数控机床远程故障诊断系统研究

数控机床远程故障诊断系统研究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 1 引言引言 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 2 系统的总体结构和功能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 远远程程诊诊断断中中心心 I In nt te er rn ne et t 网网络络数数据据传传送送系系统统 故故障障信信息息系系统统显显示示器器 信信息息处处理理系系统统 信信 息息 采采 集集 系系 统统 信信 息息 采采 集集 系系 统统 信信 息息 采采 集集 系系 统统 P PL LC C 接接口口 在在线线监监测测系系统统 图 1 系统结构图 2 12 1 在线监测系统在线监测系统 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 22 2 故障状态信息系统故障状态信息系统 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 开开始始 读读入入检检测测信信号号 信信号号除除噪噪 提提取取故故障障特特征征 分分析析 界界定定 故故障障类类型型 运运行行正正常常 存存储储数数据据 删删 除除前前期期数数据据 偏偏离离正正常常状状态态 数数据据送送入入数数据据处处 理理模模块块 结结束束 Y Y N N N N 报报警警 提提出出修修 改改意意见见 Y Y 图 2 故障信息系统工作流程 2 32 3 网络数据传送系统网络数据传送系统 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 42 4 远程诊断中心远程诊断中心 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 网网络络通通讯讯模模块块 网网络络信信息息 远远程程协协作作管管理理模模块块 用用户户 验验证证 用用户户管管理理模模块块故故障障分分析析 诊诊断断模模块块 用用户户验验证证 诊诊断断 结结果果 诊诊断断 请请求求 知知识识库库管管理理模模块块 知知识识 应应用用 知知识识 积积累累 知知识识库库 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 3 系统的工作流程系统的工作流程 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 4 系统所涉及的主要技术系统所涉及的主要技术 4 14 1 网络数据库技术网络数据库技术 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 24 2 WebWeb 服务服务 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 34 3 数据传输技术数据传输技术 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 信信 号号 采采 集集 器器 监测信号 监测信号 在线监测 工控机 实时在线 监测系统 数据库 服务器 Web服务器 客户浏 览器远 程状态 监测 故 障 诊 断 界 面 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 44 4 故障诊断系统技术故障诊断系统技术 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