数控机床运行时间采集系统研究

摘要： 介绍了数控机床利用率的含义及其在生产管理中的重要性。本文采用分布式采集方案，使用PLC、人机界面和上位机等组成机床运行时间采集系统。经过试验平台验证，该方案完全能够满足使用需要，具有广阔的应用前景。

Abstract： The NC machine tool using ratio is defined in this paper. The importance of machine using ratio in equipment management should not be disregarded. A distributed data acquisition system which is made up of PLC， HMI and host computer is well researched. The system is proved out by a test unit and it can totally meets the requirements.

关键词： 数控机床；利用率；采集系统

Key words： NC machine tool；using ratio；data acquisition system

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0081-02

0 引言

近几年科研生产任务量逐年增加，然而设备和人员却不可能无限制的增加。如何提高现有机床设备的利用率来提高产量并且满足精益生产的要求，已成为一个棘手的问题。对所有机床利用率进行分析，寻找影响机床使用效率的原因并采取针对性措施是解决这一问题的重要方法。但是机床利用率的统计工作目前只能通过粗略的人工统计方式进行，实时性、准确性均难以满足要求。

随着网络技术、信息技术和大数据技术在商业及工业领域的大量使用，这些技术的应用效果越来越显著，对提高销量或产量有着极大的推动作用。因此应当将这些技术应用到数控加工生产中去，建立起一套基于MDC（生产数据采集）技术的数字化、网络化的加工中心运行监控管理系统来辅助管理和决策部门合理安排生产，最终实现生产效率提升。鉴于目前市场上仍然缺乏此类成熟产品，而且难以给出适应西安飞行自动控制研究所实际情况的解决方案来，因此本文主要以机床运行时间采集系统作为研究对象，对相关技术进行应用试验和验证，尝试开发适合所内现状的数控机床运行时间采集管理系统。

1 数控加工中心运行时间自动采集方法

机床利用率数据是由机床运行时长与开机时长的比值确定，比值越小就说明机床真正用于加工的时间越短。开机时长是指机床通电后的持续时间长度，反映出机床是否可用。包含了准备时间、等待时间、运行时间等。运行时长为机床实际加工所用时间长度，可等效为执行自动程序所用时间。

针对这两个时间的自动采集方法主要有两种，一种是通过与加工中心数控系统通信的方式直接采集，另一种是通过外部仪器设备捕捉机床运行时产生的特征信息间接采集。

直接采集需要通过数控系统提供的通信端口并结合相应的软件或硬件才能实现。由于数控系统一般都不是开放的，通信协议也不同，想要通过一个平台直接访问多个品牌的数控系统内的变量是很困难的。据调研，国内很少有成熟的解决方案。国外也非常少，盖勒普公司有一套完整的MDC系统解决方案，但是价格高昂，并且不一定能满足我所实际需求。与数控系统通信会带来信息泄露和数控系统被恶意破坏的安全风险，另外，由于直接采集要使用数控系统通信端口，使用中有可能会因为雷、电网波动等原因烧坏通信端口甚至是数控系统（已有此类故障发生）。其次，直接采集方式对于没有数控系统或类似控制器的普通机床、特种设备和其它科研生产设备都无法应用，使用范围有限。因此本文不倾向于直接采集方式。

间接采集可以不受数控系统软件和硬件的限制，不会对机床及控制系统产生任何影响。通过附加的装置采集能够反映机床运行状态的信号，这些装置又可以连接成网络，并由上位机统一记录数据和监控管理。该方法的优势在于成本低，容易实现，通用性、扩展性强。国内已经有多个企业在尝试用该方法研发设备运行时间采集系统。据悉，有公司通过采集机床加工时的负载电流这一特征信号实现对机床运行时间的采集。因此本文最终选择间接采集方式。

要实现间接采集，最关键的一点就是找到能够反映机床运行状态的特征信号，这个信号能够在机床开始加工零件的时候出现，还能在加工完毕时消失。总结日常维修改造的经验，本文认为采用机床加工负载电流作为机床运行特征信号存在较多缺陷，比如每台机床的电流阀值都不相同，需要逐台进行标定；模拟量采集有误差；存在较多干扰因素等。

为了寻找并确定合适的特征信号，本文选取了所内30余台典型的数控加工中心作为研究对象（见表1）。经过逐台对比分析，发现机床内部的直流电源的输出端或者通电时间计时器可以反映出机床是否通电，而机床自带的自动程序运行时间计时器或者指示自动程序正在运行的指示灯可以反映出机床是否处在运行状态，以这些开关量信号作为特征信号，不需要模数转换，因此更易实现且可靠性高。

2 数控加工中心运行时间采集系统组成及实现

本次研究采用目前较为成熟的技术和产品来构建该采集系统。由图1可见，采用西门子S7-200型PLC采集机床运行特征信号，再由人机界面显示、记录该信号并传送至上位机。人机界面可以查询对应机床一个月内的通电和运行记录，还可进行操作人员登陆和注销操作。通过上位机可以浏览所有接入系统的机床的开机时长、运行时长和其他状态信息。人机界面和上位机中运行界面均使用昆仑通态的MCGS组态软件进行开发。

该采集系y在工作状态下能够自动判断和记录机床状态的变化情况，无需人工干预。信号通过硬接线方式从机床电气柜中适当的节点取出，接入PLC输入端口，必要时可使用继电器进行隔离转换。当机床通电后，PLC就能捕捉到相应的信号并反馈给人机界面，人机界面会记录通电的时间并以此为起点开始累计通电时长。当机床开始执行自动程序时，PLC又会捕捉到相应信号并反馈给人机界面，人机界面以自动程序启动时间为起点开始计时，直到该程序执行完毕。当执行完下一个自动程序后，执行该程序所用的时间会累加计入当日的机床运行时长当中。

3 试验验证

3.1 制作信号采集箱 为了安全可靠地完成现场信号采集和记录，将PLC和人机界面及相关装置集成在一个采集箱中。对PLC和人机界面进行编程和相应设置，使其具备自动采集和记录的功能。

3.2 单机采集试验 选择一台DMU 60P镗铣加工中心作为试验对象，将采集箱布置在合适位置（见图3）。查阅该机床电路图，找到合适的电气节点，用电缆将特征信号采集节点接入采集箱中。接通采集箱内PLC和人机界面的电源，验证采集箱能否正确采集和记录机床状态变化。采集箱接通电源后就自动进入工作状态。

开机时长的记录。开机时长每日统计一次，最大值1440分钟。当机床通电时，试验箱捕捉到了上电信号，人机界面上显示机床上电的指示灯点亮，并以此时刻作为起点开始计时。当机床断电时，指示灯熄灭，计时结束，这段时间就作为当日的开机时长被记录下来。

运行时长的记录。运行时长也是按日统计，该时间不大于开机时长。当机床操作者按下“NC Start”按钮开始执行自动程序时，采集箱捕捉到程序启动信号，人机界面上点亮相对应的指示灯，并从此刻开始计时。当该段程序执行完毕，机床停止时，计时也自动停止，机床刚才运行的这段时长被自动记录下来。同样，机床执行其它程序所消耗的时间也被记录下来，并与之前的计时进行累加。

每日结束时，系统将当日的开机时长和运行时长进行统计并将结果存入数据库，方便日后查询。经过一个月的采集，可以在人机界面中查看到该机床运行时长的所有记录。从记录的结果来看，记录的数据与机床实际运行情况是完全相符的。

3.3 联网试验 用一个采集箱、一台人机界面（模拟一个采集箱）和一台计算机组成一个采集系统，进行编程和设置后进行联网测试，验证上位机的监视和控制功能。从图4可以看出上位机接收并显示了设备1和设备2的运行状态信息，具备了远程集中监控管理功能。

4 研究结论

经过前期调研和多项试验验证，证明了通过采集能够反映机床运行状态的开关量特征信号，可以实现对机床是否运行进行判断。以此方法建立的数控加工中心运行时间采集系统能够实现机床运行时间的采集和记录，并且可以进行联网和集中监控。优势：投入成本低，容易实现；每台机床都是一个独立子系统，可以按需配置、灵活调整，不受机床自身软硬件条件限制；PLC和人机界面功能丰富，可以扩展多种监视和控制功能，还能够扩展应用到普通机床和其它科研生产设备中；通过以太网可实现大规模集中监控。不足：采集精度仍需提高。自动程序运行中包含了换刀、测量和其他非加工时间，目前采集到的时间仍然不能完全反映纯粹的加工时间，因此还需要作进一步研究；对于没有计时器或运行指示灯的机床不适用，还要寻找新的解决办法。总之，经过后期的改进完善，该采集系统即可投入使用。如果全面应用，将成为生产管理部门和决策层的重要管理工具。

参考文献：

[1]李斌，李培根.数控技术和装备发展趋势及对策[J].机电产品开发与创新，2002（05）.

[2]聂秋根，张洪兴，袁坤.DNC技术的研究现状与展望[J].机械制造，2002（08）.

[3]赵小惠，孙林岩，张涛.网络化制造资源集成研究[J].中国机械工程，2002（14）.