（机械制造及其自动化专业论文）网络化集成化数控加工远程监控研究.pdf

摘要 摘要 本文以数控机床为研究对象顺应了我国制造业发展的需要，在分析了现代 数控机床研究现状和发展趋势的基础上，开发了“网络化集成化数控加工远程 监控系统”。我国是数控机床的生产和使用大国，同时也是数控机床的进口大国， 现代数控技术发展迅速，为了提高生产率、产品质量、降低成本，现代网络化 集成化加工越来越受到重视。所以，研究远程监控系统具有迫切的现实意义。 本文以现场总线、数据库、网络技术、信号处理等技术为背景，以数控机 床为研究对象，对数控机床的远程故障监控系统进行了深入地研究，将小波分 析和小波包技术运用到故障检测中。从而能够较准确地诊断出故障所在。 主要研究成果如下： ( 1 ) 系统采用三层的网络拓扑结构，即现场设备管理层、企业局域网层、 远程诊断服务层。各层之间都能相互数据交流，利于数控加工过程中的状态监 控和d n c 操作以及远程故障诊断人员的实现检测。 ( 2 ) 利用小波包技术对信号进行降噪处理，小波包分析对上层的低频部分 和高频部分同时进行分解，具有更加精确的局部分析能力。进行信号预处理有 利于故障特征的提取，达到精确诊断的目的。 ( 3 ) 利用小波变换对信号进行分析，突破了传统的傅立时变换上的缺少时 间信息的弱点，尤其在对高带宽信号的时频分析方面兼顾高频段的时间分辨率 和低频率的频率分辨率，以及处理非平稳信号方面进行应用。 ( 4 ) 本文引入虚拟仪器技术它将传统的由硬件实现的数据分析、处理与显 示功能，由强大计算机( 软件) 来实现。虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使 用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、 监控与故障诊断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结 构的传统仪器，还可以大大节约仪器购买和维护费用。 ( 5 ) 实现l a b v i e w 与m a t l a b 混合编程。通过m a t l a bs c r i p tn o d e 和 a c t i v e x 技术，在l a b v l e w ( 8 2 ) 中调用和操作m a t l a b ( 7 o ) ，实现了l a b v l e w 和m a t l a b 的混合编程，充分发挥了l a b v i e w 图形显示和m a t l a b 强大的计算功 能，充分发挥了两者的优势。 摘要 ( 6 ) 功能强大的远程故障诊断平台的实现。将a s p 技术、a c t i v e x 技术、 数据库技术、v b 及m a t l a b 技术相结合，开发了数控机床远程故障诊断平台， 该平台可以数据的数据库浏览、数据的分析和处理( 如快速傅立叶变换，功率 谱分析，相关分析等) ，可以文件的上传下载，可以将诊断结果写入诊断报告， 以及其他辅助功能。 本文的研究成果是多学科的综合应用，所开发的系统具有良好的准确性和实 用性，其开发思想为现场控制网络、企业局域网和互联网设备的远程检测和故 障诊断提供了技术基础，具有很大的应用前景。 关键词：数控机床，c a n 总线，虚拟仪器，小波包，故障诊断，数据库 a b s t r a c t n cm a c 】正n et o o lw a sr e s e a r c ht a r g e ti nt h i st h e s i sw h i c hm e e t st h en e e do f 0 1 1 1 c o u n 缸v ，sm a n u f a c t u r i n g u n d e rt h eb a s i so ft h ea n a l y s i st o m o d e mn cm a c h i n e 咖d ys t a t u sa n dd e v e l o p i n gt e n d e n c y , r e m o t em o n i t o r i n gt on e t w o r k _ i n t e g r a t e dn c p r o c e s s i n gw a sa n a l y z e dd e e p l y l a g e rn u m b e r so f n cm a c h i n et o o l sp r o d u c e da n d u s e di no u rc o u n t r y , m e a n w h i l e ，l o t so fn cm a c h i n e t o o l sh a v e b e e ni n p u t t i n gf r o m o v a s e a se v e r yy e a r n o w a d a y s ，n ct e c h n i q u ei sd e v e l o p i n gq u i c k l y , t h e r e f o r e ，m o r d e rt oi m p r o v ep r o d u c t i v i t ya n dp r o d u c tq u a l i t y , c y b e r i z e d a n di n t e g r a t e dn c p r o c e s s i n gh a sb e e nh i g h l yv a l u e d ，a n d o fg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e r e m o t em o n i t o r i n gt oc y b e r i z e da n di n t e g r a t e dn cp r o c e s s i n go fn c m a c h i n e w a sa n a l y z e dd e e p l yi nt h et h e s i su s i n gt h et e c h n o l o g yo ff i e l d b u s ，d a t a b a s e ，i n t e r n e t a n dd i g i t a ls i g n a ld i s p o s a l a l s o ，t h et e c h n o l o g i e so f v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，w a v e l e t a n a l y s i s ，w a v e l e tp a c k e tw e r eu s e d i n p r o c e s s i n gc o u l d b ef o u n dw e l la n dt r u l y t h et h e s i s a c c o r d i n g l y , t h ef a u l t si nt h e t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w i n g ： f1 ) t h r e e 1 a y e r e d s t r u c t u r e i su s e d i nt h e s y s t e m ， i n c l u d i n gs p o t e q u i p m e n t m a n a g e m e n tl a y e r , e n t e r p r i s el a n l a y e ra n dr e m o t ed i a g n o s i sl a y e r d a t a i n t e r c o u r s ei sr u n n i n gf l u e n t l yw h e na d o p t i n gt h es t r u c t u r e ，a l s o ，f a v o ro fm o n i t o r i n g s t a t e ，d n co p e r a t i o na n dm o n i t o r i n gb y w o r k e r f 2 ) t h en o i s ew a se l i m i n a t e da m o n g t h es i g n a lb yt h em e t h o do fw a v e l e tp a c k e t ， l ep a r t sw h i c hi sl o wf r e q u e n c ya n do t h e rp a r t sh i g hf r e q u e n c ya r ea n a l y z e da tt h e s a m et i m e ，i th a st h ea b i l i t yt oa n a l y z ep a r c e la n da c c u r a t e l y ( 3 ) t h es i g n a l w a s a n a l y z e db y t h em e t h o do fw a v e l e tt r a n s f o r m ，t h e d i s a d v a n t a g eo fl a c k i n gt i m ei n f o r m a t i o ni sa v o i d e d e s p e c i a l l y , i tc a ng i v e a t t e n t i o n t ot i m er e s o l u t i o no fh i g hf r e q u e n c ya n df r e q u e n c yr e s o l u t i o no fl o wf r e q u e n c yw h e n h i g hb a n d w i d t h ss i g n a lw a sa n a l y z e db yt h e d o m a i na n a l y s i s a s p e c to ft i m e d o m a i na n df r e q u e n c y ( 4 ) t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni sa d o p t e di n t h et h e s i sw h i c hi s i i i a b s t r a c t a c c o m p l i s h e dw i t hs o f t w a r ei n s t e a do f h a r d w a r e v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni su s e da s t e s t i n gi n s t r u m e n ta b s o l u t e l y , a l s o ，u s e df o rd i s t r i b u t e dt e s t i n gs y s t e mb yh i 曲s p e e d c o m p u t e rn e t w o r kt or e m o t et e s t i n g ，m o n i t o ra n df a u l td i a g n o s i s f u r t h e r m o r e ，m u c h m o n e y c a l lb es a v e dw i t hv i r t u a li n s t m m e n t a t i o ni n s t e a do ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s ( 5 ) u s i n gt e c h n o l o g yo fa s p , a c t i v e x ，d a t a b a s ea n dm a t l a b ，t h ep l a t f o r mo f r e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sf o rn cm a c h i n et o o li sd e v e l o p e d g e t t i n gd a t a f r o md a t a b a s e , d a t ap r o c e s s i n g ( f f t p o w e rs p e c t r u m ，c o r r e l a t i o na n a l y s i se t c ) ，f i l e u p l o a da n dd o w n l o a d ，r e c o r dg e n e r a t i o n a n do t h e r sa r cd o n e t h er e s e a r c ho ft h et h e s i si st h ei n t e g r a t i v ea p p l i c a t i o no fm u l t i s u b j a t e c h n o l o g y t h ed e v e l o p e ds y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e c i s i o na n d p r a c t i c a l i t y t h et h o u g h to fi t sd e v e l o p m e n te s t a b l i s h e st h et e c h n i c a lb a s i sf o rr e m o t em o n i t o ra n d f a u l td i a g n o s i sb a s e do ni n f f a n e t ，i n t r a n e ta n di n t e m e t t h es y s t e mh a sae x t e n d e d a n db r i g h tf u t u r eo fa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：n cm a c h i n e ，c a nb u s ，v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，w a v e l e tp a c k e t ，f a u l t d i a g n o s i s ，d a t a b a s e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：王取笛厂 7 1 年j 月f 7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：亏二取多缓厂 砂砷年；月门曰 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1设备状态检测及远程故障诊断技术 关于设备故障诊断，至今已有悠久的历史，几乎是随着人类的社会发展而 发展，最初的设备构造比较简单，单凭人的感觉器官，简单的仪表和实践经验 就能够判断出故障的所在，提出相应的修复措施。随着现代工业及科学技术的 迅速发展，特别是计算机技术的迅速发展，现代设备的结构越来越复杂，自动 化系统的规模越来越大。一个大型的设备系统往往有大量的工作部件组成，不 同部件之间互相关联，紧密耦合。这一方面提高了系统的自动化水平，为生产 带来了可观的经济效益，另一方面，由于影响系统运行的因素骤增，使其产生 故障或失效的可能性越来越大，因而人们对故障诊断不断地进行大量研究。 随着各种技术的综合发展，使用网络技术或无线传输技术实现远程故障诊 断以及实时的状态监控成为可能。例如，我国在2 0 0 8 年9 月2 5 同发射的神州 七号飞船，是一个庞大的系统，地面工程师对飞船进行严格的实时远程监控， 并及时与航天员进行信息交流并指导作出相应的操作控制，出仓宇航员翟志刚 的各个任务的顺利完成等也是远程信息互动的结果。而今远程监控技术用于企 业可以提高企业的劳动生产率，加强企业竞争力；可以对各监控对象进行全天 候，全方位监控，及时发现甚至提前与预测设备问题，保证企业生产安全；可 以获得监控现场数据，这对于需要获得第一时间数据的工程来说是极为重要的， 远程监控技术的实现也意味着各种异地资源通过连接的方式，实现了资源共享。 总之，远程监控向人们提供了一个更高效、更安全、更快捷的服务模式，改变 了传统的监控模式。 工况监视与故障诊断系统主要包括以下几个环节：信号的在线检测、信号 的特征分析、特征量的选择、工况特征识别、故障诊断。 ( 1 ) 信号的在线检测 监视与诊断过程中的信号检测必须满足以下两方面的要求。 一是在线和实时性。“在线”( o n 1 i n e ) 检测是针对系统而言，对于连续运 行的机械设备是指在运行中进行检测；有些机械设备的运动，既有连续，又有 第1 章绪论 中断，例如，在机床上加工一个零件时，切削、换刀、上下料和测量等都是该 加工系统的组成环节。有时机床并不运动，刀具也不加工，但其他环节如测量、 上下料等的动作都在进行，而这些环节都属于系统的组成部分，故仍属于在线。 至于“实时”( r e a lt i m e ) 检测，则是针对动态工程而言，即“在工程中”( i np r o c e s s ) 检测，如振动参数、压力参数、切削力、磨削温度等都是在机械设备运行过程 中检测，故既是“在线”，也是“实时 。 二是敏感性( s e n s i t i v i t y ) 。系统运行的动态过程中含有丰富的多方面的信息， 所选择的检测信号部位都要能敏感的反映工况特征信息的变化。 ( 2 ) 信号的特征分析 直接检测得到的信号大多数是随机信号，其中包括了大量的噪声，一般不 宜于直接用作判别量，所选择工况状态的特征量。因此，需要用现代信号分析 和数据处理方法把信号转换为能表达工况状态的特征量；对于某些具有规律性 的信号，也可以从波形结构上提取特征量。信号处理是特征分析的重要工具之 一。常用的特征分析方法有频域分析、统计分析、时域分析、及波形结构分析 等。 ( 3 ) 特征量的选择 用上述特征分析方法可以得到很多能够表达系统动态行为的特征量，但既 无必要也没有可能利用所有特征量来判别工况状态。在实际生产中，各个特征 量对工况状态变化的敏感的不同，应当选择敏感性强、规律性好的特征量，达 到“去粗取精 的目的。因此，应该结合机械设备的实际运行试验，进行特征 分析，同时参数实验室试验所得到的一般规律进行特征量选择，提取出对具体 机器状态反应最敏感的特征量，才能提高监视与诊断的针对性，保证诊断的准 确性。特征量的选择还要考虑在线判别的实时性，要求计算简单快速：如能在 一定程度上表达工况状态的物理含义，则更有利于工况状态变化原因的分析。 ( 4 ) 工况状态识别 工况状态识别的实质是状态分类问题，分类与诊断在概念上是一致的，但 从机械设备监视与诊断工程中不同的侧重点考虑，往往把“分类问题分成监 视与诊断两个问题。工况监视的目的是区分工况状态正常还是异常( 或者哪一 部分不j 下常) ，以便进行管理，强调在线和实时性。对于正常与异常两类状态的 识别问题，运用模式识别及模型参数判别等方法都很有效。 ( 5 ) 故障诊断 2 第l 章绪论 故障诊断首先需要根据监视系统提供的信息，对当前工况状态及其发展趋 势做出确切的判断。故障诊断的主要任务是针对异常情况，查明故障发生位置、 性质、程度和原因，并“对症下药 ，给出排除故障的对策和措施。这就不仅需 要根据当前机组的实际运行工况，而且还需要考虑机组的历史资料，并参考相 关领域专家的知识和经验，进行综合分析，作出精确诊酬1 1 。 机器设备监视与诊断的策略与模式主要有：单机检测诊断模式、分布式检 测诊断模式和远程检测诊断模式。采用单机检测诊断模式时，机器设备的状态 检测与故障诊断是“一对一的方式，即台设备配有一套专用的工况监视与 故障诊断系统。分布式检测诊断模式是通过串口通信或工业局域网将各个检测 现场的本地计算机互连起来，实现资源共享、分散监控和计划总操作管理。远 程检测诊断模式是在网络技术的迅速发展的背景情况向应运而生的。远程检测 诊断系统将企业管理部门、检测现场、诊断专家和设备制造商有机地结合起来， 形成一个面向用户的真正开放的系统，用户可以在网络上的任意节点对设备的 运行状态进行观测和对设备出现的异常状态进行诊断并指导修复。 远程监控系统可以划分为：远程监控终端系统、远距离数据传输系统、现 场设备监测与控制系统三部分。各部分分工协作，共同实现对设备的远程控制。 远程监控系统模型如图1 1 所示。 远程监控终 _ 远距离数据传 啼 现场设备检测与 端系统一一一输系统 一一 控制系统 一一- 控制数据流 一一一状态数据流 图1 1 远程监控系统的划分 1 2 远程监控系统的分类 根据被控对象或者通信平台的不同，远程监控可以分为以下几类2 】： ( 1 ) 基于w a p 技术的远程监控 w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ，无线应用协议) 提供了移动通信设备 3 第1 章绪论 接入互联网的开放的全球标准，于是，可以通过w a p 将移动通信网、i n t e r n c t 以及企业的局域网联系起来，提供一种远程监控手段，使用户无论何时何地都 能通过移动设备获得工业现场信息。基于w a p 远程监控可以以现有的w e b 服务 器为基础，通过w a p 网关和移动终端共同完成。 ( 2 ) 基于i n t e m e t 的远程监控 目前的企业信息网络一般通过现场控制网络、企业内网( i n t r a n e t ) 和i n t e m e t 三网合一，把分布于各局部现场，独立完成特定功能的计算机、控制器现场设 备等互联起来，它适应企业生产与经营的功能分布和地域分布的特点，达到资 源共享、协同工作、远程监控、远程管理等为目的的全分布式的网络系统，是 i n t e m c t 技术、数据库技术、t c p i p 网络通讯技术、浏览器技术发展的产物。 ( 3 ) 基于g s m 网络的s m s 方式的远程监控方式 数字式移动通信网络g s m 系统提供的s m s 业务，具有双向通信、具有一 定的交互能力、占用g s m 网络的信令通道等特点，利用手机的短信功能模块和 接收终端可以实现远程监控。 ( 4 ) 基于e m a i l 手机短信寻呼的事件通知 手机短信和寻呼业务的普及，以及较高的实时性，目前已有不少移动运营 商和寻呼系统与i n t e r n e t 结合，将电子邮件的内容实时传送到手机和寻呼机上。 于是，在工控系统也可以通过电子邮件、手机短信和寻呼的结合，来实现重要 报警、调度事件的实时广播。 1 3 远程监控系统国内外发展现状 远程设备状态检测和故障诊断作为现代先进制造技术与系统的一个重要环 节，其研究已经取得了很大的进展。状态检测与故障诊断是一门涉及多学科的 综合性学科，随着相关技术的发展，它大致经历了以下几个发展阶段p j ： ( 1 ) 以多用户联机集中式控制为特征的单机检测与诊断系统。这是第一代 检测与诊断系统，这时的检测与诊断系统主要是针对某一特定被检测的设备而 设计的。它主要由一台计算机和一块或多块功能模板构成。信息的交换与处理 仅限于检测与诊断系统内部，因而是一种封闭式的系统。 ( 2 ) 以局域网络集散化控制为特征的分布式检测与诊断系统。它主要是针 对大型机电设备主机及辅助设备功能分布和地域分布的特点，通过工业局域网 4 第l 章绪论 把分布于各个局部现场，独立完成特定功能的本地计算机互联起来，以实现资 源共享、协同工作、分散检测和机制能够操作、管理与诊断功能的工业计算机 网络系统，这是基于工业局域网的相对开放的系统。监控信息的处理在局域网 的内部进行。 ( 3 ) 基于i n t e r n e t 的网络化远程检测及故障诊断。进入九十年代后期，随 着计算机技术和信息技术的发展，特别是网络和开放式数控系统的实现，为远 程检测及故障诊断提供了必要的条件。如日本f a n u c 公司的 f a n u c l 5 0 1 6 0 1 8 0 2 1 0 系统，德国s i e m e n s 公司的s i n u m e r i k8 1 0 d 8 4 0 d 系 统等均具备开放式的功能。从而使检测及故障诊断步入了发展的第三阶段 基于i n t e r n e t 的网络化远程检测及故障诊断。 i n t e r n e t 作为信息时代的主要信息载体，引起了工业界和学术界的广泛关注。 它的发展对业自动化技术的冲击是必然的。将i n f r a n e t 、i n t r a n e t 以及i n t e r n e t 相 连接，可实现信息的完全共享。1 9 9 6 年，美国麻省n o r t ha n d o v e r 公司首先将 p l c 与i n t e m e t 相连。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的工业远程诊断研讨会由 斯坦福大学和麻省理工学院联合主办。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发 基于i n t e m e t 的下一代远程诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算 机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持 和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统 t e s t b e d t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成 在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。加拿大的g r a n b y 公司使用w e b 浏览 器技术，通过以太网进行机床故障诊断。另外，许多国际大公司都在他们的产 品中加入了因特网模块，如美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品 l a b v i e w 中新增了i n t e m e t 模块，可以通过w e b 方式接收测试数据。基于网络 技术的远程实验，将成为2 1 世纪科学实验室进行开放性研究的重要模式。目前， 国外一些大学己经有了这方面的研究。澳大利亚r m i t 大学设计的虚拟实验用 于进行热传递过程的教学，可以帮助学生快速掌握抽象的概念 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。西安交通大学、哈尔滨工业 大学、清华大学、华中科技大学等单位都先后推出了各具特色的监测诊断系统。 近年来，随着网络技术以及集散式控制思想的快速进步，西安交通大学轴承所 等单位推出了基于t n t 、i n t e m e t 网的组态式集散监测与诊断系统；华中科技 大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ”、哈尔滨工业大学的“微计 5 第1 章绪论 算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s ”【4 】；北京机电研究院设计 的b m e i a m s 1 先进制造系统可将c a d c a m 集成其中，实现远程诊断、远程 服务和实时图像监控5 1 。 随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单机监控 过渡到现在的网络监控。这种崭新的监控模式必将成为世界工业界的主流【6 】。 1 4 本课题研究的目的和意义 当今的制造系统是具有高度柔性、高度集成和高度复杂的系统。影响加工 精度的因素很多，复杂多变。想要获得稳定的加工精度和高的可靠性，就必须 具备相应的状态监测和故障诊断系统，才能使刀具和工件调整、加工状态监测 和故障诊断融为一体。此外，只有将现代化的数控机床、先进的制造技术以及 生产组织模式紧密结合，并具有先进状态监测与故障诊断系统，才能充分发挥 数控机床潜力，提高加工效率及企业的经济效益。数控加工工况监测对象的主 要内容可以用如图1 2 表示： 本论文的主要意义和特色主要体现在以下几方面： ( 1 ) 本文以数控机床为研究对象顺应了我国制造业发展的需要 我国数控技术的发展已经有4 0 多年历史，到了2 0 世纪8 0 年代初，国内先 后从日本、美国等国引进了一些c n c 装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆 续投入了批量生产，从而结束了数控机床发展徘徊不前的局面，推动了数控机 床的发展。到2 0 世纪9 0 年代初，国内的数控机床及数控系统的生产具有了一 定的规模，但前进中的数控机床产业正面临十分严峻的形势。为了跟踪先进水 平，实现与世界先进技术接轨，我国2 0 0 1 年召开了“跨世纪数控机床技术发展 战略研究”会议，其中我国数控产业发展的1 5 年远景设想中，强调要发展柔性 制造f m c 和分布式数字控制( d n c ) 技术，开发高速高精度数控机床，以及网 络化功能强大且能满足虚拟制造技术要求的数控系统要达到使用水平。2 0 0 6 年 6 月国务院出台了关于加快振兴装备制造业的若干意见，其中“发展重大工 程自动化控制系统和关键精密测试仪器和提高重大( 成套) 技术装备的自动化 和智能化。发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件。”本文的研 究正顺应了国家战略的需要。 ( 2 ) 采用现场总线技术 6 第1 章绪论 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置 图1 2 加 ：j i 况监测的主要内容 之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。它作为工厂数字通信网络的基 础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。 7 第1 章绪论 它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以 智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到 世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设 备的深刻变革。 ( 3 ) 在远程监控中对数控机床的振动信号分析使用小波分析技术和虚拟仪 器技术的结合，利用b p 神经网络技术对故障进行分析诊断，应用于远程检测系 统中，提高了故障诊断的准确性。这是常见监控系统没有做过的，利用这两种 技术的结合更加有利于信号的分析和真实显示，让远端的监控人员可以更直观 的看到要监测信号的最直接信号。 ( 4 ) 开发出功能强大并可以推广的远程监控平台，该平台集采集、处理、 分析数据，报警，疑难问题咨询，上传下载文件文件等功能，使之在工业领域 广泛推广应用。 1 5 本课题学术构想和研究的主要内容 1 5 1学术构想 本论文开发的系统集机床技术、控制技术、通信技术、检测技术、计算机 软件技术、网络技术、信号处理技术集一体，通过i n t e m e t i n t r a n e t 对数控机床 进行远程监控，可以使机床具有更大的柔性和可控性。 如图1 3 所示。本文开发了数控加工远程监控平台，并在实验室调试、运行、 应用，通过信号的在线检测、信号的特征分析、特征量的选择、工况特征识别、 故障诊断，实现对数控加工工况的监控。该平台将以上的各个过程集成起来， 有效地采用各个过程中的先进技术。信号处理是监控的核心，从传感器传出的 信号，只有经过适当的分析处理从中提取与状态的特征，然后对特征进行智能 识别分析才能达到真正的监控目的。因此，本文在利用小波分析以及小波包技 术对信号进行分析处理，在时频域设置敏感的特征参数，利用b p 神经网络对信 号进行智能处理，人工神经网络是一种并行处理系统，具有学习和模式识别功 能，且具有并行运算的特点，便于多信号的集成。因此，对数控加工整体监控 时，神经网络的故障诊断具有重要意义。 8 第1 章绪论 图1 3 工况监视与故障诊断系统 1 5 2 研究的主要内容 本文主要研究以下内容： ( 1 ) 在现场设备控制网、企业局域网和互联网技术以及分析现代控制网 络基础上，研究了所开发系统应采用的网络拓扑结构。 ( 2 ) 为了实现加工过程状态信息的采集、处理、分析、存储及显示，在 软硬件设计及开发中的一些关键技术。利用现代的工程数学方法，以及小波变 换和小波包方法对机床信号进行处理，得到真实的机床状态，充分应用最新的 数学理论，避免了传统方法遗漏信号中重要信息的弊端。 ( 3 ) 分析研究人工神经网络以及数控加工整体信号故障分析的特点，选择 b p 神经网络技术来对远程故障进行诊断，实现了多点故障的并行分析中的应用。 ( 4 ) 为了实现对机床直观实时的控制，采用当今比较流行的测试软件 l a b v i e w ，该软件是美国n i 公司推出的基于g 语言的虚拟仪器软件开发工具。 实现l a b v i e w 与m a t l a b 混合编程。在l a b v i e w ( 8 2 ) 中调用和操作m a t l a b ( 7 o ，充分发挥l a b v i e w 图形显示和m a t l a b 强大的计算功能，充分发挥了两 者的优势。 ( 5 ) 为了能对加工过程重要的状念信息存档，采用何种软件开发技术将加 工过程状态信息通过企业局域网实时地送入企业数据库中。 9 第1 章绪论 ( 6 ) 开发功能强大的远程故障诊断平台。该平台可以数据的数据库浏览、 数据的分析和处理( 如快速傅立叶变换，功率谱分析，相关分析等) ，并利用b p 神经网络技术进行相关的故障诊断，可以文件的上传下载，可以将诊断结果写 入诊断报告，以及其他辅助功能。 1 0 第2 章监控系统基础理论 第2 章监控系统基础理论 远程监控系统是一个庞大的系统，集控制技术、通信技术、检测技术、计 算机软件技术、网络技术、信号处理技术集一体，通过i n t e m e t i n t r a n e t 对机床 进行远程监控，可以使机床具有更大的柔性和可控性。计算机与网络技术的进 步，促进了现代制造业的发展。由于现场状况相对复杂，从现场传感器采集的 信号信息不能直接用来识别系统的状态，必须对采集来的信号进行必要相关的 处理，提取出对对应特征有用的信号信息，从而，对机床的整体特征进行掌控。 就加工状态检测而言，其中最具代表意义的是切削振动信号。切削振动将 降低工件已加工表面的质量，并影响刀具乃至机床的使用寿命，长时间的剧烈 的振动甚至会影响厂房以及机床底座的牢固性，可能引发各种事故。因此，本 文以振动信号作为机床的振动作为数据处理对象。 2 1远程监控系统的功能及结构分析 2 1 1系统的功能分析 远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数 据采集后直接送到远程计算机进行处理；另一种是现场监控与远程监控并存。 由于建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集成系统阶 段，在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。远程监控所实现的功能 如下 7 1 ： 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行监测、采样 和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为 生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。 监督功能：将监测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令 和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据 和历史数据加以存储。 管理功能：利用已有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊 断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警。 11 第2 章监控系统基础理论 控制功能：在监测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成 控制输出，直接作用于生产过程。基于网络的远程的实时监控系统不仅可以实 现异地控制，也可以实现大范围的资源共享。将实现监控应用系统架构于i n t e r a c t 计算环境中，可以从许多方面改善监控系统的性能和扩展增强系统功能。 2 1 2 远程监控系统的结构分析 基于网络的远程监控系统通常可以分为三层：现场智能设备层、s c a d a 层 ( 数据采集和监控) 、远程监控层【8 】【9 1 p ( 1 ) 现场智能设备层 现场智能设备层位于监控系统的下层，是现场级管理系统，是整个监控系 统性能保障的基础，通过该层系统可以获得系统性能和状态的原始数据，满足 了原始数据准、可靠和实时的需要。 ( 2 ) c s a d a 监控层 远程监控系统的第二层是s c a d a 监控层，是处理数据的部分，系统的主要 分析处理工作在次完成，同时这部分还应能提供信息管理，信息发布的功能。 这一层从现场设备中获取数据，完成这种控制，运行参数的监测、报警和趋势 分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。可以说s c a d a 监控层是整个 基于网络的设备远程监控系统的核心，体现了信息的交互和资源的共享，它的 完善程度直接影响着整个系统的灵活性、有效性和可靠性问题。 ( 3 ) 远程监控层 远程监控层位于整个系统的上层部分，是整个系统面向世界的窗口。这一 部分提供给管理人员一个方便的管理手段，使管理人员从任一地点实现对控制 设备的管理。它要与各个现场监测系统进行通讯，将各现场监测系统的信息进 行处理和存储，为远程控制提供依据。通过该中心，控制整个系统的工作过程， 实现对设备控制整个过程中各个信号采集及为其他人员提供数据库中适当信 息。这一部分的实现使得监控系统的功能得到延伸和完善。远程监控层的主要 目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。 2 2 控制网络技术 控制网络一般是指以控制“事物对象”为特征的计算机网络系统，简称 1 2 第2 章监控系统基础理论 i n f r a n c t ( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k s ) ，它主要面向企业或者某个系统的底层，又被 称为工厂底层网络【10 1 。目前在工业控制领用广泛应用的控制网络有：现场总线 和工业以太网。 2 2 1现场总线 由于计算机网络技术的迅猛发展，同时也因为生产过程和控制系统的进一 步复杂化，人们发展了集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m d c s ) ， d c s 是计算机网络技术在控制系统中的应用成果，提高了系统的可靠性和可维 护性，在今天的工业控制领域仍然占据着相当地位。然而d c s 存在着大量的冗 余结构，而且不具备开放性布线复杂、费用高。 2 0 世纪8 0 年代后期，人们针对d c s 所存在的缺点，在d c s 的基础上开始 开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的 通信，这就是现场总线( f i e l d b u s ) 。现场总线从根本上解决了网络控制系统的 可靠性问题，现场总线技术逐渐成为网络化控制系统的发展趋势。 工业控制网络技术在工业控制领域中的具体应用，它是工业企业网中的一 个重要的组成部分，目前对于这类网络体系结构还没有形成统一的模式，就大 多数人的认识而言，工业企业网的结构体系一般采用3 中形式。 ( 1 ) 信息网络与控制网络统一组网，然后通过路由器与设备网( 现场总线) 进行互通，构成工业企业网，其基本结构如图2 1 所示。 图2 1 通过互连构建一体化的企业网 ( 2 ) 现场设备的控制采用嵌入式系统加以实现，该嵌入式系统具有网络通 1 3 第2 章监控系统基础理论 信能力的接口，能够实现与控制网的信息交换，而控制网与信息网统一构建组 网形成工业企业网，其结构如图2 2 所示。 图2 2 通过控制网络构建一体化的企业网 ( 3 ) 现场总线与内联网( i n t r a n e t ) 集成。在该方案中，动态数据库一方面， 根据现场信息，动态地修改自身的数据；另一方面，接收监控站的控制信息对 其进行处理并送往现场。同时，为了保证控制的实时性，控制信息也可直接下 送至现场，这种网络结构如图2 3 所示。 现场总线一般用于工程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智 能设备互连的通讯网络。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型 全分布控制系统。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设 备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特 点；具有一定的时间确定性和较高的实时性要求；实现系统的全分散控制、开 图2 3 现场总线控制网络与i n t r a n e t 信息网络的集成方案 放性、设备的智能化与功能自制性、对现场环境的适应性等；还具有网络负载 1 4 第2 章监控系统基础理论 稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统 从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色】。 目前比较有影响的几种现场总线是基金会现场总线( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ， f f ) 、l o n w o r k s 现场总线、p r o f i b u s 现场总线( p r o c e s sf i e l d b u s ) 、h a r t 总线 ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 以及c a n 总线等。本系统选用c a n 总线形式。c a n 是控制网络c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称，c a n 已经形成国际 标准，并已被公认为几种最具前途的现场总线之一。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 活性。其特点可概括如下【1 2 1