Разработка прототипа системы учёта фактической эксплуатации станков для BVG Group

Заказчик получил оптимальный прототип программно-аппаратной системы, не требующий вмешательства в ранее проложенную трёхфазную силовую сеть, и качественно отслеживающий фактическое время работы станков. Внедрение данного решения позволяет отслеживать случаи нарушения трудовой дисциплины работниками в ночные смены.

Заказчику требовалось настроить учет фактического времени работы станков, чтобы оценить выполнение трудовых обязанностей рабочих в каждую из трех рабочих смен, а именно установить, сколько станков:

Такая потребность возникла из-за ситуаций, когда рабочие периодически оставляли станки, включёнными на всю ночную смену, и уходили спать. В последствии недостаток обработанных деталей компенсировался ими заранее заготовленными деталями в дневные смены.

Заказчик решил изготовить систему учёта электроэнергии, измеряющую сдвиг фаз, по которому можно определить была ли нагрузка на вал или нет. Отсутствие нагрузки означало бы работу станка вхолостую. 

Таким образом требовалось разработать или найти готовое решение, учитывающее сдвиг фаз в трёхфазной электросети, что позволило бы построить график реальной загрузки станка в течение смены.

В ходе мониторинга в сети Интернет были найдены типовые решения на готовых трансформаторах тока и микроконтроллерах. Кроме того, на рынке представлены цифровые электросчётчики, учитывающие (согласно спецификации) как активную, так и реактивную потребляемую мощность.

Но внедрение данных решений потребовало бы существенного изменения системы энергоснабжения станков: перепроектирования кабельной системы силового ввода для каждого станка, а также перепрокладки кабеля. Учитывая требующиеся большие финансовые затраты, необходимость привлечения сертифицированных специалистов по силовым сетям, а также возможность возникновения дополнительных проблем (в частности, любой отказ станка мог трактоваться, как результат последнего вмешательства в электропроводку), было принято решение искать альтернативу, не связанную с необходимостью внедрения в уже имеющиеся коммуникации.

Суть найденного альтернативного решения для учёта работы станков (простой/работа вхолостую/использование по назначению) состояла в фиксировании наличия или отсутствия вибраций, возникающих при обработке заготовки при контакте резца с заготовкой. Вибрации станка, обрабатывающего заготовку, существенно отличаются от вибраций, возникающих при вращении двигателя и вала станка, что позволяет установить, работал станок вхолостую или использовался по назначению.

Так было решено ориентироваться не на нагрузку двигателя (опосредованно, через анализ энергопотребления), а на данные по наличию или отсутствии вибраций, возникающих при непосредственной обработке детали. 

Использование микрофона в этом случае было неприемлемым, так как звуки соседних станков также улавливались бы. Поэтому наиболее подходящим прибором для фиксирования вибраций стал акселерометр. Сейчас на рынке представлено большое количество различных недорогих акселерометров, изготовленных по MEMS-технологии. 

За основу был взят готовый модуль, содержащий микроконтроллер STM32F4 на базе ядра ARM Cortex-M4 и MEMS-акселерометр с приемлемыми характеристиками (частота опроса, чувствительность). В прототипе модуль подключался к мобильному ПК по шине USB 2.0, но существуют готовые решения для подключения этого микроконтроллера к сети Ethernet, а также выход в сеть через радиомодули WiFi или 3G. Для микроконтроллера была разработана «прошивка», анализирующая вибрации акселерометра по трём осям и вычисляющая спектральные характеристики вибраций.

Было установлено, что при холостой работе станка, на спектральной характеристике виден всплеск, соответствующий частоте вращения шпиндельного двигателя. При обработке детали к нему добавляются шумовые составляющие, вызванные контактом резца с заготовкой. Таким образом возможность программного разделения на «выключен», «работает вхолостую» и «деталь обрабатывается» была реализована на практике.

Заказчик получил оптимальный прототип программно-аппаратной системы, не требующий вмешательства в ранее проложенную трёхфазную силовую сеть, и качественно отслеживающий фактическое время работы станков. Внедрение данного решения позволяет отслеживать случаи нарушения трудовой дисциплины работниками в ночные смены.

Аппаратная часть разработана на микроконтроллере STM32F4 с ядром ARM Cortex-M4. Использован MEMS-акселерометр фирмы ST, подключённый по шине I2C. Связь с ПК в прототипе осуществляется по шине USB (для реального изделия отработаны проводные и беспроводные методы подключения к сети). «Прошивка» разработана на языке С в среде Keil uVision 5. Часть для ПК разработана на языке C++ в среде Microsoft Visual Studio 12.