（机械电子工程专业论文）基于web的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 摘要 本文重点对基于w e b 的开放式数控系统远程监测和故障诊断技术进行了研究和 探索，该技术在开放式数控系统的维护上，为制造商和用户提供一个便捷、实用的解 决方案，降低了开放式数控设备的维护和使用成本。 本文主要内容如下： 1 1 在先期开发的基于w 曲的数控远程服务平台的基础上，提出了将开放式数控 机床直接作为客户端纳入到b s 三层体系结构之中，并由此建立了“网上故 障查询”、“客户端故障诊断”和“远程故障诊断”三级故障诊断排除系统； 2 ) 研究了网络数据库查询技术，对原始故障记录进行了分析和整理，实现了网 上故障查询功能，并开发了配套的故障数据库管理软件： 3 ) 对在客户端进行故障诊断的方法进行了研究和探索，研究了客户端动态网页 技术，并将它和高级编程语言相结合，设计开发了运行在客户端的故障诊断 w e b 程序； 4 ) 对开放式数控系统的数据采集技术进行了分析和研究，给出了开放式运动控 制器和变频器的数据采集方法。并将这些方法应用于故障诊断w e b 程序之 中。 最后，在本系统中选择以上较为典型的功能在实验环境中进行验证，实验结果证 明了本系统总体方案和功能设计的可行性，为迸一步研究和开发奠定了基础。 关键词：开放式数控系统，故障诊断，动态网页，数据采集，远程监测 南京理工大学硕士学位论文 基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 a b s t r a e t ar e s e a r c h0 1 3 t h er 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 st e c h n o l o g yo ft h eo p e nc n c s y s t e mb a s e d0 1 1t h ew e bh a sb e e nm a d ei nt h ep a p e r i ti st op r o v i d eac o n v e n i e n ta n d p r a c t i c a ls o l u t i o nf o rt h em a n u f a c t u r e ra n dt h eu s e ri nl o w e r i n gt h ec o s ti nm a i n t e n a n c e a n do p e r a t i o n m a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) o n t h eb a s i so f t h e p r i o rr e s e a r c ho f r e m o t en cs e r v i c ep l a t f o r mb a s e d0 1 1t h ew e b ，t h e o v e r a l ls c h e m e ，w h i c hp u t sc n cm a c h i n et o o la sac l i e n td i r e c t l yi n t ot h eb st h r e e l a y e r , i sp r e s e n t e d t h ef a u l td i a g n o s es y s t e mw h i c hi n c l u d e s “f a u l ti n q u i r i n go i lt h e w e b ，f a u l td i a g n o s i so nt h ec l i e n t 。a n d r e m o t ef a u l td i a g n o s i s ”w a se s t a b l i s h e d 2 ) t h en a t i v ef a u l tr e c o r d sw e f ea n a l y z e da n dt h ee l a s s i f i c a t i o nw a sm a d e b a s e do nt h e t e e l m o l o g yo fd a t ai n q u i r i n gi ni n t e m e t ，t h ef u n c t i o no ft h ef a u l ti n q u i r i n gf u n c t i o ni s r e a l i z e da n dt h er e l a t e ds o f t w a r ew a sd e v e l o p e d 3 ) t h em e t h o do f f a u l td i a g n o s i s0 1 1t h ec l i e n tw a ss t u d i e d t h ew e bp r o g r a mo f t h ef a u l t d i a g n o s i so nt h ec l i e n tw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db yc o m b i n i n gt h et e c h n o l o g yi n p r o g r a m m i n gl a n g u a g e a n dt h ed y n a m i cw e b p a g e 4 ) t h ed a t ac o l l e c t i n gt e e l a n o l o g yo ft h eo p e nc n cs y s t e mw a ss t u d i e da n da n a l y z e d t h ed a t ac o l l e c t i n gm e t h o do f t h em o t i o nd r i v e r sa n dt h et r a n s d u c e ri sg i v e n i ti sa l s o a p p l i e di nt h ew e bp r o g r a mo f t h ef a u l td i a g n o s i s t h et y p i c a lf u n e t i o mo f t h es y s t e mw a st e s t i f i e di nat e s te n v i r o n m e n t t h ef e a s i b i l i t y a n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h eo v e r a l ls c h e m ea n dt h ef u n e t i o md e s i g n e dw c r cp r o v e dw h i c h p r o v i d e se x p e r i e n c e sf o rt h ef b r l l l e rr e s e a r c h 。 k e y w o r d s ：o p e nc n cs y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，d h t m l ，d a t aa c q u i s i t i o n ，r e m o t e m o n i t o r i n g i i y7 6 3 4 0 8 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包畲我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 弓长舯目 - 7 0 哼年占月吵日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 枨承阁 吖年占月日 南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程盟删及诊断技术研究 1 绪论 1 1 课题研究的意义 基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术是开放式网络化数控设备的支 持技术。目前，制造业正面临着一场生产模式的变革，开放式网络化数控系统则是一 种重要的企业底层控制系统。因此，将具有网络功能数控系统联网，实现远程监测、 诊断和提供远程服务，进行异地加工信息的采集和故障诊断，可极大地提高企业敏捷 化程度。本课题正是适应了网络化制造模式的发展趋势，对基于网络的数控系统远程 支持技术所涉及的关键技术进行研究，对于开放式和网络化数控系统应用和开发具有 较强的理论意义。 基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术的应用，一方面对数控机床的 用户来说，可以实现数控机床的预知维修、减少停机时闻、提高利用率，从而提高了 生产效率；另一方面对于数控机床的制造商来说，可以提高售后服务的质量、减少服 务人员和费用、及时地发现设计和制造上的薄弱环节，从而不断地提高数控机床的质 量。因而该技术既可以使机床制造商受益，又可以使机床制造商和用户建立起长期和 密切联系，还能充分地挖掘开放式数控设备的潜能，具有较高的应用价值“2 1 。 1 2 课题相关领域研究状况 1 2 1 开放式数控系统 ( 1 ) 数控系统的发展历程和方向 1 皇1 9 5 3 年美国研制出第一台三坐标升降台数控铣床算起，数控机床发展至今已有 5 0 年历史了，经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个是n c 阶段，它是采用数字逻 辑电路搭成的机床专用数控系统，所以又称为硬件数控阶段， 随着元器件的发展， 这令阶段历经了电子管( 1 9 5 2 年) 、晶体管( 1 9 5 9 年) 和小规模集成电路( t 9 6 5 年) 三代。自1 9 7 0 年小型计算机开始作为数控系统的核心部件，数控系统就进入到第二 个阶段，叫做c n c 阶段，成为第四代数控系统：从1 9 7 4 年微处理器开始用于数控系统 即发展到第五代。经过多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得n t 根本性的提高。 到了1 9 9 0 年，p c 机的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要 求，而且p c 机生产批量很大，价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入了基于 p c ( p c b a s e d ) 的阶段，也就是我们现在说的第六代数控系统( 即开放式计算机数控 系统) ，为彻底解决传统的数控系统封闭性和数控应用软、硬件的产业化生产问题奠 南京理丁大学碗十学艟论立 彗r t d 丌腹武般悝糸统远程监捌皮谚断技术研究 定了基础”1 。 就在数控系统发展的同时，计算机网络技术也在飞速地向前发展，特别是9 0 年代 后期，随着网络经济时代的到来。制造业正经历着一场深刻的变革，许多新思维新概 念应运而生，如敏捷制造、虚拟制造、网络化制造等等，可以说制造网络化是现代制 造业发展的主要趋势之一。数控机床的远程控制是支持全球化制造的使能技术之一， 提供了实现异地制造的一种手段，因此将成为实现网络化制造的基础。因而，开放式、 网络化已成为当代数控系统发展的主要方向。 ( 2 ) 开放式数控系统的基本概念 美国是最早提出开放式数控系统这一概念的国家，美国于1 9 8 7 年提出下一代控 制器计划n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 计划，企图通过实现基 于相互操作和分级式软件模块的“开放式系统体系结构标准规范”s o s a s ( s t a n d a r d s o fo p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o ra u t o m a t i cs y s t e m s ) 解决传统数控系统存在的“专用、 封闭”的问题。 开放式数控系统具有开放式体系结构。使数控系统有更好的通用性、柔性、适应 性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。根据i e e e 的定义：开放式系统应能使 所执行的应用运行于不同供应商提供的平台上，并可以与其它系统的应用相互操作丽 呈现与用户交互的协调( i e e e1 0 0 3 0 ) 。因此开放性数控系统具有如下特点： 1 ) 移植性：系统软件与硬件无关，应用程序能在不同的平台上运行。 2 ) 扩展性：用户对系统能二次开发， 能和其它专用软件集成。 3 ) 互操作性：各功能模块通过统一的接口能相互操作，进行通讯。 4 ) 缩放性：按照用户的需要，应用模块的功能、性能和硬件的规模可以伸缩。 5 ) 模块化：系统由一系列功能上独立的模块组成。 在美国n c g 计划的影响下，1 9 9 2 年欧共体开始了自动化系统中的开放系统体系 结构计划o s a c a ( o p e ns y s t e m 加曲i 钯c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 的 开发和研究。日本于1 9 9 4 年1 2 月成立了研究开放式系统的委员会，并发起了 o s e c ( o p e n s y s t e m e n v i r o n m e n t f o r c o n t r o l l e r ) 计划的研究。在短期内美国、欧共体和 日本等国纷纷实施战略发展计划，进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，他们的 目的都是开发基于p c 机平台的、具有高性能价格比的开放式体系结构的瓿代数控 系统，以适应迅速变化的市场需求。中国在2 0 0 0 年也开始进行中国的o n c ( o p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 数控系统的规范框架的研究和制定。经过十多年的发展，开 放式数控系统现已成为c n c 发展的潮流。 ( 3 ) 开放式数控系统的发展现状 自从美国于1 9 8 7 年提出n g c 计划，发展开放式系统体系结构的毅一代数控系统 以来，开放式数控系统的发展已经历了近二十年的时间。虽然在开放式数控系统体系 南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测段诊断技术研究 结构上还没有完美的解决方法，也没有个统一的软件模块和硬件结构的标准，但随 着对开放式数控系统研究的深入，世界上的主要数控厂商为了竞争的需要，纷纷推出 自己的开放式数控系统产品，总的来说开放式数控系统大致产生了三种类型的结构 哆 第一种是p c 嵌入n c 型，p c 主板以插卡的形式通过总线适配器插入n c 的专用 总线上，这种模式是在传统的专用c n c 插入一块专门开发的个人计算机模板，使得 整个系统可以共享一些计算机的软、硬件资源。如f a n u c l 8 i ，1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m1 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。这里，专用c n c 没有改变进行实时 插补、伺服控制、电源控制以及i o 控制等一些实时控制，而专用p c 执行人机界面， 监控和通讯等功能。这种数控系统由于其开放性只在p c 部分，其专用的数控部分仍 处于瓶颈结构。 第二种是n c 嵌入p c 型即完全采用以p c 为硬件平台的数控系统，其中最主 要的部件是计算机和控制运动的控制器。运动控制器完成全部实时控制任务，如插补 计算等，p c 机则完成非实时性任务。控制器以美国d e l t a t a u 公司生产的p m a c 多 轴运动控制器最为出色，控制器本身具有c p u ，同时开放包括通信端口、结构在内 的大部分地址空间，通过动态链接库和控件应用程序可与运动控制器通信。这种系统 的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资源，目前已达到远程控制的先 进水平嘲。 第三种是纯p c 型，即完全采用p c 的全软件形式的数控系统。这种模式是将f o 接口卡插入到通用p c 机的标准插槽中，整个系统是由p c 扩展丙成，p c 既完成非实 时任务，又完成实时任务，f o 接口卡只担任沟通p c 接口和驱动接口的任务。这是 真正意义上的开放式数控系统，能实现n c 内核的开放、用户操作界面的开放，由于 c n c 可以直接运行各种应用软件，因而能够最大限度地利用p c 机的软硬件资源，带 给生产厂家和最终用户非常大的利益。与前面几种数控系统相比，这种模式的开放式 数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。但由于存在着操作系统的实时性、 标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于探求阶段。还没有大规模投入 到实际的应用中。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p a ( p o w o r a u t o m a t i o n ) 公司的p a 9 0 0 0 n t 、美国s o f ts e r v o 公司的基于网络的运动控制器和固 高科技公司的g o 系列运动控制器产品等。 目前，我国虽然还没有制定出开放式数控系统的标准规范，但从“八五”开始也 对此作了一些有益的探索，并开发出具有我国自主知识产权的数控系统。如珠峰公司 和华中科技大学，利用i p c 和数控卡构成硬件平台，开发出中华i 型和华中i 型数控 系统；航天数控集团公司利用p c 机的体系结构，设计了与通用p c 机兼容的微机加 上数控通用，专用模板构成单机数控系统。此外，我国还基于美国d e t at a u 公司的 南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 p m a c 卡或s e r c o s 现场总线协议等构造出自己的数控系统”8 。 总体而言，无论从开放式系统总体结构形式( 第一种形式部分封闭，第三种形式 仍不成熟) ，还是从国内开放式数控系统的发展现状来看，n c 嵌入p c 型开放式数控 系统，是当前最为理想的开放式数控系统，因此这样架构的数控系统既具有前端p c 机的柔性，又具有原来专用c n c 系统的稳定性和可靠性，己成为当前的主流。基于 p c 机和w i n d o w s 操作系统的开放式、模块化数控系统是当今数控技术发展的主要 方向。 1 2 2 基于w e b 的远程监测与故障诊断 ( 1 ) 状态监测与故障诊断技术 设备在操作、运行过程中，总是会发生这样或那样的故障，但随着当前机电系统 复杂性的不断增加，对其进行监测、诊断、维修与保障的要求也越来越高。而复杂先 进的设备不应轻易解体检查，因此必须采取以“设备状态监测与故障诊断”为技术核 心的应对措施。状态监测与故障诊断是以机械电子学、信息论为基础，多学科交叉、 融合的工程技术，它是伴随着电子技术、计算机技术、传感器技术、现代控制理论、 现代信号处理技术、人工智能技术、网络通信技术、现代设计与测试理论等的发展而 发展的。状态监测与故障诊断的具有如下作用： 1 ) 准确说明运行设备当前处于正常状态还是异常状态； 2 ) 若有故障，则说明故障豹部位和原因； 3 ) 根据故障信息或根据信息处理结果，预测故障的可能发展； 4 ) 提出控制故障的措施，防止和消除故障； 5 ) 提出设备维修的合理方法和措施； 6 ) 对设备的设计、制造、装配等提出改进意见，为现代化管理提供科学依据和 建议。 状态监铡与故障诊断系统主要由以下几部分组成：信号拾取、信号处理( 特征提 取) 、状态辨识、监测与诊断决策。信号拾取是通过安装在设备上或设备附近的传感 器来实现的，传感器信号经过调理、传输和采样后送入信号处理模块，去掉冗余信息 后获得状态特征量，再将状态特征量送入状态辨识模块，获褥辨识结果后送入监测与 诊断决镣模块进行综合决策，最后输出设备诊断结果；信号处理、状态辨识和监测与 诊断决策一般由计算机系统或由专用仪器设备完成。 ( 2 ) 基于w e b 的远程监测与故障诊断 随着i n t e m e t 的普及和网络技术的发展，利用各种网络对设备进行远程监控是非 常经济有效的方式。借助于网络通信，用户不但可以在远端实时地观看机床运行时的 4 南京理工太学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测，受诊断技术研究 画面，获取被控设备的参数及特征值，并且能够像现场人员一样进行相应的交互式操 作和控制，从而极大的方便了对控制对象的操作和管理，也提高了整个系统的稳定性 和可靠性。目前，在i n t e m e t 上对设备进行进行远程监控主要有两种选择方案，分别 是浏览器w e b 服务器结构和客户机服务器结构“0 ”3 ，如图1 2 2 、图1 2 1 所示。 图1 2 2 浏览器w e b 服务器结构示意图 匣塑，岖圈 图1 2 3 客户机服务器结构示意图 浏览器w e b 服务器结构，般浏览器看到的w e b 页面大多数是静态的，客户机 通过u i u 。地址向服务器发出请求，然后服务器则将一个原先存储好的w e b 页面返回到 户端浏览器上显示，其实质是将w e b 技术与数据库技术相结合，适合于对被控设备历 史数据的查阅等非实时应用场合。 客户机且艮务器结构，远程控制软件以“客户机服务器”形式存在，包括一个客 户机程序( 可通过w e b 服务器下载并运行在浏览器端) 和一个服务器程序( 运行在 被监控设备的上位机) 。这种结构可以直接由客户机向服务器发出具体的请求命令， 或由服务嚣返回信息到客户机，而不必通过w e b 服务器，从而实现端到端控制，能 够满足一定的实时性控制要求n ”。 由于浏览器w e b 服务器结构在实时性方面的不足，所以目前基于w e b 的远程监 测与故障诊断的实际应用都是以上两种结构的结合，即把客户机服务器工作模式作 为必要的功能模块集成到系统之中n 3 “，。 目前，数字化远程服务系统在国际上已经成为研究的热点，如美国斯坦富大学 和麻省理工学院已合作开发了基于因特网的下一代远程诊断示范系统。美国的d m 2 0 0 0 系统和p d s 系统都是基于网络环境，能同时对多台设备进行在线监测和智能诊断多种 典型故障，具有远程通讯能力，能与企业的管理和控制系统联网通信，使企业不同部 门都能同时获取设备运行状态信息，也能对不同地区、不同企业的设备进行监测和故 障诊断等。国内在这方面的研究还处在初级阶段，华中科技大学、哈尔滨工业大学、 东南大学和同济大学等高校已进行工业领域的远程诊断研究工作，并取得了初步成 果，如：华中科技大学的何岭松教授等提出了基于w e b 的服务保障系统，系统f 1 3 e 一 服务平台、数控机床网关和远程终端三部分组成，设备用户可以通过浏览器获取和发 布诊断信息，获得及时的服务和技术支持；东南大学的易红教授等针对目前基于p c 机 的开放式数控系统的特点和w e b 技术的优势，对通过w c b 进行数控系统的远程控制方 案迸行了有意义的探索：北京航空航天大学郇极教授等研究和试验了采用p c 计算机通 用网络系统软硬件实现数控系统网络和远程服务功能的方法，并提供了试验结果。北 南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 京理工大学、北京机床研究所等对数控机床在状态监测与故障诊断方面也进行了积极 的探索和研究，其重点主要集中在c n c 系统方面“5 。”。”1 。 在实际应用方面，日本生产的加工中心上己经具备远程故障诊断功能，加工中 心的故障信息可以通过i n t e m e t 网传送到生产厂商的监控中心进行分析和诊断，并将诊 断结果和处理方法发送到用户端设备，指导用户排除故障。中德政府合作项目“制造 业多媒体远程服务远程支持系统”建立的上海大众有限公司和德国s c h u e l e r 公司之间 的数字化远程服务系统、上海贝尔有限公司建立的服务支撑网络系统，都取得了良好 的效益。国内在这方面的应用大多集中在电厂、配电站等电力监控系统，它们将原有 的实时监控系统与h t e m e t 技术结合起来，建立了基于w e b 技术的实时监控体系，实现 实时数据的动态发布。但是这些系统都是有针对性的，面向单一用户或固定用户的， 并且只是提供少数的远程服务功能，不能满足大量用户多方面的需求。“”z 3 。 基于w e b 的远程监测诊断系统正向着可视化的方向发展，并且已经有了实际的 应用。因此顺应世界制造业发展的潮流和趋势，充分考虑到我国企业的开放式网络 化数控装备的现状，开发出具有应用面广、高性价比的数控系统远程支持系统，是基 于网络的数控系统远程支持技术研究的主要方向。 1 3论文的研究背景和主要工作 1 3 1 论文研究的背景和内容 如前所述，一方面，由于开放式数控系统采用了通用高性能计算机和操作系统， 大大降低了开发成本、提高了系统的性能，特别是使数控系统具有极强的接口性能。 开放性数控系统对t c p i p 的完美支持使对其的远程控制只需花费很小的代价，远程控 制端与开放性数控系统都具有t c p 佃的s o e k e t 接，使得基于w e b 应用程序的开发不 必考虑底层通讯细节，主要精力将集中在基于b s 和( 或) c s 模式下软件的交互上。另 一方面，随着因特网的普及和局域网建设，为设备监测和故障诊断技术的发展带来了 新的思路与前景，随着基于w e b 的远程监测与故障诊断逐步在特定工业领域研究和应 用的深入，将这一技术与开放式数控系统新特性的结合也将是必然的趋势。 本课题属于江苏省自然科学基金项目，同时也是一个横向课题，其主要尽的是为 数控机床制造商建立一个便捷的基于w e b 的开放式数控系统远程服务平台，此平台能 为购买数控机床的用户提供各种数控服务。前期，本课题组在借鉴国内外相关研究的 基础上，考虑到国内企业数控装备的实际情况，已构建了基于w e b 的数控远程服务系 统平台，并已实现了部分数控服务功能。因此，以此平台为基础，在深入分析远程监 控系统的原理与需求并借鉴前人工作经验及成果的基础上，结合开放式数控机床的使 南京理工大学硕士学位论文摹于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 用和维护中的实际情况，增加新颖、实用的数控服务功能，充分地挖掘开放式数控系 统在远程监测与故障诊断中的潜能是本论文研究的主要内容。 1 3 2 论文完成的主要工作 在论文中作者主要完成工作如下： 1 ) 在对基于w e b 的远程监测与诊断系统进行分析的基础上，设计了本系统的总 体结构，确定了各子系统及其相应功能： 2 ) 实现了网上数控机床故障查询功能： 3 ) 设计了与网上故障查询功能配套的数据库，并开发了“数控机床故障信息管 理”软件，实现了对数据库中的故障信息和其它相关信息增加，删除。查询 和打印等操作： 4 ) 对开放式数控系统进行了研究，给出了开放式数控系统的数据采集方法； 5 ) 设计了开放式数控系统在线监测诊断系统，确定了系统的各功能模块，实现 了对变频器的在线监测诊断。 7 南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 2 基于w e b 的开放式数控系统远程监测与诊断系统总体设计 2 1 总体结构设计 基于w e b 的开放式数控系统远程监测与诊断，就是通过w e b 方式实现对开放式 数控系统的远程监测和故障诊断。本文在参考国内外基于w e b 的远程监测与故障诊 断技术的基础上，结合某公司数控机床故障诊断维修的实际情况，从实用性的角度出 发，对系统结构进行了总体分析和设计。 2 1 1 系统功能需求分析 本系统的最终目的是通过对w e b 技术的挖掘，尽可能多地实现数控机床( 本论 文中的数控杌床是指基于p c 的开放式数控机床) 的故障诊断功能，减少或方便维修 人员上门维修，缩短用户停机时间，从而降低机床制造企业的制造成本和用户的使用 成本。 要实现以上目的，首先必须分析数控机床故障排除的一般过程。当数控机床发生 故障时，通过故障部位和( 或) 故障现象查找故障的原因是第一步，查找到故障的原 因，则通过w e b 方式采取相应的故障处理方法；如果查找不到故障原因，则通过w e b 方式，按数控机床故障排查的步骤逐步排查。对于= j n - ) - 精度、加工误差等方面的故障， 还必须采集数控机床的实时运行数据和参数，使得远方诊断中心的计算机能够对它进 行实时监测和数据分析，从而达到监测与故障诊断的目的。因此，基于w e b 的远程 监测和故障诊断系统应具备以下功能： 1 ) 故障信息查询功能：根据当前机床的敲障部位和( 或) 故障现象，登陆机床 制造厂家的网站，可以查询到故障原因及处理方法： 2 ) 故障诊断功能：通过w e b 的方式，对数控系统的基本故障进行诊断和排除； 3 ) 数据采集功能；通过w e b 的方式，采集到数控系统的运行数据和参数： 4 ) 远程通信功能：将采集到的运行数据和参数发送到机床制造厂家远程诊断中 心： 5 ) 监测和故障诊断功能：诊断中心根据接收到的数据和参数，监测远程机床的 运行状态，对数据和参数进行分析判断，并将诊断结果发送给用户； 6 ) 数据库维护功能：诊断中心将每次故障信息添加到故障信息数据库，并对数 据库进行维护和完善，以便日后的故障查询和诊断。 8 南京理t 大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 2 1 2 系统总体结构设计 本课题组己建立基于w e b 的开放式数控系统远程服务平台，该平台采用目前在 i n t c m e t i n t r a n e t 网络上最流行的三层b s 结构，整个系统由w e b 浏览器( 含自动下载运 行的w e b 浏览器客户端软件) 、w 曲服务器端应用程序以及数据库服务器三部分组成。 基于不同的考虑，它并没有把开放式数控系统纳入到整个系统体系结构之中，所以不 能发挥出开放式数控系统特点和优势。因此，在原有体系结构的基础上，充分考虑到 数控机床制造厂商和用户的实际需要，建立了一个改进的基于w e b 的三层体系结构， 系统总体框图如下： 图2 1 1 基于w e b 的远程监测与诊断系统总体框图 该体系结构的最大特点也就是将开放式数控机床纳入到三层体系结构之中，并且 将它置于客户层。同时，该体系结构也体现两个主要的设计思想： 1 ) 瘦客户端思想：即系统所有的功能都是通过下载w e b 页来完成的，不同的是。 在本系统中网页是下载到开放式数控系统的上位机： 2 ) 客户端驱动的思想：目前基于w e b 的远程监控系统都是将被监控设备置于服 务器端，因此监控的主动权也掌握在服务器端：而本系统是将被开放式数控 机床放在客户端，即由用户决定何时需要远程监测和诊断。 如图2 1 1 所示，本系统总体结构包含了客户层、应用程序服务器层和数据库 服务器层a 结构中第1 层是客户层，用户通过使用数控机床计算机上的浏览器完成系 9 南京理工大学硕士学位论文 基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 统既定的功能和信息共享；第2 层是应用程序服务器层，它又包括w e b 服务器和监 测与诊断服务器两大部分，是联系客户层和数据库服务器层的纽带，w e b 服务器用于 存放系统的功能模块及应用程序页面供客户端下载；而监测与诊断服务器则用于接收 客户层传来的参数和数据，并进行监测、分析和诊断；第3 层是数据库服务器层， 用于安装故障信息数据库和系统所需各种数据，供应用程序服务器调用。相应的网络 拓扑结构图如下所示o “： 图2 1 2 基于w e b 的远程监测与诊断系统网络拓扑结构图 通过对w e b 三层体系结构的分析，按系统所要实现的功能，可规划本系统的总 体工作流程。如系统网罗拓扑结构图所示，机床制造企业设有由w e b 服务器、监控 诊断服务器、数据库服务器等设备组成的远程诊断中心。w e b 服务器是设立在i n t e a - n e t 上的服务站点，客户端与w e b 服务器之间采用b s ( 浏览器，服务器) 工作模式，所有监 控、分析、诊断软件都放在监控与诊断服务器上，并专门进行管理。数据库服务器上 应用程序的主要任务是接收和处理来自w e b 服务器和监测诊断服务器的数据，接收 的数据写入原始数据缓冲区，在对数据进行分析处理后将其写入数据库；客户端分为 两种情况：一种是单机用户。可以通过数控机床的计算机直接上网；另一种是多机用 户，可组成局域网使每台机床通过代理服务器上网。客户端通过上网，登陆制造企业 w e b 服务器后，经密码验证便可选择相应的服务，通过以下w e b 服务实现系统的功 能。 1 ) 故障查询服务；当点击故障查询按钮，便下载故障查询w 如页到客户端，客 户通过选择的方式来进行故障部位和( 或) 故障现象的描述，提交给远程诊 断中心的w e b 服务器后，服务器应用程序检索数据库，便能得到故障原因和 相应的处理方法反馈给客户端。 幼故障诊断服务：当点击在线故障诊断按钮，便下载故障诊断w e b 页到客户端， 该页面可以与数控机床计算机和开放式数控系统进行交互，完成数控系统的 1 0 南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监钡及诊断技术研究 基本诊断和故障排除功能，从而使数控系统能够启动和运行。 3 ) 远程监测及诊断服务：对于加工精度或加工误差等故障，可在数控系统运行 时，点击发送远程诊断数据按钮，将数控系统的运行状态和参数发送到远程 诊断中心的监测与诊断服务器上。分析诊断结束后将激活客户端页面的修复 按钮，提供用户点击，用于调整和修复用户端数控系统的参数。 2 2 各子系统设计 由图2 1 1 系统总体框图可见，整个系统包含了三个子系统分别是：故障查询 子系统、故障诊断系统和远程监测与诊断子系统，整个系统的故障诊断功能也是由这 三个系统逐级联合完成，下面分别对这三个子系统进行分析设计。 2 2 1 故障查询子系统设计 当数控系统发生故障时，第一步是弄清故障发生的原因及相应的处理方法。这也 是该子系统的主要功能，要完成这一功能，系统必须具备四个条件：客户端与服务 器端的交互；故障查询程序；故障信息数据库；可以对数据库进行日常维护的 应用程序。其中客户端与服务器端的交互是通过浏览器，而故障查询程序驻留在w e b 服务器中可通过测览器点击运行，故障信息数据库建立在数据库服务器中，供故障查 询程序调用。前三个条件通过目前通用的网络数据库查询技术可以实现，如何方便她 向故障信息数据库中增加、删除、编辑故障信息记录以及对数据库迸行日常维护则成 为本系统的一个主要功能。针对到某公司数控机床维修的实际情况，并结合该公司售 后服务的整体流程，决定开发专门的“数控机床故障信息管理”软件对数据库进行同 常的维护和操作。 2 2 2 故障诊断子系统设计 故障诊断子系统形式上作为个w e b 应用程序，驻留在w e b 服务器中供客户端 下载运行。该系统可以作为一个独立单元对数控机床进行一系列的故障诊断，也可以 作为故障查询予系统的后续单元对数控机床进步诊断。即根据故障查询结果对数控 机床的某一部分做有针对性的诊断。另外，对于数控机床，基本故障诊断可以在客户 端进行，而复杂故障则必须发送数控机床运行的参数和数据到远程诊断中心进行分析 和诊断。因此，该系统必须包含的模块及其功能如下： 1 ) 基本故障诊断模块：对数控系统进行在线杀毒、主要部件的参数设置校验、 启动文件更新等操作，其主要目的是使数控系统能够恢复正常工作； 南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 2 ) 复杂故障诊断模块：对数控系统的复杂故障( 如加工精度、加工误差等故障) ， 有针对性地向远程诊断中心提供运行参数和数据，并根据返回的诊断结果修 复故障。 3 ) 数据采集模块：采集数控系统运行的参数和数据，供其他模块调用； 4 ) 网络通信模块：发送采集到的数据供远程诊断中心监测和诊断，接受诊断中 心发回的诊断信息进行故障修复。 2 2 3 远程监测与诊断子系统设计 远程监测与诊断子系统作为应用程序驻留在监测与诊断服务器中，其主要功能是 接收远程用户发送的数控机床运行数据和参数进行实时监测，并调用专门软件和( 或) 故障诊断程序进行故障分析和诊断，最后返回诊断结果。因此，该系统必须包含的模 块及其功能如下。”： 1 ) 远程监测模块：利用接收到的运行参数和数据，直观地显示远程数控机床的 运行状态，供故障诊断人员参考。 2 ) 故障分析诊断模块：该模块利用服务器上提供的时域波形、功率谱分析、相 关分析等功能( 如调用m a u 曲应用程序的方法实现) 对远程数控机床的参数和 数据进行分析和诊断，将处理后的数据写入数据库，并将诊断结果发回客户 端； 3 ) 网络通信模块：接收客户端传送的参数和数据，发送诊断结果到客户端。 2 3 系统功能实现技术 系统功能的实现从技术的角度来说大概可以分为两块，一块是基于w e b 的功能 的实现技术，而另一块则是开放式数控系统数据采集技术。本节只对前者做一个简要 的分析，而后者在第三章中有详细的阐述。 系统功能的实现是建立在先期搭建基于w e b 的远程服务平台之上。在该平台中， w e b 服务器的运行环境为w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，其建立和管理使用自带的i i s ( m i c r o s o f t n t e r n c ti n f o r m a t i o ns e r v e r 简写为i i s ) ，并且使用i i s 支持的a s p 技术开发 了基于w e b 的远程服务平台的服务器端，数据库服务器采用的是可升级、可扩展、 高性能的关系型数据库系统s q ls e r v e r 。因而在此环境下a s p 及其自身捆绑的数据 库访问组件( d a t a b a s e a c c e s s ) 将能实现故障查询子系统的功能”3 。 对于故障诊断子系统，由于该系统侧重于下载页面与数控机床、使用者以及远程 诊断中心的交互，因而传统动态网页( 即使包含常规a c t i v e x 组件) 就不能满足要求。 目前，实现动态w e b 网页的方法有两种：一种是服务器方式，即应用服务器程序动 南意理工大学硕士学位论文 基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 态生成h t m l ；另一种是使用客户端的w e b 浏览器，用下载的方式再现动态页面。 服务器方式使用a s p ，下载方式使用客户端脚本、d h t m l 和a c t i v e x 、f l a s h 等插件 程序。其中值得一提的是d h t m l ( d y n a r n i eh t m l ) h o 动态网页技术，它是近些年网 络发展中最具实用性的技术之一。d h t m l 是h t m l 的扩展，它包含了h t m l 、脚 本语言、文档对象模型、c s s 以及一套基于文本对象的编程机制，不但克服了h t m l 在文本格式、布局控制、动态改变页面等方面的缺陷，而且还融入了数据感知和数据 绑定等新技术，使得设计者有能力控制页面的整体布局和信息交互，而这正是本系统 功能实现所必须的。因此，设计制作本系统需要的a c i t i v e x 组件，并结合d h t m l 程序设计将是实现故障诊断子系统功能的主要手段汹1 。 最后，“数控机床故障信息管理”软件和远程监测与诊断子系统等应用程序仍然 采用面向对象的编程语言，按软件工程的方法进行应用程序的开发。 2 4 系统的特点 本系统的总体结构上采用了基于w e b 的三层体系结构，但是与传统的基于w e b 的监测诊断三层体系结构相比有明显的区别，现列表如下： 表2 4 1 本系统与传统的基于w e b 监测诊断系统对照表 岜较系统 比较项n 本系统传统的基于w e b 监测诊断系统 被监测诊断设 客户端服务器端 备所处位置 客户端在需要时提出申请。服务器端设备在服务器端一直处于受监控 工作模式 接受请求后对客户端进行监测与诊断状态，客户端可随时对其进行监控 监测诊断 从客户端到服务器从服务器到客户端 数据流向 开放式设备故障诊断与维修的主要方作为保证关键设备连续正常运行 主要功能 法之一的辅助手段 应用于不需要进行长时间监测的开放应用于电厂、水电站等企业中的需 应用范围 式设备要2 4 小时监控的重要设备 由上表可见，本系统是一种以客户端为中心的远程监测诊断系统，因此无论是在 具体结构形式、工作模式，还是在功能和应用范围方面都与传统的基于w e b 监测诊 断系统有着显著不同，因此本系统应该是w e b 三层体系结构的另一种应用模式，是 对原有应用模式的补充。 南京理工大学硕士学位论文基于w e b 的开放式数控系统远程监测及诊断技术研究 2 5 本章小节 本章在需求分析的基础上，结合w e b 三层体系结构的研究和应用提出了本系统 的总体结构方案，对各子系统及其所包含的主要功能模块进行简要阐述，进而提出了 系统实现的总体技术方案，最后把本系统运行模式与传统的基于w e b 监测诊断系统 进行了分析比较，进一步明确了系统研究的目的和手段，为后续工作奠定了基础 南京理工大学硕士学位论文 基于w e b 的开放式数控系统远程臆测及诊断技术研究 3 基于w e b 的关键技术 本系统是基于w e b 的监测与诊断系统，因此系统的主要功能是通过w e b 应用程 序来实现，而w e b 应用程序的一种主要表现形式就是动态网页。即根据用户端的输 入和存取条件来动态的生成w e b 网页。实现动态w e b 网页的方法有两种：一种是服 务器方式，即应用服务器程序动态生成h t m l ；另一种是使用客户端的w e b 浏览器， 用下载的方式再现动态页面。在本系统中，服务器方式应用于故障查询子系统，客户 端下载方式应用于故障诊断子系统，下面分别对这两个系统功能实现的关键技术予以 阐述。 3 1故障查询关键技术 3 1 1 服务器端动态网页技术 服务器端动态网页技术应用在故障查询子系统中的特定解释就是：服务器端根据 客户端不同的故障查询条件，动态生成故障查询结果页面返回给客户端的一种技术。 而a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) 技术的主要功能正是设计能够创建动态网页和实现强大交 互功能的w e b 服务器应用程序。 a s p 本身并不是一种编程语言，它是