CN109637108A - 一种基于触摸屏的机床联网信息采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于触摸屏的机床联网信息采集系统基方法，涉及设备监控管理技术领域，能够实现非数控机床设备的在线互联，对非数控机床的状态进行监测和管理，改善企业各部分生产状况同步性差的状况，提高企业的生产效率；该系统包括主服务器、可编程触摸屏和信号采集器；所述信号采集器的采集端与机床连接，用于采集机床信息，输出端与所述可编程触摸屏连接将机床信息传输给触摸屏，所述可编程触摸屏与所述主服务器连接，以响应命令的方式将机床信息传送给主服务器进行处理。本发明提供的技术方案适用于非数控机床设备在线互联管理的过程中。

Description

一种基于触摸屏的机床联网信息采集系统及方法

【技术领域】

本发明涉及设备监控管理技术领域，尤其涉及一种基于触摸屏的机床联网信息采集系统及方法。

【背景技术】

在“互联网+智能制造”体系结构下，很多制造业相继对其生产设备进行了联网管理，使得生产更加智能化。其中，机床设备的互联对于机械部品的制造能够提供很好的辅助作用，降低机床维护成本、提高生产效率和生产质量，符合企业和社会的发展趋势。

目前的非数控机床互联往往采用嵌入式的采集终端，在嵌入式电路板中加设网络模块进行通信，网络模块通常采用10M半双工UDP通信，该通信方式效率低、不稳定，不能满足现代化的需要。除此之外，嵌入式的采集终端需要单独设计硬件电路，集成化程度相对较低，出现问题也不容易排查，使得智能制造不智能。因此亟需开发一种集成化程度高，省去硬件电路板设计难度，开发周期短，通讯效率高的系统来进行机床“哑”设备的互联和管理。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种基于触摸屏的机床联网信息采集系统及方法，所述系统能够实现非数控机床设备的在线互联，对非数控机床的状态进行监测和管理，改善企业各部分生产状况同步性差的状况，提高企业的生产效率。

一方面，本发明提供一种基于触摸屏的机床联网信息采集系统，其特征在于，包括主服务器、可编程触摸屏和信号采集器；其中，

所述信号采集器的采集端与机床连接，用来采集所述机床的基本信息、电流信息、主轴通断信息、设备状态信息、停机信息、维护保养信息和/或生产信息；

所述信号采集器的输出端与所述可编程触摸屏连接，所述可编程触摸屏接收、储存所述信号采集器发来的上述信息；

所述可编程触摸屏与所述主服务器连接，所述主服务器上设有预设定时，每间隔一定时间段向所述可编程触摸屏发送一次读写指令，用于即使更新机床的状态信息。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述可编程触摸屏选用型号为TPC7062Ti的嵌入式一体化触摸屏。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述信号采集器包括内空的方形壳体，所述壳体内部设有电流采集单元和电源开关；所述电源开关的输入端与市电电源线连接，所述电源开关的24V DC输出端与所述电流采集单元连接；所述电源开关的5V DC输出端与所述可编程触摸屏连接；所述电流采集单元的采集端与机床主电缆连接，所述电流采集单元的输出端与所述可编程触摸屏连接；所述壳体内穿设有主轴继电器信号线，所述主轴继电器信号线与所述可编程触摸屏连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电流采集单元包括电流互感器，所述电流互感器与所述可编程触摸屏内嵌的ADC模数转换器连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述信号采集器与对应的所述可编程触摸屏的连接方式为串行总线连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述可编程触摸屏与所述主服务器之间的通信协议为ModbusTCP协议。

另一方面，本发明提供一种适用于上述任一所述的基于触摸屏的机床联网信息采集系统的方法，其特征在于，由信号采集器采集机床信息并上传给可编程触摸屏；所述可编程触摸屏接收、储存所述信号采集器发来的信息，并对主服务器的命令进行响应，实现所述可编程触摸屏与所述主服务器之间的通信；所述主服务器上设有预设了定时时间段的定时器，所述主服务器每间隔所述定时时间段向所述可编程触摸屏发送一个读写指令，用于及时更新机床的状态信息；所述主服务器对所述状态信息进行存储、统计和处理。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述可编程触摸屏对所述主服务器的命令响应方式为单次请求、单次响应。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述可编程触摸屏与所述主服务器之间的通信协议为ModbusTCP协议。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述信号采集器和所述可编程触摸屏之间采用RS232/RS485通信。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：通过对采集的机床的运行状态进行实时监测，对采集到的数据进行统计分析并得出报表，可客观、充分和全面了解设备的运行情况，便于实现资源共享，为设备精益化管理提供决策依据。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的机床联网信息采集系统的拓扑结构图；

图2是本发明一个实施例提供的机床联网信息采集系统的信号采集器结构图；

图3是本发明一个实施例提供的机床联网信息采集系统的电流采样电路原理图；

图4是本发明一个实施例提供的机床联网信息采集系统的工作流程图。

其中，图中：

壳体-1；航空插头-2；机床主电缆-3；主轴继电器信号线-4；电源线-5。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

依据“互联网+智能制造”体系结构，为了实现厂区内全产业链各环节的业务协同，实现机床设备的在线互联，基于触摸屏和ModbusTCP通信协议，研发设计一套面向非数控机床的信息采集处理系统。通过该系统可实现上位机与“哑”设备之间信息的上传与下达，实现与“哑”设备的人机互动，进而实现对“哑”设备的实时监控。

信号采集采用ADC模块，将模拟量信号(4--20mA电流信号)采集转换，然后通过485接口，将信号以标准modbusRTU从站协议传输至触摸屏。

信息采集系统中下位机采用昆仑通态工业触摸屏，通过采集模块(即信号采集器)将机床主电流、主轴通断等信息通过串口反馈给触摸屏，触摸屏上设置开工、完工、复位、确认等软按钮。触摸屏与上位机通过ModbusTCP协议进行通讯，通过触摸屏，上位机服务器可向机床下达任务信息、维护保养信息，机床可向上位机服务器提交任务开工/完工信息，并定时汇报机床开通及运行负载情况，实时申报停机原因。

下位机触摸屏采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司生产的型号为TPC7062Ti的嵌入式一体化触摸屏，该触摸屏同时带有串口和以太网接口，可实现与采集模块和上位机之间的通信。

触摸屏与上位机之间通过ModbusTCP协议进行数据通信。Modbus是一种全开发、非常容易理解和实施的协议，其结合TCP/IP协议形成的ModbusTCP协议具有侦错能力强、数据传输量大、实时性好、开放性好等特点。

图1是本发明一个实施例提供的机床联网信息采集系统的拓扑结构图。如图1所示，每个非数控机床分别与对应的信息采集模块连接；信息采集模块与对应的可编程HMI触摸屏通信连接，连接方式采用串行总线的形式，本实施例的串行总线选用RS232/RS485；可编程HMI触摸屏与主站监控系统，即PC服务器，通信连接，通信协议选用ModbusTCP协议。

图2是本发明一个实施例提供的机床联网信息采集系统的信号采集器结构图。如图2所示，信号采集器，即信号采集模块，包括内空的方形壳体1，壳体1的侧壁上设有航空插头2。壳体1内部设有电流采集单元和电源开关。电源开关为220V AC输入、24V DC和5V DC输出的开关器件，电源开关的输入端与220V AC电源线5连接，电源线5穿过壳体1的侧壁设置。电源开关的24V DC输出端与电流采集单元连接，给电流采集单元的正常工作进行供电；5VDC输出端与航空插头2的第1pin和第2pin连接。电源开关选用中泰经纬电子技术有限公司生产型号为JW25-125-S的电源开关。

电流采集单元用来测量机床主电缆3的电流信号。机床主电缆3穿设在壳体1的侧壁内，并在壳体1内部穿过电流采集单元的测量端，以便电流采集单元对其进行电流值的测量。电流采集单元的输出端与航空插头2的第3pin和第4pin连接。机床主轴继电器信号线4的一端连接机床主轴继电器的控制端，另一端连接航空插头2的第5pin和第6pin，用于采集继电器的通断信号(即主轴的通断信号)，并将该信号通过航空插头2输送给可编程触摸屏。

航空插头2通过电缆与可编程式触摸屏连接。电源开关的5V DC输出端给触摸屏供电。信号采集器通过航空插头2将电流信号、主轴继电器开关信号传输给可编程式触摸屏进行后续处理。

电流采集单元选用华控兴业公司生产型号为HK-T4-1的电流互感器。电流互感器通过航空插头2与内设在可编程触摸屏内部的ADC模数转换器连接。其工作电路图如图3所示。电流采集单元通过电流互感器采样输入电源端电流，输送给可编程触摸屏，再经可编程触摸屏的模数转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号，以便主服务器能够识别和处理。可编程触摸屏将数字的电流信号通过通讯协议传送给主服务器，主服务器根据采样电流的大小判断机床的工作状态，并给出相应的维护指示。

在实际应用中还需要对可编程HMI触摸屏端以及上位机端进行设计。

1、触摸屏端的设计包括对变量进行设计和对通信进行设计。

1)对变量进行设计，根据机床的实际需要，将机床的属性信息、状态信息、故障信息、维护信息等需要监控的信息分别以变量的形式进行设计。本实施例的一个变量设计如表1所示。表1中的寄存器地址对应的是触摸屏内部的寄存器，用来将采集到但还未上传的数据存储于其中。

表1变量设计信息表

2)为了实现与上位机通信，需要在触摸屏中启用通用TCPIP父设备，该设备可通过ModbusTCP协议实现与上位机的数据交换。启用通用TCPIP父设备的具体操作可根据可编程HMI触摸屏的用户使用手册来实际操作。

2、上位机端设计实现

1)触摸屏与上位机通信协议

ModbusTCP协议是在TCP/IP网络协议加上Modbus应用层协议形成的，数据帧称作ADU(Application Data Unit)，整个Modbus帧大小不能超过256个字节，包括报文头、功能代码和数据三个部分，Modbus数据帧的具体形式如表4所示。其中，功能代码和数据组成协议数据单元(PDU)。

表4ModbusTCP数据帧格式

Modbus Header(Modbus应用协议报头，共占用7个字节)，其分为4个部分：Transation identifier为传输标志，占用2个字节，用来标识Modbus帧的次序，每多发送一个Modbus帧，该值加1；Protocol Identifier为协议标识，占用2个字节，用来确定应用层协议是不是Modbus协议，其值为0时表明是Modbus协议，其值为1时表明是UNI-TE协议；Length是长度域，占用2个字节，给出该域后续字节的总和；Unit Identifier是单元标志，占用1个字节，它用来标识Modbus串行线上某个设备单元，用于定义从站的设备地址。

2)本实施例的Modbus协议读写寄存器数据帧定义

基于MCGS触摸屏，下面对标准Modbus协议各寄存器读写的数据帧格式进行详细描述：

a)用06命令写单个寄存器

TX：

第一第二个框里的00 5F 00 00 00 06 01表示报文头，其中第二个框中三维01表示设备地址，本实施例中指触摸屏的ID；第三个框中06表示操作码，也就是写单个寄存器的命令；第四个框中00 00表示寄存器地址；第五个框中00 23表示需要写入的数据。

RX：01 06 00 00 00 06 01 06 00 00 00 17

b)用03命令读输出寄存器

TX：

第一第二个框里的05 4F 00 00 00 06 01表示报文头，其中第二个框中01表示设备地址，本实施例中指触摸屏的ID；第三个框中03表示操作码，也就是读输出寄存器的命令；第四个框中00 00表示所读数据的起始地址；第五个框中00 01表示读取的数据个数。

RX：05 4F 00 00 00 05 01 03 02 00 1B

02表示字节数；00 1B表示寄存器值。

c)用01命令读取线圈状态

TX：

第一第二个框中的1A 73 00 00 00 06 01表示报文头，其中第二个框中的01表示设备地址，本实施例中指触摸屏的ID；第三个框中的01表示操作码，即读取线圈状态命令；第四个框中的00 00表示读取的起始地址；第五个框中的00 0A表示线圈个数。

RX：1A 73 00 00 05 01 01 02 02 00

02表示字节数；02 00表示寄存器值。

根据数据域的每个比特将响应报文中的线圈分成为一个线圈，指示状态为1＝ON和0＝OFF。第一个数据字节的LSB(最低有效位)包括在询问中寻址的输出，其他线圈依次类推。一直到这个字节的最高位为止，并在后续字节中从低位到高位的顺序。

如果返回的输出数量不是8个倍数，将用零填充最后数据字节中剩余比特(一直到字节的高位端)，字节数量域说明了数据的完整字节数。

d)用05命令写单个线圈

TX：

第一第二个框中的22BC 00 00 00 06 01表示报文头，其中第二个框中的01表示设备地址；第三个框中的05表示操作码，即写单个线圈的命令；第四个框中的00 00表示起始地址；第五个框中的FF 00表示要写入的数据，FF 00代表1，00 00代表0。

RX：22 BC 00 00 06 01 05 00 00FF 00

02表示字节数；02 00表示寄存器值。

e)用04命令读输入寄存器

TX：

25 75 00 00 00 06 01表示报文头，其中01表示设备地址；04表示操作码；00 00表示起始地址；00 01表示寄存器个数。

RX：25 75 00 00 00 06 01 04 02 00 59

02表示字节数；00 59表示寄存器数据值。

f)用02命令读输入继电器

TX：

第一个第二个框中25 AC 00 00 00 06 01表示报文头，其中第二个框中01表示设备地址；第三个框中02表示操作码，即读输入继电器命令；第四个框中00 00表示起始地址；第五个框中00 0A表示继电器个数。

RX：25 AC 00 00 00 05 01 02 02 01 00

02表示字节数；01 00表示继电器状态(具体含义同01操作码)。

g)用16命令写多个输出寄存器

TX：

第一个第二个框中25FC 00 00 00 1B 01表示报文头，其中第二个框中01表示设备地址；第三个框中10表示操作码，即写多个输出寄存器命令；第四个框中00 00表示起始地址；第五个框中00 0A表示继电器个数，第六个框中14表示字节数；第七个框中00 17表示要写入的数据1；第八个框中00 35表示要写入的数据2。

RX：25 FC 00 00 00 06 01 10 00 00 00 0A

00 00表示起始地址；00 0A表示寄存器数量。

h)用15命令写多个线圈(输出继电器)

TX：

第一个第二个框中01 AE 00 00 00 08 01表示报文头，其中第二个框中01表示设备地址；第三个框中0F表示操作码，即写多个线圈命令；第四个框中00 00表示起始地址；第五个框中00 02表示线圈数量；第六个框中01表示字节数；第七个框中03表示数据。

RX：01 AE 00 00 00 06 01 0F 00 00 00 02

00 00表示起始地址；00 02表示线圈数量。

例：假如同时写10个线圈，从1号线圈到10号线圈状态分别为1011011101，则TX中字节数为02，数据内容为ED 02(二进制表示为11101101 00000010)。

3)通讯过程

触摸屏的命令响应方式为单次请求，单次响应，所以在上位机程序中设定了一个定时器，间隔一定时间就向触摸屏发送一次读写指令，以便及时更新设备状态信息，通讯过程流程图如图4所示。

先由触摸屏向主服务器发出开机任务请求，主服务器判定是否接收到请，以确定两者之间通信的正常，并开始工作。通过信号采集器对机床的状态信息进行采集，传输给触摸屏，触摸屏根据接收到的机床信息判断机床开工与否，若已开工，则将开工时间上传给主服务器，并实时接收和储存信号采集器采集的机床信息。主服务器内设有定时器，用于定时，实现每隔一定时间由触摸屏向主服务器上传一次采集的机床信息。触摸屏判断是否接收到定时时间到的信号，若接收到了该信号则将这段时间采集的机床主轴开关信息、电流信息等上传给主服务器进行存储、统计和处理，若没有接收到则继续等待求。

本发明采用集成化模块设计，省去了硬件电路板设计难度，开发难度主要集中在软件编程部分，开发周期短。触摸屏可采用组态软件编程，简单迅速。同时，上位机与触摸屏通讯采用ModbusTCP通信协议，对比嵌入式采集模块与上位机采用的UDP通讯协议，数据传输稳定可靠，通讯效率高。

以上对本申请实施例所提供的一种基于触摸屏的机床联网信息采集系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于触摸屏的机床联网信息采集系统，其特征在于，包括主服务器、可编程触摸屏和信号采集器；其中，

所述信号采集器的采集端与机床连接，用来采集所述机床的基本信息、电流信息、主轴通断信息、设备状态信息、停机信息、维护保养信息和/或生产信息；

所述信号采集器的输出端与所述可编程触摸屏连接，所述可编程触摸屏接收、储存所述信号采集器发来的上述信息；

所述可编程触摸屏与所述主服务器连接，所述主服务器上设有预设定时，每间隔一定时间段向所述可编程触摸屏发送一次读写指令，用于即使更新机床的状态信息。

2.根据权利要求1所述的基于触摸屏的机床联网信息采集系统，其特征在于，所述可编程触摸屏与所述主服务器之间的通信协议为ModbusTCP协议。

3.根据权利要求1所述的基于触摸屏的机床联网信息采集系统，其特征在于，所述信号采集器包括内空的壳体（1），所述壳体（1）内部设有电流采集单元和电源开关；所述电源开关的输入端与电源线（5）连接，所述电源开关的24V DC输出端与所述电流采集单元连接；所述电源开关的5V DC输出端与所述可编程触摸屏连接；所述电流采集单元的采集端与机床主电缆（3）连接，所述电流采集单元的输出端与所述可编程触摸屏连接；所述壳体（1）内穿设有主轴继电器信号线（4），所述主轴继电器信号线（4）与所述可编程触摸屏连接。

4.根据权利要求3所述的基于触摸屏的机床联网信息采集系统，其特征在于，所述电流采集单元包括电流互感器，所述电流互感器与所述可编程触摸屏内嵌的ADC模数转换器连接。

5.根据权利要求1所述的基于触摸屏的机床联网信息采集系统，其特征在于，所述信号采集器与对应的所述可编程触摸屏的连接方式为串行总线连接。

6.一种适用于权利要求1-5任一所述的基于触摸屏的机床联网信息采集系统的方法，其特征在于，由信号采集器采集机床信息并上传给可编程触摸屏；所述可编程触摸屏接收、储存所述信号采集器发来的信息，并对主服务器的命令进行响应，实现所述可编程触摸屏与所述主服务器之间的通信；所述主服务器上设有预设了定时时间段的定时器，所述主服务器每间隔所述定时时间段向所述可编程触摸屏发送一个读写指令，用于及时更新机床的状态信息；所述主服务器对所述状态信息进行存储、统计和处理。

7.根据权利要求6所述的基于触摸屏的机床联网信息采集方法，其特征在于，所述可编程触摸屏对所述主服务器的命令响应方式为单次请求、单次响应。

8.根据权利要求6所述的基于触摸屏的机床联网信息采集方法，其特征在于，所述可编程触摸屏与所述主服务器之间的通信协议为ModbusTCP协议。

9.根据权利要求6所述的基于触摸屏的机床联网信息采集方法，其特征在于，所述信号采集器和所述可编程触摸屏之间采用RS232 /RS485通信。