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制造業(yè)是國家的支柱產(chǎn)業(yè),近年來,隨著工業(yè)制造4.0以及中國制造2025計劃的提出,制造業(yè)向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展.數(shù)控加工中心作為制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,首當其沖成為被研究、改進的目標.數(shù)控技術(shù)水平的高低和國家擁有的數(shù)控加工中心數(shù)量,代表著一個國家工業(yè)發(fā)達的程度和體現(xiàn)這個國家整體技術(shù)實力:.數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多,當故障發(fā)生時,故障的檢測與排除成為難點.過去的故障排除工作主要依靠有經(jīng)驗的工作人員在故障發(fā)生一段時間之后手動進行,如此以來,當故障發(fā)生時,系統(tǒng)無法在第_時間做出反應(yīng),很可能造成設(shè)備的損失.同時,人工故障排除還有速度慢,相關(guān)技術(shù)人員培訓周期長等缺點.隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能理論與實踐方法的完善,在線故障檢測系統(tǒng)應(yīng)運而生.。
傳統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)是一個層級化系統(tǒng),分為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層、智能檢測層.數(shù)據(jù)采集層位于最底層,智能檢測層在最高層.該系統(tǒng)的信息流流向單只能從低層向高層流動.針對不同類型的數(shù)據(jù),系統(tǒng)既可以通過外界輔助傳感器讀取加工中心表層溫度、振動等外部數(shù)據(jù),也可以通過()PC (OLE f,,rProcess Cimtnil,用于過程控制的OU':)協(xié)議,從數(shù)控加工中心內(nèi)部直接讀取加工中心的運行數(shù)據(jù).網(wǎng)絡(luò)層通過接口協(xié)調(diào)不同格式數(shù)據(jù)融合、封裝與傳輸,智能檢測層可采用專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或決策樹等不同的人工智能系統(tǒng).所需采集的信號指標包括主軸振動、溫度、噪聲,轉(zhuǎn)速、進給量、信號量等,其中振動、溫度、噪聲三項指標對于故障的分析診斷具有重要的意義.
•振5力:當被檢測物體運動時,觀測點的位移相對出現(xiàn)偏差,此種偏差包含大量非線性信息,有利于故障點的定位.
• 度:加工中心的傳動部位發(fā)生磨損時,局部溫度會升高,
通過升高的幅值判定故障的發(fā)生.
•嘩聲:矂聲是震動能量傳播的一種形式,發(fā)生機械故障時,可以通過噪聲的變化判定故障的發(fā)生原因.
以上三種指標對于加工中心的故障檢測有重要意義,其它指標可以作為輔助數(shù)據(jù).
傳統(tǒng)構(gòu)架的故障檢測系統(tǒng)存在諸多缺陷:由于傳感器的種類不同,采集頻率不同,對新傳感器的增添需要修改主程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),擴展性差.故障診斷功能全部由診斷層提供,網(wǎng)絡(luò)層只負責信息的傳遞,然而網(wǎng)絡(luò)層一般采用單片機作為計算核心,具有一定的計算能力,完全可以診斷簡單的故障.如果將初級診斷功能集成其中,一方面可以緩解高級診斷系統(tǒng)的壓力,另一方面可以在第一時間應(yīng)對出現(xiàn)的問題而不需要經(jīng)歷向高層傳輸帶來的延遲.另外,在數(shù)據(jù)傳輸方面,因為沒有實時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的保障,傳輸延遲現(xiàn)象較常見,這樣會導致數(shù)據(jù)喪失時效性.三個層面之間的互動缺失,傳感器無法根據(jù)實際需要調(diào)整工作頻率,能量浪費問題嚴重.考慮系統(tǒng)異構(gòu)的現(xiàn)實,為了使層級之間信息傳遞在實時性的要求下順暢進行,從而實現(xiàn)系統(tǒng)智能判斷故障,智能調(diào)整負載,本文提出基于<:PS的加工中心故障診斷系統(tǒng).
2 CPS系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
信息物理融合技術(shù)是由緊密結(jié)合的計算、通信、控制模塊協(xié)同運作,由此提升物理應(yīng)用的穩(wěn)定性、可靠性、健壯性,提升效率的下_代系統(tǒng)0 .近年來,以信息物理融合系統(tǒng)為主題的研討會與報告越來越多,旨在完善CPS框架,前瞻性地發(fā)現(xiàn)可能遇到的問題,促進CPS系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用.目前的「:I’S應(yīng)用主要集中在醫(yī)療、汽車、智能電網(wǎng)、智能城市等領(lǐng)域,依靠強大的實體4勿理交互能力,保障人類健康,方便人類出行,統(tǒng)籌與優(yōu)化電力資源的分配.U’s的設(shè)計思路、技術(shù)特征符合加工中心故障診斷系統(tǒng)的要求,但針對診斷系統(tǒng)要求的完善的a’s構(gòu)架尚未被提出.
2.1 CPS系統(tǒng)模型研究
不同于傳統(tǒng)信息系統(tǒng)建模方式,cps系統(tǒng)包含大量信息物理交互實例,涉及能量、信息的流動.根據(jù)具體的應(yīng)用場合,建模方式也有所不同.如何忠實地反映現(xiàn)實系統(tǒng)運作方式是建模的關(guān)鍵.文獻H總結(jié)了近年來信息物理融合系統(tǒng)建模的主要方法,將建模方法分為四大類:一體化建模、時空交互建模、功能和實現(xiàn)兼容建模,集成建模.一體化建模旨在消除物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)建模差異,時空交互建模主要為了統(tǒng)一cps的系統(tǒng)行為與時空關(guān)系的語義表示.功能和實現(xiàn)建模主要刻畫邏輯和實現(xiàn)之間的關(guān)系,集成建模則主要解決異構(gòu)系統(tǒng)語義統(tǒng)一問題.本文在以上四種建模方式的基礎(chǔ)上,提出了加工中心(:PS故障檢測系統(tǒng)的模型,并給出了模型框架.
2.2 CPS系統(tǒng)可靠性研究
宏觀上講,(:PS所有部件由通信網(wǎng)絡(luò)連接,系統(tǒng)可靠性可由通信網(wǎng)絡(luò)可靠性度量,具體包括網(wǎng)絡(luò)抗毀性、生存性、有效性.微觀來講,每個部件及部件內(nèi)部的運作規(guī)則對系統(tǒng)整體至關(guān)重要.文獻&], H將信息物理融合系統(tǒng)抽象為兩個獨立但相互依賴的子系統(tǒng):物理網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò),并運用滲透理論對系統(tǒng)的抗毀性和生存性進行分析:當網(wǎng)絡(luò)遭受不同類型攻擊時,幸存下來的節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)本身參數(shù)(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度數(shù)概率分布)和攻擊的破壞程度(每次攻擊對節(jié)點數(shù)造成的影響)有關(guān),而與每個子網(wǎng)絡(luò)大小與他們的比例無關(guān).網(wǎng)絡(luò)延遲的大小關(guān)乎系統(tǒng)整體運作效能,當系統(tǒng)允許的最大延遲確定后,文獻H提出了在不同服務(wù)質(zhì)量下獲取多種路徑的算法,通過實驗證明該算法能達到預(yù)計效果.文獻M提出了一種在信息物理融合系統(tǒng)中兼顧系統(tǒng)節(jié)能、可靠性的調(diào)度策略:在滿足系統(tǒng)不同層級可靠性的要求下,算法能給出當前層級下能量消耗最小的調(diào)度方法.文獻H提出了用于車輛(:ps系統(tǒng)中的傳感器數(shù)據(jù)融合方法,該方法可以剔除傳感器冗余信息,減少傳輸帶寬的需求,在一定程度上增加了系統(tǒng)的有效性.
根據(jù)以上的研究成果,本文在系統(tǒng)設(shè)計時采取以下措施:
0. 減少部件之間的耦合;
1. 設(shè)計為嵌套系統(tǒng),增強子系統(tǒng)自治性;
2. 傳輸層數(shù)據(jù)融合;
3. 增加傳感器采集頻率實時控制功能.
2.3 CPS系統(tǒng)安全性研究
系統(tǒng)安全性是指系統(tǒng)阻止未授權(quán)用戶登錄以及發(fā)現(xiàn)入侵者的能力.文獻H提出了一整套設(shè)計和實現(xiàn)受資源限制的安全可靠信息物理融合系統(tǒng)方法,該方法涉及現(xiàn)代控制理論,運用信息、計算模型探討了系統(tǒng)效能、系統(tǒng)安全性、可調(diào)度性之間的關(guān)系,最后得出結(jié)論:安全機制和控制算法需要協(xié)同設(shè)計才能保證系統(tǒng)髙效性和健壯性.文獻H提出了基于集合模型的cps入侵檢測算法,該算法擁有線性時不變和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)點,同時也考慮cps部件之間時序和功能的依賴關(guān)系,文章最后從不同層次對算法進行了測試.文獻[10]將入侵檢測具體應(yīng)用到醫(yī)療(:i’s領(lǐng)域,并給出將行為規(guī)則轉(zhuǎn)換為狀態(tài)機的方法,實驗證明該方法性能上超越了傳統(tǒng)方法.
加工中心故障檢測系統(tǒng)中傳感器采集數(shù)據(jù)均為加工中心自身的數(shù)據(jù),不涉及所加工產(chǎn)品的細節(jié);檢測系統(tǒng)環(huán)境相對封閉,具有的外部連接功能有限,其計算資源有限.因此本系統(tǒng)未套用復(fù)雜而占用系統(tǒng)資源多的入侵檢測系統(tǒng)理論,僅采取在客戶端登陸認證加密方法保證登陸端安全.
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結(jié)束語:
本文調(diào)研了近年CPS系統(tǒng)研究狀況,在此基礎(chǔ)上提出加工中心「:l’s故障檢測系統(tǒng)模型,實現(xiàn)初級診斷部分,并對該部分做性能測試,測試結(jié)果顯示初級診斷系統(tǒng)基本滿足系統(tǒng)要求.
初級診斷系統(tǒng)和高級診斷系統(tǒng)共同組成完整的加工中心診斷系統(tǒng),下一步實現(xiàn)高級診斷系統(tǒng),并對整套系統(tǒng)進行調(diào)試,在實際生產(chǎn)環(huán)境下進行測試.
2024-11
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