CN1365031A - 一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统,其包括在主板上由系统总线分别与中央微处理器、通用控制和用户交互芯片、存储器芯片、电源时钟电路、通用控制和用户交互接口连接的数控系统;本发明在于它还包括设置有一个状态监测与故障诊断芯片,一个数据资源管理芯片,一个数据信息存储芯片、一个网络管理控制芯片,以及一个网络及远程监控接口;以及在其内固化有层次化监控和远程网络诊断功能的控制软件。本发明具有层次化、智能化、网络化的状态监测和故障诊断功能,并采用层次化监控策略以本机监控为基础,按照用户自由定义的监控算法,逐步连接上层网络以实现层次化的监控管理功能。并对诊断结果和信息进行智能化分类存储和自学习,从而可以不断增强本机诊断能力。

Description

一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统

技术领域

本发明属于控制调节类，尤其涉及计算机层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统。

背景技术

当前数控系统基本有两种模式，一种是传统专用单片处理器模式的封闭结构的数控系统，一种是当前正处于研发阶段的基于工控机和运动控制卡模式的开放式数控系统。

传统模式的数控系统采用专用单片机为硬件核心，封闭式的体系结构屏蔽了所有的系统技术细节，只对用户提供功能固定的对外通用控制接口，用户必须按系统要求选择匹配的外围驱动设备来实现数控机床的构建。而一旦系统定型，用户就被系统固定的功能和性能束缚用户无法进行原有功能进行改进、监控、诊断和新功能的增加。使得数控系统无法适应不断变化的生产加工工艺的要求。

在软件结构上，封闭式数控系统大都采用与中央处理器相配套的汇编语言来构成系统，这种语言很难架构芯片化结构的软件环境且对硬件依赖性很强，而当前正处于积极研发阶段的开放式数控系统，基本上都采用了工控计算机配套的运动控制卡结构模式来实现对机床的数控控制，这种模式数控系统的开放性主要是借用了当前PC计算机的开放特征，其实质只是PC计算机的一个板卡式控制应用，在结构和性能上都存在着很大的局限性。

其次，工控机模式的开放式数控系统不能很好的保证实时性和可靠性。PC计算机在运行时由于采用通用的操作系统，占用了很大的系统资源，与数控加工无关的任务可能占去了更多系统的工作份额，它们干扰着系统对现场加工的及时响应，同时降低了系统对重要控制事件的处理速度，并增加了系统运行的开销，这些都会导致系统的不稳定。

再者，当前工控机模式的开放式数控系统的网络功能是基于计算机网络的。这种网络由于没有考虑到数控加工和状态监测对大流量信号数据流的传输要求，因此从速度上限制了系统的远程网络应用能力，基本上只适用于系统间的程序传输。

最后，控制系统由于没有独立的层次化监控和远程网络诊断功能，必须依赖PC计算机的结构体系和软件框架，这要求一个普通用户或者是一个机床操作工要具备很好的编程基础和计算因机软硬件知识。而这对于一般改进的用户无疑是太多的代价，有时候更是得不偿失。而对于高级用户只提供函数库又显得不足。就会使没有经验或对所需功能不很明确的用户会走弯路甚至破坏系统的稳定性。有时会因产品加工过程中出现问题无法解决而延误生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统，以解决现有技术的不足和难题。

本发明的目的是这样实现的，一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统，包括在主板上由系统总线分别与中央微处理器、通用控制和用户交互芯片、存储器芯片、电源时钟电路、通用控制和用户交互接口连接的数控系统。本发明在于它还包括一个状态监测与故障诊断芯片，一个数据资源管理芯片，一个数据信息存储芯片、一个网络管理控制芯片，以及一个网络及远程监控接口。

其中，

所述的数据资源管理芯片，其与系统总线及数据信息存储芯片相连，用于管理和控制系统内部或外界输入的各种数据和控制信息。

所述的数据信息存储芯片，其与系统总线连接，用于存储数控系统的各种数据和控制信息。

所述的状态监测与故障诊断芯片，其内固化有状态监测与故障诊断软件，并与系统总线连接，用于状态监测、诊断和信号的采集、处理及反馈控制。

所述的网络管理控制芯片，其内固化有网络管理软件，并由系统总线与网络及远程监控接口连接，用于处理数控系统与网络的数据和控制信息的通讯传输。

所述的网络与远程监控接口，由系统总线与网络管理控制芯片连接，用于连接外部网络。

所述的状态监测与故障诊断芯片，和网络管理控制芯片中其内固化的控制软件，至少包含下列步骤：

现场状态信息采集，及信号预处理，并判断本机能否诊断，

若能，由本机决策控制，反馈现场控制。

若否，启用车间网络诊断策略，将现场状态信息上传网络，由车间网络进行诊断，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储。

并判断车间网络能否诊断，

若能，由车间网络的诊断结果进行决策控制，反馈现场控制。

若否，启用企业网络诊断策略，将现场状态信息上传网络，由企业网络进行诊断，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储。

并判断企业网络能否诊断，

若能，由企业网络的诊断结果进行决策控制，反馈现场控制。

若否，启用远程网络诊断策略，将现场状态信息上传网由远程网络进行诊断，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储。

并判断远程网络能否诊断，

若能，由远程网络的诊断结果进行决策控制，反馈现场控制。

若否，作现场诊断，并将诊断控制信息数据进行管理及存储。

由于本发明采用了以上的技术方案，因而具有：

1、独立的适合于数控加工的软硬件开放结构体系。从系统硬件上采用FPGA可编程芯片的整体芯片化结构来组建底层硬件框架，完全区别于传统数控系统板卡式硬件结构的设计。各功能芯片与状态监测与故障诊断芯片、网络管理控制芯片、数据资源管理芯片连接，从而实现了对系统最底层硬件结构实现开放性。从软件上取用嵌入式实时操作系统，采用面向对象的软件设计方法，将系统各功通过五个接口明确的芯片对象来实现。

2、层次化、智能化、网络化的状态监测和故障诊断功能。采用层次化监控策略以本机监控为基础按用户自由定义的监控算法，逐步连接上层网络以实现层次化的监控管理功能。并对诊断结果和信息进行智能化分类存储和自学习，从而可以不断增强本机诊断能力。

附图说明

图1是本发明的一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统的构成示意图；

图2是本发明的一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统的软件框图；

图3是本发明的一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统的控制程序流程示意图。

1、中央微处理器                  1-1高速DSP处理芯片

2、通用控制与交互管理芯片        3，存储芯片

4、系统工作ROM存储芯片           5、数据FIASH-ROM存储芯片

6、系统总线                      7、状态监测与故障诊断芯片

8、网络管理控制芯片              9、数据资源管理芯片

10、网络及远程控制接口           11、通用控制及用户交互接口

12、电源时钟电路

实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下说明：

在图1中，中央微处理器1、高速DSP处理芯片1-1、通用控制与交互管理芯片2、存储芯片3、电流时钟电路12、通用控制及用户交互接口11、状态监测与故障诊断芯片7、网络管理控制芯片8、数据资源管理芯片9、网络及远程控制接口10其分别与系统总线6相连接。存储芯片3由系统工作ROM存储芯片4、数据FIASH-ROM存储芯片5组成。

其中，

1、中央微处理器1，用于系统整体的控制运算和功能性能的协调。其内微控制芯片可采用32位高性能嵌入式微控制芯片。在与之配套的嵌入式实时操作系统的工作环境下，主要用于对系统整体控制和协调。其中央微处理器1也可由32位高性能嵌入式微控制芯片和高速DSP1-1数字信号处理芯片组成，具有完成轨迹运算，数据采集等实时性很强的功能。

2、高速DSP处理芯片1-1，用于微控制器1的协处理器，也可单独工作于大规模数据处理功能的实现。

3、通用控制与交互管理芯片2，用于一方面完成与机床加工有关的运动轨迹的计算和控制，另一方面完成与用户输入输出有关的处理过程。通用控制及用户交互芯片2通过总线6与中央微处理器1及其它芯片相连接，直接控制通用控制及用户交互接口11，产生各种输出量并处理该接口传来的的输入量。

4、状态监测与故障诊断芯片7，用于完成现场各种传感器信号的采集，预处理，分析预测和返回控制。该芯片同时向网络管理控制芯片8传送处理和压缩后的本机状态信息。并通过网络及远程控制接口10输出到远程网络。同时处理经由网络管理控制芯片8输入的网络控制诊断信息，用于实现远程诊断结果的本机控制。状态监测与故障诊断芯片7通过总线6与中央微处理器1和其它芯片相连接，该芯片在工作时将有大量的数据传输发生，高速DSP处理芯片1-1将直接控制该芯片的采集和处理工作，同时存储芯片5中的数据Flash_Rom将负责采集数据的存储。

5、网络管理控制芯片8，用于处理数控系统与其它数控系统、车间数控网络、企业内部网络Intranet以及国际互联网络Internet的数据信息和控制信息的传输。网络管理控制芯片8通过系统总线6与网络及远程控制接口10相连接，用于接收网络下载的数据信息和上传数控系统现场搜集的状态信息。该芯片还通过总线6和中央微处理器1及其它芯片通讯连接，并和状态监控与故障诊断芯片7一起实现层次化的远程监控管理体系。

6、数据资源管理芯片9，用于为其它芯片传送数据信息Flash_Rom其芯片中的各种数据信息，同时也用于接收和存储其它芯片传来的各种数据信息，增大系统工作的资源共享。数据信息芯片采用智能化的分类管理机制，利用数据同步算法保证存储数据信息的自动更新和知识库的自我学习，并作为状态监控与故障诊断芯片7的本机决策存储库。数据信息管理9通过总线6与中央微处理器1和其它芯片相连接，直接负责对数据信息Flash_Rom存储芯片5的存储。

7、存储芯片3，存储芯片主要由系统工作ROM4和数据存储Flash_Rom5二个存储芯片组成，其各存储芯片通过系统总线6与中央微处理器1及其它各功能芯片连接。存储芯片中的内容用于被读出以执行相关管理控制，而管理控制的结果信息则被存入到各芯片中。

8、系统工作ROM存储芯片4，用于存放基本的系统管理控制程序，和整个数控系统的基本运作，及将程序固化在存储芯片中只读，是数控系统默认的系统程序，可预先写入。

9、数据存储FIASH-ROM存储芯片5，用于存储来自加工现场和来自远程网络的数据及控制信息，可读可写，是系统进行资源共享和自身决策诊断的数据库。该芯片直接由数据信息管理芯片9控制。

10、网络及远程控制接口10，网络及远程控制接口10采用标准的协议接口模式主要实现系统与外界的通讯和资源信息共享，将系统与其它系统、上位计算机或者是互联网络连接起来，发送系统自身所搜集的信息，并接受远程的控制和响应。其可采用标准的ISO网络结构体系，实现标准的网络接口模式，并可设置有支持专线或电话线与外部网络联接。

11、通用控制及用户交互接口11，用于一方面实现与机床部分的连接，包括对机床工作所需的各类模拟量和数字量的控制，保证机床完成加工运动。另一方面实现用户对系统和机床的控制和交互，包括对操作按键，显示屏，机床操作面板的响应和控制等。

上述各类接口均通过系统总线6，与数控系统的中央微处理器1及各个功能芯片之间建立联系，将外界的信息反馈给系统的各功能芯片，并将系统的指令信息发送到外部控制对象。

12、系统总线6，可采用32位数据总线、24位地址总线和30根控制总线组成，主要负责各功能芯片、接口、存储芯片和中央微处理器1之间的连接。传送数据、地址和控制信号。

13、电源时钟电路12，用于整个数控系统各芯片、接口所需电压及工作频率自控和调节。

在图2中，本发明系统软件的组成：

系统软件的核心是嵌入式实时操作系统，主要负责各功能对象的协调运行和管理控制任务的分配。其软件中的运动控制对象(速度、精度、位置、补偿、插补)，信息管理对象(信息归类、存储)，网络管理对象(接收、发送、数据包处理)，监控诊断对象(信号采集、处理、分析、预测、诊断)，用户交互对象(键盘、显示、串口通讯)都采用面向对象的芯片化设计思想，由五个具有独立功能的控制对象来完成系统的全部功能，且每个对象都可在硬件结构框图中具有对应的底层硬件芯片作为实现支持。

以上各对象的基本功能均在图2中表示出来。

本发明系统软件的工作原理是：

系统开机后，首先运行实时操作系统，完成系统的初始化和必要的检测工作。然后启动用户交互对象的处理过程，监听外界与系统的输入输出，并根据监测结果激活相应对象芯片的处理过程完成对应功能。所有对象的处理过程均在实时操作系统的协调下进行。

在图3中，

所述的状态监测与故障诊断芯片、网络管理控制芯片其内固化的控制软件，至少包含有下列步骤：

现场状态信息采集(步骤201)，及信号预处理，(步骤202)，并判断本机能否诊断，(步骤203)。

若能，由本机决策控制，(步骤204)，反馈现场控制，(步骤201)。

若否，启用车间网络诊断策略，(步骤205)，将现场状态信息上传网络，(步骤206)，由车间网络进行诊断，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储，(步骤211、步骤212)。

并判断车间网络能否诊断，(步骤208)，

若能，由车间网络的诊断结果进行决策控制，(步骤209)，反馈现场控制，(步骤201)。

若否，启用企业网络诊断策略，(步骤210)，将现场状态信息上传网络，(步骤206)，由企业网络进行诊断，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储，(步骤211、步骤212)。

并判断企业网络能否诊断，(步骤213)，

若能，由企业网络的诊断结果进行决策控制，(步骤214)，反馈现场控制，(步骤201)。

若否，启用远程网络诊断策略，(步骤215)，将现场状态信息上传网由远程网络进行诊断，(步骤206)，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储，(步骤211、步骤212)。

并判断远程网络能否诊断，(步骤216)，

若能，由远程网络的诊断结果进行决策控制，(步骤217)，反馈现场控制，(步骤201)。

若否，作现场诊断，(步骤218)，并将诊断控制信息数据进行管理及存储(步骤211、步骤212)。

以下举例，对本发明的层次化监控和远程诊断的实施作一如下简述：

数控机床的加工现场有很多影响加工工艺过程的环境因素。如刀具磨损，工件振动等，这些因素经常会引起产品加工质量和加工进程，因此需要进行监测，而且必须对检测结果进行及时地分析处理以作出正确的诊断，并返回控制系统作出相应改进的加工状态及工艺的调整。若本机无法处理时，就会影响到产品加工正常进行。本发明采用芯片化的软、硬件开放结构，具有层次化的监控诊断策略。数控系统本机上设置的信号采集装置，可按照用户要求开启，接收用户在机床指定位置设置的传感器输入信号，在分析处理后作出诊断，并返回控制系统的当前状态，执行新的指令。当本机无法对所采集的信号进行诊断时，本发明可按照上述层次化监控和网络远程诊断的步骤，连接车间网络的控制系统，或连接企业内部网络的控制系统，或连接远程的故障诊断中心，将现场数据经处理后发送输出，再将诊断结果接收回来后，用于现场问题的解决；同时本机系统并将外来的诊断方法和诊断结果存储记录进自身的数据库，因而提高了本机的诊断能力。这样，用户可以通过层次化的诊断机制来充分保证机床的正常运行。

Claims (3)

1，一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统，包括在主板上由系统总线分别与中央微处理器、通用控制和用户交互芯片、存储器芯片、电源时钟电路、通用控制和用户交互接口连接的数控系统，其特征在于，它还包括一个状态监测与故障诊断芯片，一个数据资源管理芯片，一个数据信息存储芯片、一个网络管理控制芯片，以及一个网络及远程监控接口，

所述的数据资源管理芯片，其与系统总线及数据信息存储芯片相连，用于管理和控制系统内部或外界输入的各种数据和控制信息，

所述的数据信息存储芯片，其与系统总线连接，用于存储数控系统的各种数据和控制信息，

所述的状态监测与故障诊断芯片，其内固化有状态监测与故障诊断软件，并与系统总线连接，用于状态监测、诊断和信号的采集、处理及反馈控制，

所述的网络管理控制芯片，其内固化有网络管理软件，并由系统总线与网络及远程监控接口连接，用于处理数控系统与网络的数据和控制信息的通讯传输，

所述的网络与远程监控接口，由系统总线与网络管理控制芯片连接，用于连接外部网络；

所述的状态监测与故障诊断芯片，和网络管理控制芯片中其内固化的控制软件，至少包含下列步骤：

现场状态信息采集，及信号预处理，并判断本机能否诊断，

若能，由本机决策控制，反馈现场控制，

若否，启用车间网络诊断策略，将现场状态信息上传网络，由车间网络进行诊断，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储，

并判断车间网络能否诊断，

若能，由车间网络的诊断结果进行决策控制，反馈现场控制，

若否，启用企业网络诊断策略，将现场状态信息上传网络，由企业网络进行诊断，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储，

并判断企业网络能否诊断，

若能，由企业网络的诊断结果进行决策控制，反馈现场控制，

若否，启用远程网络诊断策略，将现场状态信息上传网由远程网络进行诊断，并将诊断结果和控制信息返回本机，同时进行外来信息的本机存储，

并判断远程网络能否诊断，

若能，由远程网络的诊断结果进行决策控制，反馈现场控制，

若否，作现场诊断，并将诊断控制信息数据进行管理及存储。

2，根据权利要求1所述的一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统，其特征在于，中央微处理器由32位高性能嵌入式微控制芯片和高速DSP数字信号处理芯片组成，用于系统整体的控制运算和功能性能的协调。

3，根据权利要求1所述的一种层次化监控和远程网络诊断功能的开放式数控系统，其特征在于，所述的数据信息存储芯片为Flash_Rom芯片。

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