CN106371355B - 一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端及方法，包括一CPU控制电路，所述CPU控制电路分别与若干个功能电路连接，所述功能电路包括蜂窝通信电路、输入输出IO电路、以太网通信电路、状态指示电路、存储电路、6轴传感电路、单片机定时控制电路和电源管理电路。本发明通过以太网或数控设备的IO点电器信号获取机床状态信息，以便数控设备与上层管理系统能够进行实时动态的信息交互，保证生产过程受控且能够得到及时地调整。本发明为制造执行系统对底层数据采集提供一种确实有效的方法，在开放式数控设备充分发展和应用普及之前，这种数据采集方法提高了企业生产效率，具有一定的通用性和显著的现实意义。

Description

一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端及方法
技术领域
本发明属于工业智能控制技术领域，具体而言，涉及一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端及方法。
背景技术
制造业信息化将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，能够有效改善制造企业的经营、管理、产品开发和生产等各个环节，提高生产效率、产品质量和企业的经营管理模式，增强企业创新能力，从而实现数字化产品设计制造、自动化生产过程监控、高效化企业资源管理以及网络化信息集成共享等，最终全面提升制造企业的自主创新能力和核心竞争力。
数控加工在现代制造业中越来越普遍，数控设备也成为车间控制层最为重要和常见的自动化设备，是制造企业进行生产和创造价值的基础，也是MES底层监管和控制的对象。但是，由于当前的数控系统多属于封闭式，与上层管理系统缺乏实时动态的信息交互，往往上层生产指令下达到数控设备后，数控设备无法及时的将生产执行状态反馈给上层管理系统，不能形成有效的闭环信息流。对此，需要建立数控设备数据采集以及加工过程监测系统，将机床设备运行状况和工件加工状态信息及时采集并反馈到MES乃至整个企业信息流中，保证生产过程受控且能够得到及时地调整。
总之，研究数控设备的状态信息采集可以及时准确的掌握数控设备的运行状况，为科学编制和动态调整生产计划、探寻制造过程瓶颈资源以及评估生产能力等提供准确可靠的动态数据。数控设备数据采集技术在整个MES系统乃至整个制造业信息化建设中都有着重要的现实意义和经济效益。
发明内容
为了满足数控设备状态信息采集的需求，本发明旨在提供一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端及方法，以便数控设备与上层管理系统能够进行实时动态的信息交互，保证生产过程受控且能够得到及时地调整。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端，包括一CPU控制电路，所述CPU控制电路分别与若干个功能电路连接，所述功能电路包括蜂窝通信电路、输入输出IO电路、以太网通信电路、状态指示电路、存储电路、6轴传感电路、单片机定时控制电路和电源管理电路；
所述CPU控制电路是用于协调所有所述功能电路的有序运行；
所述存储电路是用于安装特定的软件包，以更新或扩展所述智能终端的功能；
所述蜂窝通信电路中植入物联网平台的域名，当所述智能终端上电时，所述蜂窝通信电路自动拨入所述物联网平台的VPDN服务器并自动获取指定的IP地址，与所述物联网平台形成局域网；
所述以太网通信电路具有两个以太网口，其中第一个所述以太网口连接数控设备，第二个所述以太网口连接工厂的局域网；所述以太网通信电路首先通过工厂局域网自动获取IP地址或通过蜂窝网络web访问所述智能终端并设置所述以太网通信电路的IP地址，然后所述智能终端自动根据数控设备MAC地址查找ARP表获取数控设备的IP地址以及端口号，并根据获取的数控设备的IP和端口号做端口映射到所述蜂窝通信电路的IP上；所述物联网平台可通过所述蜂窝通信电路的IP直接读写数控设备上的数据；
所述输入输出IO电路是用于在数控设备没有以太网通信功能或通过以太网无法控制数控设备的某些功能时，通过连接数控设备的IO点，直接读取数控设备的状态或控制数控设备进行相关操作；
所述6轴传感电路是用于在数控设备没有以太网通信功能时直接采样设备的位移和运转状况；
所述单片机定时控制电路和所述电源管理电路是用于给所述智能终端提供稳定的电源，自动检测外部供电状况，在外部电源断开时自动切换锂电池供电，所述单片机定时控制电路开始工作，定时开闭所述智能终端的电源以达到节电功能，定时周期可以通过web设置；
所述状态指示电路是用于反馈所述智能终端各功能电路的工作状态，以便维护人员判断所述智能终端的运行状况。
进一步的，所述CPU控制电路运行的操作系统是openwrt。
进一步的，所述蜂窝通信电路采用物联网VPDN定向卡，制卡时预先植入物联网平台的域名。
一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的方法，包括以下步骤：
步骤0）智能终端上电初始化；
步骤1）智能终端的蜂窝通信电路自动拨入物联网平台的VPDN服务器并自动获取指定的IP地址，与物联网平台形成局域网；
步骤2）通过智能终端的以太网通信电路的第二个以太网口从工厂局域网中自动获取IP地址，或通过蜂窝通信web访问智能终端后手动设置以太网通信电路的IP地址；
步骤3）智能终端自动根据数控设备MAC地址查找ARP表获取IP地址以及端口号；智能终端的软件会根据获取的数控设备的IP和端口号做端口映射到蜂窝通信电路的IP上；
步骤4）物联网平台可通过蜂窝通信电路的IP直接读写数控设备上的数据，或通过蜂窝通信web访问智能终端，利用智能终端的输入输出IO电路从数控设备的IO点上直接读取或设置数控设备的状态；
步骤5）若所进行采样的数控设备没有以太网通信功能，则智能终端的6轴传感电路对数控设备的位移和运转状况进行直接采样；
步骤6）智能终端将采集到的数控设备数据分批次发送给数据采集云；
步骤7）技术人员利用工厂计算机登录物联网平台，并提出数据查看请求，数据采集云将对应的数控设备数据显示在物联网平台的显示页面上；
步骤8）结束。
进一步的，步骤1）中，智能终端的蜂窝通信电路所获取的IP地址是预先设定在VPDN服务器地址池中的，与智能终端的MAC地址匹配。
进一步的，物联网平台可通过web访问智能终端设置智能终端的功能点，包括锂电池供电时的系统唤醒周期。
进一步的，物联网平台可通过web访问智能终端升级软件包以更新智能终端的功能。
进一步的，物联网平台可通过web访问智能终端安装软件包以扩展智能终端的功能。
进一步的，物联网平台可通过web访问智能终端设置多个数控设备的端口映射，形成网状网络以加强网络传输的鲁棒性。
本发明的有益效果是：
本发明针对数控设备状态信息采集的需求，建立了一种基于蜂窝通信的数控设备状态信息采集方案。该方案通过以太网或数控设备的IO点电器信号获取机床状态信息，以便数控设备与上层管理系统能够进行实时动态的信息交互，将机床设备运行状况和工件加工状态信息及时采集并反馈到MES乃至整个企业信息流中，保证生产过程受控且能够得到及时地调整。
本发明的智能终端上电后会自动通过蜂窝网络拨入VPDN服务器，服务器根据智能终端的MAC地址分配固定的IP地址；当本发明的智能终端接入工厂局域网时，会自动获取数控设备的IP地址和端口号，并自动转发数控设备的IP和端口号；本发明的智能终端电压自适配数控设备的IO口，用来控制不带以太网的数控设备或控制非以太网能控制的功能点；本发明的智能终端能够实现断电自动切换电池供电，长达30天续航，断电自动切换定时器控制，主电源智能控制切换关闭和打开；本发明的智能终端自带智能传感电路，实时检测数控设备的振动、位移；本发明的智能终端可组成网状网络，避免单个设备故障造成数控设备状态无法采集。
本发明为制造执行系统对底层数据采集提供一种确实有效的方法，在开放式数控设备充分发展和应用普及之前，这种数据采集方法提高了企业生产效率，具有一定的通用性和显著的现实意义。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明智能终端的硬件原理图；
图2为本发明方法的数控设备状态采集流程图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1所示，一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端，包括一CPU控制电路1，所述CPU控制电路1分别与若干个功能电路连接，所述功能电路包括蜂窝通信电路2、输入输出IO电路3、以太网通信电路4、状态指示电路5、存储电路6、6轴传感电路7、单片机定时控制电路8和电源管理电路9；
所述CPU控制电路1是用于协调所有所述功能电路的有序运行；
所述存储电路6是用于安装特定的软件包，以更新或扩展所述智能终端的功能；
所述蜂窝通信电路2中植入物联网平台的域名，当所述智能终端上电时，所述蜂窝通信电路2自动拨入所述物联网平台的VPDN服务器并自动获取指定的IP地址，与所述物联网平台形成局域网；
所述以太网通信电路4具有两个以太网口，其中第一个所述以太网口连接数控设备，第二个所述以太网口连接工厂的局域网；所述以太网通信电路4首先通过工厂局域网自动获取IP地址或通过蜂窝网络web访问所述智能终端并设置所述以太网通信电路4的IP地址，然后所述智能终端自动根据数控设备MAC地址查找ARP表获取数控设备的IP地址以及端口号，并根据获取的数控设备的IP和端口号做端口映射到所述蜂窝通信电路2的IP上；所述物联网平台可通过所述蜂窝通信电路2的IP直接读写数控设备上的数据；
所述输入输出IO电路3是用于在数控设备没有以太网通信功能或通过以太网无法控制数控设备的某些功能时，通过连接数控设备的IO点，直接读取数控设备的状态或控制数控设备进行相关操作；
所述6轴传感电路7是用于在数控设备没有以太网通信功能时直接采样设备的位移和运转状况；
所述单片机定时控制电路8和所述电源管理电路9是用于给所述智能终端提供稳定的电源，自动检测外部供电状况，在外部电源断开时自动切换锂电池供电，所述单片机定时控制电路8开始工作，定时开闭所述智能终端的电源以达到节电功能，定时周期可以通过web设置；
所述状态指示电路5是用于反馈所述智能终端各功能电路的工作状态，以便维护人员判断所述智能终端的运行状况。
进一步的，所述CPU控制电路1运行的操作系统是openwrt。
进一步的，所述蜂窝通信电路2采用物联网VPDN定向卡，制卡时预先植入物联网平台的域名。
参见图2所示，一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的方法，包括以下步骤：
步骤0）智能终端上电初始化；
步骤1）智能终端的蜂窝通信电路2自动拨入物联网平台的VPDN服务器并自动获取指定的IP地址，与物联网平台形成局域网；其中，智能终端的蜂窝通信电路2所获取的IP地址是预先设定在VPDN服务器地址池中的，与智能终端的MAC地址匹配；
步骤2）通过智能终端的以太网通信电路4的第二个以太网口从工厂局域网中自动获取IP地址，或通过蜂窝通信web访问智能终端后手动设置以太网通信电路4的IP地址；
步骤3）智能终端自动根据数控设备MAC地址查找ARP表获取IP地址以及端口号；智能终端的软件会根据获取的数控设备的IP和端口号做端口映射到蜂窝通信电路2的IP上；
步骤4）物联网平台可通过蜂窝通信电路2的IP直接读写数控设备上的数据，或通过蜂窝通信web访问智能终端，利用智能终端的输入输出IO电路3从数控设备的IO点上直接读取或设置数控设备的状态；
步骤5）若所进行采样的数控设备没有以太网通信功能，则智能终端的6轴传感电路7对数控设备的位移和运转状况进行直接采样；
步骤6）智能终端将采集到的数控设备数据分批次发送给数据采集云；
步骤7）技术人员利用工厂计算机登录物联网平台，并提出数据查看请求，数据采集云将对应的数控设备数据显示在物联网平台的显示页面上；
步骤8）结束。
进一步的，步骤1）中，智能终端的蜂窝通信电路2所获取的IP地址是预先设定在VPDN服务器地址池中的，与智能终端的MAC地址匹配。
进一步的，物联网平台可通过web访问智能终端设置智能终端的功能点，如锂电池供电时的系统唤醒周期。
进一步的，物联网平台可通过web访问智能终端升级软件包以更新智能终端的功能。
进一步的，物联网平台可通过web访问智能终端安装软件包以扩展智能终端的功能。
进一步的，物联网平台可通过web访问智能终端设置多个数控设备的端口映射，形成网状网络以加强网络传输的鲁棒性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端，其特征在于：包括一CPU控制电路（1），所述CPU控制电路（1）分别与若干个功能电路连接，所述功能电路包括蜂窝通信电路（2）、输入输出IO电路（3）、以太网通信电路（4）、状态指示电路（5）、存储电路（6）、6轴传感电路（7）、单片机定时控制电路（8）和电源管理电路（9）；
所述CPU控制电路（1）是用于协调所有所述功能电路的有序运行；
所述存储电路（6）是用于安装特定的软件包，以更新或扩展所述智能终端的功能；
所述蜂窝通信电路（2）中植入物联网平台的域名，当所述智能终端上电时，所述蜂窝通信电路（2）自动拨入所述物联网平台的VPDN服务器并自动获取指定的IP地址，与所述物联网平台形成局域网；
所述以太网通信电路（4）具有两个以太网口，其中第一个所述以太网口连接数控设备，第二个所述以太网口连接工厂的局域网；所述以太网通信电路（4）首先通过工厂局域网自动获取IP地址或通过蜂窝网络web访问所述智能终端并设置所述以太网通信电路（4）的IP地址，然后所述智能终端自动根据数控设备MAC地址查找ARP表获取数控设备的IP地址以及端口号，并根据获取的数控设备的IP和端口号做端口映射到所述蜂窝通信电路（2）的IP上；所述物联网平台可通过所述蜂窝通信电路（2）的IP直接读写数控设备上的数据；
所述输入输出IO电路（3）是用于在数控设备没有以太网通信功能或通过以太网无法控制数控设备的某些功能时，通过连接数控设备的IO点，直接读取数控设备的状态或控制数控设备进行相关操作；
所述6轴传感电路（7）是用于在数控设备没有以太网通信功能时直接采样设备的位移和运转状况；
所述单片机定时控制电路（8）和所述电源管理电路（9）是用于给所述智能终端提供稳定的电源，自动检测外部供电状况，在外部电源断开时自动切换锂电池供电，所述单片机定时控制电路（8）开始工作，定时开闭所述智能终端的电源以达到节电功能，定时周期可通过web设置；
所述状态指示电路（5）是用于反馈所述智能终端各功能电路的工作状态，以便维护人员判断所述智能终端的运行状况。
2.根据权利要求1所述的通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端，其特征在于：所述CPU控制电路（1）运行的操作系统是openwrt。
3.根据权利要求1所述的通过蜂窝组网采集和控制数控设备的智能终端，其特征在于：所述蜂窝通信电路（2）采用物联网VPDN定向卡，制卡时预先植入物联网平台的域名。
4.一种采用如权利要求1-3任意一项所述的智能终端采集和控制数控设备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤0）智能终端上电初始化；
步骤1）智能终端的蜂窝通信电路（2）自动拨入物联网平台的VPDN服务器并自动获取指定的IP地址，与物联网平台形成局域网；
步骤2）通过智能终端的以太网通信电路（4）的第二个以太网口从工厂局域网中自动获取IP地址，或通过蜂窝通信web访问智能终端后手动设置以太网通信电路（4）的IP地址；
步骤3）智能终端自动根据数控设备MAC地址查找ARP表获取IP地址以及端口号；智能终端的软件会根据获取的数控设备的IP和端口号做端口映射到蜂窝通信电路（2）的IP上；
步骤4）物联网平台可通过蜂窝通信电路（2）的IP直接读写数控设备上的数据，或通过蜂窝通信web访问智能终端，利用智能终端的输入输出IO电路（3）从数控设备的IO点上直接读取或设置数控设备的状态；
步骤5）若所进行采样的数控设备没有以太网通信功能，则智能终端的6轴传感电路（7）对数控设备的位移和运转状况进行直接采样；
步骤6）智能终端将采集到的数控设备数据分批次发送给数据采集云；
步骤7）技术人员利用工厂计算机登录物联网平台，并提出数据查看请求，数据采集云将对应的数控设备数据显示在物联网平台的显示页面上；
步骤8）结束。
5.根据权利要求4所述的采集和控制数控设备的方法，其特征在于：步骤1）中，智能终端的蜂窝通信电路（2）所获取的IP地址是预先设定在VPDN服务器地址池中的，与智能终端的MAC地址匹配。
6.根据权利要求4所述的采集和控制数控设备的方法，其特征在于：物联网平台可通过web访问智能终端设置智能终端的功能点。
7.根据权利要求4所述的采集和控制数控设备的方法，其特征在于：可设置的智能终端的功能点包括锂电池供电时的系统唤醒周期。
8.根据权利要求4所述的采集和控制数控设备的方法，其特征在于：物联网平台可通过web访问智能终端升级软件包以更新智能终端的功能。
9.根据权利要求4所述的采集和控制数控设备的方法，其特征在于：物联网平台可通过web访问智能终端安装软件包以扩展智能终端的功能。
10.根据权利要求4所述的采集和控制数控设备的方法，其特征在于：物联网平台可通过web访问智能终端设置多个数控设备的端口映射，形成网状网络以加强网络传输的鲁棒性。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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