物联网拉床设备远程监控系统设计分析

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摘要：针对拉床设备状态读取数据困难、运维成本高以及不能及时有效地进行分析管理等问题，设计并构建基于物联网拉床设备远程监控系统。根据当前拉床行业的痛点和现场实际需求，结合物联网技术提出了系统的总体框架，设计并完成了系统的数据采集功能、数据库以及远程运维平台的软件部分，并最终实现了拉床的远程管控和运维。系统的上线测试结果表明了该系统的有效性。

关键词：拉床；物联网；远程监控系统；数据库；Web技术

拉床是一种高效、高精、一次加工成型的机床，采用拉刀作为刀具，广泛应用于航空发动机、汽轮机以及汽车制动系统等关键零部件的加工制造中。由于拉床设备的应用分布分散、设备类型多、参数各异、通讯接口种类多、数据读取困难等特点，传统的售后人员及工程师现场进行故障检测维护带来的低效率和高成本已经成为限制拉床制造企业发展的瓶颈。因此，充分利用当前的互联网＋、大数据等高新技术，开发一套针对拉床设备的远程监控系统的需求就变得尤为重要。国内外学者和专家在这方面做了大量的研究。上世纪九十年代后期日本东京大学与三菱公司合作开发了首套以数控机床作为监控对象的远程监控系统［1］；文献［2］在工业高峰时段通过数据采集及监视系统（SCADA）实现了电机的负载参数在PC机上的监控。文献［3］研究了一套采用传感器的环境检测系统测量周围环境的温度和湿度，并将数据上传到云端存储和An-droid系统，应用程序访问云端并将结果显示给最终用户。文献［4］将智慧工厂技术体系结合大数据技术进行展开研究，将对制造业实现智慧工厂具有重要的借鉴价值；文献［5］针对机床远程故障诊断中有限网络布线凌乱、设备成本高等问题，设计了数控机床的远程智能故障诊断系统，并以机床的主轴伺服系统为例验证了系统的；文献［6］以低功耗广域物联网和NB－IOT技术为基础，利用机智云平台设计了一套适用于大空间方位的环境检测系统，并通过测试验证该系统的稳定性和可靠性；文献［7］通过分析多路数据机床运行过程中的难以实现实时检测和自动报警问题，基于STM32和云平台提出了一种机床数据监测系统，并且对系统的硬件和软件流程进行设计，实现了对多路数据机床的监测和实时报警需求；文献［8］设计了油库远程监控生产系统，实现了多个成平油库生产的实时数据采集、实时处理、预警监控及实时消息推送等功能，有效提高了监控中心对广域分布的多座油库远程监控管理的效率和质量；文献［9］针对传统电源很难实现远程监控的问题，设计了一种电源监控终端设备并研发了一套基于云端的远程电源监控系统，该系统可以通过云端服务器实现对电源数据的存储和对电源的有效监控。这些系统的设计和实现可以有效地帮助设备制造企业和客户对设备进行远程管控，减少了售后人员现场维护所带来的成本，提高了设备的生产效率。目前远程监控系统的相关研究主要集中在数据机床、风电、环境检测等场景下的应用。拉床作为特种装备，类型很多，按加工表面不同，拉床可分为内拉床和外拉床。内拉床用于拉削内表面，有卧式和立式之分。外拉床用于外表面的加工，主要有立式外拉床、侧拉床以及连续拉床（通常采用卧式布局）。立式拉床按照刀具的进给方向可分为上拉式和下拉式。按照驱动方式的不同拉床可分为机械拉床和液压拉床。此外，还有齿轮拉床、内螺纹拉床等专用拉床。不同类型的拉床参数不同，接口通讯类型也有差异，现阶段针对拉床的监控系统几乎没有。本文基于物联网技术，结合可视化技术、Web前端以及Django后端等，针对拉床设备特点和实际需求提出了拉床设备的远程监控系统，实现了对拉床设备的远程智能管控和故障诊断，可提高拉床设备的故障诊断效率和降低运维成本。

1系统框架设计

拉床远程监控系统的目标就是通过采集拉床的设备状态、告警信息以及故障信息等制造过程信息数据，通过可视化的技术呈现出来并进一步加以分析，当设备将要出现故障时，监控系统能够及时发出报警并分析其故障的原因和故障发生的位置。系统总体框架如图1所示，按照物联网架构系统分为感知层、网络层和应用层。感知层主要由物联网网关和传感器组成，负责在不影响系统控制流程下对设备制造过程信息数据的采集；网络层通过物联网网关将感知层获取到的数据通过消息队列的方式推送到远程数据服务器进行存储，应用层包括设备管理模块、用户管理模块、数据监控模块以及设备监控模块等，实现对接收到的数据进行分析统计，然后归类存储到数据库，通过Web前端技术结合可视化图表的形式将处理后的数据实时呈现出来，方便工程技术人员对设备进行远程智能管控和预测性维护。

2数据采集功能设计

由于拉床类型繁多，不同类型的拉床参数不同，接口通讯类型各异，因此数据采集方法也不尽相同。针对数据源及其特点进行分析，对不同类型的拉床设备采用不同的数据采集方法，大致可分为三类，分别是基于数控系统的数据采集、基于PLC的数据采集以及基于传感器的数据采集。具体数据采集方法如图2所示，对于基于数控系统和基于PLC的数据采集，通过物联网网关与拉床控制器进行连接并取得通信，获取拉床运行过程中的制造信息数据，如设备运行时间、加工件数、拉刀寿命、报警及故障数据等。而对于加工过程中无法直接通过数控系统或者PLC取得的数据，可通过在拉床的关键位置安装各类传感器的方式来获取，如在电气柜中安装功率、电流等传感器获取拉床运行时的功率、电流信号，在拉刀刀座上安装力传感器和加速度传感器获取切削力信号和振动信号等。

3系统数据库设计

数据库是按照数据结构来组织、存储以及管理数据的仓库。拉床远程监控系统会在生产制造过程中采集大量信息数据，为了保证可以高效准确地对这些数据进行存储、查询以及修改等操作，以实现对制造过程信息的统计、分析和追溯，必须建立规范的数据库。目前常用的关系型数据库主要有MySQL、Oracle和SQLServer，其中MySQL数据库由于其性能卓越、体积小、成本低、开放源代码、历史悠久、社区和用户活跃等特点成为最流行的关系型数据库，广泛地应用于各大企业。基于以上分析，本系统也采用MySQL数据库作为开发数据库。数据模型是数据特征的抽象形式，数据库的概念模型是在系统需求的基础上将具体的对象实体抽取出来形成的一种数据模型，开发中通常使用实体关系图（即E－R图）来帮助开发人员整理数据之间的逻辑关系和数据库的组织结构，本系统的E－R图如图3所示。

4监控系统软件设计与应用

监控系统软件部分采用前后端分离的开发模式：前端在Webstorm环境下采用Vue框架结合Echarts可视化组件完成开发。后端使用Python语言，在Pycharm环境下采用Django框架实现系统与数据库的连接、处理业务逻辑及为前端页面定义访问数据的API，API的定义遵循Restful设计风格。监控系统软件页面主要分为前台页面和后台管理系统，前台页面以图表的形式对设备参数以及制造过程信息数据的可视化展示，主要有数据监控大屏和设备详情页面；后台管理系统包括用户管理、权限管理和设备管理等功能，能够实现相应权限级别的用户对数据库的增删改查等操作。为了验证拉床远程监控系统的实际应用效果，将经过编译后的前后端代码分别在阿里云服务器上进行Nginx部署，并以某公司制动器支架生产线上的直角双立柱拉床为对象进行了联网测试。如图4所示为系统数据大屏，监控大屏页面显示了设备的分布情况、在线状态等报警与故障信息等，并可通过检索查看单台设备的详细数据。设备详情页面包括设备详情、设备状态、告警信息以及故障信息等页面，如图5所示。设备详情页面显示了设备的基本参数，如控制器类型、设备位置等；设备状态页面实时显示当前设备的运行状态信息以及制造过程信息，并以图表的形式进行展示；告警页面和故障页面以表格的形式统计了当前设备的告警、故障发生的原因和时间等。

5结束语

本文根据拉床行业的特点、痛点及实际需求等，设计并构建了拉床远程智能监控系统平台的总体框架，提出了针对拉床的三种数据采集方法，针对拉床特点开发了一套符合拉床行业需求的性能稳定、功能完善的拉床远程监控系统，系统软件部分主要包含前台页面和后台管理系统。系统的上线测试结果表明了该系统的有效性，该系统的开发可以有效地帮助拉床制造企业和客户对设备进行远程运维管控，减少了售后人员现场维护所带来的成本，提高了设备的生产效率和企业的综合管理水平。

参考文献

［1］孙凌旭．工业制造装置群远程监控系统技术［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2018

［4］吕佑龙，张洁．基于大数据的智慧工厂技术框架［J］．计算机集成制造系统，2016，22（11）：2691－2697

［5］宋丹，梁睿君，李伟，等．数控机床远程智能故障诊断系统设计［J］．数据采集与处理，2020，35（1）：173－180

［6］亓晓彬，张晓东．基于物联网及云平台的工厂环境远程监控系统［J］．机电工程技术，2020，49（8）：135－138，153

［7］李响，秦猛，张恒，等．基于物联网的数控机床监测系统设计［J］．物联网技术，2020，10（4）：24－27

［8］徐敬波，李天峰，张锡年．基于大数据技术的油库生产远程监控系统设计［J］．自动化仪表，2019，40（9）：70－75

［9］王照．基于云端的远程电源监控系统的设计［J］．科技与创新，2019（4）：120－121

作者：伍宏鹏 张顺琦 应申舜 周知 田武郞 单位：上海大学机电工程与自动化学院