（机械电子工程专业论文）网络化现场信号采集分析仪的研发.pdf

摘要 摘要 随着先进制造技术的发展和网络技术的广泛应用，基于制造业的远程网络 监控服务系统在制造业中扮演着越来越重要的角色，为支持网络监控服务系统 的运行，必须有相应的装置来完成制造设备接入i n t e m e t 的工作，网络化现场信 号采集分析仪作为一种嵌入式设备，是当前制造设备连网的一个发展方向。在 北工大全生命周期网络监控系统的构架下，网络化现场信号采集分析仪需要具 有实时采集制造设备运行状态信号，实时提取特征信号和将处理后的数据直接 送入i n t e m e t 的集成功能，本文以此为依据，进行了网络化现场信号采集分析仪 的研究和开发，主要工作内容如下： ( 1 ) 根据网络监控服务系统的要求和现有数控设备情况，详细制定了采 集分析仪各项性能指标，包括采集通道数，单通道最高采样频率，采样精度 等，并通过分析计算，确定采集分析仪采取面向以太网的i n t e m e t 接入方式。 ( 2 ) 在深入研究d s p 技术、c p l d 技术、嵌入式i n t e m e t 技术的基础上提 出了以d s p + c p l d 构成硬件平台的核心，以d s p + 网络协议栈芯片完成网络 传输功能，数据采集、信号分析与网络协议处理并行运行的系统构成方案。 ( 3 ) 独立开发出网络化现场信号采集分析仪硬件平台，并使用c p l d 开 发环境完成了硬件平台各器件之间的逻辑连接和仿真。 ( 4 ) 利用d s p 丌发套件开发了采集分析仪的底层驱动子程序，包括系统 自启动程序，数据采集子程序及基于w 3 1 0 0 ai n t e m e t 协议栈芯片的底层网络通 信a p i 程序集，并进行调试成功。 最后，通过在数控磨床上的实验。证实了网络化现场采集分析仪硬件平台 能满足课题所提出的基本功能要求，并具有较强的抗干扰能力。 关键词：网络监控：信号采集；d s p 系统：i n t e r n e t 接入 ! ：! ! ：= = ：! ：! ! ! ! ! ! ! ，! ! 堡：些盔兰罂圭兰竺丝兰 a b s t r a c t t h er e m o t ew e bm o n i t o r i n gs e r v i c e s y s t e mb a s e do nm a n u f a c t u r e i n d u s t r yi sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp a r ti nt h em a n u f a c t u r e i n d u s t r y ，t o g e t h e rw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g ya n dt h ew i d ea p p li c a t i o n so ft h ew e bt e c h n o l o g y i no r d e r t os u p p o r tt h es y s t e m ，s o m e 【n s t r u m e n t sm u s tb eu s e dt oc o n n e c tt h e m a n u f a c t u r ee q u i p m e n t st ot h ei n t e r n e t a sae m b e d d e d i n s t r u m e n t ，t h e n e t w o r k e ds i g n a lc o l l e c t o ra n da n a l y z e ri sat r e n dt oc o n n e c tt h e m a n u f a c t u r ee q u i p m e n t st ot h ei n t e r n e t u n d e rt h es t r u c t u r eo ft h e w e bb a s e dm o n i t o r i n gs e r v i c es y s t e mf o rp r o d u c t1 i f e c y c l eo fb e i j i n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o o g y ，t h en e t w o r k e ds i g n a lc o l l e c t o ra n da n a l y z e r m u s th a v et h e s ef u n c t i o d s ：r a p i d l yc o l l e c t i n gt h er u n n i n gd a t ao f m a n u f a c t u r ee q u i p m e n t ：r a p i d l yg e tt h ec h a r a c t e rs i g n a l sa n ds e n d t h e mt ot h ei n t e r n e t a c c o r d i n gt ot h e s ef u n c t i o n s ，ih a v eb e i n g t a k e no nt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho nt h en e t w o r k e ds i g n a l c o l l e c t o ra n da n a l y z e ra n dm ym a i nw o r ki sa sf o l l o w ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h er e m o t ew e bm o n i t o r i n gs e r v i c e s y s t e ma n de x i s t i n gc o n d i t i o n s ，ib r o u g h tf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n t t a r g e t si n c l u d i n gt h ec h a n n e ln u m b e r ，m a xc o l l e c t i o nf r e q u e n c y ， c o l l e c t i o np r e c i s i o no ft h en e t w o r k e ds i g n a lc o l l e c t o ra n da n a l y z e r ， a n dt h r o u g ha n a l y z i n ga n dc a c u l a t i n g ，t h en e t w o r k e ds i g n a l c o l l e c t o ra n da n a l y z e ri s1i m i t e dt oc o n n e c tt ot h ei n t e r n e tt h r o u g h e t h e r n e t ( 2 ) b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fd s p 、c p l d 、e m b e d d e di n t e r n e t ，i b r o u g h tf o r w a r das t r u c t u r e s c h e m ea sf o l l o w ：u s i n gt h ed s pa n dc p l d t oc o n s t i t u t et h ec o r eh a r d w a r ep l a t f o r m ，u s i n gd s pa n dt c p i pc h i p t o c o m p l e t e dt h ed a t at r a n s m i s s i o nt oi n t e r n e t ，t h ed a t a 摘要 c o l l e c t i o n 、s i g n a la n a l y z i n g a n dd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e sc a nw o r k a tt h es a m et i m e ( 3 ) d e v e l o p e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h en e t w o r k e d s i g n a l c o l l e c t o ra n da n a l y z e r i n d e p e n d e n t l y ，a n dc o m p l e t e dt h el o g i c c o n n e c t i o n si nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mt h r o u g hc p l d d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ( 4 ) d e v e l o p e dt h ed r i v es u bp r o g r a m sf o rt h en e t w o r k e ds i g n a l c o l l e c t o ra n da n a l y z e r t h r o u g ht h ed s pd e v e l o p m e n tt o o l s ，i n c l u d i n g s y s t e mb o o ts u b p r o g r a m ，d a t ac o l l e c t i o ns u b p r o g r a m ，a n db o t t o mw e b c o m m u n i c a t i o n sa p i s u b p r o g r a m s ，a n de v e r ys u b p r o g r a mi st e s to k a tl a s tw em a d ea ne x p e r i m e n to nt h ed i g i t c o n t r o l m a c h i n et o o l a n dp r o v e dt h a tt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h en e t w o r k e d s i g n a l c o l l e c t o ra n da n a l y z e rc a nr e a l i z et h eb a s i cf u n c t i o n st h a t t h e m o n i t o r i n gs y s t e mr e q u e s t s ，a n dt h i si n s t r u m e n th a v eas t r o n ga n t i j a m m i n ga b i l i t y k e y w o r d s ：n e t w o r km o n i t o r i n g ：s i g n a lc o l l e c t i o n ：s y s t e mo fd s p ： c o n n e c t i o nt oi n t e r n e t 独创性声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝二同期： 关于论文使用授权的说明 型芏：篁” 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规 同期：兰! ! 。乡i7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 进入2 1 世纪以来，随着世界范围内科技的进步，特别是网络信息技术的发展， 制造业在技术、管理、市场等各方面都有很大的变化，在这其中，融合了计算机、 微电子、控制技术、机、光、电一体化技术等众多学科的先进制造技术起着举足 轻重的作用。设备状态监控作为现代先进制造技术的一个重要环节，不仅在保证 现代制造设备安全、有效地运行，提高其可靠性和安全性方面起着重大的作用， 而且以其高科技含量推动着制造业各项技术的发展。 目前，绝大部分制造设备监控与故障诊断系统是作为一个孤立的封闭系统开 发的，通常运行于单台或几台微机上对单台设备或自动线进行监测与诊断，1 7 7 1 1 i ：t 这样的监测与诊断系统难免存在以下不足： ( 1 ) 监控与诊断的方式和手段受到地域条件的限制； ( 2 ) 系统的开放性不足，渗断知识、信息与技术难以共享，制约了管理部 门、运行现场、渗断专家和制造j 一之间的相互交流与相互提高； ( 3 ) 尽管有现场监控与诊断系统的技术支持，但设备操作和维护人员也一般 只能解决一些简单的故障诊断问题，一旦设备出现较严重的故障或者新的故障 时、无法快速、经济地利用多方资源加以解决。 与此同时，随着制造业生产水平的提高，制造设备朝着大型化、自动化、高 速化和复杂化的方向发展，对监控系统和监控人员的技术水平提出了越来越高的 要求。比如，数控机床是一种集机、电、液于一身的现代机电制造设备，具有技 术密集和知识密集的特点，数控系统一旦发生故障、很难用传统的监测及诊断方 法来诊断和维修，单靠使用者自身的力量来解决设备运行中出现的问题，或对设 备进行f 1 常维护及预报等变得越来越困难，因此，需要强有力的技术支持来完成 监控和故障诊断任务，而国内从事设备监控和诊断工作的技术人员大多集中于学 术机构，由于地域、行业及企业之间的限制，学术界和企业的结合不甚紧密，实 际技术力量没有得到充分发挥，远程监控是解决这个问题的有效途径，如果在更 大范围内，比如全球范围内能实现对设备的远程监控，则不仅可解决企业设备运 行技术难题和专业人员相对缺乏的问题，确保制造设备的正常运行，又有利于研 究机构更准确、有效地得到企业设备运行的原始资料，充分展开技术理论研究， 北京i _ 业大学硕士学位论文 找出更好地为企业服务的方法，提高设备诊断的水平，创造良好的经济和社会效 益。 另外，在制造业不断发展的今天，经济全球化和响应市场的动态快速化、客 户需求个性化、竞争的炽热化等使企业面临着更加严峻和复杂的竞争局面。其中， 时间因素在企业竞争中被提高到首要地位，能否快速响应市场，并向用户提供高 质量的产品成为企业得以生存和发展的关键要素，而确保企业生产能力和产品质 量的基础各种制造设备、系统的正常运行则是以上要素得以具备的重要基 础，这使基于网络的远程制造设备监控系统成为一个越来越必要的组成部分。 全球化计算机网络的r 益普及，以及网络通信技术的发展，使得现代制造设 备远程监控系统的实现成为可能，其中以i n t e r n e t 为桥梁的网络监控技术在制造 业中的应用正成为制造业监控的发展趋势。 与传统的监控系统相比较，基于i n t e r n e t 的远程网络监控服务系统的优越性 体现在以下几个方面： ( 1 ) 远程网络监控服务系统以因特网为桥梁，跨越生产企业、用户和研究 机构在时间和空间上的距离，可实现全球范围内监控专家知识和设备运行状态故 障诊断数据的共享，提高了制造、世技术和信息资源利用的效率： ( 2 ) 远程网络监控沟通了管理部门、运行现场、诊断专家和制造厂商之间 的信息，便于获取多方面的信息，积累和综合各方面的经验、知识，服务于设计、 运行和维修，提高了设备状态监控的准确率和效率； ( 3 ) 远程网络监控与诊断技术充分利用现代信息传输载体i n t e r n e t ， 可以短时间内实现故障信息的传递与收集，使企业能够及时获得技术支持，解决 了生产企业技术力量不足和理论提高的问题，同时研究机构能更准确、更有效地 得到企业运行设备的第一手资料数据，以充实理论研究： ( 4 ) 企业远程网络监控系统以其迅速性和敏捷性可以实现异地制造、设备 重组和制造系统优化，减少售后服务成本，提高售后服务的质量，适应制造全球 化和市场竞争激烈化的趋势，以增强企业的竞争力。 1 2 网络监控服务系统的发展情况 网络监控服务是- - i 1 涉及多学科的综合性学科系统，它是在单机监控的基础 上，融合了现代通信技术、计算机技术、故障监测诊断技术而发展起来的。随着 相关技术的发展，它大致经历了以下几个发展阶段： ( 1 ) 以多用户联机、集中式控制为特征的单机监控与诊断系统，主要由1 台计算机和1 块或多块功能模板构成，信息的交换与处理仅限于监测与诊断系统 内部，因而是一种封闭式的系统，还不带网络化的特征，但是构成网络化监控的 基础和参考； ( 2 ) 以局域网络、集散化控制为特征的分布式监控与诊断系统。它主要是 针对大型机电设备功能多、地域分布广的特点，通过工业局域网把分布于各个局 部现场，独立完成特定功能的本地计算机互联起来，实现资源共享、协同工作、 分散监测和集中操作等功能。这是基于工业局域网的相对开放系统，监控信息的 处理在局域网内部进行； ( 3 ) 9 0 年代后期，随着计算机技术和信息技术的发展，特别信息高速公路 的开通，基于制造业的监控与诊断服务系统已经步入i n t e r n e t 阶段。基于 i n t e r n e t 的远程监测与诊断是发备诊断技术和计算机网络技术的有机融合，它 以若干台中心计算机作为服务器，在企业的重要关键设备上建立状态监测点，采 集设备状态数据；在技术力量较强的科研机构建立远程诊断分析中心，为企业提 供远程技术支持，企业的生产设备一旦出现异常，其状态监测服务器即向远程曲 控中心服务器申请在线技术支持，同时以电子邮件的方式向有关专家发出离线会 诊请求，在短时间内调动网内的所有资源，实现对设备故障的及时诊断与维修。 制造业基于i n t e r n e t 的远程监控研究发源于远程医学领域。一个开放性的 远程医疗系统，包括远程诊断、专家会诊、信息服务和在线检查等，机器设备的 远程监测诊断与远程医学有类似的系统架构。但是与医学领域相比，制造业网络 化监控的研究历史很短，主要因为受到了加工设备工况与运行环境的复杂性和大 量数据信息难于通过网络实时传输的限制。目前对加工设备远程监控的研究主要 是针对信息感知、信息处理、与切削过程有关的信息、与产品加工质量有关的信 息、设备精度信息、系统工作环境状况等的信息。尽管面临着一些困难，由于网 络监控有着良好的应用前景和优势，许多国家的科研机构和学者都对此投入了大 量的精力进行了研究，并取得了一些示范性得成果。美国林肯大学以i n t e r n e t 为基础开展了电火花加工过程t j 网络信息集成技术的研究；美国麻省理工学院以 i n t e r n e t 为基础开展了网络加工和装配单元一体化研究，其中网络监控是重要 北京f 业大学硕士学位论文 组成部分；韩国的p o h a n g 理工大学于1 9 9 6 年建成了基于i n t e r n e t 的网络虚拟 制造系统，开发出异地设计、异地车间控制和异地监控系统；澳大利亚在这方面 也进行了研究，开发了利用互联网的加工单元异地加工工况信息集成与控制系 统；德国阿亨大学开展了切削过程网络监控技术的研究，建立了演示试验系统。 基于网络监控技术研究的成果，些公司已推出了为制造业服务的网络监控产品 系统，如美国w h e c 公司通过电话线对大型回转机械提供远程诊断服务；德国的 f l e n d e r 服务状态监测公司，已经开发出基于现代远程故障诊断技术的面向状态 的维修技术：美国最新制造的机床，已具有基于i n t e r n e t 的设备远程监测与诊 断服务功能。 紧跟国际步伐，国内的一些高校和单位也已经开展了制造设备远程监控的研 究工作，国内从事这方面的研究的高校有西安交通大学、华中科技大学和哈尔滨 工业大学，北京工业大学等。哈尔滨工业大学于2 0 0 0 年建立了一个基于客户 服务器模式的数控加工单元远程j 瞄控系统；华中科技大学于1 9 9 7 年在上海宝钢 建立了基于w e b 的轧机状态监测与故障诊断系统；华中科技大学机械学院已经建 立了设备远程测试和故障诊断网站；同济大学以上海大众汽车冲压生产线为研究 对象，初步实现了一个面向制造企业的工业现场远程监控诊断系统：北京理工大 学、南京航空航天大学等也在开展基于i n t e r n e t 的f m s 远程故障诊断的研究； 北京工业大学正积极开展制造业设备运行状态全生命周期的监控服务技术研究； 中国设备故障诊断中心主办了中国设各远程诊断网( h t t p ：w w w c h n p f d c o m ) 。 近些年来，b e n t l y 、e n t e k 、s o l f r a n 等大公司也纷纷将他们最新的网络化设备 状态监测产品推向市场，这对增进我国学术界和企业界的网络化监测意识和提高 我国的设备监测与故障诊断水平起了积极的促进作用。 1 3 网络监控服务系统设备接入技术概论 为支持网络监控服务系统，必须有相应的硬件来完成对制造设备运行状态原 始信息的采集和网络传输。目前就掌握的情况来看，将制造设备如数控机床连入 基于i n t e r n e t 的网络监控服务系统，主要有通过p c 机和通过嵌入式设备直接连入 网络两种方式。 1 3 ，1 数控设备通过p c 机或工控机接入l n t e r n e t 数控设备通过p c 机或与p c 机相当的工控机接入i n t e r n e t ，有以下几种方式： 第1 苹绪论 ( 1 ) 通过安装于设备上的传感器，如力传感器、振动传感器、声发射传感器、 电压电流互感器等，用信号调理电路将传感信息调理成与采集卡相匹配的电压或 电流环信号送入数据采集模块，再通过数据采集模块和p c 机相连。数据采集模块 可以置于p c 机或工控机外，和p c 机的串行口、并行口或u s b 口进行通信，也可以 内嵌于p c 机的p c i 插槽中，p c 机将接收到的数据经过处理和保存后传送到远程的 服务器。目前面向数控设备的信号采集设备按其输入的通道数，输入信号范围， 带宽和生产厂家等的不同而种类繁多，比较出名的有台湾研华公司的a d a m4 0 0 0 系列数据采集模块，美国仪器公司的l a b v i e w 数据采集模块等： ( 2 ) 通过数控设备上自带的各种接口，女f l r s 2 3 2 、r s 4 2 2 串口等直接连入p c 机，再h h p c 机完成数控信号的网络传输。早期的d n c 系统都是通过这种形式实现 的，监控计算机一方面通过r s 2 3 2 接口和数控系统通信，实现数控程序的分配， 另方面通过局域网和其他计算机通信，实现生产调度管理。这种形式的连网通 信速度慢，一般只有9 6 0 0 b i t 只能进行数控程序和一般参数的传递，故不是 真正意义上的连网； ( 3 ) 数控设备先经过p c 机进入现场总线，再通过总线工作站p c 机接入互联 网。现场总线是随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和 发展，而在工业领域发生的一次使传统的工业系统无论在结构上还是在性能上都 将发生巨大飞跃的技术变革，常见的现场总线有l o n w o r k s 、c a n 、p r o f i b u s 、h a r t 、 f f 等。图1 1 展示了一个基于c a n 总线的远程监控系统。 c n cc h c 刚1 1 基于c a n 总线的远程监控系统 在该系统中，每台c n c 数控机床都装有c a n 卡以总线方式连入d n c 主机，d n c 主机作为c a n 总线工作站，装有网卡和c a n 总线通讯卡，通过c a n 命令字完成与数 北尿l 业大学硕士学位论义 控设备之间的通信。整个系统采用两层网络结构，底层网络仍采用c a n 总线网络， 上层网络以高速以太网为核心，两层网络之间采用嵌入式网关( e m b e d d e d g a t e ) 实现异质网络之间的无缝连接。e m b e d d e d o a t e 的作用在于实现高速以太网和相对 低速现场总线网络之间的互连，以及t c p i p 协议到各种现场总线协议的转换。 数据在p c 机上经过处理后通过e t h e r n e t i n t e r n e t 将信息发布到全世界各地。这 种连接方式的特点在于系统的通信建立在以太网、t c p i p , n 现场总线的混合通 信协议之上，解决了不同标准现场总线由于不能互操作而带来的分散性和开放性 问题，比较适合于改造现有的现场总线网络。但该方式在具体应用实施时，仍存 在很大的问题主要是因为e m b e d d e d g a t e 的具体实现是极其复杂和困难的。 1 3 2 数控设备通过嵌入式装置接入ln t e r n e t 嵌入式装置指软硬件可剪裁的系统，它一旦启动就执行某一特定的程序，无 需人工干预，通常要求有实时响应能力，一般不要求复杂的用户工作界面，甚至 不要求支持键盘，显示器等外部设备。目前，将各种设备通过嵌入式模块而非 p c 系统直接连入i n t e r n e t 即嵌入式i n t e r n e t 技术已成为当前的一大热点。嵌入式 i n t e r n e t 技术创新性地提出低价微控制器( m c u ) 可作服务器这一理念，使底层监 测设备与i n t e r n e t 的无缝连接有了可行方案，真正做到远程监测。 就数控设备来说，将其通过嵌入式装置连入i n t e r n e t 主要有以下几种方式： ( 1 ) 通过数据采集卡和高档嵌入式系统接入互联网。嵌入式系统使用3 2 6 4 位嵌入式m p u m c u 内核，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u n s p a r c 、m c 6 8 x x x 、m i p s 、p o w e rp c 等功能强大的处理器，并且使用实时操作系统r t o s ( 例如v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、 q n x 、o s 一9 、p a l mo s 、p s o s ) ，这些系统有足够的能力和资源实现各种网络协议， 如t c p u d p h t t p f t p 等，因而可以比较方便地实现网络互联。目前在很多系 统中应用的p c i 0 4 结构的嵌入式系统将p c 机的主要硬件( c p u 、r a m 、磁盘、扩展 槽、i 0 口及网络等) 集成在一张信用卡大小的主板上，将操作系统和应用软件 存储在f l a s h 芯片中，将数据采集卡与p c i 0 4 主板的扩展槽相接就能在操作系统 的支持下将数据传送到网络。在应用这些高档嵌入式产品进行系统开发时，设计 人员不需在嵌入式系统自身的硬件电路和底层操作系统软件设计上耗费大量精 力，而将重点转向应用扩展卡、应用软件上，可大大提高网络系统的构造速度， 但是也必须付出很大的成本代价。 第1 章绪论 ( 2 ) 通过各种接口协议转换设备将现有的数据采集传输装置转为具有以太 网接口或电话线接口的形式，并赋予t c p i p 地址从而将数控设备的信号传送到 以太网或i n t e r n e t 。比如江苏银河电子股份有限公司研制的串口设备服务器，具 有r j 4 5 网络接口、提供可靠的t c p i p 连接，能使所有r s 2 3 2 4 2 2 串口设备轻松 联人以太网，形成了“设备一控制终端一网络”的体系；又如将台湾研华公司 a d a m 4 0 1 2 数据采集模块和a d a m 4 0 5 0 网络转换模块相连，就能把数控机床的各种传 感信号，如振动、电压电流信号等送入以太网，从而送入i n t e r n e t 。但是通常这 些转换设备功能比较单一，很难满足内嵌操作系统的要求。 ( 3 ) 通过i p 传感器或集采集、信号分析、网络传输为一体的现场信号采集 分析仪连入互联网。新一代的传感器i p 传感器基于嵌入式i n t e r n e t 技术构 造，在智能传感器的基础上实现了嵌入式w e b 服务器技术，支持h t t p t c p u d p i p 等通信协议，并采用以太网标淮接口，实现了现场设备和i n t e r n e t 的直接通 信，图i 一2 为i p 传感器的功能模块图。i p 传感器解决了设备的直接上网问题，使 得对于现场设备的控制不再受到空间和地域的限制，通过分配正确的i p 地址，授 权用户就可在任意i n t e r n e t 终端实现对被控设备的访问和控制。现场信号采集分 析仪除了没有传感单元外，从本质上来说和i p 传感器功能是一致的，是一种将各 种功能集成于一体的装置。 幽1 2i p 传感器功能模块图 总的来说，通过嵌入式设备将底层制造设备接入监控网络相对p c 机有结构 简单、尺寸微小、价格低廉：系统组网容易，传输数据多、速率快等优点，应该 作为数控设备底层接入的首选。目前市面上出现了多种多样的高档嵌入式接入设 备，但价格都相当昂贵，比方p c i 0 4 模块上一张f l a s h 卡的价格就是上千；i p 传感器目前还停留在概念阶段：网络化信号采集分析仪则以其良好的通用性，符 合当前我国大多数数控设备生产较早，不具备网络接口的实际情况，而且网络化 信号采集分析仪的成本较为低廉，具有较为广的应用性，是当前制造设备联网的 一个发展方向。 1 4 网络监控服务系统的结构及本课题的任务要求 面向制造业的网络监控服务系统可采用多种运行模式，其中企业产品网站服 务模式是较为简单易行又与当前我国企业水平较适应的一种实用方式，本课题所 采用网络监控服务系统为北工大基于制造业的全生命周期网络监控服务系统，其 构成如图1 3 所示。该系统以装备制造业的典型设备数控机床为监控对象，由 工况数据库服务器、网络服务器、诊断专家服务器，若干现场监控计算机及网络 化现场信号采集分析仪组成。 图卜3 网络监控服务系统的构成 工况数据库服务器通过网络化现场信号采集分析仪搜集分散在不同地点的 产品运行记录，包括反映机床运行状态的振动信号( 速度、加速度信号) 、切削温 度、切削电功率、切削力、声发射信号等信号，用户可以通过浏览器，使用给定 的访问权限在网站主页上登录，进入该服务器查询本地产品的运行数据和历史档 案，并可通过w e b 页面的显示控件进行历史数据回放。诊断专家服务器内置有 各种分析、诊断软件以及专家知识库。用户点击访问网页时，启动内嵌的j a v a 或j a v as c r i p t 程序，再由这些程序触发专家服务器中的诊断软件和专家知识库， 获得网上服务。网络服务器负责接受用户的查询请求，并将这些请求传递给数据 库服务器和诊断专家服务器，由数据库服务器通过用户所指定的现场信号采集分 析仪对现场设备的运行状态做实时的数据采集，供给诊断专家服务器进行分析、 预报设备运行中故障发生的趋势和出现的可能或作出其它的诊断，给出调整策 略，避免事故发生。 在监控系统中，要及时地响应用户的请求，必须保证所采集机床运行状态 数据的有效性和网络传输的高速性，而在机床连续不断地运行过程中，采集到的 是海量的数据，为保证传输速度必须对大量的实时监测数据进行预处理，用信号 分析技术提取最少且能最敏感地反映运行状况的特征数据，尽量减少网络实时传 输的数据量。 从整个系统的构架和运行过程可以看出，具有网络接口的现场信号采集分 析是连接数控装置和上层监控软件系统，为监控系统提供设备原始状态信息，保 证整个网络监控能诈常运行的一个关键设备，它不仅要响应工矿数据库服务器的 请求采集现场数控设备运行状态信息，而且要有很强的信号处理功能，能通过信 号分析提取反映运行状况的特征数据，将特征数据通过自身的网络接口直接传送 到处于因特网上的远程服务器，所以网络化现场信号采集分析仪从实质上说是一 种能为网络监控服务系统提供信息服务的嵌入式w e b 服务器。 本课题旨在研制这样一种集运行状态信号采集、分析和网络传输于一体的 网络化现场信号采集分析仪，用于支持制造设备网络监控服务系统的运行。论文 的主要工作及内容如下： ( 1 ) 根据网络监控服务系统的要求和现有数控设备的情况，对数控设备的 底层接入方式作了深入研究，确定了以网络化采集分析仪作为嵌入式w e b 服务 器连接i n t e r n e t 的方式，并详细制定了采集分析仪的各项性能指标及连网方式要 求，作为整个采集分析仪设计的依据； ( 2 ) 根据采集分析仪的功能要求和所制定性能指标要求，确定了采集仪硬 件平台的设计方案，包括硬件平台的核心构架、微处理器芯片的选型、数据采集 和传输部分的硬件方案及硬件平台的整体构架。由于采集分析仪是一个将所有功 能，特别是其作为嵌入式w e b 服务器直接连入i n t e r n e t 的功能集成于一体的仪器， 实现起来难度相当大，所以在方案设计上经过大量的调研和论证，提出了一种相 对简单可行的实现方案； ( 3 ) 独立开发研制了网络化现场信号采集分析仪的硬件平台，其中的工作 包括d s p 和c p l d 开发套件的选购、电路的原理设计、器件的采购、p c b 板的 制作和调试； ( 4 ) 利用c p l d 开发套件用软件的方法实现了对硬件平台各器件之间的硬 件连接和仿真，其中硬件连接包括整个系统各部分之间的逻辑译码设计和扩展输 入输出口设计。 ( 5 ) 利用d s p 开发套件开发了底层驱动子程序，包括系统自启动程序，数 据采集子程序及网络通信初始化和收发子程序，并进行调试成功，并对基于采集 分析仪的通信系统软件构架做了进一步的研究。 ( 6 ) 使用北工大远程监控实验室现有的数控磨床进行了采集分析仪的应用 测试，取得了良好的效果。 1 5 本章小结 在这一章罩，我们首先说明了网络化监控服务系统应用于制造业中的必要性 和重要意义，然后介绍了国内外基于制造业的网络监控服务系统的发展情况并比 较了为网络监控服务系统提供硬件支持的底层设备接入方式，由此我们在北工大 网络监控服务系统构架的基础上提出网络监控的硬件基础之一，即论文课题：“网 络化现场信号采集分析仪的研发”。最后，我们给出了课题的设计任务和主要工 作内容。 第2 苹系统方粜设计 第2 章系统方案设计 2 1 设计的功能要求 2 1 1 基本功能要求 作为网络监控服务系统的底层设备，本课题所设计的网络化现场信号采集分 析仪应具备以下的基本功能： ( 1 ) 有效地采集典型制造设备如数控机床的运行状态信号，包括振动信号、 切削温度、切削电功率、切削力、声发射信号等，并保证数据的可靠性： ( 2 ) 能实时地对所采集的信号作较为复杂的信号预处理如f f t 运算等，用 以减少网络传输的数据量，所提取的特征量应为表征设备故障或故障趋势的有效 数据，以便专家系统能根据这些有效特征量做出趋势预测和故障诊断； ( 3 ) 及时响应i n t e m e t 上网络服务器的请求，将经过预处理后的数据通过网 络接口高速传送到i n t e m e t ：同时也能响应本地监控机的请求，将原始数据通过 内部局域网实时传送给本地监控系统。 2 1 2 采集分析仪性能指标的确定： 采集分析仪的性能指标包括所能采集信号的最高频率、采集通道数、采集信 号范围、采集精度、仪器的内存容量、处理速度、和网络传输速度。 21 21 确定性能指标的原则 网络监控服务系统研究的数控设备对象众多，现场设备情况比较复杂。一方 面所监测的参数类型很多，有高频信号，也有缓变信号，一个采集器不可能穷尽 所有的信号频率和带宽要求；另一方面将采集分析仪接入i n t e r n e t 的方式也有电 话线，以太局域网等多种选择，所以确定网络化现场信号采集分析仪各部分性能 指标的原则为：既要有典型的具体参考对象，又应该使采集分析仪有一定的通用 性，满足大部分工业现场的需求。 2 1 2 2 性能指标的确定 ( 1 ) 采样频率的确定：本课题以北工大远程监控实验室的数控磨床为具体 的参考对象，见图5 1 。该数控磨床上装有声发射传感器、压电加速度传感器 和机床主轴电机电压电流互感器。通过美国国家仪器公司的l a b v i e w 数据采集 分析套件的实验研究，其主轴的振动信号频率在1 0 0 h z 2 k h z 左右，主轴电压 电流信号的最高频率在8 0 0 h z 左右，声发射传感器的原始信号频率在5 0 0 k h z 左右，经过调理电路后信号频率在1 0 0 h z 左右。一般而言，数控设备状态监控 的典型信号振动信号频率大多在0 i k h z 之间；电压电流信号一般为5 0 h z 的工 频信号，中间夹杂一些其他的频率信号，如转动频率等；其它的切削力，切削温 度等信号则为缓变信号。根据以上分析，初步将采集分析仪单通道的最高采样频 率设为大于2 k h z 。 ( 2 ) 采样通道数的确定：在对机床进行故障诊断和系统建模等监控技术研 究时，所需采集的机床各部分的运行参数，如振动，电压电流，温度等的总数目 一般都小于8 。参考现有的设备及其配套传感器的情况，将采集分析仪的输入通 道数定为8 路，信号输入形式为单端输入。 ( 3 ) 信号采集范围的确定：机床上配套的传感器多种多样，信号输出的形 式和范围各有不同，其信号调理电路也不一样，为保证采集分析仪的通用性，将 传感器的信号调理电路与采集分析仪分离，采集分析仪只接收经过调理后的传感 信号。一般传感信号经过调理后，标准的电压输入范围为o 5v 为扩大信号输 入的范围，将采集分析仪的电压信号输入范围定为1 0 v 1 0 v 。 ( 4 ) 采集精度的确定：参照市面上现有的各机械信号监测仪的精度，将采 集分析仪的分辨率定为1 2 位精度。 ( 5 ) 采集分析仪内存容量、处理速度、和网络传输速度的确定 在确定采集分析仪的单通道最高采样频率时，考虑到实验阶段的实际需求和 高速a d 转换芯片价格的影响，将采样频率初步定为大于2k h z ，但为了系统的 扩展性和可更改性，系统的处理速度必须满足对高频信号如原始的声发射信号有 效采样的要求。在声发射信号的频率为5 0 0 k 时，按耐奎斯特采样定理，采集系 统的采样频率最低必须为5 0 0 k h z * 2 = 1 m h z 才能满足不失真采样的要求，下面 按系统采样频率为1 m ，8 通道循环采样的方式来估算： 按最大点数做f f t 处理，即做2 0 4 8 点的f f t 时，要求在 2 0 4 8 1 4 1 06 = 2 0 4 8 * 1 0 。3 即约2 毫秒内完成； 一路通道的声发射信号或振动信号撮大采集2 0 4 8 点的波形数据，产生 1 0 2 4 点的f f t 频谱数据，还要包括属性配置数据和提取的特征值数据约1 2 8 点， 所咀一路通道采集到的数据量为2 0 4 8 + 1 0 2 4 + 1 2 8 = 3 2 0 0 ( b y t e ) ； 第2 章系统方粜 盐计 8 路通道采集到的数据量约为8 * 3 2 0 0 = 2 5 6 k ，若有缓变量信号，其采集数 量相对较小，可忽略； 按完成一路数据实时处理的最大长度f f t 来计算，即2 0 4 8 点的f f t 时 间2 毫秒内，接受所有数据并上传处理后的特征数据，系统即达到传输的实时性， 所以要求网络传输速率为( 1 0 2 4 + 1 2 8 ) 0 0 0 2 = 5 7 6 k s ( b y t e ) 。 由计算过程可以看出，为了满足实时处理和传输的要求，微处理器必须能在 2 毫秒内完成2 0 4 8 点f f t 运算，采集系统数据容量应在2 5 6 k 以上，系统的网 络传输速度应在5 7 6 k 以上。 2 1 3 连网方式的确定 目前接入i n t e r n e t 的方式有多种，其中应用最广泛的是公用电话网p s t n ， 和以太网连接。一般电话线的传输速率为5 6 k s ，远不能满足本文所设定的采集 分析仪系统实时数据传输的要求：以太网的传输速率则高达1 0 0 m ，能为系统实 时数据传输和网络数据的高速传输提供一个很好的媒介，所以数据采集分析仪的 网络接口设计为面向以太网的连接方式。 2 2 仪器的核心构架 按上节的讨论，从功能上分，网络化现场信号采集分析仪应包括信号采集模 块、信号预处理模块、网络传输模块三大部分。在电路的核心构架即微处理器的 搭配上，按通常的实现方案，有以下几种： ( 1 ) 用单个微处理器：单片机或d s p 及外围电路完成信号采集、信号分析、 网络传输各模块的所有功能； ( 2 ) 采用微处理器加微控制器的结构，比方d s p + a r m 的结构，由微控制 器和外围电路完成采集和网络传输的功能，而由微处理器全速完成信号处理的功 能； ( 3 ) 采用微控制器加f p g a 可编程逻辑器件的结构，由微控制器完成整个 系统的协调，由f p g a 如a l t e r a 公司的f l e x 6 0 0 0 、f l e x 8 0 0 0 和相应的开发语 言，通过软件编程，用硬件实现系统所要求的数字信号处理算法； ( 4 ) 采用集成微处理器来实现系统功能，例如集成了a r m 核的t i 公司 o m a p 系列d s p 芯片等。 在以上几种结构中，采用第一种结构就开发调试来说，相对容易一些，但是 一个处理器同时完成控制和信号处理的功能，难免会影响信号分析的速度，这给 微处理器的性能提出了很高的要求，随着dsp 技术的发展和众多高性能信号处 理器芯片的出现，使该结构成为一种较为可行的方式；第二种结构就系统功能的 实现来说，是一种较为理想的方式，使控制和信号处理同时进行，系统能高速运 行，但如果采用这种方案的话，系统将成为主从双系统，开发时很难保证两系统 的同步性。鉴于目前还处在初期研究阶段，所以暂时不打算采用；第三种结构具 有较高的灵活性，可以实现信号处理算法的并行运算，第四种结构与第二种一样 可以实现系统的高速