基于物联网的机床智能管理信息系统分析研究

李凌乐

（许昌学院，许昌 461000）

实训教学是高等院校培养应用型高素质人才的重要实践环节。提高实训室的管理水平和机床利用率是高等院校亟待解决的问题。传统的实训室管理方式是管理员定期管理和定期检查，少部分的科研院所增加了信息化的辅助，能够对实训室的内部环境进行检测和监控。随着物联网技术的发展和实化应用，借助新的技术设备对实训室的设备信息进行实时采集和智能管控，可以方便实训室设备的有效管理。

1 高校实训室管理现状

高校实训室是进行实训教学、开展科学验证、培养学生应用技能的重要基地，也是学校教学科研工作的重要组成部分。实训室建设与管理水平直接关系到人才培养的质量。

高校数控机床实训室是离散制造设备，在实训教学、工件加工、设备的使用与管理等方面存在以下问题：第一，设备的利用率、生产效率低下，设备使用数据均靠人工统计，无法实时获取，且获取信息不准确；第二，车间设备现有数控系统复杂，数据接口不一，信息化程度不均衡，设备信息没有互联互通；第三，数控程序的管理与使用杂乱，程序没有备份，且程序的仿真与输入缺乏权限管理；第四，设备的日常管理与维护维修仅靠人工随机完成，不能及时获知设备的管理与维护信息，设备故障及原因反馈不及时；第五，实训课程模块与机床的对应信息仅靠人工设置，不能全面覆盖机床使用类型和及时获取机床使用信息。

近年来，针对实验室管理，已经有公司研发了信息管理系统商业软件，如英普斯软件有限公司研发的Inpro LIMS、北京中科科仪计算技术有限公司研发的SISC LIMS以及北京汇博瑞科技有限责任公司研发的LabBuilder LIMS等[1]。这些管理软件已面向标准化的成熟公司应用。高校的实验实训室、设备资源要以实验实训室为单元进行安排，具有独特性，而且随着实验室的不断建设，设备也在不断更新变化。实验实训课程设置有基础课程，同时包含根据科技发展和科研成果所设置的创新前沿课程模块，且在不断发生变化。高校实验实训室既分散又不断更新变化，因此结合高校实验实训室的教学和管理要求，针对高校实验实训室的管理信息系统具有很大的研究空间。

2 物联网技术及其在机床管理中的应用

物联网（Internet of Things，IoT）的概念是在1999年提出的，最初叫传感网。该技术起源于传媒领域，是信息科技产业的第三次革命。物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议将物体与网络相连接，通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪以及监管等功能。物联网是一个基于互联网、传统电信网络等的信息承载体，使所有能够被独立寻址的普通物理对象互联互通。简言之，物联网就是通过信息传感设备将物体与互联网连接起来，从而实现物物相通的智能识别和管理系统[2]。

工业物联网通过工业资源的网络互联、数据互通和系统互相操作，实现制造过程的合理优化和制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建的服务驱动型新工业体系[3]。目前，物联网在数控机床管理中的应用研究较多，主要体现在数控机床联网系统和数控机床监测系统。例如：梅梅的《智能工厂之数控机床联网》中，系统由现场设备、应用服务器、IoT云平台等通过以太网和无线传输进行联网实施智能工厂，实现了工厂的完全信息化管理，消除了信息孤岛，提高了机床管理和使用的信息化和智能化[4]。李响的《基于物联网的数控机床检测系统设计》利用物联网技术设计实现了实时监测、低成本和可二次开发的数控机床状态监测系统[5]。陈亮的《数控机床联网系统设计与实现》，设计实现了一种机床联网系统解决方案，以以太网通信为基础，采用统一通信协议和数据格式，针对不同的机床设计网络终端转化为机床能识别的通信协议和数据格式进行通信，实现了机床的实时状态监测和工作日志、加工记录等信息的管理等[6]。

3 实训室机床管理信息系统构建

以许昌学院数控加工实训室为研究对象，该实训室的智能管理信息系统目前硬件设备主要有DMG-5轴加工中心、Mazak-立式加工中心、KUKA-工业机器人、Mazak-4轴车削中心、Nachi-工业机器人、德西数控铣床以及沈阳一机床数控车床等。该实训室主要承接机械类、近机械类、电气类、近电气类专业本科生的数控加工、数控编程、数控机床拆装与维修等专业实践类课程和部分相关的创新实践课程。

数控系统是数控机床的核心构成，可通过RS232C接口、以太网接口、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的I/O接口、现场总线结构等方式与外部设备进行数据交换。将实训室数控机床面向智能管理有机联网，可解决实训室信息集成问题，而且能够对实训室机床的生产信息、技术准备、数控编程代码及加工操作等基本信息进行集中管理，也方便开发定制基于机床联网的自动化生产线项目管理。此外，数控机床、工业机器人、物流小车、自动上下料以及智能仓储等生产设备也可进行联网并直接参与生产，通常采用PLC实现逻辑控制。高端数控系统具有现场总线接口，可与其他自动化设备组成现场网络，从而实现机床之间的联网智能管理。

实训室硬件联网系统由数控设备、应用服务器以及云端IoT云平台共同组成。该系统支持有线（以太网）和无线（Wi-Fi）传输。其中：对于有网口的新式数控机床（Computer Numerical Control，CNC）设备采用直接连接；对于只有串口的CNC可以采用串口以太网转换器。系统有本地部署和云端部署两种方式[4]。其中，应用服务器优先设置本地部署。该服务器和CNC一起部署在车间时，最多可支持256个CNC设备。应用服务器和IoT一起部署在云端时，要在设备层扩展设备连接模块（如串口到以太网转换器、串口到无线转换器等），从而使应用服务器可以直接访问设备。机床联网方案的网络结构图如图1所示。

3.1 系统总体设计

根据数控实训室的实际管理及教学运行需求进行调查分析，本系统主要包括机床设备管理、实训教学管理、实训室开放管理以及系统管理等4大功能模块。实训室机床管理信息系统功能结构图如图2所示。

3.2 机床信息管理

机床信息管理模块是本系统的一个突出创新功能，包括机床数字化信息管理、机床信息管理、机床维护保修等模块。该模块能够基于实训室内机床的互联互通，将不同的数控机床通过网络进行连接，并打通数据接口，使实训室机床信息化，从而实现机床管理的智能化。

机床信息管理模块主要负责在数据库内录入机床设备信息，包括机床的类型、设备名称、设备购入时间、厂商、管理负责人、联网接口方式、操作系统、支持系统、联网状态和在线状态等。机床信息模块可新增、删除、管理机床的详细信息。通过数控机床的联网管理，可以在线为教师和同学提供详细的机床信息和实训操作信息，从而提高数控机床的利用率，可以快速对机床的使用状态和信息进行管理和任务分派。另外，机床的使用和排课信息可实时在线更新并存储，从而为机床的数据统计和分析提供准确的原始数据。

机床数字化信息管理可对数控机床的加工程序及相关信息进行数字化的录入、管理与维护，而且可在此模块开发数控机床的联网加工单元，并单独进行管理类维护。同时，机床维护保修模块可支持智能化的机床管理，可通过设置维保周期对机床进行常规的维护和保养。另外，对于出现故障的机床，可录入故障及处理情况，以方便机床的后期使用和保养。

3.3 实训教学管理

在高校教学工作中，实训教学与理论教学有着同等重要的地位，是高校培养学生应用技术能力和创新能力的重要环节。实践教学的管理涉及实践学生、实验实训室、实训教师以及实验室设备等多个方面，而且实践教学管理的质量和效率也会影响实训教学的安排和落实。实训教学管理模块能够有效解决高校实训教学的管理流程，使得实训教学更加顺畅合理。

本管理模块包括实训课程管理、实训机床预约、实训教师管理以及实训成绩管理等模块。实训课程管理主要是以实验室机床设备为基础，可为机械类及近机械类专业提供实训课程。随着科技的发展和高校实训室内设备的变化，实训课程可根据情况实时进行增删，增加了实训课程安排的灵活性。同时，可结合科技发展前言和新设备情况及时设置新课程，以提高学生接触和学习前言科技的便捷性。实训机床预约可为学生提供开放性的实训设备，为有兴趣有创新想法的同学提供实训机会，从而满足学生不同的学习需求。实训教师管理可提供实训室内机床的实训教师管理信息，使得实训课程的讲授、设备的使用和维护更加有针对性，同时能使信息传递更加顺畅和透明。实训成绩管理模块可提供学生的实训成绩，并为学生提供一些设备使用的前期知识和考核，使实训的教与学更加立体化和多样化。

3.4 开放项目管理

开放项目管理主要针对一些有实际加工需求的教师和学生而设置。该项目管理支持课程环节、大学生科技创新竞赛项目、卓越工程师项目以及工程教育认证项目等内容。其中：课程环节包括课程设计及毕业设计的实物制作、大学生科技创新竞赛项目与大学生工程训练竞赛以及机器人比赛等；卓越工程师项目包括师生共同参与的创新实践项目等；工程教育认证项目包括工程实训实物制作项目等。

3.5 系统管理

系统管理包括用户管理、权限管理、系统日志管理和系统数据管理等模块。针对不同的需求，访问时需要设置不同的权限管理和用户管理。为了方便系统的管理，用户管理只针对教学管理人员、实验室管理人员和实训学生。系统日志管理可以查询用户的登录等信息。系统数据可导出，从而方便进行大数据统计分析。

4 系统建设目标

4.1 系统架构

目前，信息管理信息系统的部署方式有B/S架构、C/S架构以及3层C/S和B/S混合架构。采用B/S结构设计时，这种结构客户端较为简化，用户打开计算机浏览器即可实现操作。当用户通过Web浏览器向服务器发出请求时，服务器将完成访问数据库以及执行应用程序的工作，并将数据请求的处理结果返回到浏览器。B/S架构客户端免安装，具备良好的浏览器兼容性，可同时满足管理人员、学生等不同的用户需求。C/S架构具备技术成熟、交互性强、存取模式安全可靠、相应速度快等特点，但此架构缺少通用性，系统维护升级及数据拓展难度较大，仅适合于局域网。C/S和B/S混合架构使用和操作方便，数据安全性较高，但也带来了管理人员的工作流程复杂等问题，而且此混合模式的升级更新等涉及开发的问题对软件公司的依赖性较大，有一定的管理成本。因此，鉴于使用和管理的便捷性，可优先选择系统架构为B/S构架。若考虑数据的安全性，可使用B/S和C/S混合模式。

4.2 建设目标

基于物联网的机床智能管理信息系统的建设目标及建设效果如下。首先，完善实训室的智能管理，设备使用数据不再靠人工统计获取，实现实训室数据管理的数字化，以便数据获取实时、全面、有效。该系统可使用大数据的统计和分析了解实训室内机床设备的使用率，从而有效管理机床。其次，实现数控机床的智能联网，将不同接口不同类型的数控机床信息数字化，并录入系统进行统一管理。另外，机床的智能联网实现了数控机床间的相互通信，可开发典型的生产线，从而提高实训机床管理整体的智能水平，为教师科研和学生学习数控机床的智能管理提供平台。再次，实现实验室的分级管理，通过设置不同用户的权限，使得信息数据能够针对不同用户，从而方便系统的分级管理，使实训室管理及使用更加便捷顺畅。最后，实现机床设备的智能化维护，可通过定时设置维修维护时间，更好地满足实训室数控机床硬件设备的智能化管理。

5 结语

针对目前实训室管理的实际问题和需求，分析设计了基于物联网的机床智能管理信息系统。设计过程中，先将实训室离散的数控机床通过联网整合在一起，使得实训室设备达到了数字化的要求。在此基础上，根据数控机床智能管理和实训课程排课的实际需求，设计了信息管理系统的主要模块。该管理信息系统的构建实施，可以提高实验室设备的智能管理水平和机床的利用率。同时，机床设备的智能化管理也可为实训室管理人员提供便捷和良好的使用环境，对于数控机床数据的统计和大数据分析都有很大帮助。