物聯網拉床設備遠程監控系統設計分析

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摘要：針對拉床設備狀態讀取數據困難、運維成本高以及不能及時有效地進行分析管理等問題，設計并構建基于物聯網拉床設備遠程監控系統。根據當前拉床行業的痛點和現場實際需求，結合物聯網技術提出了系統的總體框架，設計并完成了系統的數據采集功能、數據庫以及遠程運維平臺的軟件部分，并最終實現了拉床的遠程管控和運維。系統的上線測試結果表明了該系統的有效性。

關鍵詞：拉床；物聯網；遠程監控系統；數據庫；Web技術

拉床是一種高效、高精、一次加工成型的機床，采用拉刀作為刀具，廣泛應用于航空發動機、汽輪機以及汽車制動系統等關鍵零部件的加工制造中。由于拉床設備的應用分布分散、設備類型多、參數各異、通訊接口種類多、數據讀取困難等特點，傳統的售后人員及工程師現場進行故障檢測維護帶來的低效率和高成本已經成為限制拉床制造企業發展的瓶頸。因此，充分利用當前的互聯網＋、大數據等高新技術，開發一套針對拉床設備的遠程監控系統的需求就變得尤為重要。國內外學者和專家在這方面做了大量的研究。上世紀九十年代后期日本東京大學與三菱公司合作開發了首套以數控機床作為監控對象的遠程監控系統［1］；文獻［2］在工業高峰時段通過數據采集及監視系統（SCADA）實現了電機的負載參數在PC機上的監控。文獻［3］研究了一套采用傳感器的環境檢測系統測量周圍環境的溫度和濕度，并將數據上傳到云端存儲和An-droid系統，應用程序訪問云端并將結果顯示給最終用戶。文獻［4］將智慧工廠技術體系結合大數據技術進行展開研究，將對制造業實現智慧工廠具有重要的借鑒價值；文獻［5］針對機床遠程故障診斷中有限網絡布線凌亂、設備成本高等問題，設計了數控機床的遠程智能故障診斷系統，并以機床的主軸伺服系統為例驗證了系統的；文獻［6］以低功耗廣域物聯網和NB－IOT技術為基礎，利用機智云平臺設計了一套適用于大空間方位的環境檢測系統，并通過測試驗證該系統的穩定性和可靠性；文獻［7］通過分析多路數據機床運行過程中的難以實現實時檢測和自動報警問題，基于STM32和云平臺提出了一種機床數據監測系統，并且對系統的硬件和軟件流程進行設計，實現了對多路數據機床的監測和實時報警需求；文獻［8］設計了油庫遠程監控生產系統，實現了多個成平油庫生產的實時數據采集、實時處理、預警監控及實時消息推送等功能，有效提高了監控中心對廣域分布的多座油庫遠程監控管理的效率和質量；文獻［9］針對傳統電源很難實現遠程監控的問題，設計了一種電源監控終端設備并研發了一套基于云端的遠程電源監控系統，該系統可以通過云端服務器實現對電源數據的存儲和對電源的有效監控。這些系統的設計和實現可以有效地幫助設備制造企業和客戶對設備進行遠程管控，減少了售后人員現場維護所帶來的成本，提高了設備的生產效率。目前遠程監控系統的相關研究主要集中在數據機床、風電、環境檢測等場景下的應用。拉床作為特種裝備，類型很多，按加工表面不同，拉床可分為內拉床和外拉床。內拉床用于拉削內表面，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、側拉床以及連續拉床（通常采用臥式布局）。立式拉床按照刀具的進給方向可分為上拉式和下拉式。按照驅動方式的不同拉床可分為機械拉床和液壓拉床。此外，還有齒輪拉床、內螺紋拉床等專用拉床。不同類型的拉床參數不同，接口通訊類型也有差異，現階段針對拉床的監控系統幾乎沒有。本文基于物聯網技術，結合可視化技術、Web前端以及Django后端等，針對拉床設備特點和實際需求提出了拉床設備的遠程監控系統，實現了對拉床設備的遠程智能管控和故障診斷，可提高拉床設備的故障診斷效率和降低運維成本。

1系統框架設計

拉床遠程監控系統的目標就是通過采集拉床的設備狀態、告警信息以及故障信息等制造過程信息數據，通過可視化的技術呈現出來并進一步加以分析，當設備將要出現故障時，監控系統能夠及時發出報警并分析其故障的原因和故障發生的位置。系統總體框架如圖1所示，按照物聯網架構系統分為感知層、網絡層和應用層。感知層主要由物聯網網關和傳感器組成，負責在不影響系統控制流程下對設備制造過程信息數據的采集；網絡層通過物聯網網關將感知層獲取到的數據通過消息隊列的方式推送到遠程數據服務器進行存儲，應用層包括設備管理模塊、用戶管理模塊、數據監控模塊以及設備監控模塊等，實現對接收到的數據進行分析統計，然后歸類存儲到數據庫，通過Web前端技術結合可視化圖表的形式將處理后的數據實時呈現出來，方便工程技術人員對設備進行遠程智能管控和預測性維護。

2數據采集功能設計

由于拉床類型繁多，不同類型的拉床參數不同，接口通訊類型各異，因此數據采集方法也不盡相同。針對數據源及其特點進行分析，對不同類型的拉床設備采用不同的數據采集方法，大致可分為三類，分別是基于數控系統的數據采集、基于PLC的數據采集以及基于傳感器的數據采集。具體數據采集方法如圖2所示，對于基于數控系統和基于PLC的數據采集，通過物聯網網關與拉床控制器進行連接并取得通信，獲取拉床運行過程中的制造信息數據，如設備運行時間、加工件數、拉刀壽命、報警及故障數據等。而對于加工過程中無法直接通過數控系統或者PLC取得的數據，可通過在拉床的關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系統數據庫設計

數據庫是按照數據結構來組織、存儲以及管理數據的倉庫。拉床遠程監控系統會在生產制造過程中采集大量信息數據，為了保證可以高效準確地對這些數據進行存儲、查詢以及修改等操作，以實現對制造過程信息的統計、分析和追溯，必須建立規范的數據庫。目前常用的關系型數據庫主要有MySQL、Oracle和SQLServer，其中MySQL數據庫由于其性能卓越、體積小、成本低、開放源代碼、歷史悠久、社區和用戶活躍等特點成為最流行的關系型數據庫，廣泛地應用于各大企業。基于以上分析，本系統也采用MySQL數據庫作為開發數據庫。數據模型是數據特征的抽象形式，數據庫的概念模型是在系統需求的基礎上將具體的對象實體抽取出來形成的一種數據模型，開發中通常使用實體關系圖（即E－R圖）來幫助開發人員整理數據之間的邏輯關系和數據庫的組織結構，本系統的E－R圖如圖3所示。

4監控系統軟件設計與應用

監控系統軟件部分采用前后端分離的開發模式：前端在Webstorm環境下采用Vue框架結合Echarts可視化組件完成開發。后端使用Python語言，在Pycharm環境下采用Django框架實現系統與數據庫的連接、處理業務邏輯及為前端頁面定義訪問數據的API，API的定義遵循Restful設計風格。監控系統軟件頁面主要分為前臺頁面和后臺管理系統，前臺頁面以圖表的形式對設備參數以及制造過程信息數據的可視化展示，主要有數據監控大屏和設備詳情頁面；后臺管理系統包括用戶管理、權限管理和設備管理等功能，能夠實現相應權限級別的用戶對數據庫的增刪改查等操作。為了驗證拉床遠程監控系統的實際應用效果，將經過編譯后的前后端代碼分別在阿里云服務器上進行Nginx部署，并以某公司制動器支架生產線上的直角雙立柱拉床為對象進行了聯網測試。如圖4所示為系統數據大屏，監控大屏頁面顯示了設備的分布情況、在線狀態等報警與故障信息等，并可通過檢索查看單臺設備的詳細數據。設備詳情頁面包括設備詳情、設備狀態、告警信息以及故障信息等頁面，如圖5所示。設備詳情頁面顯示了設備的基本參數，如控制器類型、設備位置等；設備狀態頁面實時顯示當前設備的運行狀態信息以及制造過程信息，并以圖表的形式進行展示；告警頁面和故障頁面以表格的形式統計了當前設備的告警、故障發生的原因和時間等。

5結束語

本文根據拉床行業的特點、痛點及實際需求等，設計并構建了拉床遠程智能監控系統平臺的總體框架，提出了針對拉床的三種數據采集方法，針對拉床特點開發了一套符合拉床行業需求的性能穩定、功能完善的拉床遠程監控系統，系統軟件部分主要包含前臺頁面和后臺管理系統。系統的上線測試結果表明了該系統的有效性，該系統的開發可以有效地幫助拉床制造企業和客戶對設備進行遠程運維管控，減少了售后人員現場維護所帶來的成本，提高了設備的生產效率和企業的綜合管理水平。

參考文獻

［1］孫凌旭．工業制造裝置群遠程監控系統技術［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2018

［4］呂佑龍，張潔．基于大數據的智慧工廠技術框架［J］．計算機集成制造系統，2016，22（11）：2691－2697

［5］宋丹，梁睿君，李偉，等．數控機床遠程智能故障診斷系統設計［J］．數據采集與處理，2020，35（1）：173－180

［6］亓曉彬，張曉東．基于物聯網及云平臺的工廠環境遠程監控系統［J］．機電工程技術，2020，49（8）：135－138，153

［7］李響，秦猛，張恒，等．基于物聯網的數控機床監測系統設計［J］．物聯網技術，2020，10（4）：24－27

［8］徐敬波，李天峰，張錫年．基于大數據技術的油庫生產遠程監控系統設計［J］．自動化儀表，2019，40（9）：70－75

［9］王照．基于云端的遠程電源監控系統的設計［J］．科技與創新，2019（4）：120－121

作者：伍宏鵬 張順琦 應申舜 周知 田武郞 單位：上海大學機電工程與自動化學院