CN103941081B - 一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法及系统，该方法首先对待监测机床多能量源和多个功率传感器进行匹配，即分析待监测机床的能量源数量和类型，并在机床能量源上分别安装功率传感器；然后，通过对各功率传感器采集的电功率数据进行处理，获得待监测机床多能量源实时电功率值；最后，分析加工过程的待监测机床多能量源实时电功率值得到待监测机床及待监测机床多能量源的能耗信息。系统用于实现该方法，包括系统配置模块、能耗监测模块、能耗分析模块和结果输出模块。本发明只需对待监测机床的不同数量和类型的能量源进行配置，即可对待监测机床多能量源能耗状态进行实时在线监测和分析，满足生产人员对机床和能量源的能耗信息的需求。

Description

一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法及系统

技术领域

本发明涉及机械制造业能耗、在线监测等领域，尤其涉及一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法及系统。

背景技术

全球气候变暖和碳排放在全球范围都已经提上了议事日程。数控机床量大面广，能量消耗大，其排放对环境影响巨大。正在兴起的绿色制造和低碳经济要求机械制造业对机床能量源能耗状态进行监测以及研究机床能量源能耗监测的方法。近年，国内外学者针对机床能耗状态的监测进行了大量研究。

CN201120320637.0公开的发明名称为《数控机床实时能耗监测系统》的实用新型，公开了一种数控机床实时能耗监测系统，通过柔性互感器技术，可以在不改变数控机床正常电路情况下，给各级供电回路增加电流互感器，监测出各级传动机构的工作电流进而测算出输入电功率，供生产控制人员实时查看。ZL201110095627.6公开的发明名称为《机床主传动系统加工过程能耗信息在线监测方法》的发明专利，公开了一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线监测方法，通过测量机床总输入功率，利用所建立的机床加工过程中主传动系统能量流和主要能耗信息的数学模型，得到机床主传动系统能耗信息的实时数据。CN201210240326.2公开的发明名称为《一种数控车床主传动系统非切削能耗获取方法》的发明专利，其公开方案是通过实验获取主传动系统变频器和主轴电机空载功率、主轴空转摩擦转矩、主传动系统转动惯量、主轴角加速度等模型中的系数值,就可以求出主轴空载和主轴加速的功率和能耗值。

综上所述，现有技术对于机床能耗状态的监测的研究主要针对机床主传动系统和机床总电功率等单个能量源，而单个能量源的能耗监测方法无法将机床的能耗信息透明到多个能量源部件上；目前，功率分析仪等部分采集设备可以同时采集一个以上的能量源功率数据，但主要是采集瞬时功率值等电参数，无法获得机床及其多个能量源的能耗信息。因此，有必要对机床多能量源能耗进行在线监测与分析。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法，通过分析针对待监测机床的不同数量和类型的能量源进行配置，实现对待监测机床各能量源能耗状态的实时在线监测和分析，具体步骤如下：

S1：待监测机床多能量源和多个功率传感器的匹配：分析待监测机床的能量源数量和类型，根据待监测机床的能量源数量确定功率传感器的数量，然后在待监测机床各能量源上分别安装功率传感器；

S2：待监测机床多能量源的数据采集与处理：通过安装的各功率传感器采集待监测机床各能量源的电功率数据，并处理获得待监测机床各能量源的实时电功率值，同时记录各能量源的运行开始时间、各能量源的运行结束时间、待监测机床运行开始时间和待监测机床运行结束时间；

S3：待监测机床的各能量源能耗状态的分析：对步骤S2中得到实时电功率值进行分析得到待监测机床能耗信息和能量源能耗信息。

作为优化，根据公式(1)得到待监测机床的机床总能耗值，根据公式(2)得到能量源能耗值，根据公式(3)得到能量源电功率峰值；根据公式(4)得到待监测机床加工全过程能量利用率：

$E_m={\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt={\mathrm{\ΣE}}_i---\left(1\right);$

$E_i={\∫}_{t_{i-s}}^{t_{i-e}}{P}_{i}dt---\left(2\right);$

P_i-peak＝max{P_i}(3)；

$\mathrm{\η}=E_s/E_m={\∫}_{t_{s-s}}^{t_{s-e}}{p}_{s}dt/{\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt---\left(4\right);$

其中，E_m表示待监测机床的机床总能耗值，P_m表示待监测机床总输入的实时电功率值，t_ms表示待监测机床运行开始时间，t_me表示待监测机床运行结束时间，E_i表示待监测机床的第i个能量源的能耗值，t_i-s表示第i个能量源的运行开始时间，t_i-e表示第i个能量源的运行结束时间，P_i表示待监测机床中第i个能量源的实时电功率值，P_i-peak表示待监测机床中第i个能量源电功率峰值，η表示待监测机床加工全过程能量利用率，E_s表示待监测机床主轴系统能量源的能耗值，t_s-s表示待监测机床主轴系统能量源的运行开始时间，t_s-e表示待监测机床主轴系统能量源的运行结束时间，p_s表示待监测机床主轴系统能量源的实时电功率值。

还提供了一种实现上述机床多能量源的可配置能耗在线监测方法的系统，该系统包括系统配置模块、能耗监测模块、能耗分析模块和结果输出模块；

所述系统配置模块用于根据待监测机床各能量源与功率传感器的物理连接关系生成配置信息，该配置信息包括待监测机床的能量源数量和类型以及各能量源上安装的功率传感器的类型、通信协议和接口信息，所述功率传感器用于采集能量源的电功率数据，并根据通信协议编译成含有电功率数据的报文；

所述能耗监测模块包括多源数据采集子模块、多源数据处理子模块和多源数据显示储存子模块；

所述多源数据采集子模块用于读取安装在待监测机床的各能量源上的功率传感器传输的含有实时电功率数据的报文，并用于记录各能量源运行开始时间、各能量源运行结束时间、待监测机床运行开始时间、待监测机床运行结束时间；多源数据采集子模块将读取的含有实时电功率数据的报文传输至多源数据处理子模块，所述多源数据处理子模块对接收到的含有电功率数据的报文进行处理得到各能量源对应的实时电功率值，并将该实时电功率值传输至多源数据显示储存子模块；所述多源数据显示储存子模块将接收到的实时电功率值进行显示和储存，并将该实时电功率值分别传输至能耗分析模块和结果输出模块；

所述能耗分析模块包括能耗信息处理子模块和能耗信息显示子模块，所述能耗信息处理子模块用于对所接收到的各能量源的实时电功率值进行计算，得到待监测机床总能耗、能量源能耗值、能量源电功率峰值、待监测机床加工全过程能量利用率以及能量源能耗值与机床总能耗的比值，并将机床总能耗、能量源能耗值、能量源电功率峰值、待监测机床加工全过程能量利用率以及能量源能耗值与机床总能耗的比值分别传输至能耗信息显示子模块，所述能耗信息显示子模块显示接收到的数据，并根据接收到的数据形成待监测机床多能量源能耗分布图和待监测机床能耗分布图，传输至结果输出模块；

所述结果输出模块输出能耗信息，所述能耗信息包括电功率曲线图、待监测机床能耗信息、能量源能耗信息、待监测机床能耗分布图和待监测机床多能量源能耗分布图，所述电功率曲线图是由结果输出模块根据接收的各能量源的实时电功率值生成的各能量源在整个加工运行时间段的电功率曲线图。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提供的机床多能量源的可配置的能耗在线监测系统通过对待监测机床的不同数量和类型的能量源进行灵活配置，可以对待监测机床多能量源的实时电功率值和整个加工过程中的机床和机床多能量源能耗信息进行监测和分析，有助于不同的生产参与人员发现机床加工过程的节能潜力。

2、本发明提供的监测方法中只需在待监测机床多能量源上安装功率传感器，就可以实现对机床多能量源的能耗在线监测，简单易行，成本低，容易被实验人员掌握。

3、本发明方法获取的待监测机床能耗信息和能量源能耗信息可为机床能耗特性研究、机床能耗预测和评估、机床节能技术研究、切削参数优化以及生产调度优化等研究提供数据支持，具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1为机床多能量源的可配置能耗在线监测系统的框图。

图2为实施例1中本发明在线监测系统与C2-6136HK数控机床能量源的连接结构图。

图3C2-6136HK数控机床多能量源能耗分布图。

图4C2-6136HK数控机床能耗分布图。

具体实施方式

下面对结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法，通过分析针对待监测机床的不同数量和类型的能量源进行灵活配置，实现对待监测机床各能量源能耗状态的实时在线监测和分析，具体步骤如下：

S1：待监测机床多能量源(即多个能耗部件)和多个功率传感器的匹配：分析待监测机床的能量源数量(可根据不同生产人员对能耗信息的需求来确定)和类型，根据待监测机床的能量源数量确定功率传感器的数量；由于不同数控机床的能量源数量不同，需对待监测机床进行分析，待监测机床的能量源数量也可以直接通过待监测机床说明书获取。然后在待监测机床各能量源上分别安装功率传感器(功率传感器与能量源进行物理连接)；根据待监测机床的能量源上安装的功率传感器的类型，匹配功率传感器的通信协议和接口信息，并设置采样频率，完成待监测机床多能量源和多个功率传感器的匹配。根据能量源与功率传感器的关系、功率传感器的通信协议和接口，布置系统拓扑结构。可选择带Modbus-RTU、ASCII、TCP/IP等通信协议的功率传感器；通信接口有RS－232/422/485串行总线接口、USB接口、以太网接口、GPIB总线接口等。

S2：待监测机床的能量源的数据采集与处理：通过安装的各功率传感器采集待监测机床能量源的电功率数据，并根据通信协议编译成含有电功率数据的报文，将各能量源对应的报文进行处理得到对应的实时电功率值；同时记录各能量源的运行开始时间、各能量源的运行结束时间、待监测机床运行开始时间和待监测机床运行结束时间。

S3：待监测机床各能量源能耗状态的分析：对步骤S2中得到实时电功率值进行分析，得到待监测机床能耗信息和能量源能耗信息。

待监测机床能耗信息具体包括：总能耗、加工全过程能量利用率、基础性能耗、运行动力性能耗、辅助性能耗、待监测机床运行开始时间、待监测机床运行结束时间、待监测机床运行持续时间；能量源能耗信息具体包括：能量源名称、能量源能耗值、能量源运行持续时间、能量源电功率峰值以及能量源能耗值与机床总能耗的比值。加工全过程能量利用率是指整个加工运行持续时间段的监测机床主轴系统能量源的能耗值与机床总能耗值的比值；机床运行动力性能耗由与机床运行载荷相关的能量源消耗的能量构成，包括机床监测机床主轴系统能量源能耗和进给系统能量源能耗；机床辅助性能耗用于支持完成加工任务辅助操作，主要由冷却系统能量源能耗、排屑系统能量源能耗、液压系统能量源能耗构成；机床基础性能耗是在机床总电源开启之后就会相应地开启的能量源消耗的电量，由风机、照明、电箱空调和控制系统等能量源能耗构成。

根据公式(1)得到待监测机床的机床总能耗，根据公式(2)得到能量源能耗值，根据公式(3)得到能量源电功率峰值；根据公式(4)得到待监测机床加工全过程能量利用率；

$E_m={\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt={\mathrm{\ΣE}}_i---\left(1\right);$

$E_i={\∫}_{t_{i-s}}^{t_{i-e}}{P}_{i}dt---\left(2\right);$

P_i-peak＝max{P_i}(3)；

$\mathrm{\η}=E_s/E_m={\∫}_{t_{s-s}}^{t_{s-e}}{p}_{s}dt/{\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt---\left(4\right);$

其中，E_m表示待监测机床的机床总能耗值，P_m表示待监测机床总输入的实时电功率值，t_ms表示待监测机床运行开始时间，t_me表示待监测机床运行结束时间，E_i表示待监测机床的第i个能量源的能耗值，t_i-s表示第i个能量源的运行开始时间，t_i-e表示第i个能量源的运行结束时间，P_i表示待监测机床中第i个能量源的实时电功率值，P_i-peak表示待监测机床中第i个能量源电功率峰值，η表示待监测机床加工全过程能量利用率，E_s表示待监测机床主轴系统能量源的能耗值，与E_i中某一个值相同，t_s-s表示待监测机床主轴系统能量源的运行开始时间，与t_i-s中某一个值相同，t_s-e表示待监测机床主轴系统能量源的运行结束时间，与t_i-e中某一个值相同，p_s待监测机床主轴系统能量源的实时电功率值，与P_i中某一个值相同。

参见图1，一种机床多能量源的可配置能耗在线监测系统，该系统用于实现上述待监测机床多能量源的可配置能耗在线监测方法，具体地该系统包括系统配置模块、能耗监测模块、能耗分析模块和结果输出模块；

系统配置模块用于根据待监测机床各能量源与功率传感器的物理连接关系生成配置信息，该配置信息包括待监测机床的能量源数量和类型以及各能量源上安装的功率传感器的类型、通信协议和接口信息。具体地，在系统配置模块输入能量源的名称和安装在其上的功率传感器名称，匹配通信协议和接口信息，并设置采样频率，完成功率传感器与机床能量源的匹配。功率传感器用于采集能量源的电功率数据，并根据通信协议编译成含有电功率数据的报文；

所述能耗监测模块包括多源数据采集子模块、多源数据处理子模块和多源数据显示储存子模块；

多源数据采集子模块用于读取安装在待监测机床的各能量源上的功率传感器传输的含有实时电功率数据的报文，并用于记录各能量源运行开始时间、各能量源运行结束时间、待监测机床运行开始时间、待监测机床运行结束时间；多源数据采集子模块将读取的含有实时电功率数据的报文传输至多源数据处理子模块，多源数据处理子模块对接收到的含有电功率数据的报文进行处理得到各能量源对应的实时电功率值，并将该实时电功率值传输至多源数据显示储存子模块；多源数据显示储存子模块将接收到的实时电功率值进行显示和储存，并将该实时电功率值分别传输至能耗分析模块和结果输出模块；

多源数据采集子模块在开始采集数据之前，不同生产人员根据对能量源能耗信息的需求，可对特定的能量源进行实时电功率数据的采集，也可对各能量源的实时功率曲线进行隐藏或显示操作。为便于观察能量源数据传输正常与否，配备有指示灯，指示灯有红色、黄色、绿色三种颜色分别表示数据采集的不同状态。红色指示灯表示数据传输物理介质无链接；黄色指示灯表示数据传输物理介质链接正常但无数据传输；绿色指示灯表示数据传输正常。

多源数据处理子模块对接收到的含有电功率数据的报文进行处理，获得报文中的电功率数据，该处理过程是基于已匹配的功率传感器的通信协议，包括通信协议的识别和解析、校验和转换。通讯协议的识别和解析用于与功率传感器的通信协议匹配，获得报文中的电功率数据，校验用于对实时电功率数据进行差错校验，防止传输过程中造成信号失真，转换用于对实时电功率数据进行格式转化。每种通信协议的识别与解析已被模块化，每个模块之间互相独立工作，服从系统的统一管理，并可根据后期的需要进行扩展。当系统配置功率传感器通信协议和接口信息时，该功率传感器的数据处理中的协议的识别和解析模块也相应进行了配置。

能耗分析模块包括能耗信息处理子模块和能耗信息显示子模块，能耗信息处理子模块用于对所接收到的各能量源的实时电功率值进行计算，得到待监测机床总能耗、能量源能耗值、能量源电功率峰值、待监测机床加工全过程能量利用率以及能量源能耗值与机床总能耗的比值，并将机床总能耗、能量源能耗值、能量源电功率峰值、待监测机床加工全过程能量利用率以及能量源能耗值与机床总能耗的比值分别传输至能耗信息显示子模块，能耗信息显示子模块显示接收到的数据，并根据接收到的数据形成待监测机床多能量源能耗分布图和待监测机床能耗分布图，传输至结果输出模块；

能耗信息处理子模块的计算过程如下：

$E_m={\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt=\mathrm{\Σ}{E}_i---\left(1\right);$

$E_i={\∫}_{t_{i-s}}^{t_{i-e}}{P}_{i}dt---\left(2\right);$

P_i-peak＝max{P_i}(3)；

$\mathrm{\η}=E_s/E_m={\∫}_{t_{s-s}}^{t_{s-e}}{p}_{s}dt/{\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt---\left(4\right);$

其中，E_m表示待监测机床的机床总能耗值，P_m表示待监测机床总输入的实时电功率值，t_ms表示待监测机床运行开始时间，t_me表示待监测机床运行结束时间，E_i表示待监测机床的第i个能量源的能耗值，t_i-s表示第i个能量源的运行开始时间，t_i-e表示第i个能量源的运行结束时间，P_i表示待监测机床中第i个能量源的实时电功率值，P_i-peak表示待监测机床中第i个能量源电功率峰值，η表示待监测机床加工全过程能量利用率_，E_s表示待监测机床主轴系统能量源的能耗值，与E_i中某一个值相同，t_s-s表示待监测机床主轴系统能量源的运行开始时间，与t_i-s中某一个值相同，t_s-e表示待监测机床主轴系统能量源的运行结束时间，与t_i-e中某一个值相同，p_s待监测机床主轴系统能量源的实时电功率值，与P_i中某一个值相同。

待监测机床运行开始时间t_ms是指开始采集功率数据的时间即为待监测机床运行开始时间；待监测机床运行结束时间t_me是指采集功率数据的结束时间即为待监测机床运行结束时间；待监测机床运行持续时间t_m(t_m＝t_me-t_ms)是指待监测机床运行结束时间与待监测机床运行开始时间之差。

能量源运行持续时间t_i(t_i＝t_i-e-t_i-s)：将处理后得到的实时功率值存入一个缓存数组BUFF[N],如果该缓存数组中连续出现两个以上大于预设阀值(该阀值为功率传感器的零漂值)的实时功率值时，当前时间为能量源开启运行时间(即t_i-s)，当数组BUFF[N]中出现数据为零或小于功率传感器的零漂值时，当前时间为能量源运行结束时间(即t_i-e)，能量源运行持续时间为能量源运行结束时间与能量源运行开始时间之差。

结果输出模块输出能耗信息，能耗信息包括电功率曲线图、待监测机床能耗信息、能量源能耗信息、待监测机床能耗分布图和待监测机床多能量源能耗分布图，电功率曲线图是由结果输出模块根据接收的各能量源的实时电功率值生成的各能量源在整个加工运行时间段的电功率曲线图；待监测机床能耗分布图由能量源名称、能量源能耗值以及能量源能耗值与待监测机床总能耗的比值构成；待监测机床多能量源能耗分布图由类别能耗名称(即基础性能耗、运行动力性能耗、辅助性能耗)、其能耗值以及其能耗值与待监测机床总能耗的比值构成。

实施例：待监测机床为C2-6136HK数控机床，下面以在C2-6136HK数控机床上切削钢棒的加工过程为例，采用本发明提供的监测方法对其能耗进行在线监测，其过程如下：

步骤1，分析C2-6136HK数控机床的能量源数量，每个机床能耗部件都有相应的能量源，C2-6136HK数控机床的能量源如表1。

表1C2-6136HK数控机床能量源

部件	能量源
		主传动系统	主轴变频电机
进给系统	进给伺服电机
		冷却系统	冷却泵(AB25)

步骤2，在上述的各能量源上对应地安装功率传感器，具体参见图2，在机床主轴变频电机安装带Rs485接口、Modbus-RTU通信协议的EDA9033ED功率传感器，进给伺服电机安装带Rs485接口、Modbus-RTU协议的EDA9033A，冷却泵安装带Rs232接口、ASCII协议的R-8203，由于本案例未完全找出C2-6136HK数控机床能量源，为便于分析计算机床能耗信息，需对C2-6136HK数控机床总输入这一特殊能量源进行监测；在C2-6136HK数控机床总输入处安装带TCP/IP协议的SI3710/15智能无线电量采集单元。

步骤3，在系统配置模块输入能量源的名称和安装在其上的功率传感器名称，匹配功率传感器的通信协议和接口信息，并设置采样频率20Hz，完成功率传感器与机床能量源的匹配；

步骤4，能耗监测。多源数据采集子模块读取安装在待监测机床的三个能量源和机床总输入上的功率传感器传输的含有实时电功率数据的报文。采集到的三个能量源对应的含有实时电功率数据的报文和机床总输入的含有实时电功率数据的报文在多源数据处理子模块中进行处理得到三个能量源的对应的实时电功率值和机床总输入的实时电功率值，多源数据处理子模块将处理后得到的三个能量源对应的实时电功率值和机床总输入的实时电功率值传输至多源数据显示储存子模块，多源数据显示储存子模块将接收到的三个能量源的对应的实时电功率值和机床总输入的实时电功率值进行显示和储存，并将这些实时电功率值传输至能耗分析模块中的能耗信息处理子模块和结果输出模块；

当指示灯处于“黄色”状态，表示数据传输物理介质链接正常但无数据传输；生产人员开启三个能量源对应的功率传感器和机床总输入对应的功率传感器；此时，指示灯处于“绿色”状态表示数据传输正常。多源数据显示储存子模块将三个能量源的实时电功率和机床总输入的实时电功率分别通过实时电功率曲线进行显示。为便于观察，生产人员可以根据需要可对实时电功率曲线进行隐藏或显示操作。三个能量源的实时电功率值和机床总输入的实时电功率值如表2。

表2实时电功率值

日期	时间	主轴变频电机	时间	进给伺服电机	时间	冷却泵	时间	机床总输入
									2014年3月9日	11：19：55	0	11：19：55	0	11：19：55	0	11：19：55	322
2014年3月9日	11：19：55	0	11：19：55	0	11：19：55	0	11：19：55	325
									2014年3月9日	11：19：55	0	11：19：55	0	11：19：55	0	11：19：55	323
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	324
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	327
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	326
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	326
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	327
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	325
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	317
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	318
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	319
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	328
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	324
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	322
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	322
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	318
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	319
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	323
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	328
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	323
2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	324
									2014年3月9日	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	0	11：19：56	325
2014年3月9日	11：19：57	0	11：19：57	0	11：19：57	0	11：19：57	325

步骤5，分析计算子模块对接收到的三个能量源的对应的实时电功率值和机床总输入对应的实时电功率值进行分析，根据公式(1)得到待监测机床的机床总能耗，根据公式(2)分别得到三个能量源的能耗值，根据公式(3)得到三个能量源的电功率峰值，根据公式(4)得到待监测机床加工全过程能量利用率，并将机床总能耗、能量源能耗值、能量源电功率峰值以及能量源能耗值与机床总能耗的比值传输至结果输出模块：

$E_m={\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt---\left(1\right);$

$E_i={\∫}_{t_{i-s}}^{t_{i-e}}{P}_{i}dt---\left(2\right);$

P_i-peak＝max{P_i}(3)；

$\mathrm{\η}=E_s/E_m={\∫}_{t_{s-s}}^{t_{s-e}}{p}_{s}dt/{\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt---\left(4\right);$

其中，E_m表示待监测机床的机床总能耗值，P_m表示待监测机床总输入的实时电功率值，t_ms表示待监测机床运行开始时间，t_me表示待监测机床运行结束时间，E_i表示待监测机床的第i个能量源的能耗值，t_i-s表示第i个能量源的运行开始时间，t_i-e表示第i个能量源的运行结束时间，P_i表示待监测机床中第i个能量源的实时电功率值，P_i-peak表示待监测机床中第i个能量源电功率峰值(在该实施例中i的取值范围为i＝1,2,3，分别表示监测机床主轴系统能量源即主轴变频电机、进给系统能量源即进给伺服电机、冷却系统能量源即冷却泵)，η表示待监测机床加工全过程能量利用率，(在该实施例中E_s＝E₁，t_s-s＝t_1-s，t_s-e＝t_1-e，p_s＝P₁)。

步骤6，结果输出模块输出块能耗信息，该实施例中输出机床能耗信息、能量源能耗信息、机床能耗分布图以及机床能量源能耗分布图。C2-6136HK数控机床能耗信息参见表3，能量源能耗信息参见表4，C2-6136HK数控机床多能量源能耗分布图参见图3，C2-6136HK数控机床能耗分布图参见图4。

表3C2-6136HK数控机床能耗信息

表4能量源能耗信息

注：表中“-”表示“无”

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法，其特征在于通过分析针对待监测机床的不同数量和类型的能量源进行配置，实现对待监测机床各能量源能耗状态的实时在线监测和分析，具体步骤如下：

S1：待监测机床多能量源和多个功率传感器的匹配：分析待监测机床的能量源数量和类型，根据待监测机床的能量源数量确定功率传感器的数量，然后在待监测机床各能量源上分别安装功率传感器；

S2：待监测机床多能量源的数据采集与处理：通过安装的各功率传感器采集待监测机床各能量源的电功率数据，并处理获得待监测机床各能量源的实时电功率值，同时记录各能量源的运行开始时间、各能量源的运行结束时间、待监测机床运行开始时间和待监测机床运行结束时间；

S3：待监测机床的各能量源能耗状态的分析：对步骤S2中得到实时电功率值进行分析得到待监测机床能耗信息和能量源能耗信息。

2.根据权利要求1所述机床多能量源的可配置能耗在线监测方法，其特征在于根据公式(1)得到待监测机床的机床总能耗值，根据公式(2)得到能量源能耗值，根据公式(3)得到能量源电功率峰值；根据公式(4)得到待监测机床加工全过程能量利用率：

$E_m={\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt={\mathrm{\ΣE}}_i---\left(1\right);$

$E_i={\∫}_{t_{i-s}}^{t_{i-e}}{P}_{i}dt---\left(2\right);$

P_i-peak＝max{P_i}(3)；

$\mathrm{\η}=E_s/E_m={\∫}_{t_{s-s}}^{t_{s-e}}{p}_{s}dt/{\∫}_{t_{ms}}^{t_{me}}{P}_{m}dt---\left(4\right);$

其中，E_m表示待监测机床的机床总能耗值，P_m表示待监测机床总输入的实时电功率值，t_ms表示待监测机床运行开始时间，t_me表示待监测机床运行结束时间，E_i表示待监测机床的第i个能量源的能耗值，t_i-s表示第i个能量源的运行开始时间，t_i-e表示第i个能量源的运行结束时间，P_i表示待监测机床中第i个能量源的实时电功率值，P_i-peak表示待监测机床中第i个能量源电功率峰值，η表示待监测机床加工全过程能量利用率，E_s表示待监测机床主轴系统能量源的能耗值，t_s-s表示待监测机床主轴系统能量源的运行开始时间，t_s-e表示待监测机床主轴系统能量源的运行结束时间，p_s表示待监测机床主轴系统能量源的实时电功率值。

3.一种实现权利要求1所述的机床多能量源的可配置能耗在线监测方法的系统，其特征在于包括系统配置模块、能耗监测模块、能耗分析模块和结果输出模块；

所述系统配置模块用于根据待监测机床各能量源与功率传感器的物理连接关系生成配置信息，该配置信息包括待监测机床的能量源数量和类型以及各能量源上安装的功率传感器的类型、通信协议和接口信息，所述功率传感器用于采集能量源的电功率数据，并根据通信协议编译成含有电功率数据的报文；

所述能耗监测模块包括多源数据采集子模块、多源数据处理子模块和多源数据显示储存子模块；

所述多源数据采集子模块用于读取安装在待监测机床的各能量源上的功率传感器传输的含有实时电功率数据的报文，并用于记录各能量源运行开始时间、各能量源运行结束时间、待监测机床运行开始时间和待监测机床运行结束时间；多源数据采集子模块将读取的含有实时电功率数据的报文传输至多源数据处理子模块，所述多源数据处理子模块对接收到的含有电功率数据的报文进行处理得到各能量源对应的实时电功率值，并将该实时电功率值传输至多源数据显示储存子模块；所述多源数据显示储存子模块将接收到的实时电功率值进行显示和储存，并将该实时电功率值分别传输至能耗分析模块和结果输出模块；

所述能耗分析模块包括能耗信息处理子模块和能耗信息显示子模块，所述能耗信息处理子模块用于对所接收到的各能量源的实时电功率值进行计算，得到待监测机床总能耗、能量源能耗值、能量源电功率峰值、待监测机床加工全过程能量利用率以及能量源能耗值与机床总能耗的比值，并将机床总能耗、能量源能耗值、能量源电功率峰值、待监测机床加工全过程能量利用率以及能量源能耗值与机床总能耗的比值分别传输至能耗信息显示子模块，所述能耗信息显示子模块显示接收到的数据，并根据接收到的数据形成待监测机床多能量源能耗分布图和待监测机床能耗分布图，传输至结果输出模块；

所述结果输出模块输出能耗信息，所述能耗信息包括电功率曲线图、待监测机床能耗信息、能量源能耗信息、待监测机床能耗分布图和待监测机床多能量源能耗分布图，所述电功率曲线图是由结果输出模块根据接收的各能量源的实时电功率值生成的各能量源在整个加工运行时间段的电功率曲线图。