 0 3模块需 要 S I M登录网络 ，完成数据存储、用户身份认证和 信息加密算法。M C U将采集到的数控机床实时工作 状态及各类传感器数据通过串口通信发送给 MU 2 0 3 ， MU 2 0 3 再将数据发送到远程监测管理 中心，完成系 统通信数据的传输。数控机床现场实时监测终端程序 流程如图 4 所示 。 系统启动 二亡 初始化 设备参数 采集实时工作数据l l侦听监测中心远程数据} ． _ _ 事 l 匝 发送完毕 I l 执行敏i i 理机制 报警 l f 发送故障数据 I 发送短信l l数据记录ll 停车 图4 现场实时监测终端程序控制流程图 下转第 1 3 2页 一 一 一 圃 一 圆 圆 圆 一 翮 1 3 2 机床与液压 第 4 0卷 还有一种针对间歇式工作的工况降温方法是把电机 工作改为变频工作 ，由检测到的管路上的压力信号来 输出变频信号，通过降低电动机转数和增加休息时间 大大减少油泵工作带来的温升，但这种方法对于连续 高压工况则不能达到设计要求。 液压 站的热源 主要有两 方面 1 主油泵循 环 供 油 ，造成油体运 动产生 的热量 ； 2 循 环冷却 泵 抽取液压油本身旋转引起的热量。据此作者提出了两 个降温方案 方案一，把浸入式的循环冷却泵改成安 装在油箱外部工作，其他工作机制不变，可以降温 5 ℃左右 ，本质上还是属于风冷降温；方案二 ，考虑到 两个热源的影响，前者为主动力源，抽取的油绝大部 分通过溢流阀回流至油箱，形成一个油路循环，升高 了油温。从这点出发 ，关停 2 ． 2 k W循环冷却泵，用 高压软管联通溢流阀回油口和空气冷却器 ，溢流出的 热油通过空气冷却器降温后进入过滤器流回油箱，同 时利用原有的单向阀进行并联 ，确保工况安全。原理 图见图 2 。 图 2 改造后液压原理 图 3结束语 采用方案二对液压站进行改造，在正常3班制工 作条件下 ，对 油温进行实测 ，数据如表 1 所示。 表 1 实测油温数据 ℃ 从表中数据可知 降温效果十分明显 ，在达到 正常工作要求和降温 的同时，关停 了 4台 2 ． 2 k W 和 1台 1 8 ． 5 k W 的电机 ，按 3班制工作粗略计算 ， 单这一项每年节约的电费就高达 l 7万之多，而花 不到一千的改造 费用便可实现节能、减排 、降温、 降噪、降低停机风险的 目标，真可谓是小改造、大 收益 。 上接第 1 2 8页 5结论 基于3 G技术的数控机床远程监测系统采用 3 G 网络作为数据通信平台并充分利用了 3 G网络数据传 输速度快、高带宽的数据传输优势 ，综合考虑了数控 机床 自身电、气、液的复杂结构，顺应自动化 、智能 化、网络化的发展趋势，具有采集数据类型多、精度 高、数据传输实时性高、灵活易扩展等特点。随着 3 G网络建设的不断完善，对于机器视觉、故障 自诊 断、各种生产信息化软件的融合、随时随地的监测管 理也将会实现，3 G技术的应用必将对我国制造业信 息化起到很大的促进作用 。 参考文献 【 1 】贺莉 ， 苗放， 陈军． 基于3 G与3 s 集成的远程无线监测系 统[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 1 0 2 3 7 3 9 ． 【 2 】马铁军． 基于 G S M、 G P S 、 G I S技术的城市紧急救援指挥 系统[ J ] ． 河北省科学院学报， 2 0 0 8 3 5 1 5 3 ． 【 3 】杨咏． 3 G通信系统技术及应用 [ J ] ． 电脑知识与技术， 2 0 1 0 1 5 8 8 9 0 ． 【 4 】K A A R A N E N H e i k k i ． 3 G技术和 U M T S网络 [ M] ． 彭木 根 ， 译． 北京 中国铁道出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 5 】赵训威． 3 G P P长期演进 L T E 系统架构与技术规范 [ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 1 0 ． 【 6 】 蔡厚道 ， 吴唪主． 数控机床构造 [ M] ． 北京 北京理工大 学出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 7 】陈光伟 ， 徐达丽， 董本志． 数控机床远程监控系统的实现 与优化[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 1 4 81 5 0 ．