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大功（gōng）率激光切割機床遠程監控係統設計

2016-11-16 來源：華北科技學院機電工程學院作者：卜祥麗，徐斌，李孝平（píng），黎冠

摘要：針對現有大功率激光切（qiē）割機床產品網絡化不足、維護效率低、維護成本高等問題，結合目前成熟的GPRS移動通信技術，提出了基於雲服務器的高功率切割機床遠程監控係統，構造遠程監控平台（tái），能夠遠程監控多台激光切割機床設備。針對高功（gōng）率激光切割機床遠程監控係統設計了數據采集智能（néng）終端，實現了現場數據通過GPRS技術傳送到雲端，為高功率激光切割故障的快速（sù）診斷與（yǔ）處理提供了數據支撐。

關鍵詞：激光切割；遠程監控；雲服務；CPRS；STM32

0. 引言

目前，隨（suí）著激（jī）光技術的不斷發展，激光加T技（jì）術也得到了飛速發展。激光加工已（yǐ）廣（guǎng）泛應用於鈑金切割（gē）、雕刻、打（dǎ）孑L、焊接（jiē）、表麵處理等領域。激光切割（gē）過程是將激光束聚焦到（dào）工件表麵，利用其釋放的能量（liàng）瞬間使工（gōng）件融化並蒸發（fā），從而達到切割和雕刻的目的。激光加工具有切割速度遠遠高於傳統的切割技術，切割精（jīng）度高（gāo），可以實現自動排版加工，且不受（shòu）切割圖案限製，切口平滑等特點，將（jiāng）在切割市場占（zhàn）有越來越多的市場（chǎng）份額。隨著電子、通信以及互聯（lián）網技術的迅猛發展，激光加（jiā）工也朝著大功率，高速度（dù）等方向快速發（fā）展，同時，激光切割機床信息化和智能化技術（shù）也得到了越來越多的重視。當前，內鈑（bǎn）金加工車間工作環境相對較差，加工粉（fěn）塵、輻（fú）射、噪聲等都會給現場操作人員身體造成不同程度的危害，因此，遠程實時監控激光切割機床工作狀態和現場環境參數（shù）成為激（jī）光加工機床製造業重點研究的熱點問題之一。針對FANuC等3種（zhǒng）不同的數（shù）控係統，利用一台服務器，基於通（tōng）用的通信接（jiē）口，實時采集數（shù）控設備（bèi）的加工狀（zhuàng）態和工藝過程參數等信息；文獻（xiàn）。7 o利用網絡（luò），對數控機床加工T藝參數、係統報警（jǐng）信息、PLc控製信號、伺服驅動參數、係統故障診斷、機床維護信息等進行遠程監控和（hé）管理；利用（yòng）傳統的現場總線技術和無線傳感網（wǎng）絡實時采集數據，采用ARM Cortex—M3嵌入式芯片對數據進行處理，實現了基於Web環境的數控機床遠程監控係統。伴隨著GPRS技術的不斷完善發（fā）展，越來越多的應用於機床監控領域，一1。本文提出針對大功（gōng）率激光切割機床，利用GPRS無線通信技術，在激（jī）光（guāng）切割機床（chuáng）現場設置數（shù）據傳輸模塊，實時將激光切割機床的加工狀態和環境信息傳輸到雲端服務器（qì），從而實（shí）現對激光切割機床狀態的（de）遠程（chéng）實時監控。

1.總體方案（àn）設計（jì）

目前一些先進的數控係統具有通信接口，能（néng）夠將數據參數（shù）傳送出（chū）來，通過數據接（jiē）口實現對分散的數控設備的遠程控製。GPRS能夠實時在線，支持多（duō）點數據同（tóng）傳，傳輸時（shí）延（yán）小，滿足一般監控係（xì）統（tǒng）對數（shù）據采（cǎi）集和傳輸實時性的要求。隨著國內移（yí）動通信技術的快速發展（zhǎn），絕大（dà）部分地區（qū）已經覆蓋了GPRS網（wǎng）絡（luò），因此為大範圍的設備在（zài）線監控提供了基礎條件，係統的傳輸容量大，能很好滿足傳輸監控數據（jù）的需要（yào），且通（tōng）信費用（yòng）越來越低，應用方便。隨著（zhe）智能手機的普及，維修人（rén）員可以通過（guò）應用程序瀏覽雲端數據，進而得知（zhī）數控（kòng）機床發生故障前後的數據，為快速診（zhěn）斷奠定了應（yīng）用的基礎。

本文以發格激光（guāng）切割機床（chuáng）作（zuò）為控製對象，基於串口通信和GPRS移動通信技（jì）術構建高功率（lǜ）激光（guāng）切割機數據采集傳輸係統（tǒng），實現對（duì）激光切割（gē）機（jī）床狀態的無線遠程監控。激光切割機床遠程監控係統主（zhǔ）要由6部分組成：現場激光切割機床、攝像機、車問環境采（cǎi）集模塊、現（xiàn）場智能監控終端模塊、雲服務（wù）器以及遠處監控客戶端，總體結構框圖如圖（tú）1所示。

2.硬件設計

硬（yìng）件部（bù）分主要涉及現場智能監控終端模塊，本（běn）係統以sTM32微處理器和GPRs無線通信模塊為核心（xīn），現場智能監控終端通過串口數控機床（chuáng）進行通（tōng）信，並將數據通過GPRs無線通信模塊實時傳輸到雲端。雲端服務器自動記錄}傳的數據，任（rèn）何聯網的電（diàn）腦通過雲端（duān）均可獲取當前機床的工作狀態。當激光切割機床出現故障時，現場智能（néng）監控終端將故障信息通過短信（xìn）服務模塊發（fā）送到預製（zhì）的手機（jī）電話（huà）號碼。維修人員通（tōng）過短信（xìn）即可獲取數（shù）控機床故障信息（xī），並進行故障診斷。

圖1激光切（qiē）割機床遠程監控係統（tǒng）框圖

2．1現場智能監控設備硬件設計

現場智能監（jiān）控模塊的硬件由32位（wèi）微處理器、數（shù）據顯示單元、GPRs無（wú）線數據傳輸模塊、數據采（cǎi）集模塊和數據存儲模塊組（zǔ）成，係統硬件原理圖如（rú）圖2所示。

圖2現場監控設備硬件原理圖

微處理器選用STM32係列（liè）單片機STM32F103VB嘶作為主控芯片。采用SIMcom公司的SIM800E模塊進行GPRs數據傳輸（shū），sIM800E是一種專門用於GPRS數據傳輸模（mó）塊，SIM800E支持多種TCPIP連（lián）接（jiē）協議和多種連（lián）接（jiē）方式，單步與多步開發環境，傳輸模式可選擇透明與非透明模式，在服務端或客（kè）戶端支持TCP和UDP協議棧，在本係統設計中，SIM800E模塊和STM32單片機的串口2相連，實（shí）現GPRS模塊與單片機之間的通信。顯示單元采用（yòng）3．5寸真彩觸摸（mō）屏，實現人機交互。

2．2攝像頭監控硬件設計

圖像采集選用串口（kǒu）攝像頭模塊，采用成都（dōu）藍矩科技生產的LJ—DSC02係列串口攝像頭，200萬像素，該（gāi）模塊內置0 V係列高性能cM0s傳感器，直接輸出JPEG圖片，通過Rs232或者RS485進行數據傳輸，配置6顆850 nm夜視燈進行紅外補光。在（zài）本係統（tǒng）中將LJ—DsC02和單片機的串口l相連（lián），實現攝像頭數（shù）據的采集。

2．3環境采集模塊硬件設計

環（huán）境參數采集采用GK一（yī）508F模塊，該模塊可（kě）以采集16路模擬（nǐ）量信號，通信支持（chí）RS232、RS485和MODBuS協議接口。在本（běn）係統中，主要采集（jí）激（jī）光切割機床工作（zuò）時的環境（jìng）溫度、濕度、壓力、電源電壓、電流、冷卻風機溫度等信號。

3. 軟件（jiàn）設計

在Keil開發環境中（zhōng）設計終端控（kòng）製軟件，軟件（jiàn）主要分為係統初（chū）始（shǐ）化模塊、數據（jù）采集（jí）模塊、數據分析模塊、觸（chù）摸屏顯示模塊、通信模塊等。智能（néng）監控設備啟（qǐ）動後首先（xiān）進人係統初始化模塊，初始化完成後，開始數據采集。數據采集部分主要包括對對數控（kòng）機床運行參數的采集、對攝（shè）像機圖像的采集（jí）、現場環境參（cān）數的采集。數據采集（jí）完成（chéng）後，進入數（shù）據分析模塊（kuài）、分析（xī）完成後，進行數據顯示和存儲，最後進入通信子程（chéng）序進行數（shù）據（jù）遠傳。數據傳送完成後，進入下一個循（xún）環，軟（ruǎn）件流程如圖3所示。係統初始化主要進行時鍾、中斷、GPIO、串口等初始化工作。完成後依次與數控機床、串口攝像機、環境采（cǎi）集模塊和GPRs模塊依次通信。激光切割機床數控係統的通信采（cǎi）用串口異步通信協議。現場監控設（shè）備程序運（yùn）行時，首先向數控係統（tǒng）發送握手請求，握手成功後，接收（shōu）數控係統傳出的各種參數數據；握（wò）手失敗，發送故障顯示接口。在數據處理分析（xī）模塊中，將激光加（jiā）工機床的工藝參數、Nc程序、螺距誤（wù）差補償參數（shù）、工件坐標數據等數據進行分類保存，通過GPRS傳輸到雲端服（fú）務器。當接收到雲端服務器更（gèng）新數據請求的命令時，數控機床通信管理模塊通過（guò）通知數控機床修改通信參數，進行數據更新工作。

串口攝像機模塊通過單片片機（jī）獲取攝像頭圖像，設備上電初始化時打開串口，設置（zhì）圖像分辨率。正常通信時循環執行（háng）開始采集圖像、獲取圖像數據、結束采集圖像並上傳。

圖3軟件控製流程圖

數據分（fèn）析（xī）模塊對采集的各種數據，與設定值進行比較，符（fú）合報警條（tiáo）件時（shí），將信號發送至報警（jǐng）子程（chéng）序。為了方便人機交互，設置（zhì）了數據顯示模塊（kuài），采用（yòng）迪文4．3寸真（zhēn）彩觸（chù）摸屏，完成數據顯示與報（bào）警信息（xī）查看（kàn）。為了避免由於網絡產生故障時，數據不能及時上傳，現場設置數據存儲模塊，將采集到的數據（jù）及報警信息，本地存儲於工業（yè）SD卡，確保數據的安全（quán）性。

GPRs模（mó）塊通信時，首先進行參數初始化，主要參數有：手（shǒu）機卡號碼、DNS服務設（shè）置、GPRS服務密碼、APN設（shè）置（zhì）、IP地址、TcP端口號等，係統上電後，自動建立一個TcP通訊，通信成功後，智能終端模塊和雲（yún）端（duān）的數據實現無線交互。

4. 結（jié）論

實踐表明，利用ST砌；2單片機和SIM800LGPRS通信模塊設（shè）計的現場智能監控終端，體積小、功（gōng）耗（hào）低，可以與激光切割機（jī）床數控係統實時對接，通過該終端（duān），能夠將激光切割機床現場數據通過無線網絡，傳送至雲端服務器（qì），通過雲服務監控客戶端，維修人員可以給用戶提供方便快捷的技術支持，具有（yǒu）較好的現實意義和推廣價值。

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