（机械电子工程专业论文）基于internet的数控设备远程故障诊断系统平台的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 、本文系统的研究了基于i n t e r n e t 的数控设备远程故障诊断系统的体系结构， 从理论和实现技术两个方面进行了探讨，在此基础上，以华中i 型数控系统为对 象，开发了一个基于i n t e r n e t 数控设备远程故障诊断系统平台。了 首先，从全局出发，在分析了数控设备的特性和对故障诊断需求的基础上， 提出了实现数控设备的远程故障诊断的几种可能模型，并对各模型的优缺点进行 了分析、比较，优选出切实可行的模型，并对这一模型的功能和结构进行了详细 的说明。这一模型将整个系统分为辅助诊断和专家咨询诊断两个子系统以及设 备、现场设备诊断服务器、远程诊断中心和异地专家四个层次。 其次分析了系统对网络特性的要求，提出了网络设计与选型的原则，根据这 些原则，分别对设备、设备诊断服务器、远程诊断中心和异地专家的网络接入方 式进行了阐述，为系统网络环境的建立奠定了基础。 接着介绍了t c p a p 协议及其d o s 下的编程接口w a t t c p 和w i n d o w s 下的 编程接口w i n s o c k ，并重点对利用这些技术实现辅助诊断子系统中通讯部分进行 了介绍。并根据远程采集的设备信息主要是设备p l c 信息的特点，介绍了基于控 制系统流程的逻辑诊断模型，给出了设备运动的故障状态逻辑表达式，并对整个 诊断推理过程进行了详细地说明。 随后从功能和结构上对远程专家咨询诊断子系统进行了分析，并对其中的关 键技术( 多播技术、自动邮件技术和实时语音传输技术) 在系统中的实现进行了 详细的说明。， 最后给出了整个系统运行的环境配置和部分运行实例。( 对系统中存在的一些 问题以及系统未来的发展方向进行了探讨，并为将来进一步完善系统提出了一些 见解。 7 关键词：远程监测，故障诊断，t c p f i 畏w 兀c p ，控制系统流程，多魂 j j 实时语音传输 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e rs y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e s i nt e r m so ft h e o r i e sa n dr e a l i z i n g t e c h n o l o g i e s ，t h e s t r u c t u r eo fa ni n t e r n e v b a s e dc n cr e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m o n t h eb a s i so ft h i sa n dt h ep r e s e n th u a z h o n gn e t w o r kn c s y s t e m ，as y s t e m a t i cp l a t f o r m f o rc n c e q u i p m e n t r e m o t ef a u l td i a g n o s i si sd e v e l o p e d f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d f a u l td i a g n o s i sr e q u i r e m e n t so fc n c e q u i p m e n t a r e a n a l y z e d a n ds e v e r a lp o s s i b l em o d e l sf o rt h e r e a l i z a t i o no ft h ec n cr e m o t ef a u l t d i a g n o s i ss y s t e m a r e p r o p o s e d t h ea n a l y s i s a n dc o m p a r i s o no ft h em e r i t sa n d d e m e r i t so fe a c hm o d e lm a k e si tp o s s i b l et os e l e c tt h eb e s tm o d e la st h em o s tv i a b l e t h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h es e l e c t e dm o d e li st h e ns p e c i f i e dd e t a i l e d l y i nt h i s m o d e l ，t h e w h o l e s y s t e m i sd i v i d e di n t ot w o s u b s y s t e m s o fa s s i s t d i a g n o s i s s u b s y s t e m a n d e x p e r t c o n s u l t a t i o n d i a g n o s i ss u b s y s t e m ，a n d f o u r l a y e r s o f e q u i p m e n t ，l o c a le q u i p m e n td i a g n o s i ss e r v e r ，r e m o t ef a u l td i a g n o s i sc e n t e ra n d r e m o t ee x p e r t s s e c o n d l y ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h en e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c r e q u i r e m e t a s o fa n i n t e r n e t - b a s e dr e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，t h ec r i t e r i o n so fn e t w o r k d e s i g na n dt y p e s e l e c t i o na r e p r o p o s e d w i t h t h e s e c r i t e r i o n s ，t h e n e t w o r kc o n n e c t i o nm o d e so f e q u i p m e n t ，l o c a le q u i p m e n td i a g n o s i ss e r v e r ，r e m o t ef a u l td i a g n o s i sc e n t e ra n d r e m o t ee x p e r t sa r ee x p o u n d e d ，w h i c hf o r mt h eb a s i so ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e s y s t e mh a r d w a r e s t r u c t u r e t h i r d l y ，i nd e s i g n i n go u rs o f t w a r es t r u c t u r e ，t c p i pp r o t o c o la n d i t sp r o g r a m m i n g i n t e r f a c e sf o rd o so n a t r c p ) a n d w i n d o w s ( w i n s o c k ) a r ef i r s t l yi n t r o d u c e d ，t h e nt h e c o m m u n i c a t i o np a r t so ft h ea s s i s td i a g n o s i ss u b s y s t e ma r ed e t a i l e d l ye x p l a i n e d f o r t h em a i ni n f o r m a t i o nc o l l e c t e df r o me q u i p m e n tt h r o u g hn e t w o r ki sp l ci n f o r m a t i o n ， l o g i cd i a g n o s i s m o d e lb a s e do nc o n t r o l s y s t e m f l o wi s p r e s e n t e d a n dt h e l o g i c e x p r e s s i o nf o re q u i p m e n tm o v e m e n tf a u l ta n dt h ep r o c e s so fi l l a t i o no ft h em o d e la r e g i v e n t h e nt h er e m o t ee x p e r tc o n s u l t a t i o n d i a g n o s i ss u b s y s t e mi sa n a l y s e d f r o mi t s f u n c t i o n sa n ds t r u c t u r e ，a n dad e t a i l e da c c o u n to ft h ek e yt e c h n o l o g i e s ( m u l t i c a s t ， a u t o m a t i ce m a i l d i s p o s a l a n dr e a l - t i m es o u n dt r a n s a c t i o n ) o ft h es u b s y s t e mi s f o l l o w e d a tl a s t ，t h er u n n i n ge n v i r o n m e n to ft h ew h o l es y s t e ma n ds e v e r a le x a m p l e sa r e i n t r o d u c e d ，s o m ep r o b l e m sa n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n so ft h es y s t e ma r e d i s c u s s e da f t e rs u m m a r i z i n gf o r e g o i n gw o r k ，a n ds o m et e n t a t i v ei d e a so nt h ef u t u r e d e v e l o p m e n t o ft h es y s t e ma r ea l s op r o v i d e d k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r ，f a u l td i a g n o s i s ，t c p b p ，w a t r c p c o n t r o ls y s t e mf l o w ，r e a l t i m es o u n dt r a n s a c t i o n n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 本课题得到了国家高技术发展计划( 8 6 3 计划) 项目“开放式数控装备远程操 作监控与故障诊断研究”( 项目批准号：2 0 0 1 a a 4 2 3 2 3 0 ) 的资助。 1 i 1 课题的来源 在数控机床中得到广泛应用的数控技术，是一种采用计算机对机械加工过程中 各种控制信息进行数字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件 进行自动化控制的高新技术。当前已有大量机械加工装备采用了数控技术，其中 最典型而应用面最广的是数控机床。由于机械加工工艺的多样性和加工零件的复 杂性，使数控系统的规格、品种多样，性能差异极大，控制参数复杂，调试操作 繁琐，因此在不断将发展的计算机技术及其体系结构、现代自动控制理论及现代 的电力电子技术应用于新一代数控机床的同时，要强调使其具有“开放式”与“智 能化”的特点。 为使中国数控技术进一步提高，使中国数控机床产业能在国际竞争中取得席 之地，我国在“十五”期间，将进行新一代开放式智能数控系统开发研究，本课 题属于开放式智能数控系统相关子课题，主要研究内容为数控系统的远程故障诊 断系统平台技术。 1 1 2 课题的提出 任何一个制造系统的终极目标都是为了生产合乎质量要求的有竞争力的产品。 市场的竞争就是质量、价格和交货期的竞争。随着市场所提出的要求以及生产力 的发展，加工自动化、智能化要求的不断提高导致了加工设备及制造系统本身的 日益复杂化，对其柔性化的要求也越来越高。数控机床是集机、电、液、于一身 的现代机电设备，具有技术密集和知识密集的特点，数控系统一旦发生故障，由 于其技术先进、结构复杂、检查工作量大、涉及的技术领域多以及故障的层次传 播，很难用传统的监测及诊断方法依靠人的感官和经验来进行故障监测、诊断和 维修。八十年代以来，随着自动控制技术、计算机技术的发展，数控机床故障自 动检测、自动预报以及故障定位的准确性和实时性有了较大的提高，对设备的安 全运行、提高设备的使用率发挥了很大的作用。但还存在着问题； ( 1 ) 现有设备的自动诊断系统，实质上只是一个故障报警系统，对故障的诊 华中科技大学硕士学位论文 断和定位在很大程度上还有赖于人的经验； ( 2 ) 数控设备越来越复杂，对维护维修人员技术素质的要求越来越高； ( 3 ) 数控设备越来越多。维护维修人才短缺的压力越来越大； ( 4 ) 提供快速有效的维修维护服务己成为提高企业竞争力的重要手段之一。 上述问题要求我们采用新思路、新方法和新技术来处理当前制造设备的故障 诊断问题。 基于i n t e r n e t 的故障诊断技术为解决上述问题提供了一条有效的途径。我们 在现有的设备状态监测和故障诊断技术的基础上，将计算机网络技术、数据库技 术和人工智能技术结合起来，形成基于i n t e r n e t 的数控设备远程故障诊断系统， 通过这个系统最大限度地利用设备制造厂的故障诊断能力和异地领域专家的故障 诊断知识和经验，力求对制造设备的故障诊断过程更加实时、有效。 数控设备在运行中，不可避免的会发生故障，长期以来都是由专业人员实施维 修维护。显然，这种方法反应慢，效率低，费用高。基于i n t e r n e t 的数控设备远 程故障诊断系统是将故障诊断技术和计算机网络技术相结合，建立远程诊断中心， 用户系统一旦出现用户无法解决的故障，将由远程诊断中心服务器中的专家系统 进行诊断或者进行远程专家咨询诊断。远程故障诊断具有许多优点：对于企业来 说：能提供高效规范的全国性服务；对用户设备可快速作出故障诊断，维修服务 工作的效率得到大幅度提高：大量减少人员长途出差，降低人员成本；可以方便 地对设备的品质状况进行质量跟踪，及时发现设备品质劣化动向，为主动维护提供 依据；对售出设备的状态管理，可使得事后维修、计划维修和预知维修做到有机融 合。这样，可以增强企业的竞争能力。对用户而言：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，增加对用 户维修人员的技术支持。这样，可以使用户能更有效的提高生产率，增强竞争力。 1 2 国内外相关研究概况 1 2 1 制造设备故障诊断技术发展概述 设备状态监测和故障诊断技术作为- - i 7 学科产生于六十年代，一般指不分解， 不破坏设备，“采用现代技术手段及方法，掌握设备的在线状态量，对其异常或故 障的原因及其发掌趋势进行预测的技术，【”。它的根本目的是要获得设备运行状态 的真实信息，从而保证设备的正常运行和对维修的正确指导，减少或者消除事故， 提高设备的生产率和使用寿命，获得更大的经济效益。 美国是研究故障诊断技术最早的国家。早在1 9 6 1 年就成立了国家机械故障研 2 华中科技大学硕士学位论文 究会( m f w g ) ，于1 9 6 2 年正式启动设备状态监测与故障诊断技术的研究。它首先 从航天，航空和核工业等军事领域开始。1 9 6 7 年，美国宇航局( n a s a ) 倡导，首先 成立了美国机械故障预防小- 组( m f p g ) ，积极从事故障诊断技术的研究与开发，七 十年代诊断技术迅速扩展到整个工业领域。以后，各个国家和一些公司相继成立 了类似的组织，并开始了积极的研究工作。英国在六十年代末至七十年代初，以 r a c o l l a c o t t 为首的英国机械保健中心( u km e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o rc e n t e r ) 也着 手开始故障诊断理论与技术的研究。欧洲其他国家在开发故障诊断仪器上具有先 进水平，如瑞典的i d h a n m a r 咨询公司负责推进维修管理和状态监测，s m p 公 司围绕轴承研究各种测试仪器等等。日本在七十年代初开始了故障诊断技术的研 究，新日铁公司在1 9 7 1 年成立了“设备故障诊断技术研究”的专门组织【1 1 1 2 】【3 】。 自八十年代起，故障诊断技术的理论基础，技术方法及诊断装置的研究与开发 有了快速的发展，随着计算机技术，现代监测技术，信号处理技术和信号识别技 术等现代科学技术不断向故障诊断领域渗透，使得故障诊断技术逐渐跨入了实用 化的时代。这一时期校著名的系统有日本三菱公司的“旋转机械保健管理系统” ( m h m ) ，美国西屋公司的“移动诊断中心”( m d c ) 等。 在机械加工设备的故障诊断方面，国内外专家提出的理论和方法较多，其中大 多以人工智能和专家系统的应用为主要手段，如美国的c r o s s 公司提出的对1 8 台机床2 9 0 个工位组成的加工系统进行监测的分布式状态监测系统，美国德克萨 斯大学开发的柔性制造设备故障诊断专家系统，日本东京大学研制出的制造系统 监控与诊断系统等都是一些较成功的事例【4 i 。 在我国，设备状态监测与故障诊断技术是从七十年代开始不断学习国外现代设 备管理经验，并吸收消化美国和西欧的机器状态监测和故障诊断技术而发展起来 的。八十年代，部分高校和科研机构开始开展有关故障诊断技术的理论和实际应 用的研究，改变了传统的依靠感觉和经验的故障监测诊断方法，并为企业提供咨 询服务。九十年代，我国的故障诊断水平有了长足的进步，先后研制出了几套设 备状态监测和故障诊断专家系统，并应用于实际生产，取得了良好的经济效益和 社会效益。例如，北航研制的“f m s 物流监测和故障诊断系统” 5 1 ，华中科技大 学研制的“柔性制造环境下基于质量控制的故障诊断系统”1 6 1 等等。但是，不论国 内还是国外，机械加工系统的故障诊断技术离商品化和实用化还有一段距离。 1 2 2 基于i n t e r n e t 的设备远程监测与故障诊断技术发展概述 基于因特网的远程协作诊断研究工作最先是从医学领域开始的，1 9 8 8 年开放式 远程医疗系统的概念在美国提出，人们普遍认为一个开放式远程医疗系统应包括 华中科技大学硕士学位论文 远程诊断、专家会诊、信息服务、在线检测和远程学习几部分。1 9 9 4 年9 月 s y s o p t i c s 公司在美国国会山庄向克林顿总统演示了一个基于因特网的全国保健 试验示范系统；1 9 9 5 年1 月美国俄克拉荷马州的远程医疗系统投入使用，它把5 4 家乡村医院与州中心医院联系在一起，并通过计算机网络将c t 、x 光片等病人临 床检验结果送到州中心医院诊断，这样病人在入网的任何家乡村小医院就诊都 能得到专家级的诊断；国内上海医科大学在上海地区也建立了一个类似的远程诊 疗系统i 7 1 。 设备故障诊断与人类的疾病诊断是相似的，从技术上说能实现远程医疗诊断也 就能实现远程设备诊断。远程医疗诊断采用的系统体系结构、信息传输方法和异 地专家会诊组织、实现形式等都可为远程设备诊断所采用和借鉴。但由于重视程 度不够和投入的科研资金少、人力不足等原因，与医疗行业已取得的显著成果相 比，工业领域的远程诊断工作进展相对较慢。1 9 9 7 年1 月，首届基于因特网的工 业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研 究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了远程诊断系统连接开放式体系、诊断 信息规程、传输协议，以及对用户的合法限制，并对未来技术发展作了展望。会 上确定由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于因特网的下一代远程诊断示范 系统，该项工作得到了制造业、计算机业和仪表业的b o e i n g 、f o r d 、s e g a t e 、t n t e l 、 s u n ，h p 等1 2 家大公司的支持和通力合作，并很快建立了一个限于合作者间的远 程诊断示范体系t e s t b e d 。t e s t b e d 采用嵌入式w e b 组网，用实时j a v a 和 b a y e s i a n n e t 实现远程信息交换和诊断推理；从该项目对外开放内容和项目组1 9 9 7 年底的研究总结报告来看，系统离实用还有很大距离，许多研究内容也还只是一 个提法。此外，密执安大学也在积极开展针对机械加工的远程诊断和制造系统的 研究工作，并在因特网上设立了一个宣传站点。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e n s y s t e m sa 1 1 l a n c e ) 、m f t p ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 、 v i b r a t i o ni n s t i t u t e 等，也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广工作， 并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司在他们的产品中也加入了因特网 功能，如n e n t l y 公司的计算机在线设备运行状态监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可 以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态； n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b v i e w 中新增了因特网模块，可 以通过w w w 、e m a i l 、f t p 方式发送测试数据。 在国内就目前掌握的资料来看，西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大 学都已开始或准备开始从事工业领域的远程诊断研究工作，华中科技大学也于 4 华中科技大学硕士学位论文 1 9 7 9 年初开始了前期研究工作，并于同年1 1 月在因特网上设立了一个远程诊断宣 传站点，向国内介绍远程诊断技术，并以技术示范的方式向用户提供远程诊断服 务。同时b e n t l y 、e n t e k 、s o l t r a n 等大公司也纷纷将他们最新的网络化设备状态 监测产品推向中国市场，这对增进我国学术界和企业界的网络化设备故障诊断意 识和提高我国的设备故障诊断水平也起到了积极的促进作用。 1 3 本文的主要研究工作 本文的主要工作是在现有的监测诊断方法和技术的基础上，对基于 ( n t e r n e t 的数控设备远程故障诊断系统进行研究。为实现此目的，本学位论文的主要工作 集中在如下几个方面： ( 1 ) 在分析数控设备特点的基础上，探讨了将网络技术引入传统的设备状态监 测和故障诊断技术的可行性及其意义。 ( 2 ) 结合数控设备的特性及远程故障诊断的要求，对基于i n t e r n e t 的数控设备 远程故障诊断系统的基本要素和特性进行了系统的研究，提出了现实可行的系统 模型，并对该模型进行了详细的解析。 ( 3 ) 根据系统对网络特性的要求，提出了系统选网的基本原则，根据这些原则， 对系统中各部分网络的设计与选型进行了详细的分析。 ( 4 ) 从实现技术的角度，对建立系统的网络信息传输平台进行了详细的说明。 重点对一些关键部分和关键技术进行了阐述。 ( 5 ) 在分析数控系统故障特征和远程诊断所采集的故障信息的基础上，就建立 基于设备信息的故障诊断专家系统进行了探讨。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体设计 系统的总体设计是整个系统得以实现的最重要的环节之一，它的正确性、可行 性、先进性以及经济性等因素直接决定了系统未来的功能和性能，并对系统的可 靠性、实时性、可扩充性及运行效率等性能指标有很大的影响。由于数控机床是 工业上最常用的数控设备，因此，本文将以数控机床作为背景，以拥有自主知识 产权的华中i 型数控系统为实验对象，研究开发基于i n t e r n e t 的远程故障诊断系统。 2 1 华中i 型数控系统简介9 】 华中i 型数控系统是由武汉华中数控系统有限公司生产的我国自主版权的开放 式数控系统。它以通用工控机为硬件平台，以d o s 操作系统为基础，其硬件体系结 构如图2 1 所示。 | 主机( 标准9 c ) c l口l 一 ： ： 一 j 厂1r 囡 l 匝孙 电 一塑镭! ! ! 訾引 l二：-j l 匝王 - - 1 。一 ： ： li 系统控制部件卜+ i 位置单元接口卜叫匝瓤爵覃爱卜_ - 葡面丽 ： ； ；匪互 一匝耍互h 一吨圃 匝至 一- 圈 图2 1 华中i 型数控系统硬件体系结构图 虚线框内是标准的p c 配置，其中微处理器采用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。 在软件上，该系统以d o s 操作系统为软件支持环境，实现了一个开放的数控 系统软件平台，提供了一个方便的二次开发环境，图2 2 是其软件结构图。 6 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 华中i 型数控系统软件结构 其中的r t m 为自行开发的实时多任务管理模块，负责c n c 系统的任务调度和管 理，n c b i o s 为基本的输入输出系统，管理c n c 系统的所有外部控制对象，包括设 备驱动程序的管理、位置控制、p l c 的调度、实时插补计算和内部监控等。过程软 件即上层软件，通过n c b i o s 把它与底层软件隔开使得过程软件不依赖于硬件，为 适应不同的系统，只需要改动过程软件即可。 该系统具有以下优点：( 1 ) 由于采用通用工业微机，数控系统可靠性有了切实 保障：( 2 ) 微机的各种外部设备可直接用于该系统，如显示卡、网卡、r s 2 3 2 接口、 软硬驱动器等；( 3 ) 通用微机软件与硬件资源丰富，开发环境非常方便、友好，用户 可自行开发各种数控机床应用系统。；( 4 ) 该系统可以方便地与c a d c a m 系统、数 字化测量系统、智能化故障诊断与误差补偿系统集成。 2 2 系统设计思想 2 2 1 网络技术在数控设备故障诊断中的引入 随着网络技术的迅速发展，其应用越来越广泛，许多原来的设想逐步可以变为 现实，远程服务是最具有现实意义的网络应用。当前，国内在远程服务方面的研究 主要集中在远程医疗、远程教育等方面，在制造业方面的研究应用还较为少见。随 着市场竞争的国际化和激烈化以及制造全球化的发展，制造业对远程服务的要求， 包括远程设备调试、远程故障诊断、远程培训等方面的要求与日俱增。尤其这些 年以来，随着数控机床功能的不断提高，系统越来越复杂，一旦出现故障，排除的时 7 华中科技大学硕士学位论文 间增长，难度也越来越大，这样费用也就大大提高。由于数控机床涉及多个领域方 面的知识，对有关人员的要求也很高，如何在数控机床出现故障时，进行快速诊断 和维修也就变得非常重要了。近年来，人们在数控机床的故障诊断和维修方面做了 许多工作，并且取得了一些成效，如在数控系统的硬件设计方面，在数控系统的监 控系统和自诊断系统方面，在传感器开发方面都取得了很大进展。但是，我国在维 修方面的状况和水平与国外还是有很大的差距，已无法适应当今顾客对快速故障 诊断和维修方面的要求。因此，组建我国企业的远程服务系统对提高竞争力，降低 生产与维修成本，提高经济效益，促进企业技术改造都具有非常重要的意义。 2 2 2 系统结构的选择 ( 1 ) 远程故障诊断系统的运行模式 远程故障诊断系统可分为两种运行模式：系统辅助诊断和专家咨询诊断。 系统辅助诊断是指用户的设备一旦出现本身无法克服的故障，将自动连接 现场设备诊断服务器( 如果它此时没有连接在现场设备诊断服务器上) ，现场设备 诊断服务器在收到设备故障信息后，进行诊断信息准备，然后连接远程诊断中心 的故障诊断服务器，传输诊断信息，接收故障诊断服务器的诊断结果，整个过程 中，远程诊断中心由其诊断专家系统和领域专家参与，在客户端的技术人员通过 回答专家系统或者专家的提问来参与诊断过程，并根据反馈的诊断结果和维修指 导进行故障排除。 专家咨询诊断是由客户现场技术人员、远程诊断中心和远程诊断中心指定 的专家共同进行的，其工作方式是由诊断中心、专家和客户共同商定诊断时间后， 通过远程诊断中心，在约定的诊断时间内，各专家和现场技术人员通过专家咨询 诊断子系统进行包括白板，语音对话和数据库查询等方式的信息交流。如果必要 就由专家指导现场技术人员对设备进行测试，并实时监测，最后专家根据协同诊 断情况及监测信息做出诊断，远程诊断中心汇总专家的诊断结论，并传输至现场 和存入设备病历库。 在本系统中，由于要求数控机床能够及时、自动的进行故障报告和故障信息的 传输，同时远程诊断中心也要能够及时、一定程度上自动的对故障进行诊断，反 馈诊断结果。因此，本系统主要采用系统辅助诊断模式，同时对于一些系统辅助 诊断无法满足其诊断需求的故障，辅以专家咨询诊断。 ( 2 ) 系统的总体结构 一个完整的远程故障诊断系统，总体上是通过i n t e r n e t 网络，运用i n t e r n e t 技术，将分布在不同地域的设备、监控系统、诊断系统和使用者联系起来，在系 8 华中科技大学硕士学位论文 统、人及它们之间进行设备状况信息，诊断决策信息等的快速传递，动态形成对 设备的诊断服务网络平台。在本系统中，由于华中i 型数控系统的工作平台是纯 d o s 环境，由其直接连上公众网非常的不便，同时，数控系统对实时性要求非常 高，过多的附加功能会影响数控系统的性能，此外，从设备的安全性来考虑，直 接将设备连入公众网将使其受到攻击的可能大大增加。因此，我们将整个系统划 分为四个层次：设备层。这一层的核心任务就是采集设备的状态信息，通过局 域网送给现场设备诊断服务器；现场设备诊断服务器层。这层的核心任务就 是通过局域网接收设备层发来的信息，利用数据库对设备信息进行整理存储，根 据设备信息进行故障判断和诊断预处理以及配合远程诊断中心进行故障诊断； 远程诊断中心。这一层接收现场设备诊断服务器层发来的诊断请求和设备故障信 息，通过故障诊断专家系统对设备进行诊断；异地专家。异地专家在整个系统 中是一个特殊的层次，它不像前三个层次间有数据传递的递进关系，异地专家的 作用是在远程咨询诊断中，除了利用前三个层次搜集到的设备故障信息外，还可 以通过视频和音频，更多的搜集设备信息，在此基础上，利用自己的知识和经验 进行诊断。整个系统总体结构如图2 3 所示。 图2 3 系统总体结构图 ( 3 ) 系统软件结构的选择 对应于远程监测与故障诊断系统的两种运行模式和系统的总体结构，系统的软 件结构可以采用如下两种，先分别将其进行介绍： 传统的“客户月务器( c l i e n t s e r v e r ) ”结构 这一结构将系统划分设备、现场设备诊断服务器、远程诊断中心和异地专家四 个部分。在设备和现场设备诊断服务器之间，现场设备诊断服务器和远程诊断中 9 华中科技大学硕士学位论文 心之间以及异地专家和远程诊断中心之间存在客户服务器关系。其特点如下： 1 ) 诊断方式多样：系统中任何一方均具有主动权，诊断中心和专家可以主动 连上企业的现场设备诊断服务器，企业也可主动连上诊断中心，即可由企业的现 场设备诊断服务器自动连至诊断中心，也可由诊断中心的维护人员对企业中机床 进行定期巡检；同时，经过授权的异地专家也可对企业中机床进行检查； 2 ) 稳定性好、响应快：在网络条件不是很好的情况下，根据不同的传输要求， 通过专门的设计，可以提高网络通信的质量，使得系统的稳定性得到提高，实时 性得到保证； 3 ) 技术成熟，开发环境单一：现今绝大多数网络通讯均采用客户朋艮务器模式， 具有较多实践经验，同时现有的网络编程接口如w i n s o c k ，w a f f c p 等为开发提供 了良好的支持； 4 ) 用户界面友好：可以根据要求，在各个层次上设计符合要求的界面，而不 是采用b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式的千篇一律的浏览器界面。 因此，这种方式特别适合开发辅助诊断系统的需要。但是，这种结构也有很明 显的缺点，那就是通信程序设计非常复杂，需要分别对诊断中心和现场设备诊断 服务器之间，异地专家和诊断中心之间以及数控设备和现场设备诊断服务器之间 进行专用通信程序设计。这导致系统比较僵化，可移植性差。 b s 结构 这种结构根据w e b 服务器的不同，可以有以下几种情况： 1 ) 现场设备诊断服务器设置成为一个w e b 服务器 这种方式下，远程诊断中心或者异地远程专家主动，通过浏览器访问现场设备 诊断服务器，并通过下载的w e b 页面中的监控组件与远程诊断中心的诊断服务程 序来交互，以响应现场设备诊断服务器故障预处理程序发出的故障诊断要求。其 优点是异地专家或诊断中心访问企业中各机床信息是不需要专用程序，只需要能 上网即可，这种方式可以方便的实现多专家异地共同会诊。但是这种结构的缺点 非常明显。首先，机床一旦发生故障，不能主动连上诊断服务器求诊，同时，诊 断中心的诊断服务程序也需要人来启动，失去了自动处理的功能，即无法实现自 动诊断，必须要人的参与。同时，这种方式要求在每个企业的现场设备诊断服务 器上安装w e b 服务器，这大大增加了企业的经济负担和维护负担。 2 ) 远程诊断中心诊断服务器设置成w e b 服务器： 这种方式远程诊断中心被动，异地诊断专家通过诊断中心与现场设备诊断服务 器连接，在这种方式下，诊断中心做成w e b 服务器，企业现场设备诊断服务器的 管理人员可以用浏览器主动的连上诊断中心，通过w e b 页面中包含的a p p l e t ( a c t i v e x 控件) 通过提问式方式使用诊断中心的诊断服务程序；其优点是通信简 1 0 华中科技大学硕士学位论文 单，企业和异地专家可以随时通过浏览器访问诊断中心，不需要专用程序。其缺 点同样也非常明显，首先企业机床出故障时，无法自动连上远程诊断中心诊断服 务器，无法自动将数据传送给服务器，必须要有现场工作人员打开浏览器并连上 服务器，故障信息只能由现场人员通过填写h t m l 表单送交服务器。很难实现专家 共同会诊和对对远程机床的控制。 2 3 基于ci ie n t s e r v e r 模式的系统设计 w e b 方式是由人参与的方式，很难实现自动诊断和信息反馈。而且，在现有的 网络条件下，很难保证w e b 方式的通信( 因为a p p i e r 或a c t i v c x 均会占用大量的 带宽) ，相比之下，由于客户服务器模式不需要传输多余的东西，所以更为可靠， 更能满足实时性的要求。现从功能和结构上对系统设计进行详细说明。 2 3 1 系统的功能设计 从功能上来划分，系统可以分为辅助诊断子系统和专家咨询诊断子系统两个部 分： ( 1 ) 辅助诊断子系统。系统的工作流程首先是现场设备诊断服务器启动其诊 断服务程序，监听设备的连接请求，将连接上来的设备纳入管理，并为每一台设 备建立新的或者打开已有的各类数据库，准备接收设备信息。设备连接上设备诊 断服务器后，连续采集设备工作状态信息，发送给现场设备诊断服务器，当设备 发生故障时，进行故障自处理并等待设备诊断服务器发送测试例程，在可能的条 件下，接收并运行测试程序，充分搜集故障信息。现场设备诊断服务器对接收到 的设备工作信息、故障信息和测试信息进行预处理并存储在数据库中，在故障出 现时将向远程诊断中心提起诊断请求，并将故障设备的故障信息，历史信息以及 测试信息打包传递给远程诊断中心作为诊断依据。远程诊断中心在接到诊断请求 后，启动诊断线程，利用驻留的诊断专家系统，对接收到的信息进行分析，诊断， 并能在诊断的中间过程中通过向现场技术人员提问来了解更多的信息。最后根据 诊断结果作相应处理：对有明确诊断结果的，直接将诊断结果返回给企业监测 控制中心，指导现场技术人员进行故障排除工作；对不能得出明确结果的故障， 告诉用户将进行专家咨询诊断。这一过程由系统辅助诊断子系统完成。图2 4 是 设备与现场设备诊断服务器之间的工作流程图，图2 5 是现场设备诊断服务器与 远程珍断中心之间的工作流程图。 l l 华中科技大学硕士学位论文 设备现场设备诊断服务器 图2 4 设备与设备诊断服务器之间的工作流程图 现场设备诊断服务器 远程诊断中心 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 专家咨询诊断子系统。专家咨询子系统作为系统辅助诊断予系统的补充， 一旦系统辅助诊断子系统不能得到合理的结果，远程诊断中心将为该诊断任务启 动专家咨询诊断子系统，其具体工作流程见第五章。 2 。3 2 系统的结构设计 针对华中i 型数控系统的实际使用情况，本系统由设备在线监控模块、现场设 备诊断服务器、远程诊断中心，技术支持人员和异地专家组成。 ( 1 ) 设备在线监测模块 我们利用华中i 型数控系统的开放性，结合d o s 下t c p i p 协议开发包w a t t c p ，为 华中i 型数控系统增加了基于t c p i p 协议的网络应用功能。其结构如图2 6 。 图2 6 华中i 型数控系统的网络开发软件环境结构 它可以分为以下两层：底层即数控系统网络应用内核。它包括数控系统中所 有的共性问题，如多任务调度、插补运算、设备驱动、p l c 控制以及d o s 下t c p i p 协议栈等。数控系统网络应用内核的各模块都具有自诊断功能，并与网络模块集成 在一起，便于向网络环境传送数控系统的各种状态信息。上层。网络数控应用程 序开发接口。它提供了通过网络和数控系统进行信息交互的编程接口，用户可根 据自己的实际的需要，通过网络方便的和设备交互。 根据应用需要，结合网络应用编程a p i ，本文将在线监测部分作为个模块内嵌 于数控系统。在线监测模块首先根据用户的设定连接现场设备诊断服务器，然后 通过与数控系统交互，采集设备当前的信息，如p l c 的状态、当前正在加工的文件 华中科技大学硕士学位论文 名和当前错误信息等，传送给现场设备诊断服务器。同时，在线监测模块也能接 收现场设备诊断服务器发送的控制命令，然后传送给数控系统，从而控制设备。 ( 2 ) 现场设备诊断服务器 现场诊断服务器存在于机床和外界之间，是机床和外界交互的桥梁，外界必须 通过它才能获取现场机床的信息，之所以要额外的建立这一系统，是基于以下考 虑： 安全性。在网络日益发达的今天，网络黑客、病毒无处不在，如果将机床 直接连入i n t e r n e t ，其安全性很难得到充分的保证。采用现场设备诊断服务器后， 所有的机床都只是通过企业的局域网和它相连，对外开放的只有现场设备诊断服 务器，在该服务器上，我们通过采用防火墙，用户验证等网络安全手段保证设备 的安全； 保证系统性能。数控系统是一种对实时性要求很高的系统，如果将网络服 务器驻留在该系统内，将是一个巨大的负担。同时，诊断要求知道机床在一定时 间段内的历史数据，对历史数据的保存必须操作数据库，数据库操作对系统来说 也是一个负担，这些都将严重影响数控系统的性能。而采用现场诊断服务器后， 嵌入数控系统的只是一个简单的信号采集传输模块，对外界的响应，数据库的操 作等，都移到了现场设备诊断服务器上。 经济性。如果将每台数控系统做成一个独立的服务器，将加大软、硬件方 面的投资，增加成本，减弱产品的竞争力。 现场设备诊断服务器功能模块结构见图2 7 ，它主要包括以下几个部分：网络 通讯模块。现场设备诊断服务器的网络通讯模块需要同时处理设备和远程诊断中 心间的通信；设备管理模块。用于添加或者删除所控制的设备，建立与受控设备 的网络连接；数据处理模块。用于处理受控设备发送过来的数据，操纵数据库， 存储、更新历史数据，进行诊断信息准备等。故障处理模块。用于判别故障，发 出故障诊断请求，处理诊断结果；咨询诊断服务模块。用于响应远程专家咨询诊 断的需要，包括对话板、语音和视频通讯等。 华中科技大学硕士学位论文 设备 图2 7 企业设备诊断服务系统结构图 远程诊 断中心 其中，数据管理中心是本系统的核心模块之一，它负责给每台由现场设备诊断 服务器所控制的机床建立数据库。它主要由三个数据库组成：历史数据库、设备 特征数据库和故障数据库。 历史数据库保存着c n c 运行时各测点参数的历史纪录，它是各种诊断模块必 需的数据之一，也是很多监测模块需要访问的数据源。当系统运行时实时的测点 数据定期被接收到，加入到历史数据库中。但是由于对数控设备来说，需要采集 的信息量大，连续不停的采集将使得数据库规模急速膨胀，同时，过于陈旧的信 息对诊断的帮助并不大，因此，我们对历史数据库采取了定量更新的办法，对每 一台设备，当所采集到的信息量超过5 0 0 0 条记录，即数据量超过8 m 时，将从第一 条开始，用新的数据更新数据库。 设备特征数据库描述了关于数控机床结构特征的各种数据，包括输入输