（机械电子工程专业论文）华中数控系统远程监控与维护技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文针对全球化市场环境下设备售后服务与技术支持问题，以武汉华中数控系统 有限责任公司生产的数控系统为对象，研究数控设备的远程操作、监测与诊断方法。 论文主要研究内容包括： 第一，分析、介绍了华中数控系统的硬件、软件体系结构和网络应用现状，分析 了面向华中数控公司产品的数控设备远程监控与维护系统的功能要求，提出系统总体 结构，并从功能上将系统划分为现场服务器和远程监控两个模块。 第二，按照现场服务器模块的功能需求，提出华中数控设备现场服务器的设计和 实现方法。内容包括：现场服务器的整体设计、底层数控设备与现场服务器进行通讯 的数据流格式和数据流处理流程、底层数控设备与现场服务器的通讯实现方式、远程 客户端与现场服务器的通讯实现。 第三，按照远程监控模块的功能需求，提出华中数控设备远程监控终端的设计和 实现方法。内容包括：远程监控模块的整体设计、可重构的远程监控界面设计、远程 监控的安全控制层次。 最后，结合参加完成的华中数控设备网络化技术支持与维护系统的运行图例，介 绍了本论文承担的数控设备的现场服务器和远程监控模块的工作情况。内容包括：数 控机床实时和历史信患获取、数控机床远程操作、测试代码远程运行、数控机床e m a i l 和手机短信息报警等。 关键词：智能维护远程监控故障诊断数控系统 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t os o l v e 也ep r o b l e mo fs e r v i c ea f t e rs a l ea n dt e c h n i q u es u p p o r to f e q u i p m e n t si n g l o b a lm a r k e te n v i r o n m e n t ，r e m o t eo p e r a t i o n ，r e m o t em o n i t o ra n df a u l td i a g n o s t i cm e t h o d s o fc n cm a c h i n ea r es t u d i e db a s e do nt h ec n cm a c h i n eo fw 1 l h a l lh u a z h o n gn u m e r i c a l c o n t r o la s s o c i a t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h e f o l l o w i n gp a r t s t h ed e t a i l sa r ei n t r o d u c e d f i r s t l y , t h ea r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n d 也ep r e s e n ts t a t eo fn e t w o r k a p p l i c a t i o no fh u a z h o n gc n cs y s t e ma r ei n t r o d u c e da n ds t u d i e d t h ew h o l es t r u c t u r eo f r e m o t em o n i t o ra n dm a i n t e n a n c es y s t e ma r e p r o p o s e di nv i e wo ft h er e q u i r e m e n t so f f u n c t i o n so f h u a z h o n g c n c - o r i e n t e dm a c h i n e s i na d d i f i o n t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot w o m o d u l e so f f i e l ds e r v e ra n dr e m o t em o n i t o r a c c o r d i n g a sf u n c t i o n s s e c o n d l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so f f i e l ds e r v e rm o d u l ea r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so ft h ef u n c t i o n so fm o d u l e t h ef o l l o w i n gc o n t e n t sa r e i n c l u d e d ：t h ei n t e g r a t e dd e s i g no ff i e l ds e r v e r ) d a t as t r e a mf o r m a t s ，t r a n s m i s s i o np r o c e d u r e s a n dt h ew a yo fi m p l e m e n t a t i o ni nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc n cm a c h i n ea n df i e i ds e r v e r , r e m o t ec l i e n ta n dc n cm a c h i n e m d l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fr e m o t em o n i t o rm o d u l ea l ep u t f o r w a r da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ff u n c t i o n so fm o d u l e 1 1 1 ef o l o w i n gc o n t e n t sa r e i n c l u d e d ：t h eo v e r a l ld e s i g no fr e m o t em o n i t o rm o d u l e , t h ed e s i g no f r e c o n f i g a r a b l er e m o t e m o n i t o ri n t e r f a c ea n dt h es a f e t yc o n t r o lh i e r a r c h i c a lo f r e m o t em o n i t o r f i n a l l y , t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa b o u tf i e l ds e r v e ra n dr e m o t em o n i t o rm o d u l e st h e a u t h o rd e v e l o p e da r ei n t r o d u c e du s i n gs o m e r u n n i n gg r a p h so f t h eh u a z h o n gc n c n e t w o r k t e c h n i q u es u p p o r ta n d m a i n t e n a n c es y s t e mf i n i s h e db yt h eg r o u pi nw h i c ha u t h o ra t t e n d e d i 乃em a i nc o n t e n t si n c l u d er e m o t er e c e p t i o no fr e a l - t i m ea n dh i s t o r yi n f o r m a t i o n , r e m o t e o p e r a t i o no fc n cm a c h i n e r e m o t ep e r f o r m a n c eo f t e s tg - c o d ea n dt h ef a u l ta l a r mb y e - r e a l la n ds h o r tm e s s a g eo f m o b i l e p h o n eo f a n cm a c h i n ec t e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c e r e m o t em o n i t o rf a u l td i a g n o s e c n c s y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 巅二 日期：o 曲, q - 年华月竭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囤。 ( 请在阻上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：私t z 日期：争一牛年出月z 乃日 乐 h 从批 名年 签畔撵 导期莒r r t 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题的来源 本课题来源于华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心承担的国家2 0 0 1 年机 器人技术主题8 6 3 计划项目“开放式数控装备的远程操作、监控与诊断技术研究f 课题 编号：2 0 0 1 a a 4 2 3 2 3 0 ) ”。 1 1 2 课题的提出 随着计算机网络技术的不断发展，网络化全球制造已经成为未来制造业的发展趋 势。制造业市场、资源、技术和人员的全球化，产品设计、生产和服务过程的全球化， 正在使制造环境发生着根本性的变化。企业不仅要比技术、比质量，还要比对市场的 响应速度和比产品售后服务的质量【l 】。 在全球化市场环境下，产品售后服务与技术支持己成为制约企业生产能力和影响 客户满意度的重要因素，同时也成为提高企业竞争力的一种重要手段。设备制造企业 不仅要技术创新，开发新产品和提高产品质量，而且还要对产品的生产使用过程提供 全生命周期的技术服务支持、实行设备终生保修1 2 。这一发展趋势带动了设备制造企 业从制造型向制造、服务型转变，也促使设备制造商在产品中加入远程监测、诊断、 维护功能，并通过网络提供设备使用、维护技术支持，称之为e 维护技术 ( e m a i n t e n a n c e ) ，5 1 。对设备制造企业来说，e m a i n t e n a n c e 利用因特网实现维修技术 人员的“虚拟到场”，可大幅度降低技术服务费用；对设备使用企业来说，e m a i n t e n a n c e 能利用e m a i l 、手机短消息等方式对潜在的设备故障进行预警，缩短了设备维修服务 的响应时间，同时能及时得到设备制造企业的网上技术支持，降低了设备非计划停机 带来的损失。 为了通过服务来争夺海外市场，国外许多著名的数控设备制造商都在所生产的产 品中添加了远程维护模块，通过网络对用户提供维修和使用指导。由于数控设备的复 杂程度不断增加，服务地域不断扩大，加之用户对服务时间要求的越来越短，迫切需 要新的服务手段和相应服务技术的支持。服务网络化、数字化配置以及数控设备的远 程操作、监控与诊断维护功能是解决这一阔题的有效途径。基于网络的远程操作、监 控与诊断表现为生产加工的操作者与被操作对象在物理上进行分离，而在信息、逻辑 一一 华中科技大学硕士学位论文 上进于亍集成。这发展，一方面扩大了操作者对操作对象的控制范围，提高了管理者 对加工设备运行情况掌握的方便程度，实现了远程的技术咨询、远程设备的故障诊断 及维护。另一方面，达到了制造资源的共享，迅速开拓市场，充分体现“以人为中心， 创造宜人化生产环境”的制造思想。 1 1 3 课题研究的目的和意义 数控系统e 维护技术研究的目的是通过i n t e m e t 把不同地域的数控设备，现场设 备工程师、设备维护工程师和领域类的专家组织和联系起来，在设备与入、人与人之 间实现快速的信息传递和共享，形成一个网络化的数控设备诊断和维护的咨询系统， 通过网络对数控设备进行快速的诊断和维护。 数控系统远程监控与维护技术的研究是数控系统e 维护技术研究的一部分，它是 数控系统e 维护技术研究的基础，它的目的是实现设备与远程客户端能够快速交互信 息。数控系统的远程监控和维护模块的应用，使数控设备的远程技术支持服务成为可 能。 对于设备制造商来说，远程技术支持以“数据流动”代替了“人员流动”，减少了 工程技术人员的出差次数，降低了售后技术支持费用；基于网络的远程维护技术支持 克服了地域的限制，售后服务工作效率高；设备维护工程师可以在远端运行设备的功 能测试，快速完成故障定位：通过对设备的历史运行状态进行分析，可以预测设备的 运行趋势，为智能维护提供数据支持。对于用户来说，远程技术支持服务加快维修需 求的响应能力，可有效的缩短因设备故障而造成的设备停机时间，停机维修费用降低， 使用户能更有效的提高生产率，增强竞争力。 本学位论文研究的华中数控的远程监控和维护技术作为华中数控e 服务技术研究 的一部分，对于实现华中数控公司从生产制造性企业向服务型企业的转变，具有重要 的理论意义和工程实用价值。 1 2 相关技术的国内外发展趋势 1 2 1 智能维护技术 智能维护的概念是实现工业晃接近零停机和为用户提供全生命周期的优质服务， 随着网络技术的不断发展，i n t e m e t 和基于w e b 的技术的应用使得产品的设计、制造 和产品的售后服务得到增强，企业的竞争已经不再仅仅包括先进的技术、优质的质量 和低廉的价格，更包括了对产品整个生命周期内为客户提供先进快速的服务，这种新 的服务概念已经逐渐成为了工业界进行竞争的一个新的标准1 6 j 。 一_ - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ 一 2 华中科技大学硕士学位论文 为了提高美国设备制造业在全球市场上的竞争力，美国n s f 在u n i v e r s i t yo f w i s c o n s i n - m i l w a u k e e u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n 成立了智能设备维护技术中心( i m s ) ，其 成员单位包括i n t e l ，f o r dm o t o r , a p p l i e dm a t e r i a l s ，x e r o x ，u n i t e dt e c h n o l o g i e s 等著名大 公司，中心研究宗旨是开发基于w e b 的智能设备诊断、维护技术i t , g l 。 美国斯坦福大学和麻省理工学院合作开展“基于i n t e m e t 的下一代远程诊断示范 系统”的研究，该项工作得到了b o e i n g 、f o r d 等1 0 多家大公司的支持与合作，并很 快建立了一个面向半导体制造设备的基于i n t e m e t 的远程诊断原型系统【9 1 。 耳前有很多行业，比如半导体工业，航天工业公用电力工业，航空运输工业 医疗器械工业等等都已经开始在全球范围内建立先进的维护系统和客户的售后服务， 拉近与客户的距离，从此获得良好的竞争地位。 半导体芯片生产设备是一种复杂和高技术含量的设备，随着芯片的减小，生 产中的错误率不断上升。芯片中的错误率的上升倍数是芯片大小减少倍数的1 0 倍 左右，那么在使用中需要较强的技术服务与支持。为解决半导体芯片生产设备的 技术服务与保障问题，i n t e l 公司提出了基于半导体芯片生产设备网络化诊断服务 模型，如图1 1 所示，通过在半导体芯片生产设备中加入含设备运行状态信息采集、 监测、诊断和调试功能的e d i a g n o s t i c s 模块，实现设备制造厂家对产品的远程技 术支持与服务 1 0 , 1 1 , 1 2 。 图1 1 半导体芯片生产设备网络化诊断服务模型 波音公司在其出售的飞机的引擎上安装了一整套的传感器装置，用来采集飞机的 特征状态，远程的地面维护系统可以获得反映引擎详细状态参数数据，在几个月前就 可以预测到是否需要更换引擎，飞行过程中的信息采集系统和远程维护系统的集成可 以大大减少不可预测事件譬如延时、停飞等而引起的损失，大大减少了因发生故障而 引起的长时间停飞所带来的损失。 i 2 2 远程监控与维护技术 随着8 0 年代末以来计算机产业的迅猛发展和普及应用，远程监控与维护技术发生 了很大的变化，从单一的远程监控与维护发展到基于i n t e m e t 的远程监控与维护，而 3 华中科技大学硕士学位论文 且远程监控与维护技术也广泛应用于制造领域，实现了加工现场与控制终端的分离， 出现了一批无人车间和无人工厂【l3 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机网络技术，尤其是i n t e m e t i n t r a n e t 技术的 发展，基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的远程监控与维护技术已经成为未来远程监控与维护技术 的发展趋势。 1 9 9 3 年美国国家航空航天局( n a s a ) j o h n s o n 航天中心与德州的四所大学成功地进 行了机器人远程分布式控制试验。图1 2 是基于i n t e r n e t 的机器人远程监控与维护的一 种结构模型。 图1 2 基于i n t e m e t 的远程监控与维护 该项试验是通过i n t e r n e t 在j o h s o n 航天中心控制位于t e x a sa & m 大学和t e x a s 大 学a u s t i n 分校的机器人，并同时在a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测和性能分析。 1 9 9 4 年美国南加州大学完成m e r c u r y 项目：该项目允许远程用户通过w e b 浏览器控制 一个机械手进行文物挖掘。同时南加州大学在i n t e m e t 上已公开的另一个比较有趣的 项目是“t e l e g a d e n ”，w e b 访问者可以控制一个a d e p t 机能手进行种植，灌溉花园等 活动【14 1 。 随着计算机的日益普及以及国际互联网的迅速发展，远程监控与维护技术已经 广泛的应用于远程医疗，大型机械设备的远程技术支持以及计算机集成制造技术、 敏捷制造、智能制造等各种先进制造环境中，远程监控与维护技术的研究正逐步向 建立远程维护中心发展。图1 3 是g e 远程维护中心的示意图，右图是远程维护中 心，操作界面显示的是所有医疗点的分布状况，通过这个远程操作中心可以连接到 需要服务的用户的医疗点，而用户的各种信息可以通过i n t e m e t 传送到远程操作中 心，左图是医护人员界面，通过接受到的病人的信息，可以模拟出病人的实际身体 结构状况，并提出解决方案，把操作信息通过网络送到病人所在的医疗点，从而实 一_ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ - - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - p _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - 。_ 。- 。 4 华中科技大学硕士学位论文 ! = = = = = = = = = = = = = = ! ! = = = = = = = = = = = = ! = = = = 一一 现对病人的远程护理。 图1 3g e 远程维护中心示意图 该远程操作中心只是g e 医疗远程管理系统的一个子系统，该管理系统还可以实 施远程病人实时监控，通过建立病人的病例档案，可以对病人的病情进行预测和分析， 并在危险的时候可以实现预警，最大限度的保障病人的身体健康，通过这个医疗平 台，对于一些特殊的病人，可以实现远程专家协同会诊，并通过远程医疗管理系统 对该医疗点提出治疗方案，并把病人的反馈信息及时的传回，方便病人的下一步病 情诊断。 1 3 数控系统的远程监控和维护技术发展现状 国外许多著名的数控设备制造商都在所生产的产品中添加了远程诊断模块，通过 网络提供维修和使用指导。如果数控系统在使用的过程中出现故障，客户可以从数控 设备制造商的远程维护中心得到详细的资料，对于一般的故障，客户可以通过远程网 络通讯或电子邮件自己就地解决；对于严重的故障，可以通过信息的交互，设备维护 工程师了解情况后可以快速的解决。 日本的法拉克公司提出的远程服务系统解决方案，通过远程维护中心，维护工程 师可以了解远程用户的操作、p l c 等信息，及时的解决用户的问题，使停机时间减少 了1 3 到1 2 。 s i e m e n s 公司提出数控机床i t 解决方案，通过内嵌在机床中的电子邮件报警系统， 将机床故障信息发送到公司技术支持与保障中心进行分析处理；w i s c o n s i n 机床厂提出 机床壹连网站，w i s c o n s i n 的技术人员可以通过网络赢接查看用户机床控制屏上显示的 内容，协助用户诊断机床故障；d m g 公司提出机床故障诊断网络热线，在机床中内置 d m g p l u s ! m e s s e n g e r 模块，用户只要按一下控制系统上的热线按钮就能通过网络 与d m g 的网络服务热线连接，获取公司的技术支持与帮助。 在国家“8 6 3 ”计划的资助下，国内许多大学和企业都开展了面向数控设备的网络 5 华中科技大学硕士学位论文 化解决方案的研究。广州数控公司提出了数控设备网络化解决方案，设备工程师可以 远距离通过计算机与加工工人对话，监控机床或者运行机床，而设备供应商可将制造 站安装于工厂的任何地方，它的特点可以现场和实时地进行故障诊断，技术支持，生 产监控，操作员培训和加工管理。 1 4 本文的研究内容 本学位论文是华中数控e 服务系统的一部分，主要承担华中数控现场服务器模块 和远程监控模块的设计工作，本学位论文的组织结构如下： 第1 章分析了远程监控与维护技术产生的背景，对智能维护技术、数控设备的远 程监控与维护技术的国内外研究现状做了简单的介绍，讨论了本论文研究的背景和意 义。 第2 章对华中数控的硬件、软件体系结构和网络应用现状做出了简要的分析，对 华中数控的远程监控与维护系统做出了整体的需求分析。 第3 章根据对系统做出的整体需求分析，提出了面向华中数控的远程监控与维护 技术的整体框图和技术体系结构。 第4 章对现场服务器的功能和要求进行分析，对现场服务器做出了模块的划分， 并提出了现场服务器的实现方案。 第5 章对远程监控模块的实现过程做了详细的分析和论述，并完成了华中数控的 远程监控模块设计。 第6 章介绍了华中数控远程监控与维护系统的实现，并针对具体的数控设备，对 整个系统的功能做了详细的测试。 第7 章对全文进行总结，提出了在本文工作的基础上需要进一步研究的问题。 _ _ _ _ _ _ ，一 6 华中科技大学硕士学位论文 2 系统功能和需求分析 根据上一章提到的国内外数控系统远程维护技术的研究现状，在具体分析了华中 数控公司的软，硬件总体结构以及华中数控当前的网络应用现状的基础上，本章提出 了华中数控远程监控与维护系统要实现的功能，并根据系统的功能要求做出了系统的 需求分析。 2 1 华中数控的现状分析 2 1 1 华中数控整体结构 华中数控世纪星系列是由武汉华中数控系统有限公司生产的具有自主版权的开放 式数控系统。其硬件体系结构如图2 1 所示。 口 c pu 卡 显示卡 外存 i 塞塑兰竺望! p 一， r 硐- t - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 光隔i 0 板 多功能扳 位置单元接口 图2 1 华中数控系统硬件体系结构图 它以通用工控机为硬件平台，以d o s 操作系统为基础，虚线框内是标准的p c 配置， 其中微处理船采用8 0 4 8 6 或者8 0 5 8 6 ，系统控制部件包括d m a 控制器、中断控制器、 定时器等，外存包括硬盘和软盘或者电子盘i l “。 图2 2 是华中数控的软件体系结构图。软件按功能可以分为内核层和过程层，内 核层主要包括资源调度模块；过程层主要由编辑程序、参数设置、位置显示、p l c 管 理、手动输入( m d i ) 、故障显示、网络通讯模块等组成。 7 釜垂茎票 华中科技大学硕士学位论文 内核层软件 过程层软件 过程控制软件 臣互至圈压至匿至至】乜篁耍ii ! ! ! 竺兰i 刚l 苎堕里至l i 旦鳖垫墨_ j - 图2 2 华中数控系统软件体系结构图 2 1 2 华中数控系统网络应用现状 华中数控系统分为单机版和网络版，网络版在系统的过程层软件中加入了网络模 块。华中网络数控系统是在工业微机上开发的开放式网络数控通用软件，硬件平台采 用通用工业微机，通过并行口与机床相连，在p c 总线上能够连接网络等硬件设备 1 7 】。 华中网络数控系统已经成功应用于华中数控“世纪星”托一2 1 系列装置，它在 数控设备远程的操作、监控方面取得了一些进展，在国内同行业中处于领先地位。华 中数控已经初步实现了在同一局域网内部的远程控制、检测和故障诊断。图2 3 是华 中数控的网络应用结构图。 网络数控系统分为下位机、服务器和客户端三部分，其中下位机系统安装在与机 床相连的计算机上，服务器连接系统与客户端一般安装在回一局域网内的计算机上。 服务器与下位机的连接采用的是n e t b i o s 协议，客户端是专用的监控软件。 图2 3 华中数控网络应用结构图 通过这种网络应用方式可以实现同一局域网内部的数据交互、远程控制、监测和 g 墨聂 华中科技大学硕士学位论文 诊断。在数控设备和服务器进行网络连接后，客户端的网络控制指令通过服务器可以 传送到现场的数控设备；客户端工程师可以在远程编写g 代码，通过服务器传送到数 控设备上运行；客户端的可视的监控软件可以在与现场的数控设备完全相同的界面上 进行操作和加工点的观察：服务器上可以同时监控多台数控设备，通过现场服务器安 装的摄像头和音频传感器可以对数控设备进行实时监控。 由于其数据传输是基于局域网的n e t b e u i 协议，而n e t b e u i 是一种非路由协议， 那么目前华中数控设备的远程操作、监测和诊断必须在同一个局域网内进行，限制了 这种数控设备通讯方式在因特网上的应用；华中数控设备与服务器的通讯采用的是 n e t b i o s ( 网络的基本输入输出系统) ，它的局限性在于只能实现同种网络协议之间 的通讯，也就是说，要想使两个n e tb ios 应用( 程序) 通过网络进行正常通信， 那么对它们各自运行的机器来说，至少必须安装一种两者通用的协议。除此以外，只 有部分协议实施了n e t bio s 接1 7 1 。m i c r o s o f tt c p i p 和n e t b e u i 在默认情况下已 提供了一个n e t b i o s 接口；然而，i p x sp x 却并非如此，这样就更加限制了这 种网络传输的应用范围。 2 2 系统的功能分析 数控设备的远程监控和维护系统的主要目的是使设备供应商通过因特网或者无线 通信系统在全球范围内来监控他们的产品或者系统；可以在线对数控设备进行实对监 测和故障诊断。系统通过对数控设备的历史运行信息进行分析来评估设备的性能，根 据评估的结果对数控设备提出预反应式的维护，从而达到减少或消去数控设备因故障 和崩溃而引起的不必要的维护工作。 通过数控设备的远程监控和维护系统，设备供应商可以提高自己的售后服务质量； 减少设备的售后维修费用；提高设备的利用率。 要实现上述的要求，数控设备的远程监控和维护系统要实现的功能有： ( 1 ) 数控系统数据采集：从传感器组接收到的信号必须是真正反映机床运行特征 的信号，经过放大、采样保持和模数转换成p c 机可以接收的数据，由p c 机进行数据 处理与显示，并保存于历史数据库以便于查询。 ( 2 ) 数控设备的自动报警：数控设备出现故障时，远程监控和维护系统可以根据 采集的数据自动通过手机短消息和电子邮件的方式向设备使用工程师进行报警。 ( 3 ) 现场的监测和故障诊断：设备使用工程师能通过企业级的局域网络修改设备 的参数数据，实时监测现场设备并对监测数据进行数据库的保存。现场的监测系统能 显示设备的运行变化趋势、报警记录。当出现故障时候能根据历史的运行记录和维护 9 华中科技大学硕士学位论文 记录快速的实现故障定位并生成维护报表。 ( 4 ) 基于w e b 的远程维护：数控设备生产厂家通过i n t e r n e t 实现与现场的数控 设备信息共享。经过授权后的用户可以通过w e b 方式远程控制数控设备，获取实时的 运行信息；通过专用的浏览器可以查看现场设备的视频和声音信息。 ( 5 ) 基于w e b 的远程诊断：数控设备发生故障后，远程维护中心可以进行会 议安排。在进行网络会诊的时候，远程专家通过授权后可以通过w e b 的方式向数 控设备发送测试系统的g 代码程序，根据反馈的数控设备信息对故障进行快速定 位。 ( 6 ) 支持分布式数据库：支持面向企业及全球的网络数据库功能。能够采集并且 存取现场监测的数据，能够存取数控设备的故障记录和历史维护记录，支持远程用户 对数据库的存取。 2 3 系统整体需求分析 需求分析是软件工程中很重要的一个部分，为系统开发的严密性和逻辑性提供了 可靠的保障，也是整个系统开发的重要依据。需求分析的宗旨是如何实现数控设备的 远程监控和维护系统的功能。 2 3 1 系统的功能要求分析 面向华中数控的远程监控与维护系统为了实现数控设备底层与远程设备工程师在 广域网上以w e b 的方式进行数据的交互，以“虚拟到场”的方式提供快捷的售后技术 支持和接近零停机的保障，为智能维护的研究建立一个基础的平台。 系统的主要功能是实现远程用户与底层数控设备的信息的交互。在进行信息交互 的过程中，把信息流分为两种，一种是作为实时数据信息流的数控设备底层的实时运 行信息和远程用户对设备的控制查询信息，另一种是作为辅助信息的多媒体实时信息 如视频和音频信息，下面对这两种信息流详细的分类。 ( 1 ) 实时数据信息流 设备查询 可以通过w e b 的方式对远程生产车间的数控设备进行查询，包括查询现场服务器 视频服务器、音频服务器的运行状况；数控设备的网络连接状况。 查询配置 由于实时数据的数据量比较大，但是并不是所有的数据都希望被交互的，因此系 统要求能够提供数据传送的友好界面，在界面上可以选择需要的实时数据。对于数控 系统，通过系统内部的通讯接口，可以提供数控设备的全面参数列表供远程用户进行 1 0 华中科技大学硕士学位论文 选择。 设备的实时参数查询 对于选定的数控设备，能够通过w e b 的方式查询设备的实时运行参数。数控设备 的实时数据是对设备当前状态的最好的体现，它是对设备进行维护和保障运行正常的 依据。 设备的历史数据查询 通过w e b 的方式查询数控设备在一定时间范围内的历史数据。历史数据反映了数 控设备在一定时间范围内的运行状态的趋势，它也是对数控设备进行维护和保障运行 的重要依据。 设备的历史故障和维护记录查询 通过w e b 的方式查询数控设备在一定时问范围内的历史故障和维护记录。 设备的远程控制 经过授权的用户可以通过w e b 的方式控制数控设备。 设备的远程测试 经过授权的用户可以通过w e b 的方式传送针对设备的测试程序g 代码，测试所得 到的结果作为评估机床性能参数的依据，它是定期维护数控设备和进行故障预维护的 基础。 设备的参数设置修改 经过授权的用户可以通过w e b 的方式在远程对设备的参数进行实时的修改和系统 的升级，使之以最佳的状态运行，这是为客户提供最迅速的售后服务的有利手段，保 证数控系统能迅速从故障状态中恢复。 ( 2 ) 多媒体信息流的传输 数控设备现场运行状态的视频和音频 远程用户通过浏览器以w 曲的方式实时查看设备的运行情况，包括图像信息和音 频信息，由此可以更直观的查看设备的运行情况。 网络的可视电话 经过授权的用户可以在远端和设备的使用工程师通过n e tm e e t i n g 的方式进行 直接的交流，获得更多的信息，从而更清楚的了解设备的使用情况，由此更好的 解决问题。 2 3 2 主要性能要求 根据系统的功能要求，确定相应的性能要求，从而更好的实现预期的功能。同样 i l 华中科技大学硕士学位论文 从两个不同的方面来考虑。 ( 1 ) 实时数据信息流 数据安全性 由于所有的数据都是从底层的数控设备所得，或者要传送到底层的数控设备中去， 因此设备是否能安全工作受到数据传输的安全性的影响。数据的安全性包括数据的备 份、访问权限的设置、设备参数修改的特别保护和确认等等。 数据及时性 由于网络的延时，真正的实时是无法实现的，但数据传送的及时性是比较重要的。 因此对数控设备实时信息传输周期的设定同数据本身的变化趋势和对于数据变化反映 的要求相关联。 ( 2 ) 信息流的传输 对于多媒体信息流的传输的性能要求主要是由传输的图像、音频的清晰度和连续 性所决定的同时远程的访问也要有安全性的保障。 2 3 3 运行要求 面向华中数控的远程监控和维护系统的底层数控设备和现场服务器端运行于同一 局域网内，而对于该系统的客户访问则是基于w e b 页面的远程访问。客户端要求具各 访问i n t e m e t 的最低要求如浏览器、网络等等，如果要实现多媒体信息的交互，要求 具备视频音频的采集摄像头和麦克风等工具。可视电话软件可以采用w i n d o w s 操作系 统自带的n e t m e ：e t i n g 。 现场服务器是系统的主要组成部分，从硬件和软件两方面来考虑运行要求。 ( 1 ) 硬件要求 系统主要由被监控的数控设备和本地的监控机组成。监控机上集成了监控、数据 库服务、w e b 服务的功能，它和被监控的数控设备同处于车间的局域网内，监控机上 配置相应的视频音频采集摄像头和声音播放工具以实现现场视频音频传输和网络可视 电话的功能。 ( 2 ) 软件要求 在远程用户与数控设备进行信息交互的过程中，现场服务器实际上完成的是一个 桥梁的作用，现场服务器的网络连接必须设计为两个模块。对于被监控的数控系统， 由于采用的是模块化的网络体系结构，因此服务器端需要设计为相同协议的功能模块： 对于远程用户来说，远程访问是基于w e b 的方式，因此现场服务器的响应模块需要设 计为符合t c p 佃的功能模块。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先从硬件和软件的角度对华中数控系统的整体结构做了简要的分析，然后 分析了华中数控的网络体系结构，对应用现状做了简要的分析。本章还分析了华中数 控的网络应用的一些局限性，提出了数控系统的远程维护和监控系统的功能要求，根 据功能要求，做出了系统的整体需求分析，并对系统的主要技术要求和运行要求做了 详细的分析。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 系统的体系结构 在上一章的功能要求和整体需求分析的基础上，结合当前华中数控系统的现状， 对华中数控的远程监控与维护系统的体系结构做了详细的规划设计，本章主要提出了 系统的框架结构、技术体系结构、功能结构，最后分析了系统的信息流以及信息流的 处理流程。 3 1 系统的整体结构设计 系统以华中数控系统为主要的研究对象，进行研究开发最主要的目的是为了给用 户提供设备的全生命周期最优质的服务，包括设备的基本信息管理、设备的在线运行 监测、设备的及时维护等等。在服务的过程中，系统要保证服务的有效性、服务的快 速性、服务的经济性。 服务的有效性要求系统保证服务的质量，它要求设备供应商的观念由以前的“产 品为中心”转变为“以用户为中心”，使企业由“制造型”向“服务型”进行转变。 服务的快速性要求系统能快速的响应设备运行过程中出现的问题，远程用户可以 快速的查看设备的运行状况。 服务的经济性要求系统具备比较低的投资和运行成本。 下面根据系统的功能要求，以上面提到的服务特性为原则，在对系统的整体结构 深入分析的基础上，提出了适合华中数控的远程监控与维护系统的整体结构模型。 3 1 1 系统的框架体系结构 数控设备的使用厂商分散在很广的范围内，目前数控设备的维护主要有以下的几 种方式：现场维护方式，数控设备使用工程师或者是数控设备供应商的工程技术人员 在现场根据实际情况进行维护；企业级的定期网络维护，企业的信息化实现了企业内 部资源的共享，企业的内部工程师可以在企业的内部利用企业的网络资源对企业的数 控设备进行设备的信息查询。随着数控设备复杂程度不断增大，数控设备的监控与维 护的难度也不断增大，那么许多情况下需要设备的供应商来提供更多的支持。但是一 般来说工程技术人员有限，而且数控设备的使用厂商地域分布很广，因此设备供应商 难以满足前两种维修方式的需要。 针对以上的情况，考虑到华中数控的系统结构和目前的网络应用情况，在充分利 用现有设备和网络资源的基础上，我们提出了华中数控的远程监控与维护系统的系统 1 4 华中科技大学硕士学位论文 结构。它以信息技术为基础，将分布在因特网上的资源联系在一起，形成了资源共享 和交互式的远程监控与维护系统。 华中数控系统的远程监控维护系统主要包括现场数据采集部分、现场服务器部分、 远程客户端部分，如图3 1 所示。 图3 1 华中数控远程监控与维护系统整体结构图 现场数据采集部分：现场数据包括传感器组采集的数据如视频、音频信息和数控 系统中的原始数据。由传感器组采集的数据直接与车间的现场服务器相连接，数控系 统中的数据主要通过局域网与车间现场服务器进行交互。现场服务器通过工业以太网 与加工控制计算机及企业服务器进行连接，远程用户可以通过i n t e m e t 访问现场服务 器。 现场服务器部分：现场服务器采用了内置数据库服务器和w e b 服务器技术。现场 服务器可以实现底层数控设备的数据实时显示与存储、报警记录及故障诊断结果显示、 报表的生成和各种参数的设置。现场服务器在局域网中通过n e t b i o s 协议与数控设 备进行通讯，完成数据的接收和发送。内置的w e b 服务器可以接受远程客户端的请求， 通过s o c k e t 或者数据库来响应远程客户端的查询、控制命令的发送、数控代码的测 试等要求。 远程客户端部分：远程客户通过浏览器的方式完成对现场设备的监控请求，为了 便于远程客户端的访i o q ，将远程客户端设计为专门的华中数控浏览器，将机床的远程 操作面板、视频接收部分、音频分析部分集成到一个浏览器中，极大的方便了远程客 户对底层设备的访问。远程用户通过身份验证后可以在浏览器中实现对数控设备的监 控。 一 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2 系统的技术体系结构 图3 1 所示的框架体系结构从物理结构上奠定了系统的资源共享和交互式监控的 基础，而系统的技术体系结构的建立将使系统的各部分有机的结合起来，保证了整个 系统的顺畅运行，从系统的工作流程出发建立一个支持信息高效交互的技术体系结构， 如图3 2 所示。 l s o c k e t i 1 一 n e t b i o s凰 医辐面j i _ l1 窜1 瓯据处理模块l 7 l 单控系统i i _ j 韵l 磊l e t 至+巴蚓器i 囱悃 远程客户端现场服务器底层设备 图3 , 2 系统的技术体系结构 华中数控的远程监控与维护系统主要包括远程对数控设备信息的查询和远程对数 控系统的维护两个方面。 远程对数控设备信息的查询分为历史数据查询和实时信息查询。对于实时信 息，为了保证大量的监控数据的传输，采用s o c k e t 技术对实时监控数据进行远 程发送和接收。s o c k e t 工作方式是基于消息的异步存取，用于在i n t e m e t 上传输 数据和交换信息量，使用中分为服务端和客户端，客户端向服务器端发送数据请 求，服务端对接收到的请求信息进行处理后发送相应的数据到客户端；对于历史 数据，远程进行查询的时候采用b s 模式的三层分布式体系结构。远程客户端向 w e b 服务器提出请求，w e b 服务器相应客户需求，将从数据库服务器中查询的结 果反馈给客户端。 远程对数控系统的维护包括远程控制命令的传送和远程的功能代码测试，远程控 制命令主要通过现场服务器进行命令的转发，对于远程的功能代码测试，将功能测试 代码存放在现场服务器中，远程客户只需要发送功能测试代码的序号，w e b 服务器根据 远程客户要求，把数据库服务器中对应的攫4 试代码发送给相应的数控设备。 3 1 3 系统的结构特点 在华中数控系统的远程监测与维护系统中，采用i n t e m e t 作为远程通信平台，局 域网协议采用工业中常用的n e t b e