物聯(lián)網(wǎng)拉床設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分析

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摘要：針對拉床設(shè)備狀態(tài)讀取數(shù)據(jù)困難、運(yùn)維成本高以及不能及時有效地進(jìn)行分析管理等問題，設(shè)計并構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)拉床設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)當(dāng)前拉床行業(yè)的痛點(diǎn)和現(xiàn)場實際需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了系統(tǒng)的總體框架，設(shè)計并完成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)庫以及遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺的軟件部分，并最終實現(xiàn)了拉床的遠(yuǎn)程管控和運(yùn)維。系統(tǒng)的上線測試結(jié)果表明了該系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：拉床；物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；Web技術(shù)

拉床是一種高效、高精、一次加工成型的機(jī)床，采用拉刀作為刀具，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)以及汽車制動系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件的加工制造中。由于拉床設(shè)備的應(yīng)用分布分散、設(shè)備類型多、參數(shù)各異、通訊接口種類多、數(shù)據(jù)讀取困難等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的售后人員及工程師現(xiàn)場進(jìn)行故障檢測維護(hù)帶來的低效率和高成本已經(jīng)成為限制拉床制造企業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，充分利用當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)，開發(fā)一套針對拉床設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的需求就變得尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者和專家在這方面做了大量的研究。上世紀(jì)九十年代后期日本東京大學(xué)與三菱公司合作開發(fā)了首套以數(shù)控機(jī)床作為監(jiān)控對象的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［1］；文獻(xiàn)［2］在工業(yè)高峰時段通過數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）實現(xiàn)了電機(jī)的負(fù)載參數(shù)在PC機(jī)上的監(jiān)控。文獻(xiàn)［3］研究了一套采用傳感器的環(huán)境檢測系統(tǒng)測量周圍環(huán)境的溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)上傳到云端存儲和An-droid系統(tǒng)，應(yīng)用程序訪問云端并將結(jié)果顯示給最終用戶。文獻(xiàn)［4］將智慧工廠技術(shù)體系結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行展開研究，將對制造業(yè)實現(xiàn)智慧工廠具有重要的借鑒價值；文獻(xiàn)［5］針對機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷中有限網(wǎng)絡(luò)布線凌亂、設(shè)備成本高等問題，設(shè)計了數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程智能故障診斷系統(tǒng)，并以機(jī)床的主軸伺服系統(tǒng)為例驗證了系統(tǒng)的；文獻(xiàn)［6］以低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)和NB－IOT技術(shù)為基礎(chǔ)，利用機(jī)智云平臺設(shè)計了一套適用于大空間方位的環(huán)境檢測系統(tǒng)，并通過測試驗證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；文獻(xiàn)［7］通過分析多路數(shù)據(jù)機(jī)床運(yùn)行過程中的難以實現(xiàn)實時檢測和自動報警問題，基于STM32和云平臺提出了一種機(jī)床數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，并且對系統(tǒng)的硬件和軟件流程進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了對多路數(shù)據(jù)機(jī)床的監(jiān)測和實時報警需求；文獻(xiàn)［8］設(shè)計了油庫遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了多個成平油庫生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)采集、實時處理、預(yù)警監(jiān)控及實時消息推送等功能，有效提高了監(jiān)控中心對廣域分布的多座油庫遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的效率和質(zhì)量；文獻(xiàn)［9］針對傳統(tǒng)電源很難實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題，設(shè)計了一種電源監(jiān)控終端設(shè)備并研發(fā)了一套基于云端的遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過云端服務(wù)器實現(xiàn)對電源數(shù)據(jù)的存儲和對電源的有效監(jiān)控。這些系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)可以有效地幫助設(shè)備制造企業(yè)和客戶對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管控，減少了售后人員現(xiàn)場維護(hù)所帶來的成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。目前遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)研究主要集中在數(shù)據(jù)機(jī)床、風(fēng)電、環(huán)境檢測等場景下的應(yīng)用。拉床作為特種裝備，類型很多，按加工表面不同，拉床可分為內(nèi)拉床和外拉床。內(nèi)拉床用于拉削內(nèi)表面，有臥式和立式之分。外拉床用于外表面的加工，主要有立式外拉床、側(cè)拉床以及連續(xù)拉床（通常采用臥式布局）。立式拉床按照刀具的進(jìn)給方向可分為上拉式和下拉式。按照驅(qū)動方式的不同拉床可分為機(jī)械拉床和液壓拉床。此外，還有齒輪拉床、內(nèi)螺紋拉床等專用拉床。不同類型的拉床參數(shù)不同，接口通訊類型也有差異，現(xiàn)階段針對拉床的監(jiān)控系統(tǒng)幾乎沒有。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合可視化技術(shù)、Web前端以及Django后端等，針對拉床設(shè)備特點(diǎn)和實際需求提出了拉床設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對拉床設(shè)備的遠(yuǎn)程智能管控和故障診斷，可提高拉床設(shè)備的故障診斷效率和降低運(yùn)維成本。

1系統(tǒng)框架設(shè)計

拉床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)就是通過采集拉床的設(shè)備狀態(tài)、告警信息以及故障信息等制造過程信息數(shù)據(jù)，通過可視化的技術(shù)呈現(xiàn)出來并進(jìn)一步加以分析，當(dāng)設(shè)備將要出現(xiàn)故障時，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時發(fā)出報警并分析其故障的原因和故障發(fā)生的位置。系統(tǒng)總體框架如圖1所示，按照物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和傳感器組成，負(fù)責(zé)在不影響系統(tǒng)控制流程下對設(shè)備制造過程信息數(shù)據(jù)的采集；網(wǎng)絡(luò)層通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將感知層獲取到的數(shù)據(jù)通過消息隊列的方式推送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行存儲，應(yīng)用層包括設(shè)備管理模塊、用戶管理模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊以及設(shè)備監(jiān)控模塊等，實現(xiàn)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，然后歸類存儲到數(shù)據(jù)庫，通過Web前端技術(shù)結(jié)合可視化圖表的形式將處理后的數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)出來，方便工程技術(shù)人員對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程智能管控和預(yù)測性維護(hù)。

2數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計

由于拉床類型繁多，不同類型的拉床參數(shù)不同，接口通訊類型各異，因此數(shù)據(jù)采集方法也不盡相同。針對數(shù)據(jù)源及其特點(diǎn)進(jìn)行分析，對不同類型的拉床設(shè)備采用不同的數(shù)據(jù)采集方法，大致可分為三類，分別是基于數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、基于PLC的數(shù)據(jù)采集以及基于傳感器的數(shù)據(jù)采集。具體數(shù)據(jù)采集方法如圖2所示，對于基于數(shù)控系統(tǒng)和基于PLC的數(shù)據(jù)采集，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與拉床控制器進(jìn)行連接并取得通信，獲取拉床運(yùn)行過程中的制造信息數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行時間、加工件數(shù)、拉刀壽命、報警及故障數(shù)據(jù)等。而對于加工過程中無法直接通過數(shù)控系統(tǒng)或者PLC取得的數(shù)據(jù)，可通過在拉床的關(guān)鍵位置安裝各類傳感器的方式來獲取，如在電氣柜中安裝功率、電流等傳感器獲取拉床運(yùn)行時的功率、電流信號，在拉刀刀座上安裝力傳感器和加速度傳感器獲取切削力信號和振動信號等。

3系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲以及管理數(shù)據(jù)的倉庫。拉床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)會在生產(chǎn)制造過程中采集大量信息數(shù)據(jù)，為了保證可以高效準(zhǔn)確地對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢以及修改等操作，以實現(xiàn)對制造過程信息的統(tǒng)計、分析和追溯，必須建立規(guī)范的數(shù)據(jù)庫。目前常用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫主要有MySQL、Oracle和SQLServer，其中MySQL數(shù)據(jù)庫由于其性能卓越、體積小、成本低、開放源代碼、歷史悠久、社區(qū)和用戶活躍等特點(diǎn)成為最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，廣泛地應(yīng)用于各大企業(yè)?；谝陨戏治?，本系統(tǒng)也采用MySQL數(shù)據(jù)庫作為開發(fā)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)特征的抽象形式，數(shù)據(jù)庫的概念模型是在系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上將具體的對象實體抽取出來形成的一種數(shù)據(jù)模型，開發(fā)中通常使用實體關(guān)系圖（即E－R圖）來幫助開發(fā)人員整理數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)庫的組織結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)的E－R圖如圖3所示。

4監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計與應(yīng)用

監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分采用前后端分離的開發(fā)模式：前端在Webstorm環(huán)境下采用Vue框架結(jié)合Echarts可視化組件完成開發(fā)。后端使用Python語言，在Pycharm環(huán)境下采用Django框架實現(xiàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的連接、處理業(yè)務(wù)邏輯及為前端頁面定義訪問數(shù)據(jù)的API，API的定義遵循Restful設(shè)計風(fēng)格。監(jiān)控系統(tǒng)軟件頁面主要分為前臺頁面和后臺管理系統(tǒng)，前臺頁面以圖表的形式對設(shè)備參數(shù)以及制造過程信息數(shù)據(jù)的可視化展示，主要有數(shù)據(jù)監(jiān)控大屏和設(shè)備詳情頁面；后臺管理系統(tǒng)包括用戶管理、權(quán)限管理和設(shè)備管理等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)權(quán)限級別的用戶對數(shù)據(jù)庫的增刪改查等操作。為了驗證拉床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，將經(jīng)過編譯后的前后端代碼分別在阿里云服務(wù)器上進(jìn)行Nginx部署，并以某公司制動器支架生產(chǎn)線上的直角雙立柱拉床為對象進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)測試。如圖4所示為系統(tǒng)數(shù)據(jù)大屏，監(jiān)控大屏頁面顯示了設(shè)備的分布情況、在線狀態(tài)等報警與故障信息等，并可通過檢索查看單臺設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)。設(shè)備詳情頁面包括設(shè)備詳情、設(shè)備狀態(tài)、告警信息以及故障信息等頁面，如圖5所示。設(shè)備詳情頁面顯示了設(shè)備的基本參數(shù)，如控制器類型、設(shè)備位置等；設(shè)備狀態(tài)頁面實時顯示當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息以及制造過程信息，并以圖表的形式進(jìn)行展示；告警頁面和故障頁面以表格的形式統(tǒng)計了當(dāng)前設(shè)備的告警、故障發(fā)生的原因和時間等。

5結(jié)束語

本文根據(jù)拉床行業(yè)的特點(diǎn)、痛點(diǎn)及實際需求等，設(shè)計并構(gòu)建了拉床遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺的總體框架，提出了針對拉床的三種數(shù)據(jù)采集方法，針對拉床特點(diǎn)開發(fā)了一套符合拉床行業(yè)需求的性能穩(wěn)定、功能完善的拉床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件部分主要包含前臺頁面和后臺管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的上線測試結(jié)果表明了該系統(tǒng)的有效性，該系統(tǒng)的開發(fā)可以有效地幫助拉床制造企業(yè)和客戶對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維管控，減少了售后人員現(xiàn)場維護(hù)所帶來的成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率和企業(yè)的綜合管理水平。

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作者：伍宏鵬 張順琦 應(yīng)申舜 周知 田武郞 單位：上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院