基于Zigbee 的模擬磨床監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017-11-17 來(lái)源： 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院控制技術(shù)學(xué)院 作者：曹小兵 景鑫
摘要：針對(duì)磨床運(yùn)行過(guò)程監(jiān)控問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee 的模擬磨床監(jiān)控系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)總體功能，利用PLC、HMI、Z-box等搭建了系統(tǒng)硬件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件配置，制作了HMI 界面，給出了具體的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了調(diào)試與運(yùn)行。監(jiān)控結(jié)果表明，該模擬磨床監(jiān)控系統(tǒng)正確有效，設(shè)計(jì)思路與方法可為類(lèi)似監(jiān)控系統(tǒng)的研制提供參考。
關(guān)鍵詞:磨床 Zigbee 監(jiān)控系統(tǒng) HMI
一、引言
傳統(tǒng)磨床生產(chǎn)線，如果在自動(dòng)加工過(guò)程中出現(xiàn)某種設(shè)備故障或者存在參數(shù)問(wèn)題，將影響整個(gè)生產(chǎn)線的加工產(chǎn)量、效率及精度。人工監(jiān)控方法可靠性、實(shí)時(shí)性差，且浪費(fèi)很多人力資源，因此設(shè)計(jì)磨床監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制具有很大的實(shí)際意義。本文根據(jù)我校信捷電氣實(shí)訓(xùn)室中的已有設(shè)備搭建了模擬磨床，并利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要具有3 個(gè)功能：
1 實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集和處理曰
2 負(fù)責(zé)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換曰
3 監(jiān)控多條生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況遙
設(shè)計(jì)思路可為類(lèi)似監(jiān)控系統(tǒng)的研制提供參考。
二、總體方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)BOSS 化監(jiān)控，即“分散控制，集中管理”。使用BOSS 監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地解決集散控制系統(tǒng)的布線問(wèn)題。為了達(dá)到監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，需要建立一個(gè)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)發(fā)送與上位監(jiān)控機(jī)采集的局域網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)[1-4]建立一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使下位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)中，采用由信捷電氣股份有限公司開(kāi)發(fā)的基于Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)的Z-box 模塊作為上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，下位機(jī)采用Z-box-bd 模塊作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，與Modebus 設(shè)備PLC 相連。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程主要包括三部分：
1、下位機(jī)模擬程序的設(shè)計(jì)；
2、基于Z-BOX 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建；
3、上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。
三、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
1、硬件平臺(tái)搭建
為了搭建硬件平臺(tái)，需將Z-box 電源連接，用串口線通過(guò)RS232 串口與上位機(jī)連接，并設(shè)置SWITCH 開(kāi)關(guān)為協(xié)調(diào)器模式。將Z-box-bd 分別安裝在PLC1 和PLC2 上并配置
SWITCH 開(kāi)關(guān)，設(shè)置為路由模式加入由Z-box 組建的網(wǎng)絡(luò)中去。搭建好的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示。
圖1 硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖
2、軟件配置
在系統(tǒng)硬件搭建完成后，要對(duì)通訊參數(shù)進(jìn)行配置，以達(dá)到節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。雙擊打開(kāi)Z-BOX Config 軟件進(jìn)行配置，如圖2 所示。
圖2 Z-BOX 配置界面
（1）圖2 界面中具體參數(shù)的含義為：
①串口：通過(guò)串口線連接到電腦上的COM 口；
②串口連接狀態(tài)：電腦與Z-BOX 模塊連接串口正確時(shí)，顯示“串口打開(kāi)成功”，否則顯示“串口超時(shí)”；
③設(shè)備類(lèi)型設(shè)置：Z-BOX 模塊有兩種連接模式，PLC模式和PC 模式；
④模塊模式：顯示Z-BOX 模塊當(dāng)前處于什么連接模式，PC 模式或者PLC 模式；
⑤讀出參數(shù)：讀出模塊當(dāng)前的參數(shù)；
⑥寫(xiě)入?yún)?shù)：修改當(dāng)前模塊的參數(shù)。
（2）Z-box-bd 軟件配置具體操作步驟為：
①將BD 板裝好，并插入到相應(yīng)的XC PLC 上；
② 將XC PLC 連接到電腦上， 打開(kāi)信捷編程軟件XCPPro 軟件；
③選擇“PLC 設(shè)置”菜單-“PLC 串口設(shè)置”，打開(kāi)對(duì)話框，選擇串口號(hào)，并設(shè)置Modbus 站號(hào)；
④選擇串口設(shè)置左邊列表欄“BD”，設(shè)置BD 參數(shù)。
（3）在整個(gè)過(guò)程中有兩點(diǎn)特別需要注意
①PLC 串口設(shè)置，一定要先選擇串口，再設(shè)置Modbus站號(hào)，點(diǎn)擊“寫(xiě)入PLC”按鈕，將參數(shù)寫(xiě)到PLC； ②BD 設(shè)置，點(diǎn)擊“讀取PLC”，然后下載程序到PLC，給PLC 重新上電。參數(shù)設(shè)置完畢后，就可以對(duì)PLC 進(jìn)行編程，上傳和下載程序。
3、上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)
上位機(jī)采用TouchWin 軟件制作監(jiān)控畫(huà)面，畫(huà)面實(shí)現(xiàn)對(duì)磨床1 和磨床2 的分別監(jiān)控，并且設(shè)有管理員登錄權(quán)限。上位機(jī)監(jiān)控目錄分為1 號(hào)磨床監(jiān)控畫(huà)面；2 號(hào)磨床監(jiān)控畫(huà)面；歷史報(bào)警記錄菜單；生產(chǎn)管理菜單；用戶(hù)登陸界面等。登陸系統(tǒng)后，首先進(jìn)入磨床歡迎界面，此界面也作為待機(jī)畫(huà)面。為了節(jié)約能源，增加資料的保密性，該系統(tǒng)加入了待機(jī)功能，在1 分鐘內(nèi)對(duì)上位機(jī)沒(méi)有任何操作，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到待機(jī)畫(huà)面，如果需要進(jìn)入系統(tǒng)則需要再次重新輸入密碼，增加了數(shù)據(jù)信息的保密性。
在1 號(hào)和2 號(hào)磨床監(jiān)控畫(huà)面里有對(duì)砂輪電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，油泵電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，冷卻電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，伺服異常，變頻異常，欠磁報(bào)警的監(jiān)控，X、Y、Z 軸的位置信息以及各軸的極限報(bào)警。2 號(hào)磨床監(jiān)控界面如圖3 所示。
圖3 磨床監(jiān)控界面
報(bào)警記錄菜單可以用來(lái)查詢(xún)所有的報(bào)警信息，當(dāng)有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄報(bào)警的時(shí)間及報(bào)警的事件信息。制作報(bào)警歷史查詢(xún)可以方便監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行信息，對(duì)設(shè)備的維修和改進(jìn)具有重要意義。
生產(chǎn)管理菜單用來(lái)記錄各個(gè)磨床的產(chǎn)量，合格率。一個(gè)產(chǎn)品的合格率代表著一個(gè)企業(yè)的品質(zhì)，企業(yè)品質(zhì)的好壞決定著一個(gè)企業(yè)的存亡命運(yùn)，所以制作生產(chǎn)管理菜單可以實(shí)
時(shí)地對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，確保生產(chǎn)不良ZERO 化。生產(chǎn)管理界面如圖4 所示。
圖4 生產(chǎn)管理界面
四、系統(tǒng)調(diào)試
在軟件和硬件都配置完成，上位機(jī)界面制作完成后，在電腦上采用在線模擬通過(guò)上位機(jī)來(lái)監(jiān)控下位機(jī)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行信息。根據(jù)所搭建的模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)編寫(xiě)下位機(jī)PLC 程序，進(jìn)而控制外圍設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)一屏多機(jī)控制。模擬磨床1 試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行及上位機(jī)監(jiān)控如圖5、6 所示。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的模擬磨床監(jiān)控系統(tǒng)工作正常，滿足預(yù)定要求。
圖5 模擬磨床1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行圖
圖6 上位機(jī)監(jiān)控圖
五、結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了基于Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)的模擬磨床監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集和處理，滿足了上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控，滿足了預(yù)定的控制要求。硬件系統(tǒng)上，簡(jiǎn)化了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳統(tǒng)的布線復(fù)雜問(wèn)題，Z-box 位置可以隨意放置，便捷地與終端設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)通訊。需要指出由于本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)只有監(jiān)控提醒功能，沒(méi)有遠(yuǎn)程修復(fù)功能，因此該系統(tǒng)還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)可以對(duì)下位機(jī)參數(shù)等信息進(jìn)行修改，從而達(dá)到系統(tǒng)智能化。
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