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

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摘要：針對(duì)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(shí)有效地進(jìn)行分析管理等問題，設(shè)計(jì)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(chǎng)實(shí)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(jì)并完成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)庫(kù)以及遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)的軟件部分，并最終實(shí)現(xiàn)了拉床的遠(yuǎn)程管控和運(yùn)維。系統(tǒng)的上線測(cè)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(kù)；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(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)以及汽車制動(dòng)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(chǎng)進(jìn)行故障檢測(cè)維護(hù)帶來(lái)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(duì)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(guó)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(duì)象的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［1］；文獻(xiàn)［2］在工業(yè)高峰時(shí)段通過數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）實(shí)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(cè)系統(tǒng)測(cè)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(chǔ)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(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智慧工廠具有重要的借鑒價(jià)值；文獻(xiàn)［5］針對(duì)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(jì)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(yàn)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(tái)設(shè)計(jì)了一套適用于大空間方位的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，并通過測(cè)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)報(bào)警問題，基于STM32和云平臺(tái)提出了一種機(jī)床數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路數(shù)據(jù)機(jī)床的監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)警需求；文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了油庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)成平油庫(kù)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理、預(yù)警監(jiān)控及實(shí)時(shí)消息推送等功能，有效提高了監(jiān)控中心對(duì)廣域分布的多座油庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的效率和質(zhì)量；文獻(xiàn)［9］針對(duì)傳統(tǒng)電源很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)電源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和對(duì)電源的有效監(jiān)控。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可以有效地幫助設(shè)備制造企業(yè)和客戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管控，減少了售后人員現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)所帶來(lái)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(cè)等場(chǎng)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(dòng)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(duì)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(duì)拉床設(shè)備特點(diǎn)和實(shí)際需求提出了拉床設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)

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(lái)并進(jìn)一步加以分析，當(dāng)設(shè)備將要出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)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(duì)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(duì)列的方式推送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，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(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，然后歸類存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)，方便工程技術(shù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程智能管控和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

2數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)

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(duì)數(shù)據(jù)源及其特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)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(duì)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(shí)間、加工件數(shù)、拉刀壽命、報(bào)警及故障數(shù)據(jù)等。而對(duì)于加工過程中無(wú)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(lái)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(shí)的功率、電流信號(hào)，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(hào)和振動(dòng)信號(hào)等。

3系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織、存儲(chǔ)以及管理數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)。拉床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢以及修改等操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過程信息的統(tǒng)計(jì)、分析和追溯，必須建立規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)。目前常用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)主要有MySQL、Oracle和SQLServer，其中MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)，廣泛地應(yīng)用于各大企業(yè)。基于以上分析，本系統(tǒng)也采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)特征的抽象形式，數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型是在系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上將具體的對(duì)象實(shí)體抽取出來(lái)形成的一種數(shù)據(jù)模型，開發(fā)中通常使用實(shí)體關(guān)系圖（即E－R圖）來(lái)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(kù)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(jì)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(yǔ)言，在Pycharm環(huán)境下采用Django框架實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、處理業(yè)務(wù)邏輯及為前端頁(yè)面定義訪問數(shù)據(jù)的API，API的定義遵循Restful設(shè)計(jì)風(fēng)格。監(jiān)控系統(tǒng)軟件頁(yè)面主要分為前臺(tái)頁(yè)面和后臺(tái)管理系統(tǒng)，前臺(tái)頁(yè)面以圖表的形式對(duì)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(yè)面；后臺(tái)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(jí)別的用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的增刪改查等操作。為了驗(yàn)證拉床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)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(dòng)器支架生產(chǎn)線上的直角雙立柱拉床為對(duì)象進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)測(cè)試。如圖4所示為系統(tǒng)數(shù)據(jù)大屏，監(jiān)控大屏頁(yè)面顯示了設(shè)備的分布情況、在線狀態(tài)等報(bào)警與故障信息等，并可通過檢索查看單臺(tái)設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)。設(shè)備詳情頁(yè)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(yè)面，如圖5所示。設(shè)備詳情頁(yè)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(yè)面實(shí)時(shí)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(yè)面和故障頁(yè)面以表格的形式統(tǒng)計(jì)了當(dāng)前設(shè)備的告警、故障發(fā)生的原因和時(shí)間等。

5結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)拉床行業(yè)的特點(diǎn)、痛點(diǎn)及實(shí)際需求等，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了拉床遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的總體框架，提出了針對(duì)拉床的三種數(shù)據(jù)采集方法，針對(duì)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(tái)頁(yè)面和后臺(tái)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的上線測(cè)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(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維管控，減少了售后人員現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)所帶來(lái)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(dòng)化學(xué)院