【基于虚拟仪器的数控设备远程监测系统】 远程监测系统
摘 要：随着数控设备高精度化、智能化、网络化、复杂化等的发展趋势，现有的现场监测与维护方式无法适应新的信息化维护需求。本文分析了虚拟仪器及可编程自动化控制器（PAC）在远程监测应用上的优势，提出了可行性的软硬件系统实现方案，采用LabVIEW、NI CompactRIO以及XML数据流，保证了数据采集的灵活性及可扩展性。系统结构分为现场实时数据采集子系统、数据调理分析子系统、远程监测控制子系统三部分，实现了数控设备实时数据采集、信号调理分析及远程监测等功能。
关键词：虚拟仪器；数控设备；远程监测
中图分类号: TP277 文献标识码：B
山东省科技发展计划资助项目（2010GGX10408）和青岛黄海学院资助项目（XY1001）
0 引言
随着数控设备的高精度化、智能化、网络化和复杂化的发展，数控设备的维护也面临了新的挑战，对于加工制造过程中产生的大而繁杂的信息资源，需要进一步的开发和共享。制造系统的高度自动化及其繁琐的维护过程对数控设备的监控、检测和维护技术提出了更高的要求，而传统的监控系统信息处理方式已不能满足要求，解决这一问题的一个方法是建立适合于数控设备的远程监测系统。相对与其它数据采集系统开放性低、扩展性差，无法满足不同厂商及种类的数控设备的缺点，虚拟仪器提出的“软件即是仪器”的概念具有性能高、扩展性强、开发时间短及无缝集成等优势，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用[1]。
1 虚拟仪器与可编程自动化控制器
虚拟仪器技术由美国国家仪器（National Instrument）最早提出，它是指利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器用软件代替硬件的方式可以进行灵活多变的实际应用，其主要优势在于由高效的软件、灵活多变的模块化硬件及软硬件无缝集成平台实现的高性能、高扩展性、短开发周期及出色的集成性。
可编程自动化控制器（PAC）的概念定义为：控制引擎的集中，涵盖PLC用户的多种需要，以及制造业厂商对信息的需求；PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力，以及PC-based控制中基于对象的、开放数据格式和网络连接等功能[2]。在数据采集方面PAC提供了通用灵活的信号监测及调试功能，依靠本身的处理器对原始数据进行初始累加、校对、调理等，而后传输给数据服务器，降低了服务器及网络的负荷，提高了数据采集效率。
2 数控设备远程监测系统构成
数控设备主要由主传动系统、进给传动系统、自动换刀装置、辅助装置、液压与气压装置等组成，需要监测的数据包括位置、温度、转速、压力、振动、各控制器状态及控制系统运行状态等，对于数据的采集及处理要求具有更高的速度及开放性，随着虚拟仪器及网络化的快速发展，结合两者构建快速灵活的数控设备远程监测系统具有很高的应用前景。整个数控设备远程监测系统由远程监测子系统、数据调理分析子系统、现场实时数据采集子系统三层结构组成，如图1所示。远程监测子系统主要由网络发布服务器、远程计算机、其它网络辅助设备组成，实现数控设备的远程监测；数据调理分析子系统由数据处理服务器、各种分析计算机及软件组成，对现场实时数据采集子系统的数据进行完善的调理与分析；现场实时数据采集子系统由可编程自动化控制器（PAC）、各种传感器、总线设备等组成，采集数控设备加工生产中的实时数据，完成数据的初步调理及处理突发设备故障。
图 1 数控设备远程监测系统总体结构
2.1 现场实时数据采集子系统
NI公司的CompactRIO可编程自动化控制器(PAC)作为一种先进的嵌入式控制和数据采集系统，被设计用于需要高性能和高可靠性的应用[3]。由于采用了开放和嵌入式结构的系统，尺寸小，极其坚固，且极具灵活性，可以使用模块化的I/O硬件迅速的建立针对不同数据的嵌入式数据采集系统，系统结构如图2所示。
图2 监测系统硬件结构
图2中，现场实时数据采集子系统的核心部件是可重配置I/O的数据采集系统CompactRIO，在数控设备的关键部位，根据不同的监测类型安装传感器与控制器并连接相应的I/O模块，从而获取振动、温度、位置等工作状态信息以及控制设备运行；同时通过CAN总线联接数控系统，获得数控系统的电气状态数据，数据采集系统将获得的数据进行调理分析后传送给现场PC，再经由XML的数据流格式通过Intranet或Internet发布给远程监测系统。信号的采集通过安装在数控设备上或设备附近的传感器来实现，其中要考虑到传感器的冗余、精确度、工作环境要求等，对于难测量的设备可运用多传感信息融合技术[4]。
2.2 数据调理分析子系统
在整个系统当中，对采集到的信号进行合理有效地调理与分析是监测系统的关键部分。虚拟仪器采用计算机开放式体系结构代替传统的测量仪器，对多样化的数据进行计算机处理、显示和存储，其优势在于能够和计算机技术、网络技术结合，实现网络化远程测控。对于数控设备的数据采集、状态监测以及与生产信息系统融合均可由虚拟仪器完成。借助计算机及网络化统一的数据形式，实现虚拟仪器与数据库、客户端软件的数据共享功能，幅值域、时域、频域的在线实时监测、离线巡查监测、无线监测、远程监测等，利用图形化编程软件LabVIEW完成虚拟仪器前面板程序及定义测试功能的流程图软件程序。监测系统软件结构如图3所示。
图3 监测系统软件结构
2.3 远程监测系统的网络通信
数控设备远程监测的关键支持技术是数据的网络通信，LabVIEW支持TCP、UDP、SMTP、TrDA、Bluetooth、DataSocket、远程面板、共享变量等多种网络通信功能，本系统采用基于TCP/IP协议的DataSocket技术。
DataSocket是一个高性能、易于使用的编程工具，它专门设计为在测试测量和自动化应用程序中共享和发布实际数据，这些数据在不同的应用程序之间以及在Internet上不同的机器之间传输,实现向多个客户端进行实时数据交换且大大简化实际数据的传输。整个应用分为“读”和“写”两个模块，DataSocket在数据发送端将采集数据整合，再用DataSocket控件的写操作将数据传输到DataSocket服务器，客户端用读操作从服务器获取数据流，然后对数据流进行解析并恢复为原始信息在客户端形成的响应，从而实现协同工作。