基于GPRS的多工位冷镦机远程监控系统

顾 艳，汪木兰，赵雪雅

（南京工程学院，先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏 南京 211167）

0 引言

多工位冷镦机是一种加工标准件的锻压机械，其结构复杂，运行速度快，镦锻力大。如果机床调整不当，某一运动部位稍不协调，或者材料硬度偏差较大超过一定范围，都会随时发生故障，甚至设备会严重损坏。多工位冷镦机的故障发生率一般是比较高的，尤其是砸车等常见故障的发生，如不及时1 停机将会导致砸毁夹料钳体，损坏模具等严重后果，致使机床难以修复，停工停产，是冷镦机的操作人员最为担心的事情[1]。

目前，企业正在使用的冷镦机大多数不带有监控系统，在没有采用可靠监控手段的情况下，容易导致废品产生，造成生产效益不能与设备的加工速度同步增长，限制了劳动生产率的提高。采取一种行之有效的监控方法，及时发现和识别冷镦机的常见故障，以做出相应决策，避免严重故障发生，是十分必要的。远程智能监控系统可以实现对设备的实时在线监测，对故障代码进行分析，并提供有效的故障解决方案。这种远程监控系统能够大大提高冷镦机的使用寿命，降低冷镦机的使用和维修成本，为冷镦机操作带来很多便利，也提高了企业生产工艺和管理水平，对我国机械加工自动化的发展将具有很大的促进作用[2,3]。

1 冷镦加工工艺及冷镦机工作原理

1.1 冷镦加工工艺

冷镦加工属于无切削加工，是在常温下，利用坯料的塑性变形，通过模具和一定的镦挤力，在一定的速度作用下，使坯料变成所需形状、尺寸及具有一定性能的零件，其关键是对冷镦模具结构以及镦制工艺的设计。对于一般的冷镦成形加工，根据冷镦工艺的要求，至少有三个工位，对于复杂的零件有的甚至有更多工位同步加工。

1.2 冷镦机工作原理

冷镦机的工序节拍如图1 所示。

多工位冷镦机的主要功能部件由主传动机构、送料机构和人机界面模块等构成，能实现镦压、切料、送料、顶料和机械手送料等动作功能，其总体方框结构如图2 所示。

图2 多工位冷镦机结构示意图Fig.2 Structure of multi-station cold heading machine

2 总体方案

远程监控系统由冷镦机、微处理器、SIM900 模块、GPRS 移动数据和远程维护中心等组成。冷镦机的远程监控系统的硬件组成如图3 所示。

冷镦机的电气控制系统以及数据采集模块进行数据的采集，采集到的数据通过RS-232接口与SIM900 透明数据传输终端相连，通过微处理器对数据进行处理，按协议封装后发送到GPRS 网络。远程维护中心负责对远端发送的数据进行分析与处理，并通过与数据库的连接，实现故障部位和故障原因的分析，然后显示相应的解决方案，同时将有效数据上传到数据库。

图3 监控系统结构框图Fig.3 System architecture of monitoring system

3 监控系统硬件分析

系统硬件由微处理器、GPRS 数据传输模块和数据采集模块构成，主控模块实物如图4 所示。

图4 监控系统主模块实物图Fig.4 The picture of main module for the monitoring system

3.1 微处理器

监控系统采用ARM 公司推出的基于Cotex-M3 内核的STM32 处理器作为嵌入式系统的核心。芯片STM32采用2.0V 到3.6V 电源供电和I/O 引脚，时钟频率可达到72MHz，0 等待周期的存储器，单周期乘法和硬件除法。内部带有256～512KB 的Flash 程序存储器，带有4个片选静态存储器控制器。其集成性高、低功耗、功能强大、价格低廉等特点充分满足了系统的设计要求。

3.2 GPRS 数据传输模块

为了实现用户能够利用计算机远程监控冷镦机，利用了GPRS 模块的数据传输功能。GPRS 是通用分组无线业务的简称，是在GSM 基础上发展出来的一种新型的分组数据承载业务，具有实时在线、按量计费、高速传输、自如切换、快捷登录等优点。特别适用于间断性、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，该技术特点正好适用于工业上的远程监控。

本设计采用SIMCOM 公司的SIM900 GSM/GPRS 模块作为数据传输部分的核心器件。它可以通过发送SMS 短信或者通过内嵌的TCP/IP 协议，连接固定的IP 地址和端口号实现数据的传输。该模块采用了非常强大的ARM926EJS 单芯片处理器，采用工业标准接口，性能稳定，外观小巧，性价比高，工作频率为850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。

STM32 通过AT 指令和SIM900 模块进行通信，整个通信过程可以分为： ①初始化。STM32 处理器发送AT 指令，控制GPRS 模块，完成系统的启动，初始化串口，包括波特率、数据位、停止位、数据流控制、奇偶校验等，如使用AT+IPR= “115200”，把波特率设置为115200b/s；②配置参数。在GPRS 通信过程中，需要使用一些重要的参数，只要配置项有： 设置进入网关、设置移动终端类别、激活GPRS、AT+CGACT=1.1；③建立连接。STM32 利用AT 指令控制GPRSModem 连接服务器，连接成功后即可进行数据的特明传输。

3.3 数据采集模块

本设计需要监测冷镦机的多种电气参数，例如： 各工位镦锻力实时显示，模具、剪切、夹钳、送料系统的故障状况，滑块的运动情况等。可以按照需要选择不同类型的传感器。

4 远程维护平台

本设计采用的数据库管理系统软件为SQL Server 2010，该数据库系统的优点体现在安全性、准确性和运行速度方面，并且处理数据量大，效率高；采用Microsoft 公司的Microsoft Visual Studio 2010 为主要的开发工具，可以与SQL Server 2010 数据库无缝连接： 采用C# 作为开发语言，Microsoft.Net 在应用程序开发领域里开创了一个崭新的时代，C#.NET 语言从C 和C++语言演化而来，是一种简单但功能强大的编程语言。远程维护平台可以进行故障诊断，提出相应的故障排除方案并予以记录保存，然后根据各种实测的状态参数判断出机器的运行情况，计时调整加工工艺参数，从而高效加工出高质量的零件。

首先登陆系统，接着与数据库连接，打开服务器网络端口，准备接收数据。一旦接收到数据，使用字符串在数据库中查询故障部位、故障原因以及解决方法。另外，也可以手动查询故障，并且在数据库内增加记录。相应的界面如图5 所示。

图5 远程维护系统界面Fig.5 Interface of remote maintenance system

5 监控系统软件设计

软件是系统至关重要的部分，本次设计使用Keil4作为系统软件的编译调试软件，本系统软件主要包括STM32 初始化、SIM900 初始化、故障信号采集、故障代码发送等，相应软件流程如图6 所示。

首先给模块上电，完成各个模块的初始化以及开中断，STM32 给SIM900发 送 AT 指令，使得SIM900 连接到GPRS 网 络并登录到服务器，登陆成功后，进入主循环，若接收到故障代码，则发送到远程维护平台，等待下一次故障代码的接收。

图6 监控系统软件主流程图Fig.6 Software flowchart of monitoring system

6 结论

本文对基于GPRS 的嵌入式多工位冷镦机远程监控系统进行了较为系统的介绍，在实际运用中经过反复调试，系统运行较稳定，能及时传送故障代码。冷镦机用户可以在远程维护平台实时监测到冷镦机的运行情况。系统具有低功耗，寿命短，可移植等优点，可以运用在各种数控机床上，有着非常好的发展前景。另外，下阶段还可以开展进一步的研究工作，在远程维护平台以视频的形式实时监测冷镦机的运行状况；增加监控对象，实现对冷镦机群的监控；建立并完善专家系统，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决需要人类专家处理的复杂问题。

[1] 刘志刚.冷镦机故障的在线检测[J].机械工业自动化，2007，4.

[2] 王晓强.冷挤压设备现状及发展[J]. 锻压设备与制造技术，2007，3.

[3] 侯明亮，张金政，张代涛，等. 多工位冷镦机生产过程状态监控方法及数据处理[J]. 莱阳农学院学报，1997，1.

[4] 王永虹，徐伟. STM32 系列ARM Cortex-M3 微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5] 周雪松，许立瑾，邵宝福，等. 基于GPRS 远程监控系统的研究[J].机械设计与制造，2010，1.

[6] 王铁流，冯正乾，周尚，等.基于SIM900 的无线远程海洋监测终端机的设计[J].电子测量技术，2012，12.