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大功率激光切割機床遠程監控係統設計

2017-4-27 來源：華北科技學院機電工程學院作（zuò）者：卜祥麗，徐斌（bīn），李孝（xiào）平，黎冠（guàn）

摘要: 針對現有大功率激光切割機床產品網絡化不足、維（wéi）護效（xiào）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（yú）雲服務器的高功率切割機床遠程（chéng）監控係統，構造遠程監控平台，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（qiē）割機床遠程監控係（xì）統設計了數據采集（jí）智能終端，實（shí）現了（le）現場數據通過 GPＲS 技術（shù）傳送到雲端，為高功率激光切割故障的快（kuài）速診斷與處理提供了數據（jù）支撐。

關鍵詞（cí）: 激光切割; 遠程監控; 雲服（fú）務; GPＲS; STM32

0.引言

目前，隨著激光技術的不斷發展，激光加工技術也得到了飛速發展。激光加工已廣泛應用於鈑金切割、雕刻、打孔、焊接、表麵處理等領域。激光切割過程是將激光束（shù）聚焦到工件表麵，利用其釋放的能量瞬間使工件融化並蒸發，從而達到切割和雕刻（kè）的目的。激（jī）光加工具有切割速度（dù）遠遠高於（yú）傳統的切割技術，切割精度高，可以實現自動（dòng）排版加工，且不受切割圖案限製，切（qiē）口平滑等特點，將在（zài）切（qiē）割市場占有越來越多的市場份額［1 － 4］。隨著電子、通信以及互（hù）聯網技術的迅猛發展（zhǎn），激光加工也朝著大功率，高速度等方向快速發展，同時，激光切割機床信息化和智能化技術也得到了越（yuè）來越多的重視。當前，國內（nèi）鈑金（jīn）加工車間工作環境相對較（jiào）差，加工粉塵、輻射、噪聲等都會（huì）給現場操作人員身（shēn）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成為激（jī）光加工機床製造業重點研究的熱點問題（tí）之一［5］。文（wén）獻［6］針對 FANUC 等 3 種不同的數控係統，利用一台服務器，基於通（tōng）用（yòng）的通信接口（kǒu），實時采（cǎi）集數控設備的加工狀態和工藝過程參數等信息; 文77第 13 卷第 3 期2016 年 6 月華北科技學（xué）院學報Journal of North China Institute of Science and TechnologyVol. 13 No. 3Jun. 2016獻［7］利用網絡，對數控機床加工工藝參數、係統報警信息、PLC 控製信號、伺（sì）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管理; 文獻［8］利用傳（chuán）統的現場（chǎng）總線技術和無線傳感網絡（luò）實時（shí）采集數據，采用（yòng） 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（de）不斷完（wán）善發展，越來（lái）越多的（de）應用於機床監控領域［9 － 11］。本（běn）文提出針對大功率激光切割機床（chuáng），利用 GPＲS無線通信（xìn）技術，在激光切割機床現場設置數據傳輸模塊，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，從（cóng）而實（shí）現對激光切割機（jī）床狀態的遠程實時監控。

1.總體方（fāng）案設計

目前一些先進（jìn）的數控係統具有通信接口，能夠將數（shù）據參數傳送出（chū）來，通過數據接口實現對分散的數控設備的遠程控（kòng）製。GPＲS 能夠實時（shí）在線，支持多點數（shù）據同傳，傳輸時延小，滿足一般監控（kòng）係統對數據采集和傳輸實時性（xìng）的要求。隨（suí）著國內移動通信技術的快速發展，絕大部分地區已經覆（fù）蓋（gài）了GPＲS 網絡，因此（cǐ）為大範圍的設備在線監控（kòng）提供了（le）基礎條件，係統的傳輸容（róng）量大，能很好滿足傳（chuán）輸監控數據的需要，且通信費用越來越低（dī），應用方（fāng）便。隨（suí）著智能手機的普及（jí），維修人（rén）員可以通過應用程序（xù）瀏覽雲端（duān）數據，進而得知數控機床發生（shēng）故障前後的數據，為快速診斷（duàn）奠定（dìng）了應用的基礎。

本文以發格激光切割機（jī）床作為控製對象，基於串（chuàn）口通信和 GPＲS 移動通信技術（shù）構建高功（gōng）率激光切割機數據采（cǎi）集傳輸係統，實現對激光（guāng）切割機床狀態的（de）無（wú）線遠程監控。激（jī）光切割機床遠（yuǎn）程監控係統主要（yào）由 6 部分組成: 現場激光切割機床、攝像（xiàng）機、車間環境采集模塊、現場智能監控（kòng）終端模塊、雲服務器以及遠處監控客戶端，總體結構框（kuàng）圖如（rú）圖 1 所示。

2.硬件設計

硬件部分主要涉及（jí）現場（chǎng）智能監控（kòng）終端模塊，本係統以 STM32 微處理器和 GPＲS 無線通信（xìn）模塊為核心，現場智能監控終（zhōng）端通過（guò）串口數控機床（chuáng）進（jìn）行通信，並將數（shù）據通過 GPＲS 無線通（tōng）信模塊（kuài）實時傳輸到雲端。雲端服務器自動記錄上（shàng）傳的（de）數據（jù），任何聯網的電腦通過雲端均（jun1）可獲取當（dāng）前機床的工作狀態。

圖 1 激光切割機床（chuáng）遠程監控係統框圖

當激光切割機床出現故障時（shí），現場智能監控終端將故障信息通過短信服務（wù）模塊發送到預製的手機（jī）電話號碼。維修人員通過短信即可獲取數控（kòng）機床故障信息，並進（jìn）行故障診斷。

2. 1 現場智能（néng）監控設（shè）備硬件設計

現場智能監（jiān）控模塊的硬件由 32 位微處理器、數據顯示（shì）單元、GPＲS 無線數據（jù）傳輸模塊（kuài）、數據采集模塊和數據存儲模塊組成，係統硬件原理圖如圖 2 所示。

圖 2 現場監控設備硬件原（yuán）理（lǐ）圖

微處理器選用（yòng） STM32 係列單片機STM32F103VBT6 作為主控芯片（piàn）。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 數據傳輸模塊，SIM800E 支持多種 TCPIP 連接協議和多種連接方式，單步與多（duō）步開發環境，傳輸模式可（kě）選擇透（tòu）明與非透明模式（shì），在服務端（duān）或客戶（hù）端（duān）支持 TCP 和 UDP 協議（yì）棧，在（zài）本係統設計中，SIM800E 模塊（kuài）和 STM32 單片（piàn）機的串口（kǒu） 2 相連，實現 GPＲS 模塊與單片機之間的通信（xìn）。顯示單（dān）元采用 3. 5 寸真彩觸（chù）摸屏，實現人機交互。

2. 2 攝像頭監控硬件設計

圖像采集選用串口攝像頭模塊（kuài），采用（yòng）成都藍矩科技生產的（de） LJ － DSC02 係列串口攝像頭，200萬像素，該模塊（kuài）內置（zhì） 0 V 係列高性能 CMOS 傳（chuán）感（gǎn）器，直（zhí）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。在本係統中將（jiāng） LJ － DSC02 和單片機的串口 1 相連，實現攝像頭數據的采集。

2. 3 環境采集模塊硬件設計

環境參數采集采用 GK － 508F 模塊（kuài），該模塊（kuài）可以采集 16 路模擬量信（xìn）號，通信支持ＲS232、ＲS485 和 MODBUS 協議接口。在本係統中，主要采集激光切割機（jī）床工作（zuò）時的環境溫度、濕度、壓力、電源電壓、電流、冷卻風機溫度等信號。

3.軟件設計

在 Keil 開發環境中設計終端控製軟件，軟件主（zhǔ）要分為係統初始化模塊、數據采（cǎi）集模塊、數據分析模塊（kuài）、觸摸屏顯示模塊、通信模塊等。智能監控設備啟動（dòng）後首先進入（rù）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機床運（yùn）行參數的采集、對攝像（xiàng）機圖像的采集、現場（chǎng）環境參（cān）數的采集。數據采集完成後（hòu），進入數據（jù）分析模塊、分析完（wán）成後，進行數據顯示和存儲，最後進入通信子（zǐ）程序進行數據遠傳。數據傳送（sòng）完成後，進入下一個循環，軟件流程如圖 3 所示。

係統初始化（huà）主（zhǔ）要進行時（shí）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（jìng）采集模塊和（hé） GPＲS 模塊依次通信。激光（guāng）切割（gē）機床數控係（xì）統的通信采用串口異步通信協議。現場監控（kòng）設備程序運（yùn）行時，首先向數控係統發送握手（shǒu）請求，握手（shǒu）成功後，接收數控係統傳出的各種參數（shù）數據; 握手失敗，發送故障顯示接口。在數據處理分析模塊中，將激光加（jiā）工機床的工（gōng）藝參數、NC 程序、螺距誤差補償（cháng）參數、工件坐標數據等數據進行分類保（bǎo）存，通過 GPＲS 傳輸到雲端服務器。當接收到雲端服務（wù）器更新（xīn）數據請求的命（mìng）令時，數控機床通信管理模塊通過通知數（shù）控機（jī）床修改通信參數，進行數據更新工作。

圖 3 軟（ruǎn）件控製流程圖

串口攝像機模塊通過單片機獲取攝像頭圖像，設備上電初始化時打開串口，設置圖像（xiàng）分辨率。正常（cháng）通（tōng）信時循環執行開始采集圖像、獲取圖像數據、結束采集圖（tú）像並上傳。數據分析模塊對（duì）采（cǎi）集的各種數據，與設（shè）定（dìng）值（zhí）進行比較，符（fú）合報警條件時，將信號發送至報警子程序。為了方便人機交互（hù），設置了數據顯示模塊，采用迪文 4. 3 寸真彩觸摸屏，完成數據顯示與報警（jǐng）信息查看。

為了（le）避（bì）免（miǎn）由於網絡產生故障時，數據不能及時上傳，現場（chǎng）設置數據存儲模塊，將采集到的數據及報警信息，本地存儲於工業 SD 卡，確保數據（jù）的安全性。GPＲS 模（mó）塊通信時，首先進行參數初（chū）始化，主（zhǔ）要參數有: 手機卡號碼、DNS 服務設置、GPＲS 服務密碼、APN 設置（zhì）、IP 地址、TCP 端口號等，係統上電後（hòu），自動建立一個 TCP 通訊，通信成功（gōng）後（hòu），智（zhì）能終端模塊和雲端的數據實現無線交互。

4.結論

實踐表明，利用 STM32 單片機和 SIM800LGPＲS通信模塊設計（jì）的現（xiàn）場智能監控終端，體積（jī）小、功耗低（dī），可以與激光切割機床數控係統（tǒng）實時對接，通過該終端，能夠將激光切割機床現（xiàn）場數據通過無線網絡，傳送至雲端服務器，通過雲服務監控客戶端，維修人員可（kě）以給用戶提供方便快捷（jié）的技術（shù）支持，具有較好的現實意義和推廣價值。

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