数控机床远程故障诊断系统研究.doc

数控机床远程故障诊断系统研究摘要：针对我国目前数控机床开机不足、故障停机时间长的现状，本文对远程故障诊断技术做了一定的研究。介绍了数控机床远程故障诊断系统的结构和功能，论述了系统的工作流程以及系统所涉及的主要技术，旨在对我国目前的现状产生一定的积极意义。关键词：数控机床；Internet；远程故障诊断；B/S结构1 引言数控机床是集机械制造技术和计算机、液压、气动、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体的机电一体化产品，具有高效率、高质量、柔性好等特点。由于数控机床是机电一体化的高技术产品，因此一方面提高了生产效率和产品质量，另一方面又给设备的维护带来了困难。数控机床是各企业加工线上的关键生产设备，如果发生故障，而维修又跟不上，它的长时间停机将给生产带来巨大的损失。为了将这种损失降低到最低，一方面必须提高生产设备的可靠性，另一方面可以通过尽量缩短设备故障诊断和维修的时间来实现。生产设备的可靠性不论有多高，其发生故障都是不可避免的，因此用户最关心的还是在设备出现故障征兆信号时如何提前进行诊断以及发生故障之后如何及时进行维修等。这就要求设备制造企业对其所生产的设备及售出产品能够提供快捷的服务和技术支持，并能对产品的故障提供及时、灵活的诊断和维修。随着网络技术的发展，基于网络的故障诊断系统的出现很好的解决了上述问题。数控机床远程故障诊断技术就是将数控机床故障诊断技术与计算机网络技术相结合，在数控机床上建立状态监测点，采集其运行状态数据，并在企业局域网和Internet上建立诊断中心，对数控机床运行状态进行分析诊断。它可以使故障诊断变的灵活方便，并能有效提高诊断的精确性以及工作效率，减少维护时间和费用，同时实现资源共享。2 系统的总体结构和功能本系统的结构如图1所示。由图1可知，按部件功能可将系统分成四个部分：在线监测系统、故障状态信息系统、网络数据传送系统和远程诊断中心。图1 系统结构图2.1在线监测系统此系统主要由信息采集系统（包括若干传感器和信号调理电路）和信息处理系统组成。系统主要功能是：由传感器检测机床运行状态的特征信号（包括温度信号、振动信号等），并将信号送至信号调理电路进行放大和变换。然后经A/D卡将处理过的信号转换并输入到信息处理系统。再由信息处理系统中的DSP处理器完成滤波、信号分析等工作，最后将信号归类整理后，送入故障状态信息系统。此外，其它的音频、视频信号经过预处理后，也输入故障状态信息系统。2.2故障状态信息系统故障信息系统的工作流程见图2，它主要完成如下工作：定时接收从信息采集子系统输出的信息（包括特征信号和音视频信息），并存入数据库；运用神经网络的方法分析所接收的数据；对数控机床运行状态做出初步评估；针对不同的状态，系统执行相应的操作。本系统在机床运行正常时，只保存当前一段时间的数据。运行偏离正常功能时，则发出警告，并提出对数控机床参数的修改意见。机床功能失效时，则需要提示操作者停机检查，并将检查结果填入故障情况登记表。图2 故障信息系统工作流程2.3网络数据传送系统此系统主要由数据处理模块和数据传输模块组成。数据处理模块将机床运行状态的特征量和故障情况登记表按照网络协议打成数据包，通过数据传输模块按照相应的网络协议，经Internet将数据包传送到数控机床生产厂家的故障诊断中心。厂家的故障诊断中心对故障进行诊断，并发回诊断意见，再由数据传输模块将诊断意见解包，送显示器显示。2.4远程诊断中心远程诊断中心是整个远程故障诊断系统的核心，它主要由远程诊断服务程序和诊断专家系统组成。远程诊断服务程序由网络通讯、故障分析诊断、用户管理、知识库管理以及远程协作管理等模块组成，其系统结构及相互关系如图3所示。图3 远程诊断中心系统结构其中，网络通讯模块实现了在线监测系统、故障状态信息系统和远程诊断中心的信息交流，它是整个远程诊断系统的基石。故障分析、诊断模块可实现在线故障分析、离线信号分析、故障诊断和信息查询等服务。在本系统中，故障分析、诊断模块的核心组成部分是一个建立在基于设备信息上的故障诊断专家系统。用户管理模块负责整个系统的用户注册，用户验证等工作。对远程诊断中心来说，有两类用户：设备使用的企业、技术维护人员和领域专家。知识库管理模块的主要功能就是负责知识的添加、整理并满足故障分析、诊断模块对知识的需要。对任何一个专家系统来说，知识的重要性是不言自明的。以往的基于单机的专家系统，其知识主要靠人工先行输入，由于“临床”的机会少，自行积累知识困难，所以其知识相对不足，诊断的可靠性难以得到保证。远程故障诊断系统成功的解决了这个问题，对诊断中心来说，遍布各地的设备，一旦发生故障，都会求诊于诊断中心，大大的增加了其“临床”机会，增加了知识的积累。同时，诊断中心的专家可以随时方便的向知识库中增加自己的知识，对知识库进行整理，使诊断变的更有效。远程协作管理模块的主要作用是为远程咨询诊断提供一个网络平台。当故障状态信息系统的诊断不能获得一个满意的结果或者客户对故障状态信息系统诊断的结果不满意的情况下，远程协作管理模块将设备故障信息、故障状态信息系统诊断获得的结果等发送给预设的专家，并可以根据专家的要求，建立专家与生产现场的通信连接，使得专家能够与现场设备和技术人员之间进行信息的交互，获得更充分的诊断信息。远程协作管理模块在网络通讯模块的基础上，成功的实现了远程视频、音频传输、自动E-mail通知等。3 系统的工作流程系统的工作流程主要有以下三个层次：（1）当企业的数控设备出现故障，而企业内部的维修人员不能确定故障原因的时候，企业监控中心人员可以先通过故障状态信息系统，并通过系统的故障查询功能查询可能的故障原因，然后根据故障状态信息系统提出的意见及查询的结果进行维修。（2）如果根据故障状态信息系统提出的意见及查询的结果进行维修不能解决问题，故障状态信息系统则通过网络数据传送系统请求高级诊断，同时将数控机床故障发生前后所采集的数据上传。远程诊断中心在接受到诊断请求后，等到数据上传完毕，即对数据文件进行频谱分析，并结合服务器端的分析软件的特征诊断和模糊诊断功能并参照设备的故障历史记录得出诊断结果，然后将诊断的结果反馈给故障状态信息系统，企业根据诊断的结果进行维修。（3）如果上述高级诊断的结果不能排除故障，最后只能请求人工在线诊断即由远程诊断中心的设备诊断方面的专家对特征诊断和模糊诊断的频谱图进行分析诊断（如果在请求人工诊断前没有请求高级诊断，必须先上传设备发生故障前后的数据文件），然后将诊断的结果以对话的方式反馈给企业的故障状态信息系统，再进行维修。以上三个层次的流程虽然有一定的逻辑顺序，但是并不一定必须严格的按照此流程进行远程诊断，即可以不进行第一个层次的查询功能，而直接请求高级诊断或人工诊断功能。如果完成上述三个层次的功能后仍不能找到故障原因，就只能进行传统的上门维修，此时就不属于远程故障诊断的范畴了。4 系统所涉及的主要技术4.1 网络数据库技术通过在Microsoft Windows2000 Server操作系统上安装Microsoft SQL Server2000大型数据库，用以存储采样数据。SQL Server2000是基于客户机/服务器的大型网络数据库，它具有高性能、分时性、基于服务器的处理能力等优点。由于SQL Server 与Microsoft Windows2000 Server 采用无缝连接，使得系统的数据库具有更高的安全性。4.2 Web服务在Web服务和编程中，采用了IIS5.0（Internet Information Service）搭建Web服务器，并运用ASP技术编程。通过ASP结合HTML网页和ActiveX控件建立动态、交互、且高效的Web服务器应用程序。在Web数据接口技术上，软件采用了ADO（ActiveX Data Objects）数据接口，方便的连接到ODBC(Open Database Connectivity)兼容的数据库和OLEDB兼容的数据源。4.3 数据传输技术系统中大量采样数据的实时传输是一个难题。为解决这个问题，系统利用TCP/IP网络协议，构成基于B/S的数据传输模式，采用Visual Basic6.0编写ActiveX控件，作为ASP组件直接嵌入到Web网页中，并运用VBScnipt语言编程。企业在使用Web浏览器浏览相应的监测页面时，立即下载运行内嵌的小程序。该程序的功能就是连接服务器中的SQL Server2000数据库，并通过网络从数据库中取出数据及在企业浏览器上显示采样数据和相应的频谱。4.3.1 基于B/S（Browser/Server）的结构模型基于浏览器/服务器的远程故障诊断系统（B/SRFDS）就是当用户打开浏览器时，它负责与网络建立连接，并从服务器上获取Web页面信息的方式。B/SRFDS的基本结构如图4所示。图4 B/SRFDS的基本工作原理B/SRFDS的基本工作原理表述如下：（1）用户在浏览器中以Web方式，通过统一资源地址URL（Universal Resource Locator），访问相应的设备或系统故障诊断服务站点，并下载含有征兆输入GUI的HTML页面。（2）根据征兆输入GUI的规范，交互输入待诊断样本的有关征兆或观测数据。征兆或特征的提取，可通过观测、利用本地分析工具和远程故障诊断服务站点的信号分析工具及特征提取工具实现。（3）发送征兆信息给远程Web服务器，通过中间件接口启动诊断推理机。（4）诊断推理机通过相应的知识库，根据征兆信息进行诊断推理。得到推理结果后，通过中间件接口将信息传给Web服务器，并组织成诊断结果HTML页面。（5）Web服务器将诊断结果HTML页面通过HTTP下载到用户浏览器中，此时用户即可观看到诊断结果。（6）诊断系统的后期学习可通过网络收集实际故障样本到服务器端数据库中，由系统管理员以传统的方式从新的数据中获取新知识并添加到知识库中，也可启动服务器进程诊断学习Agent自动完成。B/S结构实际上也是一个规模巨大的C/S（客户机/服务器）系统，但是它是以浏览器/服务器的形式实现的。这种模式的特点是客户端采用了统一的平台Web浏览器，易于实现系统的扩展。对用户来说几乎不用培训，操作简单。利用Web方式来组织资源，具有系统灵活，用户的界面一致、易于操作、跨平台性强、能应付多客户的同时访问等优势，现已经成为目前网络的发展趋势。4.3.2 采用web-ActiveX技术根据以上结构，在服务器端建立web服务器和数据库服务器，假定企业浏览器处于可以访问本地资源的情况（可在企业浏览器里进行相关设置，以降低其安全性要求，允许ActiveX控件代码访问本地资源），并采用ActiveX技术实现企业的计算需求。采用在Visual Basic6.0 Project环境中编程，并通过ActiveX Control Wizard打包成ActiveX控件。该控件包含了ADO数据接口，采用数据处理模等部分，在ASP编程中作为ASP的组件镶嵌在HTML页中，当企业浏览器第一次连接相应的web服务器时，ActiveX组件将会被下载到企业，并自动注册运行，以后就不用再从服务器端下载。通过这个组件，企业浏览器和服务器端通过数据接口ADO实现数据的通信，并由数据处理模块对采样数据进行处理后通过图表控件在企业显示采样数据及相应的频谱。4.4 故障诊断系统技术由于生产系统的故障诊断知识主要来源于实际经验，往往是模糊的、不精确的。这样不利于生产企业的现代化管理和技术发展及保密，对企业的发展有很大局限性。因而必须对故障知识科学化，数字化，作为企业发展的技术基础之一。如果采用精确推理方法，得到的方法有时往往不能达到满意的效果，有时会得出与事实相反的推理效果。而采用模糊推理方法则较符合人们的日常经验，得到的解决方案也能令人满意。故障诊断的方案模型如图5所示。图5 故障诊断方案模型图5 结束语数控机床远程故障诊断及维修服务系统是一个复杂的网络系统，涉及计算机网络、数控技术、