基于NB—IoT的智能機(jī)床控制器設(shè)計(jì)

李鑫

【摘 要】工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前設(shè)備信息化的一種組網(wǎng)方式，現(xiàn)在各個(gè)運(yùn)營商主推的物聯(lián)網(wǎng)方式為窄帶物聯(lián)網(wǎng)也就是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。隨著我國工業(yè)化水平越來越高，需要從低端產(chǎn)品制造到高端設(shè)備制造的轉(zhuǎn)化，現(xiàn)在利用智能物聯(lián)網(wǎng)是最好的選擇。在機(jī)床控制器中采用多種通信方式以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制手段實(shí)現(xiàn)機(jī)器加工設(shè)備自動(dòng)化以及信息化。

【關(guān)鍵詞】窄帶物聯(lián)網(wǎng)；通信方式；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）24-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.036

0 引言

工業(yè)的發(fā)展離不開機(jī)床，當(dāng)代機(jī)床發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了智能化、一體化、信息化的時(shí)代，但有一些小型機(jī)床還不能實(shí)現(xiàn)這些功能。為了在不提高成本的情況下，將這些機(jī)床進(jìn)行信息化改造，成為可以聯(lián)機(jī)，聯(lián)網(wǎng)，模塊化裝備的智能機(jī)床。在設(shè)備的研制過程中主要解決了設(shè)備信息化能力，采用LPC11xx系列處理器，在50MHz主頻下可以穩(wěn)定長(zhǎng)期工作，并對(duì)機(jī)床的各種操作進(jìn)行記錄并將信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)。采用了新型的NB-IOT通信模塊，可以將設(shè)備的主要信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云平臺(tái)。在設(shè)備之間采用了短距離傳輸協(xié)議ZigBee，通過通信協(xié)議將設(shè)備信息進(jìn)行交換，將設(shè)備之間的流程進(jìn)行管理和維護(hù)。

1 智能機(jī)床的構(gòu)成

當(dāng)前機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)為控制器，執(zhí)行器，反饋系統(tǒng)，組成的閉環(huán)控制。在這個(gè)系統(tǒng)中，處理器的作用非常重要，多數(shù)機(jī)床選擇使用PLC為主要控制器，在PLC控制下使用變頻電機(jī)帶動(dòng)設(shè)備進(jìn)行加工，由于PLC本身在通信以及信息化的局限性，不能提供更多更可靠的服務(wù)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為一種創(chuàng)新的應(yīng)用技術(shù)，目前在眾多領(lǐng)域的普遍應(yīng)用為智能機(jī)床工作情況監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的進(jìn)步帶來了更多便利條件，在提高機(jī)床系統(tǒng)故障預(yù)防診斷能力、減少重大故障以及過度維修、改善系統(tǒng)保障模式等方面發(fā)揮了極大的效用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益并為環(huán)保節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)。

智能機(jī)床控制系統(tǒng)主要構(gòu)成為：機(jī)床主控制器，傳感器系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)ZigBee通信系統(tǒng)，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)里，可以單獨(dú)使用某特種機(jī)床設(shè)備，也可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成機(jī)床加工生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)模塊化工作。

2 NB-IoT傳輸模塊

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）是由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的窄帶射頻技術(shù)，因此得名。主要有以下特點(diǎn)：

2.1 覆蓋范圍比較大

NB-IoT比LTE增益增加了20db，增益增加也就意味著功率比LTE增加了100倍，覆蓋能力提升了。在高增益下，一些以前不能聯(lián)通的比如地下室，車庫等地方也可以直接上線，提高了設(shè)備可利用率。

2.2 功耗非常低：可延長(zhǎng)電池使用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年

雖然NB-IoT設(shè)備的增益增加了，但是它本身的功耗卻降低了。設(shè)備在進(jìn)行調(diào)制解調(diào)以及功率放大過程中可以調(diào)節(jié)功率，因?yàn)樵O(shè)備主要是用在小數(shù)據(jù)量，小速率設(shè)備上，使得設(shè)備功耗非常小，保障電池10年以上的使用壽命。

2.3 降低設(shè)備成本

因?yàn)镹B-IoT設(shè)備的芯片比較小，集成度比較高，使得芯片以及模塊的面積比較小，使得制作成本比較低。這樣的化價(jià)格也比較小，比一般的4G模塊便宜一半。

2.4 海量連接：每小區(qū)可達(dá)10萬連接

NB-IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升，在同一個(gè)基站下可以連接的設(shè)備數(shù)量也是非常大的。

NB-IoT典型電路如下：

采用了控制器lpc1114和NB-IoT通信模塊的通信控制結(jié)構(gòu)，在這個(gè)控制過程中，主控制器擔(dān)負(fù)起對(duì)傳感器反饋信息處理以及對(duì)設(shè)備執(zhí)行器相關(guān)操作。在設(shè)備運(yùn)行期間將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及加工產(chǎn)品信息上傳到云平臺(tái)以方便用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢和更改信息。

3 系統(tǒng)軟件流程

機(jī)床控制器采用了無線組網(wǎng)方式，采用競(jìng)爭(zhēng)方式對(duì)整個(gè)設(shè)備生產(chǎn)線設(shè)備的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行定義，優(yōu)先級(jí)數(shù)值越小，級(jí)別越高。在設(shè)備內(nèi)部組網(wǎng)使用ZigBee協(xié)議，短距離，自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的調(diào)用和生產(chǎn)過程協(xié)商。

在程序流程中，為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)難度采用通信模塊進(jìn)行編程，在整個(gè)通信過程中主要采用串口為標(biāo)準(zhǔn)通信方式。通行過程中，采用自定義幀結(jié)構(gòu)為主要通信幀結(jié)構(gòu)：

通信采用串口通信，在通信過程中將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)幀采用隊(duì)列的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)添加，在獲得數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志之后，進(jìn)行統(tǒng)一發(fā)送與數(shù)據(jù)處理。在此幀結(jié)構(gòu)中，幀頭統(tǒng)一為0XAA，0X55，在類型中第一個(gè)字節(jié)為0X11表示采用NB-IoT，高4位表示是否啟用NB-IoT，低4位表示采用CoAP等無線協(xié)議。ZigBee采用0X11，高4位表示是否啟用ZigBee，低4位表示設(shè)備狀態(tài)，HOST為1個(gè)字節(jié)表示設(shè)備號(hào)，NO表示優(yōu)先級(jí)。

在設(shè)備運(yùn)行過程中，依據(jù)流程圖依次開始自檢，啟動(dòng)ZigBee優(yōu)先級(jí)協(xié)商，完成之后產(chǎn)生一個(gè)主機(jī)，其他都是從機(jī)，主機(jī)會(huì)取得設(shè)備流程方法，并將按照方法將設(shè)備I的各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行收集，并且根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)獲得信息之后總體協(xié)調(diào)設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化。

4 結(jié)論

通過測(cè)試本系統(tǒng)在線運(yùn)行良好，機(jī)床控制器將加工工件信息以及工作狀態(tài)信息有效的傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)，并能夠準(zhǔn)確執(zhí)行加工流程。在普通機(jī)床基礎(chǔ)上進(jìn)行的智能化升級(jí)改造有效的解決了遠(yuǎn)程查看，遠(yuǎn)程控制等問題，使得機(jī)床的附加值有效增加，提高機(jī)床制造智能化水平，降低了用戶的使用成本。

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