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信息物理融合技術在加工中心故障診斷系統的應用研究
閱讀：73 發布時間：2020-8-11文章預覽：
制造業是國家的支柱產業，近年來，隨著工業制造4.0以及中國制造2025計劃的提出，制造業向著網絡化、智能化的方向發展.數控加工中心作為制造業的關鍵設備，*成為被研究、改進的目標.數控技術水平的高低和國家擁有的數控加工中心數量，代表著一個國家工業發達的程度和體現這個國家整體技術實力：.數控加工中心結構復雜、零部件多，當故障發生時，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驗的工作人員在故障發生一段時間之后手動進行，如此以來，當故障發生時，系統無法在第_時間做出反應，很可能造成設備的損失.同時，人工故障排除還有速度慢，相關技術人員培訓周期長等缺點.隨著網絡信息技術、傳感器技術、人工智能理論與實踐方法的完善，在線故障檢測系統應運而生.。
傳統故障檢測系統是一個層級化系統，分為數據采集層、網絡層、智能檢測層.數據采集層位于層，智能檢測層在高層.該系統的信息流流向單只能從低層向高層流動.針對不同類型的數據，系統既可以通過外界輔助傳感器讀取加工中心表層溫度、振動等外部數據，也可以通過（)PC (OLE f,,rProcess Cimtnil,用于過程控制的OU':)協議，從數控加工中心內部直接讀取加工中心的運行數據.網絡層通過接口協調不同格式數據融合、封裝與傳輸，智能檢測層可采用專家系統、人工神經網絡或決策樹等不同的人工智能系統.所需采集的信號指標包括主軸振動、溫度、噪聲，轉速、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生磨損時，局部溫度會升高，
通過升高的幅值判定故障的發生.
•嘩聲：矂聲是震動能量傳播的一種形式,發生機械故障時，可以通過噪聲的變化判定故障的發生原因.
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據.
傳統構架的故障檢測系統存在諸多缺陷：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據結構，擴展性差.故障診斷功能全部由診斷層提供，網絡層只負責信息的傳遞，然而網絡層一般采用單片機作為計算核心，具有一定的計算能力，*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的壓力，另一方面可以在第一時間應對出現的問題而不需要經歷向高層傳輸帶來的延遲.另外，在數據傳輸方面，因為沒有實時數據結構與算法的保障，傳輸延遲現象較常見，這樣會導致數據喪失時效性.三個層面之間的互動缺失，傳感器無法根據實際需要調整工作頻率，能量浪費問題嚴重.考慮系統異構的現實，為了使層級之間信息傳遞在實時性的要求下順暢進行，從而實現系統智能判斷故障，智能調整負載，本文提出基于<:PS的加工中心故障診斷系統.
2 CPS系統的發展現狀
信息物理融合技術是由緊密結合的計算、通信、控制模塊協同運作，由此提升物理應用的穩定性、可靠性、健壯性，提升效率的下_代系統0 .近年來，以信息物理融合系統為主題的研討會與報告越來越多，旨在完善CPS框架，前瞻性地發現可能遇到的問題，促進CPS系統在各行各業的應用.目前的「:I’S應用主要集中在醫療、汽車、智能電網、智能城市等領域，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,統籌與優化電力資源的分配.U’s的設計思路、技術特征符合加工中心故障診斷系統的要求，但針對診斷系統要求的完善的a’s構架尚未被提出.
2.1 CPS系統模型研究
不同于傳統信息系統建模方式，cps系統包含大量信息物理交互實例，涉及能量、信息的流動.根據具體的應用場合，建模方式也有所不同.如何忠實地反映現實系統運作方式是建模的關鍵.文獻H總結了近年來信息物理融合系統建模的主要方法，將建模方法分為四大類：一體化建模、時空交互建模、功能和實現兼容建模，集成建模.一體化建模旨在消除物理系統與信息系統建模差異，時空交互建模主要為了統一cps的系統行為與時空關系的語義表示.功能和實現建模主要刻畫邏輯和實現之間的關系，集成建模則主要解決異構系統語義統一問題.本文在以上四種建模方式的基礎上，提出了加工中心（:PS故障檢測系統的模型，并給出了模型框架.
2.2 CPS系統可靠性研究
宏觀上講，(:PS所有部件由通信網絡連接，系統可靠性可由通信網絡可靠性度量，具體包括網絡抗毀性、生存性、有效性.微觀來講，每個部件及部件內部的運作規則對系統整體至關重要.文獻&], H將信息物理融合系統抽象為兩個獨立但相互依賴的子系統：物理網絡、信息網絡，并運用滲透理論對系統的抗毀性和生存性進行分析：當網絡遭受不同類型攻擊時，幸存下來的節點與網絡本身參數（網絡節點度數概率分布）和攻擊的破壞程度（每次攻擊對節點數造成的影響）有關，而與每個子網絡大小與他們的比例無關.網絡延遲的大小關乎系統整體運作效能，當系統允許的大延遲確定后，文獻H提出了在不同服務質量下獲取多種路徑的算法，通過實驗證明該算法能達到預計效果.文獻M提出了一種在信息物理融合系統中兼顧系統節能、可靠性的調度策略：在滿足系統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小的調度方法.文獻H提出了用于車輛（:ps系統中的傳感器數據融合方法，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的有效性.
根據以上的研究成果，本文在系統設計時采取以下措施：
0. 減少部件之間的耦合；
1. 設計為嵌套系統，增強子系統自治性；
2. 傳輸層數據融合；
3. 增加傳感器采集頻率實時控制功能.
2.3 CPS系統安全性研究
系統安全性是指系統阻止未*用戶登錄以及發現入侵者的能力.文獻H提出了一整套設計和實現受資源限制的安全可靠信息物理融合系統方法，該方法涉及現代控制理論，運用信息、計算模型探討了系統效能、系統安全性、可調度性之間的關系，后得出結論：安全機制和控制算法需要協同設計才能保證系統髙效性和健壯性.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網絡系統的優點，同時也考慮cps部件之間時序和功能的依賴關系，文章后從不同層次對算法進行了測試.文獻[10]將入侵檢測具體應用到醫療（:i’s領域，并給出將行為規則轉換為狀態機的方法，實驗證明該方法性能上超越了傳統方法.
加工中心故障檢測系統中傳感器采集數據均為加工中心自身的數據，不涉及所加工產品的細節；檢測系統環境相對封閉，具有的外部連接功能有限，其計算資源有限.因此本系統未套用復雜而占用系統資源多的入侵檢測系統理論，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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結束語：
本文調研了近年CPS系統研究狀況，在此基礎上提出加工中心「:l’s故障檢測系統模型，實現初級診斷部分，并對該部分做性能測試，測試結果顯示初級診斷系統基本滿足系統要求.
初級診斷系統和高級診斷系統共同組成完整的加工中心診斷系統，下一步實現高級診斷系統，并對整套系統進行調試，在實際生產環境下進行測試.