本发明涉及到数控系统功能安全领域，具体的说是一种根据数控系统功能安全阈值计算进行报警的方法。
背景技术：
数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装置作为各类数控机床的控制中枢，被称之为机床的灵魂与大脑。它如果发生故障失效将直接引发机床加工的异常动作，导致机床部件或加工工件损坏、甚至人员伤亡。因此，数控装置功能安全是目前数控领域关键技术的一个热门研究方向。目前数控装置主要采用基于微处理器的控制系统结构，数控运动控制等功能通过数控装置中的实时操作系统+数控控制程序的软件方式实现，通常数控运动控制周期为2毫秒或者更短，执行速度快，执行周期短。同时在机床及数控系统运行过程中的安全状态检测信号数量多，并且同时包括来自机床上伺服电机过载报警、机床限位开关以及油压报警、气压报警等辅助系统等的硬件信号，以及数控装置程序控制过程中的软限位、超差等软件信号，需要监控的控制信号数量多，信号之间关联复杂；此外对状态判断的实时响应速度要求高。国外主流厂商如德国西门子公司，日本发那科够公司等多采用全冗余(即多处理器冗余处理结构)，同时通过采用交叉检验的方式实现功能安全报警，系统设计复杂度高，并且成本昂贵。
技术实现要素：
针对上述技术不足，本发明提出一种附加的数控系统功能安全阈值计算装置的方法，实现对数控系统功能安全阈值进行判断，并反馈给数控系统处理器系统，系统硬件包含arm处理器及fpga芯片，不要求数控系统采用双处理器系统的冗余设计，在进行数控系统功能安全判断的同时，有效地节省成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数控系统功能安全阈值的报警方法，包括以下步骤：
将数控系统体系结构划分成多层；
求取每层的数控系统安全阈值；
当各层的阈值超过数控系统设定值时报警。
所述多层包括：数控系统功能层，数控系统程序层，数控系统组件层；
数控系统功能层包括多个功能元素，分别用于实现数控的通信功能、人机控制、译码、输入输出、位置控制、插补、参数编辑；
数控系统程序层包括多个程序元素，每个程序元素关联一个或多个功能元素，用于划分相应的功能；
数控系统组件层包括多个组件元素，每个组件关联一个或多个程序元素，用于表示数控系统最小的执行单元。
所述求取每层的数控系统安全阈值包括：
其中，uf为数控系统功能层的安全阈值；ωfi是功能元素i的全局相对权值；rfi是功能元素i的功能安全阈值；f＝1…n，n为自然数。
所述求取每层的数控系统安全阈值包括：
其中，up为数控系统程序层的安全阈值；ωpi是程序元素i的全局相对权值；rpi是程序元素i的功能安全阈值，f＝1…n，n为自然数。
所述ωfi是功能i的全局相对权值、ωpi是程序元素i的全局相对权值通过层次分析法得到，包括以下步骤：
1)当前层有m个元素与上层的元素关联，本层的权向量：
w＝(w1,w2,...,wk)t0≤wi≤1(i＝1,2,...,k)(5)
2)特征值wi和最大特征根λmax分别如下：
a是设定的判断矩阵，元素为aij，akj表示第k行的第j个元素；(aw)i是a乘以w所得向量的第i个分量；
3)求一致性比率cr：
ri为设定值，n为阶数；
4)所有层的总排序一致性比率为
bp表示设定的第p层相对体系结构的相对权重，h为层数；cip表示第p层的一致性比率；rip表示第p层的设定值；
5)当cr'≤0.1时，则层次总排序结果满足一致性，此时得到的wi作为当前层次元素i的全局相对权值，即ωfi或ωpi；否则，改变判断矩阵取值，返回步骤2)，直到cr'≤0.1为止。
所述求取每层的数控系统安全阈值包括：
其中，rpi为数控系统组件层的安全阈值；rcj为每个组件的功能安全阈值，ci表示每个组件，j＝1…n，n为自然数。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.采用本发明方法，基于数控系统软件体系结构分配功能安全阈值指标，能够保证系统的完整性和一致性，同时保证元素相对权值合理的分配。
2.本发明装置为独立的监控装置，附加安装在数控系统中，可有效节省安全数控系统的设计开发成本。
3.采用本发明可以提高分配方法的有效性，并为子系统的可行性提供了依据。
附图说明
图1为本发明装置硬件结构图；
图2为本发明方法处理步骤流程图；
图3为数控系统软件体系结构模型图；
图4为层次分析法流程图；
图5为文化算法流程图；
图6为适应度随迭代次数变化曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明涉及到数控系统功能安全领域，具体的说是一种数控系统功能安全阈值计算装置。本发明建立了基于组件技术的数控系统体系结构。把系统功能安全阈值指标分配给功能组件，以系统实用性为目标函数，功能组件可靠度和费用函数为约束条件提出了功能安全阈值的分配方法。用层次分析法计算数控系统体系结构各层元素相对权值，通过文化算法求出各个组件的分配指标。采用本发明方法，在保证数控系统功能安全阈值指标满足要求的同时，有效地节省了开发成本，提高分配方法的有效性。
数控系统功能安全阈值计算装置为独立的监控装置，附加安装在数控系统中，系统硬件包含arm处理器及fpga芯片，实现对数控系统功能安全阈值进行判断，并反馈给数控系统处理器系统。通过arm处理上建立的数控系统软件体系结构模型，利用层次分析法计算数控系统软件体系结构各层元素相对权值，利用文化算法求出各个组件的分配值，通过计算数控系统功能组件的可靠度和费用函数为约束条件进行安全阈值计算。
参见附图1，是本发明一种适用于数控系统阈值硬件装置结构图。装置包括arm处理器及fpga芯片，fpga中包含双端口缓冲存储器。来自机床上伺服电机过载报警、机床限位开关以及油压报警、气压报警等辅助系统等的硬件信号直接输入至arm处理器；数控装置程序控制过程中的软限位、超差等软件信号通过总线写入双端口缓冲存储器；arm处理器执行数控系统阈值计算，并将结果回写给双端口缓冲存储器中，供数控系统通过总线读取执行。
通过本发明方法经过arm处理器执行数控系统阈值计算，可得到功能层，程序层，组件层各个单元的功能安全阈值。将结果写给双端口缓冲存储器中，供数控系统通过总线读取执行。结果将与数控系统安全设定的阈值范围进行比较。在范围之外则会产生报警信号。
参见附图2、3、4是一种适用于数控系统阈值计算方法，包括如下步骤：
首先建立数控系统体系结构模型。按照建立的数控系统体系结构，对数控系统各个部件的功能安全阈值指标在各功能组件间进行调配。以数控系统实用性为目标函数，功能组件的可靠度和费用函数为约束条件进行功能安全阈值分配。用层次分析法计算数控系统软件体系结构各层元素相对权值，最后通过文化算法求出各个组件的分配值。
对本发明进一步说明：
根据gerlan&shaw模型对软件整体结构的描述，以开放式数控体系结构为基础。将数控系统体系结构划分为：
(1)控系统功能层，用f表示；
(2)数控系统程序层，用p表示；
(3)数控系统组件层，用c表示。
建立的数控系统体系结构模型如图3。
其中功能层是指通信功能、人机控制、译码、输入输出、位置控制、插补、参数编辑等功能，程序层是对每个相应的数控系统功能层的具体的划分，而组件是数控系统最小的执行单元。
数控系统软件的功能安全阈值分配主要是为了将整个系统的功能安全阈值指标分解为子系统的功能安全阈值指标，从而对子系统的研发进行指导。主要是为了使整个系统获得更高的功能安全阈值，从而在特定约束条件下，进行最优的方案设计。
以数控系统软件体系结构进行功能安全阈值分配时，假设数控系统实用性与软件功能的功能安全阈值为线性关系，则数控系统安全阈值可以表示为：
式中：
ωfi是功能i的全局相对权值；
rfi是功能i的的功能安全阈值；
ωpi是程序i的全局相对权值；
rpi是程序i的功能安全阈值。f＝1…n，n为自然数。
假设数控系统中全部组件c{c1,c2,c3,…cn}是相互独立的，每个组件不依赖于其它组件，则程序rpi的功能安全阈值为所有组件的功能安全阈值之积:
rcj为每个组件的功能安全阈值，ci表示每个组件，j＝1…n，n为自然数。
根据数控系统体系结构特性，以数控系统整体的实用性最大为目标，将功能安全阈值指标分配给各个组件，并以组件的功能安全阈值和费用为约束条件。设数控系统有n个功能组件，记为c{c1,c2,c3,…cn}，则数控系统的功能安全阈值分配如下：
rcj≤ui
rcj≥li
αj+qj·rcj≤α·vi
式中：组件j的功能安全阈值为rcj，0<ωpi<1，
数控系统体系结构各层对系统整体的实用性影响是彼此间有差异的，该差异是由权值的大小来表现出。为了公正与准确的进行数控系统软件功能安全阈值的分配，需要精确的运算出每层的权值大小。层次分析法(ahp)可以用来计算数控系统体系结构各层元素的权值。层次分析法的主要步骤如图4。其中由satty提出的关于层次分析法的相对重要标度列出的数值是都是整数，不能真实的反应判断结果，故应用改进标度计算，改进的相对重要性如表1。
表1改进相对重要性比例标度
假设当前层有k个元素与上层的一个指标相关，则本层的因素用上层指标为准侧。相互比较相对重要权重，得到本层的权向量：
w＝(w1,w2,...,wk)t0≤wi≤1(i＝1,2,...,k)(5)
计算特征值wi和最大特征根λmax。公式如下：
式中：aij为第j个组件和第j个组件的重要程度比值，通过组件的两两相比得出。akj为第k个组件和第j个组件的重要程度比值，通过组件的两两相比得出；a是判断矩阵；(aw)i是向量aw的第i个元素。
根据公式(6)和(7)计算λmax和w，可以得出这个层次的因素对于上层因素的权值。这种层次单排序计算，为了根据准则进行排序，全值的一致性是非常必要的。
以wf表示数控系统功能层的全局相对权值；以wp表示数控系统程序层的全局相对权值，以wci表示数控系统组件层的全局相对权值。则可得出：
wpi表示数控系统程序层的局部相对权值，由此，上式可转换为：
同样，可以得到组件层的wc：
wci表示数控系统组件层的局部相对权值，由此，上式可转换为：
为了检验各元素重要度之间的协调性，通过cr(一致性比率)值来确认和判别矩阵的一致性，当cr≤0.1时满足一致性。如果取值范围不符合，则应该改变判断矩阵元素的取值。cr的计算公式为公(12)：
式中：cr：判断矩阵一致性指标；ri：平均随机一致性指标；λmax：最大特征根；n：阶数。
检验一致性时，根据ri值，如表2；
表2ri值
最后得到所有层次的排序,总排序一致性比率为：
式中：bp为第p层相对体系结构的相对权重；cip表示第p层的一致性比率；rip表示第p层的设定值。h为层数。
当cr'≤0.1时，认为层次总排序结果具有满意的一致性。如果取值范围不符合，则应该改变判断矩阵元素的取值。
文化算法流程图如图5所示。
文化算法对数控系统功能安全阈值分配模型求解过程如下：
(1)初始化种群空间：随机生成40个个体，每个个体中的变量{rc1,rc2,rc3,rc4,rc5,rc6}都按照公式(4)里的约束生成
种群空间个体编码方式可表示为式(15)
x＝[x1,…xn](15)
(2)设置适应度函数：由于数控系统实用性越大，所得到的每个功能组件的功能安全阈值指标越能满足要求，故设置适应度函数如式(16)所示，p≤n。
(3)设置信仰空间：根据设置的初始空间，按照信仰空间结构设置信仰空间。信仰空间采用<s,n>结构对，其中s是结构知识，即s＝{s1,s2l,sn}，将最大适应度作为结构知识的初始值；n是规范知识，即n＝{b1,b2l,bn}，初始化规范知识。规范知识用于描述问题的可行解空间。规范知识的更新体现为可行搜索空间的变化。
(4)按照影响函数对种群空间的个体进行变异操作，并且生成相应的个体。影响函数的主要作用是使用信度空间中的各类知识引导。
(5)设置接收函数：根据接收函数来选择可以影响信仰空间的个体。接收函数从种群空间选取较优个体，提交给信度空间用于其研究核心在于选取较优个体数目。
(4)(5)步具体实现为：根据现有的个体，生成子代个体(使用规范知识调整变量变化步长，使用结构知识调整其变化方向)。将生成的子代个体放到父代个体后面，将所有个体按适应度排序，适应度大的放在前面。取前40个最优的个体，作为新的父代。根据现有的前40个个体，根据适应度，以一定概率(设定为0.7)，更新结构知识和规范知识。
(6)当设置的适应度函数值误差满足设定误差要求时，停止搜索。输出最优解所对应的每个指标就是要求解的数控系统软件功能安全阈值分配指标。最优解即为将所有个体里适应度最大的个体。
表3
如表3为前8次迭代后最大适应度结果。迭代次数随进化次数变化曲线如图6所示，横坐标为迭代次数，纵坐标为适应度最大值。此时实用性指标最大。结果表明，该方法保证了数控系统安全阈值指标满足要求，同时有效节省了开发成本，提高分配方法的有效性，并为子系统的可行性研究提供了依据。