专利名称：一种基于网络架构的在线监测数控系统的制作方法
技术领域：
本发明属于制造业的数控系统技术领域，特别是涉及数控系统的在线监测、故障 诊断、智能控制及网络化远程维护。
背景技术：
先进制造技术领域对制造质量要求的提高，使作为高精数字化加工基础的在线监 测、状态辨识及智能控制技术凸显其重要性。在数控系统上搭建在线监测软、硬件平台，是 进行多种加工物理状态预警、控制，进而实现机床整机性能维护的基础。目前现有的在线监 测诊断系统，包括可实现机床电气系统、开关量类型故障检测的西门子ePS[l]，FANUC 18i 系列[2]以及如瑞士 Kistler公司的切削力监测[3]，德国ARTIS的刀具监控[4]等面向 单项功能部件的监测诊断系统。其存在的主要问题有，传统的在线监测设备存在由于体积 制约导致的安装复杂性和设备外置性特点，而定制的专用嵌入式监测模块又存在研发周期 长、开放性差和监测功能单一等缺陷，难以适应高档数控系统开放式架构和功能模块可重 构的发展需求。针对上述问题，具有机床整机故障的多物理信息状态预警功能，同时兼具可 重构性和开放性的功能模块化嵌入式智能测控系统 的开发，是国内外数控机床故障诊断领 域亟待解决的关键技术之一。[1], ePS Network Services, SIEMENS,www. automation, siemens. com/SIEMENS 网 站·[2], 16i/18i/21i 远程及故障诊断系统，www. bj-fanuc. com. cn/ 发那科网站.[3], Kistler W 肖U 工胃 1 IlJ, www. kistler. com/cn_cn-cn/441_ CuttingToolMonitoring/Cutting-Tool-Monitoring. html/Kistler TJ胃立占.[4], SINUMERIK 810D powerline, www. automation, siemens. com/SIEMENS 网立占.
发明内容
基于上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于网络构建的在线监测数控 系统，通过开发通用接口，在开放式数控系统构架与模块化可重构嵌入式监测单元信息无 缝交互的基础上，基于网络构建出具有在机监测和智能维护功能的数控机床整机系统，一 体化地实现了高档数控机床的状态可显示、故障可诊断、性能可预报、远程可监控的嵌入式 状态监测诊断系统。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于网络架构的在线监测数控系统，包括数控机床、嵌入式在线监测单元、远 程故障诊断中心以及标准接口，其中，所述嵌入式在线监测单元具有单独的中央处理器独 立设置于该系统中，该单元包括PC/104总线、信号调理模块、数据采集卡和系统在线监测 模块所述信号调理模块，用于进行传感器输出电压、电流的放大和滤波运算，以满足输 出模拟信号的降噪精度及A/D采集芯片的要求；
所述数据采集卡，用于实现多通道电压和电流的A/D数据转换；所述系统在线监测模块，用于对A/D采集到的数字信号进行实时显示和相应故障 诊断算法下的报警和在线监测)；以及所述嵌入式在线监测单元与所述数控机床通过TDNC-Cormect传输协议提供的标 准化接口构建弱耦合连接的数据传输；所述在线监测单元通过标准接口和远程故障诊断中 心连接，采用TDNC-Cormect传输协议进行故障数据传输；以及所述数控机床与所述远程故 障诊断中心通过标准接口实现连接，采用TDNC-Cormect传输协议实现信息交互；所述嵌入式在线监测单元可采用以太网(Ethernet)数控系统现场总线、 Internet网络、USB及串口等多种连接方式与数控系统的连接；· ·所述嵌入式在线监测单元同时适用于DSP主处理芯片和FPGA协处理器的双CPU 结构嵌入式监测单元；··该系统还包括上位机，将故障诊断、智能维护的大量任务交由上位机实现，弥补了 在线监测单元运行处理能力的限制。与现有技术相比，本发明采用的嵌入式在线监测单元具有独立于数控系统的中央 处理器，在实际加工过程中能够保证状态监测功能模块和数控指令功能模块各自独立运 行，提高了数控、测控系统的信息处理能力，确保数控指令实施和测控在线监测功能的实 时性；同时，本发明采用的TDNC-Cormect信息交互通用调用接口，强调了数控系统的开放 性，具有数控单元可移植性优的特点；TDNC-Cormect传输协议实现了嵌入式在线监测单元 和远程故障诊断中心的信息交互，将故障诊断、智能维护的大量任务交由上位机实现，弥补 了在线监测单元运行处理能力的限制；上述要素快速构建出了具有通用接口、可实现数控 系统与可重构嵌入式监测单元信息无缝交互的数控机床整机监测平台，并将其作为设备信 息网的一个节点或终端，一体化地实现高档数控机床的状态可显示、故障可诊断、性能可预 报、远程可监控。
图1是本发明的一种基于网络架构的在线监测数控系统结构图；图2是一种基于网络架构的在线监测数控系统的嵌入式在线监测单元硬件结构 图；图3是一种基于网络架构的在线监测数控系统的远程网络系统构架示意图；图中1、备份服务器2、专家系统3、internet/intranet 4、远程故障诊断中心5、 主控单元6、机床η 7、机床28、机床19、故障信息10、总线/网线/USB 11、嵌入式在线监测 单元12、信号调理单元13、数据采集卡14、PC/104总线15、CF卡、硬盘接口 16、显示接口 17、串口 18嵌入式主板19、USB接口 20、网络接口 21备份服务器22、防火墙23、Wffff服务器 24远程故障诊断中心25、专家26、企业ERP 27设备管理信息网28、设备状态监测与诊断网 29、嵌入式在线监测单元30、数控系统31、HUB
具体实施例方式为了进一步了解本发明的技术方案，结合国家科技重大专项 (2009ZX04014-101-05)- “数控机床故障预警诊断技术及基于功能部件的可重构监测诊断系统”子课题“基于自主数控系统的机床整机监测诊断实验平台”项目的具体实施，配合附 图说明具体的实施方式图1至图3中，本发明的基于网络架构的在线监测数控系统结构包括嵌入式在线 监测单元11与具有独立的中央处理器的数控机床主控单元5。在线监测过程中，嵌入式监 测单元11通过数据采集卡13和信号调理12外接振动、力、电流等多物理量传感器，实现机 床整机状态的实时监测，进而通过PC/104总线14、CF卡、硬盘接口 15、显示接口 16进行监 测数据的存储、显示。嵌入式监测单元通过串口 17、USB接口 19、网络接口 20与主控单元 5、HUB 31连接，通过TDNC-Cormect信息交互通用调用协议，实现基于监测数据和故障信息 的数控系统_嵌入式在线监测单元_远程网络监控系统的三方通讯。开放式数控系统下具有模块化可重构特点的嵌入式在线监测单元诊断系统构架 具有独立于数控系统的中央处理器，在加工过程的在线监测中，状态监测功能模块和数控 指令功能模块各自独立运行，以确保数控指令实施和测控在线监测功能的实时性。嵌入式在线监测单元与数控系统的连接采用基于Ethernet数控系统现场总线、 Internet网络、USB及串口等多种传输技术的监测信息通用调用接口，实现在线监测单元 和数控系统信息的实时传输与交互，构建了弱耦合无缝连接条件下的高速信息传输框架。 该信息交互方式的运用强调了数据传输实时性，具有测控单元开放性、可移植性优的特点。嵌入式在线监测单元与远程网络监控系统的连接采用Internet 进行嵌入式在 线监测单元与网络构架下状态监测诊断系统的监测数据上传及故障诊断代码下载等实时 性要求不高的信息交互。网络架构下面向复杂设备管理的状态监测与诊断系统采用C/S与 B/S的混合架构搭建，该系统提供多种常用的网络数据库供选择(如Sql Server, Oracle 等)，整个系统框架可以分为三层网络，包括基于C/S模式的设备状态监测与故障诊断网、 基于B/S模式的设备管理信息网以及企业网，并最终构建在企业的ERP系统中。嵌入式在线监测单元与数控系统及远程监控系统的数据传输协议以数控系统、 嵌入式监测单元、远程监控系统为传输协议服务对象的TDNC-Cormect传输协议，是建立在 通用网络通信协议基础上的基于软件的轻量级通信协议。该协议据对数控系统加工状态的 信息反馈，将传输内容及格式分为故障诊断信息数据流传输协议及机床加工状态信息数据 流传输协议。故障诊断信息的数据流传输协议采用“工厂_监测单元_测点_监测量”的状 态信息描述方法，在嵌入式在线监测单元、数控系统及远程监控系统软件中构建监测信息 数据库，实现状态信息型数据的测点信息精确定位。该协议主要包括以下4部分内容(1) 监测起始数据段标识监测数据的起始，包括监测日期、监测时间等。(2)监测全局数据段 提供状态的获取参数设置信息，如分析频率、采样点数、增益、总通道数、通道的参数设置。 (3)监测信息数据段监测到的具体机床状态信号、波形。(4)数据结束标识段标识监测数 据包的结束。机床加工状态信息数据流传输协议是针对机床状态信息反馈过程中故障识别 信息建立的传输协议，其传输对象为波形、频谱等实时性要求相对较低的显示型数据信息， 主要包括以下4部分内容(1)设备信息数据段机床编号、名称、车间位置、故障发生时间 和机床管理人员信息等。⑵监测数据指标数据段加工状态监测位置测点号、监测数据最 大值和报警阈值等。(3)故障机理分析数据段故障位置、产生原因和发生概率等具体故障 诊断结论等。(4)故障维修报表数据段故障维修具体方案、维修计划、维修报表等。该数 据交换协议具有2种连接方式(1)在Ethernet网线传输的专用数据接口基础上实现点对点联接，实现数控系统与嵌入式监测单元的弱耦合无缝连接。(2)在网络、USB、串口等通用 数据交换接口基础上实现一(嵌入式监测单元)对多的星型联接，构建基于数字化制造环 境的嵌入式加工中心在线监测远程维护系统。 嵌入式在线监测单元的构建包括独立的PC104PLUS总线架构的嵌入式工控主 板，自主开发的信号调理模块、数据采集卡、安装在CF卡上的嵌入式操作系统XPE和在线监 测软件，作为装备运行状态监测、先进信号处理、故障诊断、智能维护功能和远程监控的数 控机床现场端应用平台，实现了其硬件功能设计(数据采集模块、与数控系统接口、与远程 故障诊断中心接口等)和软件功能(数据采集软件、在线监测软件、与数控系统通讯协议、 与远程故障诊断中心通讯协议等)的集成，测控单元针对在数控机床上构建的力、振动、噪 声、温度综合监测信息获取平台，融合多种信号处理及故障诊断的方法，实现了多传感器信 息下的诊断与智能维护，确保了数控机床高精高效的运行。同时，通过测控单元或数控系统 的网络接口及TDNC-Cormect传输协议，使数控系统成为工厂自动化网络中的一个智能节 点或终端，实现了多台开放式数控系统与故障 诊断网的信息交互、网络化数据管理、专家系 统和远程诊断功能的实现。
权利要求
一种基于网络架构的在线监测数控系统，包括数控机床、嵌入式在线监测单元、远程故障诊断中心以及标准接口，其中，所述嵌入式在线监测单元具有单独的中央处理器独立设置于该系统中，该单元包括PC/104总线、信号调理模块、数据采集卡和系统在线监测模块所述信号调理模块，用于进行传感器输出电压、电流的放大和滤波运算，以满足输出模拟信号的降噪精度及A/D采集芯片的要求；所述数据采集卡，用于实现多通道电压和电流的A/D数据转换；所述系统在线监测模块，用于对A/D采集到的数字信号进行实时显示和相应故障诊断算法下的报警和在线监测)；以及所述嵌入式在线监测单元与所述数控机床通过TDNC-Connect传输协议提供的标准化接口构建弱耦合连接的数据传输；所述在线监测单元通过标准接口和远程故障诊断中心连接，采用TDNC-Connect传输协议进行故障数据传输；以及所述数控机床与所述远程故障诊断中心通过标准接口实现连接，采用TDNC-Connect传输协议实现信息交互。
2.如权利要求1所述的基于网络架构的在线监测数控系统，其特征在于，所述标准接 口采用以太网数控系统现场总线、Internet网络或USB、串口方式。
3.如权利要求1所述的基于网络架构的在线监测数控系统，其特征在于，所述嵌入式 在线监测单元同时适用于DSP主处理芯片和FPGA协处理器的双CPU结构嵌入式监测单元。
4.如权利要求1所述的基于网络架构的在线监测数控系统，其特征在于，该系统还包 括上位机，将故障诊断、智能维护的大量任务交由上位机实现，弥补在线监测单元运行处理 能力的限制。
全文摘要
本发明公开了一种基于网络架构的在线监测数控系统，包括数控机床、嵌入式在线监测单元、远程故障诊断中心以及标准接口，嵌入式在线监测单元具有单独的中央处理器独立设置于该系统中，包括PC/104总线、信号调理模块、数据采集卡和在线监测模块，实现数据采集和在线监测，与数控机床构建弱耦合连接的数据传输，通过标准接口和远程故障诊断中心连接，进行故障数据传输；数控机床与远程故障诊断中心通过标准接口连接实现信息交互。本发明实现了数控系统与嵌入式在线监测单元信息无缝交互的数控机床整机监测平台，并将其作为设备信息网的节点或终端，一体化地实现数控机床的状态可显示、故障可诊断、性能可预报、远程可监控。
文档编号H04L29/08GK101834762SQ20101018048
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者刘路, 宁倩, 王太勇, 蒋大勇, 蒋永翔 申请人:天津大学