時間：2023-03-24 15:22:11
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數據供應鏈管理體系
1數據供應鏈的構成
信息系統環境中的統計數據與和制造環境的物質產品具有相似性，把統計數據視為信息系統中的產品，這樣，就可以采用全面質量管理(TQM)的原則、方法和技術來進行數據質量管理[4,7]；可以采用制造環境中供應鏈的管理體系來構建數據產品的管理體系，我們稱之為數據供應鏈。實際上可以把統計數據的制造和消費過程看作一種業務流程模型，它由數據提供者、數據生產者、數據管理者到數據消費者的價值鏈組成，完成由數據消費者需求開始到提供給數據消費者以所需要的產品與服務的整個過程[8]，這就是數據供應鏈。數據產品的制造過程包括：原始數據采集、中間數據生成、成品數據生成、數據消費等四個階段，它涉及四種角色：數據提供者、數據生產者、數據管理者、數據消費者[4]。數據產品的生產制造過程也是數據的增值過程，隨著數據（信息）的價值得到社會廣泛的認可，數據產品的開發和利用將會得更多的關注。從某一個數據生產者內部來看，它的數據生產過程也構一個內部供應鏈[9]，這個供應鏈比較簡單(見圖1)。外部供應鏈還包括數據生產者的數據供應市場和數據消費市場，數據供應市場由一個或多個數據提供者和它們的數據供應市場構成，數據消費市場由一個或多個數據消費者和它們的數據消費市場來構成(見圖2)。
2內部數據供應鏈的管理組織模式
隨著企業信息建設的推進，現代信息系統從MIS發展到企業商務智能系統。商務智能系統采集業務數據原始數據，經過數據清洗，形成支持決策和分析的數據倉庫，數據的采購與處理過程見圖3。可以看出，現代企業（或組織）內部的統計數據的采集、處理、分析過程是可以由企業商務智能系統來完成，并提供給相關的數據消費者。
3外部數據供應鏈的管理組織模式
完整的外部數據供應鏈是圍繞滿足用戶的數據需求來構建的，它存在一個核心機構（或組織），并起著核心管理作用。構建一個數據供應鏈的同時也意味著一個統計體系的形成，它將數據提供者、數據生產者、數據管理者、數據消費者聯系起來形成一個是開放性的、以團隊工作為組織單元的有機整體[10]。采用供應鏈管理的思想來實現整個統計體系的管理，就是對一個統計體系中各參與組織、部門之間的數據、信息流與資金流進行計劃、協調和控制等，目的是通過優化提高數據生產過程的速度和確定性，提高組織的運作效率和效益。對比制造環境的供應鏈管理，數據供應鏈管理更簡單，它所關注的只有數據（或信息）及其價值，沒有物流過程。數據供應鏈管理的基本對象是數據產品流，數據產品流由供應市場流向消費市場。數據供應鏈的信息流包括數據的需求、數據處理狀態和傳遞狀態等信息，評價與反饋流包括對數據產品的評估和評價信息等。采用現代信息技術，建立數據供應鏈管理系統實現數據產品流、信息流、評價與反饋流的統一管理，以實現對數據供應鏈的全面管理。
統計數據質量控制體系的構建
1系統框架
現代信息系統具有高效的計劃、控制、反饋機制，高效的數據處理與傳輸能力，為構建DSCMS系統提供了技術支持。信息網絡時代，統計數據質量的監控與預警系統是統計信息系統的重要組成部份[3]，可采用企業資源計劃（ERP）、全面質量等管理思想構建統計數據質量控制框架，以有效避免目前統計數據質量控制體系中易受中間環節的人為干擾。圖4給出了DSCMS的系統框架。
2系統功能與管理控制的實現
DSCMS由兩部分組成：一是統計數據管理系統，它實現方案設計、數據采集、數據整理和統計分析與等統計工作各階段的信息化管理；二是評價與反饋系統，它負責系統的控制、評價與反饋，是數據質量控制體系的實現。兩者有機結合，融入計劃控制、全面質量管理等現代管理思想，形成統計管理信息系統的全面解決方案。按系統的功能實現，可分成以下6個部分：（1）方案設計系統。實現統計工作方案設計，包括任務和目標的制定，數據收集、處理方案的制定，以及數據標準和要求的設定等。方案設計將結合目標與實施方案，做出完整的實施計劃與控制策略，是DSCMS的控制中心，并通過評價與反饋系統來實現整個管理體系的計劃、過程控制和評價功能。（2）數據采集系統。在跨組織的數據供應鏈中進行數據采集，需考慮時間和空間對數據采集產生的影響，構建基于互聯網的分布式集成數據采集系統不僅能提高工作的效率，也可以有效的減少數據逐級傳遞過程中的人為干擾。面向服務架構是分布式系統當前應用最廣泛的核心集成技術之一[11]，它可以對數據供應者的業務系統進行有效的集成，實現數據采集過程的自動化。（3）數據處理系統。數據處理采用集中處理方式來完成，各級數據生產者和管理者經過授權可通過數據處理系統對采集的數據進行處理，生成相關的統計數據，以供本級數據消費者使用。數據處理包括抽取、轉換、裝載等過程。（4）數據分析系統。數據分析可結合統計方法、數據挖掘技術、聯機分析處理技術（OLAP）對數據庫或數據倉庫中的數據進行分析，分析結果可通過信息系統進行，并對分析結果進行評價與反饋。（5）信息系統。統計數據或分析結果可通過網站向社會公眾或相關用戶，并通過網站收集用戶的反饋信息。（6）評價與反饋系統。通過構建科學的數據質量評價指標體系與反饋系統，利用現代信息技術手段對統計數據質量進行評價，并將評價結果及時反饋到數據質量控制框架及數據生成的各個部門（或環節），以便于及時進行修正、完善。
PLC以其可靠性高、邏輯控制功能強、體積小、適應性強和與計算機接口方便等優勢在工業測控領域廣泛運用,已大量替代由中間繼電器和時間繼電器等組成的傳統電器控制系統。近年來,PLC技術發展迅猛,新產品層出不窮。高端PLC不僅擅長開關量檢測和邏輯控制,而且能夠處理模擬信號、進行位置控制和回路控制,還可以連接各種觸摸屏人機界面并具有強大的網絡功能。高端PLC配備適當的位置控制單元和觸摸屏人機界面,并根據計算機集成制造系統(CIMS)或柔性制造系統(FMS)的具體要求,配置相應的網絡模塊或網絡單元,即可實現網絡互連,構成開放的數控系統。本文介紹一種基于OMRON高端PLC的磨削數控系統,這種數控系統裝備的位置控制單元可以實現兩軸聯動,并可根據實際需要,任意擴展控制軸數;觸摸屏人機界面可以根據操作需要靈活設計;還可通過DeviceNet、ControllerLink和TCP/IP協議單元進行多層次的網絡互連。這種數控系統目前已在3MZ2120磨床數控技術改造中獲得成功應用。
1.數控系統的開放特征與典型模式
開放式數控系統一般基于PC平臺,具有模塊化、標準化、平臺無關性、可二次開發和適應聯網工作等特征。基于PC平臺的開放式數控系統目前有3種典型模式。第一種為衍生型(專用NC+PC),在傳統CNC中插入專門開發的接口板,使傳統的專用CNC帶有PC的特點。此種模式是由于數控系統制造商不能在短期內放棄傳統的專用CNC技術而產生的折中方案,尚未實現NC內核的開放,只具有初級開放性;第二種為嵌入型(PC+NC控制卡),將基于DSP的高速運動控制卡(NC控制卡)插在PC的標準擴展槽中,由PC機執行各種非實時任務,NC控制卡處理實時任務。是目前基于PC平臺的開放式數控系統的主流;第三種為全軟件數控系統,PC機不僅能夠完成管理等非實時任務,也可以在實時操作系統的支持下,執行實時插補、伺服控制、機床電器控制等實時性任務。這種模式的數控系統實現了NC內核的開放和用戶操作界面的開放,可以直接或通過網絡運行各種應用軟件,是真正意義上的開放式數控系統。與PC平臺開放式數控系統相比,基于高端PLC的數控系統的開放性主要體現在網絡層面和系統擴充層面。高端PLC采用類似于PC的總線結構和面向操作的梯形圖語言編程,模擬量處理單元、位置控制單元、回路控制單元、網絡模塊或網絡單元等高端部件都有專用控制語句,具有系統構建靈活、擴充能力強、應用軟件設計便捷等優點。編程語言標準化和部件可互換性的不斷增強,現場總線技術和工業以太網絡標準的普遍采用,都使基于高端PLC的數控系統變得更加開放,將成為面向CIMS或FMS的設備層的重要組成部分。
2.基于高端PLC的磨削數控系統
2.1開關信號監測與邏輯控制
當前系統輸入輸出單元是PLC的基本組成部分,在磨削數控系統中承擔所有開關信號的監測和全部邏輯控制功能。監測信號主要有:機械手進出、機械手上下、料盤正反轉、修整器起落等動作的位置信號,磨削設備和輔助裝置上的各種工作狀態信號和異常報警信號。系統輸出單元控制磨削設備上所有電磁閥和機床電器系統等,通過磨削設備上的液壓系統,控制機械手、料盤、工件卡盤、砂輪軸、床身、修整器等基本部件和冷卻、、過濾等輔助裝置按照磨床動作和磨削工藝要求工作,實現磨削加工過程的自動化。
2.2工件與砂輪運轉速度控制
保持工件與砂輪轉動速度恒定,對提高磨削加工質量十分有利。為此系統配備了2臺帶RS-485串口變頻器,分別驅動工件軸和砂輪軸。PLC采用聯機隨動控制保證兩者之間速度的配合與穩定。操作人員依據磨削加工要求設定工件軸變頻器速度參數,PLC接收該參數后,參照砂輪直徑(設定或記憶值)和轉動速度比例關系,計算并自動設定砂輪軸變頻器的速度參數。在磨削加工過程中,PLC對砂輪在磨削及修整過程中的損耗給予速度自動補償。PLC最多可以控制32臺變頻器,不同廠家的變頻器可采用協議宏通信聯接。PLC按照變頻器地址(0-31)、指令代碼和相關數據順序向變頻器傳送命令,對變頻器運行、停止、正轉、反轉等實施控制;PLC還可以監視變頻器運行狀態,當變頻器發生過電流、過電壓、變頻器過載、硬件異常、電機過載、過力矩檢測、電源異常、通信超時等情況,可將異常參數傳輸給PLC,由PLC作出相應處理。
2.3位置控制單元(PCU)與位置控
制高端PLC配備單軸位置控制單元,與步進電機或交流伺服電機驅動器配套使用,可以完成開環或半閉環位置控制及速度控制,配備兩軸聯動位置控制單元可以進行實時插補控制,實現直線和圓弧曲面等加工控制。目前全球各主要PLC制造商都已推出與高端PLC配套的PCU,具備高速和高精度的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU自帶PCU的位置脈沖速度為1kBPS,高級PCU的速度可達到500kBPS,松下PP2或PP4系列的位置控制速度高達1MBPS。采用高端PLC設計數控系統,需根據控制精度、運行速度和運行軌跡要求選擇適合的位置控制單元(PCU)。磨削數控系統控制精度要求較高(F1μm),一般選擇數字交流伺服系統。OMRON高端PLC專用高級指令控制脈沖輸出,可選擇梯形、S形或三角形速度曲線運行,實現定程、點動、返回原點和原點搜索等運動控制。程序設計可選擇相對坐標系或絕對坐標系,按照圖2所示的梯形圖編程運行,可實現各種磨削加工所應遵循的運行曲線。圖3表示該數控系統準確實現鐵路軸承內套擋邊粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床快進、快退幾個階段的速度控制和位置控制的運動軌跡。
2.4觸摸屏人機界面設計
基于高端PLC的磨削數控系統可選用觸摸屏人機界面(ProgrammableTer2minal,PT),采用組態工具軟件和圖形庫(開關、燈、棒圖等)以及動畫功能等,按照磨削工藝流程要求進行系統操作界面設計。下面以3MZ2120磨削數控系統操作界面為例介紹設計過程和效果。根據磨削數控操作和顯示的需要,該系統主界面下設8個子畫面(圖4)。系統上電自動進入主界面,核對操作密碼后彈出主菜單,在主界面上點擊操作可轉移相應的子界面。加工參數和修整參數設置界面提供設置數控磨削相關參數提示;手動操作和手動修整界面用于快前、快退、慢前、慢退、返回等手動位置控制和手動修整砂作,為設備調試提供便利;自動報警界面利用觸摸屏人機界面本身具有的報警功能設計,對油霧、液壓系統、機床電器系統、料槽狀態、冷卻系統和伺服電機等實施監測和自動報警,當發生故障時觸摸屏立刻彈出報警信息(報警時間、故障代碼及應對措施等);自動運行界面(圖5)采用棒圖顯示當前磨削余量值;采用動畫方式實時顯示加工狀態和加工位置等。還設有“緊急停車”等應急按鈕。PT有RS232/422/485通訊口,能夠兼容眾多廠家的PLC。人機界面應用程序可脫機編制和調試,然后下載到PT上運行,PLC一般通過RS232接口與PT相連。許多PT還配備并行接口,可直接與打印機連接,實時打印數據或進行屏幕拷貝。
2.5網絡結構與聯網功能靈活的網絡結構和強大的聯網功能是高端PLC的重要特征。OMRON高端PLC配有標準RS232接口連接觸摸屏人機界面、上位機或編程工作站。還可擴展DeviceNet通信單元,使各種符合DeviceNet通信協議的產品都可以連入系統中,以構成基于DeviceNet開放式現場總線的數控系統;系統與車間管理層計算機及車間其它高端PLC的連接可以采用ControllerLink方式,在PLC中擴展ControllerLink通信單元,車間管理層計算機裝備ControllerLink支持卡即可實現互連,由底層DeviceNet設備、基于高端PLC的數控系統或其它測控設備和車間管理層計算機構成3層遞階結構的網絡測控系統。高端PLC一般都可配置符合TCP/IP協議標準的以太網單元,全面支持遠程監控等應用。
[關鍵詞]數控系統伺服電機直接驅動
近年來，伺服電機控制技術正朝著交流化、數字化、智能化三個方向發展。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。本文對其技術現狀及發展趨勢作簡要探討。
一、數控機床伺服系統
（一）開環伺服系統。開環伺服系統不設檢測反饋裝置，不構成運動反饋控制回路，電動機按數控裝置發出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程，采用步進電機作為驅動器件，機床的位置精度完全取決于步進電動機的步距角精度和機械部分的傳動精度，難以達到比較高精度要求。步進電動機的轉速不可能很高，運動部件的速度受到限制。但步進電機結構簡單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡單。所以開環控制系統多用于精度和速度要求不高的經濟型數控機床。
（二）全閉環伺服系統。閉環伺服系統主要由比較環節、伺服驅動放大器，進給伺服電動機、機械傳動裝置和直線位移測量裝置組成。對機床運動部件的移動量具有檢測與反饋修正功能，采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅動部件。可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構成高精度的全閉環位置控制系統。系統的直線位移檢測器安裝在移動部件上，其精度主要取決于位移檢測裝置的精度和靈敏度，其產生的加工精度比較高。但機械傳動裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線性因素，對系統穩定性有很大影響，使閉環進給伺服系統安裝調試比較復雜。因此只是用在高精度和大型數控機床上。
（三）半閉環伺服系統。半閉環伺服系統的工作原理與全閉環伺服系統相同，同樣采用伺服電動機作為驅動部件，可以采用內裝于電機內的脈沖編碼器，無刷旋轉變壓器或測速發電機作為位置/速度檢測器件來構成半閉環位置控制系統，其系統的反饋信號取自電機軸或絲桿上，進給系統中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線性因素對系統穩定性沒有影響，安裝調試比較方便。機床的定位精度與機械傳動裝置的精度有關，而數控裝置都有螺距誤差補償和間隙補償等項功能，在傳動裝置精度不太高的情況下，可以利用補償功能將加工精度提高到滿意的程度。故半閉環伺服系統在數控機床中應用很廣。
二、伺服電機控制性能優越
（一）低頻特性好。步進電機易出現低速時低頻振動現象。交流伺服電機不會出現此現象，運轉非常平穩，交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點，便于系統調整。
（二）控制精度高。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。例如松下全數字式交流伺服電機，對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
（三）過載能力強。步進電機不具有過載能力，為了克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩，選型時需要選取額定轉矩比負載轉矩大很多的電機，造成了力矩浪費的現象。而交流伺服電機具有較強的過載能力，例如松下交流伺服系統中的伺服電機的最大轉矩達到額定轉矩的三倍，可用于克服啟動瞬間的慣性力矩。
（四）速度響應快。步進電機從靜止加速到額定轉速需要200～400毫秒。交流伺服系統的速度響應較快，例如松下MSMA400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉速僅需幾毫秒。
（五）矩頻特性佳。步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時轉矩會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩。三、伺服電機控制展望
（一）伺服電機控制技術的發展推動加工技術的高速高精化。80年代以來，數控系統逐漸應用伺服電機作為驅動器件。交流伺服電機內是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統已在很大范圍內取代了直流伺服系統。在當代數控系統中，交流伺服取代直流伺服、軟件控制取代硬件控制成為了伺服技術的發展趨勢。由此產生了應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置上的交流數字驅動系統。隨著微處理器和全數字化交流伺服系統的發展，數控系統的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。硬件伺服控制變為軟件伺服控制后，大大地提高了伺服系統的性能。例如OSP-U10/U100網絡式數控系統的伺服控制環就是一種高性能的伺服控制網，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現了分散配置，網絡連接，進一步發揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術的發展，使伺服系統性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術的發展。
另外，先進傳感器檢測技術的發展也極大地提高了交流電動機調速系統的動態響應性能和定位精度。交流伺服電機調速系統一般選用無刷旋轉變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1μs的響應時間。伺服電動機本身也在向高速方向發展，與上述高速編碼器配合實現了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。為保證高速時電動機旋轉更加平滑，改進了電動機的磁路設計，并配合高速數字伺服軟件，可保證電動機即使在小于1μm轉動時也顯得平滑而無爬行。
（二）交流直線伺服電機直接驅動進給技術已趨成熟。數控機床的進給驅動有“旋轉伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅動”兩種類型。傳統的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實現高速化的成本相對較低，所以目前應用廣泛。使用滾，珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠是機械傳動，機械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應會造成運動滯后和非線性誤差，所以再進一步提高滾珠絲杠副移動速度和加速度比較難了。90年代以來，高速高精的大型加工機床中，應用直線電機直接驅動進給驅動方式。它比滾珠絲杠驅動具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運動慣量更小、動態響應性能更佳，運行更平穩、位置精度更高等優點。且直線電機直接驅動，不需中間機械傳動，減小了機械磨損與傳動誤差，減少了維護工作。直線電機直接驅動與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應頻率達100Hz，還有較大的發展余地。當前，在高速高精加工機床領域中，兩種驅動方式還會并存相當長一段時間，但從發展趨勢來看，直線電機驅動所占的比重會愈來愈大。種種跡象表明，直線電機驅動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。
參考文獻：
[1]《交流伺服電機控制技術的研究》，中國測試技術，鄭列勤，2006.5.
遠程監控系統由目標機端和監控主機端構成，通過前面所說的不同通信接口進行連接．目標機端運行遠程監控，負責接收來自監控主機的命令，進行解析，根據命令執行相應的動作．監控主機端運行控制臺程序，通過監控界面發出相應的命令，同時接收目標機的狀態信息．遠程監控系統的物理實現示意圖如圖1所示.為了實現對多種通信總線的支持，本文分析了傳統遠程監控系統的體系結構，對其進行了擴展．通過在應用層和總線驅動層之間增加通信管理層，將具體應用和通信總線隔離開來，應用不必再關心所使用的通信總線類型，使用何種總線建立通信，對于應用程序來說是完全透明的［6－7］．通信管理層實現的是一種命令／應答式通信協議，監控主機和目標機之間采用這種命令／應答式通信協議進行通信，通信過程總是先由監控主機向目標機發送一個命令協議包，目標機根據協議進行命令包的解析，執行相應讀寫功能后，再通過發送狀態協議包向監控主機回送通信狀態和數據．對于通信端口來說，該協議可以自動解析使用哪種端口進行通信，同時可以屏蔽不同通信端口之間的差異性，從而在監控主機與目標機之間建立與具體通信總線無關的數據通信策略．目前已實現了RS232串口、1553B接口以及CAN總線接口的通信功能，通過對底層總線驅動模塊的擴展，可以非常方便地實現對SPI、SPACEWIRE等其它總線的支持．圖2中給出了本文研究的遠程監控系統的體系結構模型．通信管理層根據協議執行通信命令分析與組織、數據緩沖管理、通信重試、總線訪問控制等操作，實現底層總線驅動模塊與頂層具體應用的隔離，使得遠程監控系統從功能與通信接口兩個方面都很容易進行擴展，并且互不影響．它相當于一個格式變換的緩沖區，對底層的通信端口進行管理，在擴展不同的總線協議時，只要遵從緩沖區的數據交互規范，數據直接存放到緩沖區即可，從而可以滿足不同的總線通信要求，實際的緩沖區對于用戶來說是透明的．為了完成不同的命令功能，在實現時設置了四個緩沖區，分別為命令執行緩沖區、命令接收緩沖區、數據執行緩沖區、數據接收緩沖區．底層的各種通信總線可以直接發送數據到通信管理層，通信管理層通過對數據重新組織成新的數據格式，直接提供給上層的模塊使用，因此通信管理層起到承上啟下的作用．本文著重針對嵌入式系統開發調試和升級換代過程中對遠程程序加載、目標機數據回傳等方面的應用需求，設計遠程監控系統應用層功能，實現了程序或數據的上傳加載和下載回傳，并能控制目標機程序的啟動運行，未來可以根據需要很方便的擴展功能．該系統包含了三部分內容：監控主機運行的控制臺軟件（V8＿Loader）、目標機上運行的軟件（V8＿Agent）及命令／應答式通信協議（CP）．V8＿Loader通過控制界面提供給用戶通信接口選擇、數據／程序文件發送與接收、程序運行控制等功能，按照通信協議與軟件通信，實現程序／數據的上下傳；V8＿Agent運行在以SPARCV8處理器為CPU的目標機上，接收控制臺命令，根據協議完成命令的解析、執行，實現程序／數據在存儲器指定區域的加載或回傳；命令／應答式通信協議規定了控制臺軟件和之間的通信格式及命令功能與格式［8］．
2命令／應答式通信協議
2．1協議框架
V8＿Loader（監控主機，PC）與V8＿Agent（目標機）之間采用命令／應答式通信協議進行命令、數據、狀態等信息的傳送．通信過程總是由監控主機首先向目標機發送一個命令包，目標機在收到命令包后，執行相應讀寫操作，再根據通信協議向監控主機回送相應的狀態應答包．因為遠程監控系統對于不同命令的反應實效性是不一樣的，為了便于管理，將協議命令分為三種類型，包括立即命令、緩沖命令和數據命令．立即命令信息量短，用于需要馬上執行的命令；緩沖命令用于對可延時命令進行延時管理，主要是對數據包進行管理；數據命令主要是用來對大量數據信息進行數據包裝．三種命令的具體定義如下：（1）立即命令：目標機接收到立即命令后進行校驗，如果正確則立即執行，完成相應控制和狀態查詢等功能，并回送狀態應答包．若校驗不正確，則不進行處理和響應．（2）緩沖命令：目標機接收到緩沖命令后，首先存儲在緩沖區中，并不立即執行，當監控主機發送執行命令后才執行緩沖區中的命令；執行完成后，也不立即向監控主機回送狀態應答包，而是將執行結果存儲在緩沖區中，當接收到監控主機發來的查詢命令時，才將緩沖區中的狀態應答信息作為查詢命令的應答包回送給監控主機．（3）數據命令：目標機接收到數據命令后，將數據放在緩沖區中，同時進行校驗，根據校驗結果設置數據緩沖區的狀態，數據包接收后不回送狀態應答包給監控主機．
2．2協議包格式
協議包從傳輸方向上分為兩類：上行協議包，由監控主機發送，目標機接收；下行協議包，由目標機發送，監控主機接收．其中上行協議包又包括立即命令包、緩沖命令包和數據命令包三種類型；下行協議包又包括狀態應答包和數據應答包兩種類型．各種協議包的格式如下：（1）立即命令包：監控主機發送的立即命令，包括前導字符、命令長度、命令內容和校驗字節等部分．立即命令的類型包括很多種，具體使用中可以根據需要添加和擴展．（2）緩沖命令包：監控主機發送的緩沖命令，也是實際的功能命令，包括前導字符、命令長度、命令內容和校驗字節等部分．緩沖命令包從功能上分為擦除命令、上傳命令、下載命令、轉移命令等，根據需要可以添加不同的功能命令．（3）數據命令包：監控主機發送的數據命令，用來向目標機的接收數據緩沖區注入一個數據塊，包括前導字符、數據塊長度、數據塊內容和校驗字節等部分．（4）狀態應答包：目標機發送的狀態應答信息，對來自監控主機的立即命令進行響應，包括長度、狀態數據和校驗字節等部分，長度表示狀態數據的字節數，狀態數據根據立即命令的不同而不同，從而給宿主機發送不同的狀態響應．（5）數據應答包：目標機發送的數據信息，數據應答包是功能命令的數據塊，包括長度、數據塊和校驗字節等部分，長度表示數據塊的字節數，數據塊是從宿主機接收到的具體數據信息．
3軟件實現方法
遠程監控系統軟件具體實現分為兩部分，分別為目標機上運行的V8＿Agent，監控主機上運行的V8＿Loader程序．本文按照圖2所示的系統體系結構模型，采用模塊化的設計方法進行了實現．軟件整體設計框圖如圖3所示［9］．下面分別從目標機和監控主機兩個方面對該系統的軟件實現進行說明．
3．1V8＿Agent的實現
V8＿Agent主要完成各種通信協議命令的解析、執行，在V8＿Loader的控制下，將數據傳送到目標機的指定區域，或將目標機指定區域的數據傳給V8＿Loader．圖4給出了目標機解析命令的運行過程，主要分為以下幾個步驟執行：（1）初始化所有通信端口和緩沖區，轉步驟（2），進入通信端口選擇過程；（2）采用自動識別方法對通信端口進行識別，按照預先設定的通道順序查詢各端口，首先查到數據的端口將被選擇為臨時端口；如果從臨時端口接收到一個正確的命令，則認為收到該命令的通信通道就是當前選擇的通信通道，將當前通道選擇標志送給通信通道選擇標志，完成通信通道的選擇；（3）識別到可用通信端口后，執行命令解析過程；由所接收信息包的第一個字符確定監控主機送來的包類型；如果是緩沖命令包則執行步驟（4），數據命令包執行步驟（5），立即命令包執行步驟（6），其他轉步驟（7）；（4）接收到緩沖命令包后，將接收到的數據暫存到命令接收緩沖區，當監控主機確認目標機正確接收了緩沖命令后，再將其切換到命令執行緩沖區，并設置命令執行緩沖區狀態為命令就緒狀態后轉步驟（7）；（5）接收到數據命令包后，將接收到的數據暫存到數據接收緩沖區，當監控主機確認目標機正確接收了該包數據后，設置數據接收緩沖區狀態為數據就緒狀態后轉步驟（7）；（6）接收到立即命令包后，根據命令包類型執行不同的功能命令，同時給監控主機回送一個應答包，并轉步驟（7）；如果接收的是執行緩沖區中命令的命令，則執行命令緩沖區中存儲的緩沖命令，執行完畢后轉步驟（7）；（7）結束本次通信命令解析過程，轉步驟（2）
3．2V8＿Loader的實現
V8＿Loader軟件在監控主機上運行，采用Vis－ualC＋＋6．0進行開發．V8＿Loader完成通信接口選擇、文件管理、數據打包等功能，并按照通信協議與V8＿Agent進行通信，完成數據上下傳．考慮到未來擴展應用功能方面的需求，遠程監控系統在實現時不僅需要提供如前面應用說明中的完整功能，還需要為未來的嵌入式應用提供其它方面的支持．因此V8＿Loader在實現時，采用了如圖5所示的多層次結構進一步細化了軟件的層次結構，增強軟件的可擴展性，提高軟件的廣泛適應性．界面管理層直接向用戶提供文件上傳、數據下載等用戶界面管理，完成對文件的管理操作．文件上傳是要將指定數據文件或程序文件的內容上傳到目標機指定區域，而數據下載則是從目標機指定區域下載的指定長度二進制數據保存到主機的文件中．此外界面管理層還向用戶提供了轉移執行、FLASH擦除等功能．線程處理層完成基于文件和控制界面的監控功能處理．它將上傳文件、下載數據區分成若干個包，通過調用功能處理層的上、下傳支持函數來完成文件數據的上傳和數據下載功能．線程處理層同時完成對界面上的進度條的實時處理與更新，完成與用戶之間的信息交換，完成文件數據的讀取與存儲功能．功能處理層是真正的上傳、下載、轉移等功能的處理模塊，按照協議規定通過通信管理層與V8＿A－gent之間進行協議命令及上下傳數據的交互，完成規定大小數據的上傳與下載．通信管理層提供各種通信功能到不同總線接口的映射．在總線驅動程序的基礎上，完成通信字符到協議包的簡單轉換工作．總線驅動層可以根據實際的通信端口添加相應的驅動程序，可以很方便的擴展其他通信總線，從而完成對通信端口的底層管理．
4結束語
在數控系統中，有時采用多臺電機聯動虛擬為一個坐標軸，來驅動機床坐標的運動。最常用的多電機驅動為同步(Synchronous)運動的形式，比如，要求兩臺以相同的速度和位移運動的電機帶動齒輪與齒條嚙合作為一個坐標軸運動。這樣的坐標軸被稱為“同步軸”，如圖1。同步技術被廣泛應用在數控技術中，比如大跨距龍門機床的龍門直線移動、大型三坐標測量機的雙柱直線移動，為保持運動的均勻，都需要兩個電機同步驅動。曲軸車床、曲軸磨床的雙頭工件夾持架，為保持加工時不扭搓工件，在作旋轉運動時也必需同步。
圖1同步軸
除此之外，為保證正確地加工出螺距相同的螺紋，車床在車螺紋時的主軸和進給軸必需同步。滾齒機的工作臺的分齒運動與滾刀的運動在滾齒時也必需同步、剛性攻絲的Z軸進給與主軸同步等，但這種同步是指多個電機的運動速度、位移之間成一定的關系，而不是相等的關系，對這種同步運動，本文不予討論。
實現同步一般有兩種方法。一是機械同步：同步系統由機械裝置組成。這種同步方法容易實現，但機械傳動鏈復雜，傳動件加工精度要求高，所需的零件多，難以更換傳動比，且占用的空間大。二是電伺服同步：同步系統由控制器、電子調節器、功率放大器、伺服電機和機械傳動箱等組成。所需機械傳動鏈簡單、調試方便、精度高、容易改變電子齒輪比。FANUC數控系統的電伺服同步功能對不同生產機械的要求可提供不同的配置，實現其同步要求。
在某些情況下，一個伺服電機驅動機械坐標軸轉矩不夠用，但改用一個更大的伺服電機又嫌體積或慣量過大，於是以兩個伺服電機取代一個伺服電機驅動機床的坐標軸，這種坐標軸被稱為串聯軸，如圖2所示。這樣由於兩個伺服電機以一個恒定的轉矩相互作用，或者通過預加負荷，在機床內部減少間隙。這就是所謂串聯控制(TandemControl)，是另一種多電機控制。
圖2串聯軸
同步控制的概念
在電伺服同步系統中，“同步”的概念是指系統中具有兩個或兩個以上由電子控制的伺服放大器和伺服電機組成的“控制對象”，其中一個為“主(Master)控制對象”，另外一個或多個為“從(Slave)控制對象”，控制量為機械的位移或速度(對旋轉運動為轉角或轉速)。通過控制器使“從控制對象”和“主控制對象”的輸出控制量保持一定的嚴格比例關系，這種運動系統稱為同步系統。一般同步系統的輸出控制量為位置和速度。前面所提到的“同步軸”，“主控制對象”與“從控制對象”的輸出控制量相等。
為了簡化討論，同步系統中的控制裝置可被簡化為具有一個積分環節的位置系統，其框圖如圖3A所示。其中KV為簡化後控制裝置的位置控制器的開環增益，XC、XO為位置輸入、輸出；FC為速度指令，Δ為位置誤差。KF為速度環增益，當KF》1時，可把速度環近似為1；於是該控制裝置的開環增益變為KV/S，如圖3B所示。
圖3簡化的控制裝置框圖
利用圖3的控制裝置可以組成兩種同步系統：
自同步系統(ActiveSynchronousSystem)：該控制系統具有兩個相同參數的控制裝置和驅動電機，分別驅動主、從軸?？刂破魉统鲋噶钔瑫r給主控制裝置和從控制裝置，經測量同步誤差反饋給從控制裝置的輸入，用來校正同步的誤差，以保證主、從的輸出保持嚴格的比例關系，如圖4A所示。
圖4兩種同步系統
A)自同步系統B)他同步系統
其中XAMO為自同步系統主控制裝置的輸出，XASO為自同步系統從控制裝置的輸出，由於從控制裝置是數字控制的伺服系統，其輸出跟隨輸入變化；也即從控制裝置的輸出可以自動跟隨主控制裝置的輸出變化，故稱它具有自同步能力。用C表示自同步能力：C＝¶ASO/¶XAMO(1)
他同步系統(PassiveSynchronousSystem)：在同步系統中，由控制器發出指令提供給主控制裝置，同時也提供給從控制裝置，用同樣的指令控制主從裝置使這兩種控制裝置的輸出同步，如圖4B所示。其中XPMO為他同步系統的主控制裝置的輸出，XPSO為他同步系統從控制裝置的輸出。這種同步系統如果由於某種原因，比如負載發生變化，主控制裝置輸出XPMO發生變化，從控制裝置的輸出不受控制，所以不能跟隨其變化，即
C＝¶XPSO/¶XPMO＝0(2)
因此該系統缺乏自同步能力，被稱為他同步系統。
自同步系統主要采用在要求主、從兩軸有自同步能力的機械中，并要求從控制裝置嚴格跟隨主控制裝置運動。
他同步系統主要應用在要求主、從控制裝置的輸出的位置和速度基本相同并且具有較小的誤差的機械。比如大型龍門式雙軸同步的驅動系統。除了上面提出的自、他同步系統外，還可以由這兩種系統混合組成的混合系統。
FANUC數控系統具有兩類不同的同步功能：
簡易同步控制(SimpleSynchronousControl)：控制器發出坐標軸移動信號送給主、從控制裝置和兩伺服放大器，以控制伺服電機運動。系統不進行同步誤差補償，一般情況下不對同步誤差發出警報信號。把主、從伺服電機看做一個坐標軸的運動。但在手動回零時，主、從伺服電機一起運動一直到減速開始動作，然後分別檢測柵格，分別進行螺距補償和間隙補償。這種簡易同步控制見圖4B，是他同步控制系統，由於系統不進行同步誤差補償，根據式(2)可知，系統缺乏自同步能力，說明這種控制比較適合於主動軸與從動軸負載條件不太相同，或者主、從兩軸對同步誤差沒有特別要求，而又要求同步運動工作的情況。簡易同步控制簡單，容易實現；用軟件也很方便實現，在數控系統中得到了廣泛的應用。
同步控制(SynchronousControl)：控制器發出主動軸移動的信號同時送給從動軸，於是，主、從具有相同的路徑。同時移動過程中不斷檢測同步誤差，并向從動側輸出補償指令。如圖4A所說明，這種控制是一種自同步控制系統，由於系統不斷向從動側輸出補償指令，設主、從控制器的增益為k1、k2，且k1＝k2；那么根據式(1)可以推出，C＝¶XSAO/¶XAMO＝1，因此系統具有較好的同步能力。比較適合主動軸與從動軸間的轉矩干涉較少的機械，但主動軸與從動軸間剛性較低。
對於長行程的同步軸，由於測量尺的絕對精度(誤差)和熱膨脹可能發生扭搓，在這樣的情況下，同步軸的主、輔電機互相拉，由此如果電機流過大電流，電機可能過熱，這主要是測量的位置誤差所致。螺距補償可以補償測量尺的誤差，但不能補償因溫度變化而產生的熱膨脹誤差。在此情況下，FANUC數控系統采用同步軸的自動補償法進行補償，該功能檢測主、從軸的轉矩差值并把這差值用來校正從動軸的位置以減少轉矩誤差。如圖5所示。
圖5同步軸自動補償
串聯控制的概念
串聯控制的概念與電機的串聯工作相似，以直流伺服電機為例，假定圖6為兩個相同參數的伺服電機串聯在一起，電源電壓為U，如果兩個伺服電機所承受的負載一樣，那麼，兩個電機的反電勢相等。如果M1電機承受較大的負載，電機的電流就會加大，流過電機M2的電流增大，M2的輸出轉矩也會加大，電機也加速。如果M1電機承受較大的負載而使電機速度有降低的趨勢，那麼，由於M1速度降低，M2將施加較大的電壓，因而也使M2反電勢加大，其速度有增大的趨勢，抵消M1的速度降落，使兩個電機轉矩相等，速度相等達到平衡。這類串聯控制在機床驅動領域很早就得到了應用，如龍門刨床的刨臺運動。對於大型機械的控制，在一個伺服電機的轉矩不足以移動工作臺時，往往采用兩個電機。FANUC數控系統串聯控制的兩個電機，分別稱為主(Main)電機和輔(Sub)電機；以區別於同步控制中的主(Master)電機和從(Slave)電機。以上利用兩個電機說明了對串聯控制的原理。
圖6串聯工作的電機
實際FANUC數控系統串聯控制功能工作原理見圖7。它是由數字伺服控制來實現。對於大型工作臺的負荷，如果一個電機的轉矩帶不動，或者一個電機的慣量太大，那麼可以用兩個電機代替，由軟件控制給主和輔電機相同的轉矩指令。於是可以把它當作一個“串聯軸”進行處理，這就構成了串聯控制。一般速度反饋從主電機反饋，如果機械具有較大的間隙，并且輔電機的移動在間隙之內，速度控制就進行不了，且機械會發生大的沖擊。為了防止這種現象發生，把主、輔電機速度的平均值作為速度反饋值比較合理。
應該注意，同步控制是以同樣的位置指令同時送給主軸和從軸；而串聯控制是以同樣的轉矩指令同時送給主軸和輔軸。
圖7串聯控制原理
預加負荷與間隙的消除
一般來說，具有大齒輪降速比的機械，總存在機械間隙量。為了減少主、輔軸間的間隙，經常采用預加負荷的方法減少間隙。FANUC數控系統在串聯控制時，可以加一個固定的預負荷到主、輔電機的轉矩指令上。那麼相反方向的轉矩可以一直維持主、輔電機的張力。在串聯控制時，預加負荷可以很容易去除齒輪、齒條這樣的機構主軸與輔軸間的間隙。不過這種預負荷并不能降低滾珠絲桿和工作臺間的間隙。如圖8所示，當預加負荷的機械在加速、減速時，主、輔電機產生相同方向的轉矩，串聯控制系統工作在負荷均分的工作方式，像圖8的2和3；
圖8預負荷的功能
當它在常速運行的情況，系統的工作取決於摩擦力與預負荷的情況，工作在負荷均分或者反間隙的工作方式。在預負荷大於摩擦力時，工作在反間隙的狀態；在摩擦力大於預負荷時，工作在負荷均分的狀態；當系統的進給停止時，這時預負荷在主、輔軸間產生張力，系統工作在反間隙的工作方式。根據上面的分析，可以合理選擇預負荷的特性而保證在傳動過程中消除間隙。
應用
上文已說明，多電機可采用同步軸和串聯軸虛擬為一個數控坐標軸；那么什么情況下采用同步軸？什麼情況采用串聯軸呢？串聯控制主要用在下列場合：
一個驅動電機轉矩不夠，可用兩個較小的驅動電機代替；
目前，數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體，機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。長期以來，我國的數控系統為傳統的封閉式體系結構，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據經驗以固定參數形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環節，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環執行機構。在復雜環境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數，無法在現場環境下根據外部干擾和隨機因素實時動態調整，更無法通過反饋控制環節隨機修正CAD/CAM中的設定量，因而影響CNC的工作效率和產品加工質量。由此可見，傳統CNC系統的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構，限制了CNC向多變量智能化控制發展，已不適應日益復雜的制造過程，因此，對數控技術實行變革勢在必行。
二、數控技術發展趨勢
（一）性能發展方向
（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動態、靜態特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。包含兩方面：數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。（3）工藝復合性和多軸化。以減少工序、輔助時間為主要目的的一種復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數控技術軸，西門子880系統控制軸數可達24軸。（4）實時智能化。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為。
（二）功能發展方向
（1）用戶界面圖形化。用戶界面是數控系統與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。圖形用戶界面極大地方便了非專業用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。（2）科學計算可視化?？茖W計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息?？梢暬夹g與虛擬環境技術相結合，進一步拓寬了應用領域，如無圖紙設計、虛擬樣機技術等，這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。（3）多媒體技術應用。多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數控技術領域，應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等方面有著重大的應用價值。
（三）體系結構的發展
（1）集成化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規?？删幊碳呻娐稦PGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度。應用FPD平板顯示技術，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優點，可實現超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術，是21世紀顯示技術的主流。應用先進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數量來降低產品價格，改進性能，減小組件尺寸，提高系統的可靠性。（2）模塊化。硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數控系統。（3）網絡化。機床聯網可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯網，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。（4）通用型開放式閉環控制模式。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現加工過程的多目標優化，必須采用多變量的閉環控制，在實時加工過程中動態調整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實時動態全閉環控制模式，易于將計算機實時智能技術、網絡技術、多媒體技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態數據管理及動態刀具補償、動態仿真等高新技術融于一體，構成嚴密的制造過程閉環控制體系，從而實現集成化、智能化、網絡化。
三、智能化新一代PCNC數控系統
當前開發研究適應于復雜制造過程的、具有閉環控制體系結構的、智能化新一代PCNC數控系統已成為可能。智能化新一代PCNC數控系統將計算機智能技術、網絡技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態數據管理及動態刀具補償、動態仿真等高新技術融于一體，形成嚴密的制造過程閉環控制體系。
參考文獻：
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關鍵詞：圖像監控電力系統開發應用
1概述
圖像監控系統在工業、郵電、銀行等部門應用較多，在電力系統的應用尚處于初期和推廣階段。該系統將現場攝像機攝得的圖像通過一定的通訊通道傳到監視中心，即可以清晰地看到現場的實際情況。圖像監控在電力系統中有以下功能和特點：
（1）適用于無人值班變電所，監視變電所的設備運行和操作狀況、發熱情況，解決防火、防盜問題，并逐漸與操作人員現場操作的遠方監視相結合，必要時各監控中心的圖像信息數據要上局計算機網絡，供網絡用戶察看。
（2）由于變電所之間距離較遠，通常幾十公里，甚至上百公里，通訊是用光纖、微波或電話線等方式進行連接，圖像信號傳到監控中心必須經過壓縮和解壓縮，因此圖像質量較之現場的模擬信號稍有損失，必須選擇好的壓縮和解壓縮的方式以盡量減少圖像的損失。
（3）變電所設備的圖像監視以靜態物體為主，
動態物體為輔（如操作、防盜等）；監視平時需登高或帶電位置的設備情況，如滲油、發熱、冒煙等狀況；電力大樓的各管理、監視用戶通過MIS網的終端進行監控。
（4）要有撤防和布防功能。當變電所有人工作時，要撤防，以免誤報警。當變電所位于無人狀態時，要布防。
（5）控制功能的主要對象是云臺和鏡頭，包括云臺的左右旋轉、上下俯仰、鏡頭聚焦、光圈調整和變焦變倍功能。對于多個云臺和鏡頭的控制，一般采用諸如89C51，8031等單片機加以選擇和控制。
2電力系統圖像監控的組成
無人值班變電所的圖像監控主要由攝像機、云臺、編碼器、解碼器、畫面分割器、視頻監視器等部分組成。另外，還需與照明系統和防火、防盜系統相結合，成為一個完整的監控系統。
2.1攝像機（包括云臺）
攝像機可分為：黑白、彩色、廣角、調焦、一體化等多種，適用于不同情況，技術參數也各不相同，黑白攝像機適用于光線不充足地區及夜間無法安裝照明設備的地區，可選的分辨率通常高于彩色攝像機。彩色攝像機可以觀察設備的紅綠燈等情況。一般在變電所采用彩色攝像機，經費緊張或攝像機數目較多時，在電容器室、電纜層等地可采用黑白攝像機；門廳可采用廣角鏡頭的攝像機；控制室、開關室宜采用連帶鏡頭、自動光圈的攝像機，對準目標后能迅速自動調整，不會因支架的抖動或人工因素造成調整困難；球型一體化攝像機是將攝像機、光學鏡頭、全方位云臺、解碼驅動器以及附屬的底座和防護罩，集成在一個單元中，可以嵌入天花板、吸頂安裝或支架安裝，適用于室外和主控室墻壁距監控屏較遠的地區。室外攝像機還可內置自動溫感排風和自動防霜裝置，可進行64點全方位預置，隨時對2～3臺主變油位、中性點閘刀、電容器以及圍墻外場景進行監視，總體上降低成本。
此外由于壓縮方式對圖像的限制，如果圖像傳遞后清晰度最高只能做到640×480，則攝像機的只要選擇480線水平清晰度即可，不必選擇太高清晰度，以免增加造價。
2.2視頻監視器
監視器可分多種：工業監視器、電腦屏幕、電視機、數十臺監視器組成的電視墻等，可以根據實際需求進行選擇。一般采用計算機作為監視器的，易于操作和控制，由于要顯示多畫面圖像，宜采用17英寸以上的屏幕。采用電視機作為監視器，價格便宜，但圖像線數較低，對圖像要求較低的場合比較適用；工業監視器清晰度較好，但控制和調節參數的靈活度不如計算機，條件允許的情況下可以采用計算機和工業監視器并用的方式。
2.3畫面分割器
使用畫面分割器能同時顯現前端多個攝像機輸出的畫面。它分為固定式的四畫面分割器和4個以上的多畫面分割器。在監控室用計算機進行監視時，易采用4畫面分割設備，既使每個畫面比較清晰，容易觀察，又可以觀看多個圖像；4個以上的畫面比較小，且設備的價格比較高。
2.4編解碼設備及相應的圖像數據壓縮技術
遠程的圖像傳輸涉及到圖像的壓縮和解壓縮，一般編碼器放置在變電所的控制室內，將現場的圖像數據壓縮為數字信號，傳送到監控中心，解碼器放置在監控中心，解開壓縮的數據。編碼器和解碼器是互相對應的。有一對一的配置方式，也有一對多的配置方式。基于主機的視頻圖像壓縮技術有面向硬件的和面向軟件的（如Intel的In－deo）兩大類。面向硬件的是基于DCT變換（離散余弦變換）等，有如下三種不同的算法：
（1）視頻圖像壓縮算法DVI（數字視頻交互），壓縮后圖像數據率為1．5Mbps。
（2）用于綜合業務數字網（ISDN）通信中的H．261算法。
（3）用于動態圖像壓縮的MPEG標準，目前有MPEG1，MPEG2，MPEG4三種算法。其中MPEG1的圖像質量與家用電視系統相近，壓縮后的數據率為1Mbps～2Mbps，亮度信號的分辨率為360×240，色度信號的分辨率為180×120，每秒30幀。MPEG2算法的原始目標是對每秒30幀的720×572分辨率的視頻信號進行壓縮，壓縮后的數據傳輸速率為5Mbps～10Mbps。
目前應用較多的為H．261，MPEG1和MPEG2三種方式，由于變電所的圖像是靜態和動態相結合，以靜態為主，因此三種方式都適合，當然，高倍率的數據壓縮是以損失原始數據信息量為代價的，會影響到傳輸圖像的質量。
3圖像監控系統方案的比較
3.1監控與通訊
（1）監控方式
1）由調度或監控中心（在局大樓內）統一監視、控制，適用于變電所數量不多，分布較集中的電力局。
2）由若干監控中心分別監控變電所，再將圖像上傳到局大樓的方式，三級結構，適用于變電所數量較多，分布較廣的地區。
3）監控中心與MIS網終端應有一定的優先級，一般來說，監控中心優先控制和操作，MIS終端只能監視和切換畫面，兩者不能有沖突．（2）通訊與傳輸方式
圖像視頻信號的傳輸途徑有多種：一點多址小微波、音頻電纜擴頻通訊傳輸、光纖2M數據口傳輸、電話電纜傳輸等方式。從實際應用效果來看，光纖傳輸效果最好。用電話線傳輸圖像容易產生斷續現象，不利于觀察防火、防盜現象，但觀察靜態事物，尚可應用。
圖像監控系統的分布與通訊通道的布置有關，有以下幾種方式：變電所與監控中心有直接的通訊連接；變電所與局大樓有直接的光纖連接，監控中心再與局大樓有通訊連接，兩種情況考慮的方案應有所不同。
信息傳輸通常采用TCP／IP和網絡組波（Multicast）的技術，最大限度利用了網絡的傳輸性能和網絡帶寬，避免網絡的擁塞．
3.2信息壓縮形式
（1）硬件壓縮、軟件解壓的方式
用一個軟件就能解決所有的解壓縮問題，且升級換代容易，降低了成本，MIS網上的計算機只要安裝相應的軟件并授權，就可以成為一臺功能齊全的監控主機，但穩定性較硬件為差，同一監控中心的變電所之間兼容性差。
（2）硬件壓縮、硬件解壓的方式
穩定性好，若采用一對多解碼器，成本較低，但兼容性差；若采用一對一編解碼器，只要總體設計原理相同，不受產品限制，但主站的控制軟件也不具備兼容性，且監控中心的解碼設備數量繁多，若監控中心的通訊通過調度中心轉發，則電力大樓的硬件設備也很多，且需要兩套編解碼設備，上網需要兩次壓縮解壓縮。
3.3控制界面操作
主站軟件在控制云臺方面的操作有兩種方式：
（1）界面提供專業控制面板，用鼠標點擊相應的方向進行控制。
（2）直接在圖形界面上引導云臺的轉動方向，鼠標指針向哪個方向滑動云臺就朝相應方向轉動。
后種方式對于監控人員來說，非常方便，易于操作。
可以在電子地圖上直接用鼠標雙擊獲得遠程終端的圖像和對應攝像機切換和控制權。地圖可完全模擬相應變電所環境，方便操作人員尋找攝像機和快速切換。
3.4發熱報警裝置
變電所設備發熱也是比較常見的問題，時間一長，容易造成事故。可以采用兩種方法監視無人值班變電所的發熱狀況：
（1）用紅外攝像機進行監視報警，成本較高。
（2）用金屬片發熱變色，攝像機自動巡回檢測后自動報警，比常規的紅外測溫儀要方便很多。金屬片一般裝設在開關或變壓器的端頭位置。
3.5無線攝像機和無線對講設備
采用無線攝像機和無線對講設備，當變電所有人巡視或操作時，隨身攜帶以便于遠方監視，防止走錯間隔或誤操作。為今后變電所單人操作監視的運行方式做好技術準備。
無線攝像機體積小，且通常鏡頭和發射天線均包含在其中，發射功率小，傳送距離較近，大多在100m之內能接收。因此無線接收接口必須配置在適當的位置（一般在主控室），以保證信號的暢通。
無線攝像機可以做成帽式或手提式。由實踐得知，帽式在頭上運行人員走動時經常發生抖動，難以迅速聚焦，而手提式結構可視角度大，輕巧便利，比較切合單人操作攝像。
3.6其他設備
（1）升降車。室外一體化攝像機由于架設位置比較高，天長日久玻璃面罩積灰，攝像質量嚴重下降，定期安排清掃又受到安全距離影響，因此可設計為升降機結構，只在第一次安裝調試時需要停電，以后的維護極為方便。
（2）滑軌。開關室的結構一般成行排列，只設一個或少量的攝像頭無法看清每個開關柜的狀況，無法對運行提供依據。設多個攝像機既增加成本，也存在死角。因此設計和開發步進馬達式的電動滑軌裝置，操作人員在遠方就能控制攝像機前后左右移動，靈活方便，又降低造價。
（3）組合電纜。電力系統對電纜有特殊要求：阻燃、防火、防小動物，目前市場上還無鎧裝的視頻電纜，因此可以設計將控制電纜、視頻電纜、電源電纜三合一，制成鎧裝阻燃電纜，既對高壓電磁場起到良好的屏蔽作用，又方便安裝和施工。
4其他輔助系統的接入
4.1防火、防盜裝置
在沒有考慮變電所圖像監控時，防火、防盜裝置也是作為無人值班變電所的必要條件提出的，它結合綜合自動化輸出兩個綜合信號，存在的缺陷是經常出現誤報，由于綜合信號無法得知什么區域發生火警和盜警，工作人員趕到現場，可能為時已晚。
如果能將防火、防盜結合圖像監控系統，就可以解決上述問題。采用警情聯動功能，當發生報警時，立即啟動攝像機，可以得知是哪個區域發生報警，是否誤報，重要情況還可啟動自動錄像裝置，為事故分析提供條件。
目前絕大多數廠家生產的火災、防盜報警控制器不具備報警規約的輸出功能，或只有一個開關量接點輸入，因此防火、防盜設備與圖像監控的結合需要合作開發，且火災報警控制器要經中國消防產品質量認證，控制器可采用RS232標準接口與上位機通訊。
與防火、防盜設備相連，探測報警信號源有以下幾種：煙感探測器、熱感紅外線控測器、微波物體移動感知器、開關、玻璃破碎感知器等等。一般無人值班變電所大多采用前三種探測器。若經濟條件較好，可采用多種探測器相結合的方式。為減少單一探測原理裝置易產生的誤報，可以將紅外、微波、超身等探測方法組合成雙鑒式，即基于兩種原理的復合式報警器。
4.2變電所照明系統
圖像監控裝置啟動變電所照明有兩種方案：
（1）攝像機上安裝射燈，可以隨著攝像機的轉動而轉動，遠方控制，靈活性高，但亮度范圍有所限制。
（2）啟動變電所的照明電源，當有警情或遠方控制時，可以開啟變電所相應位置的燈光，亮度范圍廣、效果好。
4.3長延時錄像機
監控中心在采用計算機監控時，可用計算機硬盤錄像，必要時采用雙硬盤備份，但硬盤錄像時往往計算機運行速度就很慢，不能同時調用圖像或控制。但很多情況下可以在監控中心外接長延時錄像機進行錄像。24h的長延時錄像機比較理想，每日只需更換一盤錄像帶。訊協議對于子站的技術、通訊接入以及MIS的聯網都大有影響，因此一旦主站方案選定后，再采用另一家廠家的產品，很難兼容和接入，對系統的圖像質量也很有影響。如果有多個監控中心，雖然不同主站各自可以采用不同的系統，但是如果要聯入MIS網，又將會互相沖突。因此在考慮安裝圖像監控系統時，一定要有一個總體的方案。一般變電所內需要監視的位置有：
（1）主變：油位，中性點接地閘刀，端頭的發熱情況。
（2）開關室：監視開關室的人員出入及開關操作的正確性，及面板上的微機保護或自動化裝置的面板。
（3）門廳：監視進出的人員。
（4）電容器室：防盜、防火監視。
（5）主控室：監視設備、直流系統、自動化裝置等設備的讀數，計算機等設備的防盜，運行人員的現場情況等。
（6）電纜層：防火。
集各有關單位的人員進行討論，特別是運行人員對攝像頭的布置，通訊人員對通訊的接入和設備調試，計算機人員對于MIS網的接入和設置，保衛人員結合防火、防盜等都要有一個綜合的考慮，新建的變電所應在投產之前進行布線和設備安裝等需要停電的工作，改造的變電所要結合檢修一起施工。在施工中應注意：
（1）圖像監控系統的施工安全問題相當重要，既要考慮安裝時的安全間距，又要考慮維護的方便性。
從企業實際需求來看，對于制造業，目前企業的MIS和ERP僅僅局限于通常的管理、設計開發等上層部分的信息化，是遠遠不夠的，工廠、車間的最底層數控機床不能夠連成網絡，就必然成為制約制造業企業信息化的瓶頸，不能充分提高生產效率。對于面臨全球化競爭的現代制造工廠，數控機床必須達到一定的數量或比例;其次就是把所擁有的數控機床組建成一個雙向、高速的制造體系，徹底解決信息孤島問題，構成數字化車間，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。
2.網絡數控技術的發展
2.1DNC系統及網絡結構DNC(DirectNumericalControl，DNC)系統是指多臺數控機床由一臺計算機統一分配控制程序和進行管理?，F在的DNC系統從內容和意義上已發展成為分布式數字控制(DistributedNumericalControl，DNC)系統。從數控技術的發展分析，分布式數控系統是由直接數控系統發展而來的，是針對當時數控設備內存小、處理能力弱而產生的。以后出現的計算機數控(ComputerNumericalControl，CNC)設備使DNC系統增加了程序編制和編輯功能，并且有一定的通訊能力。隨著局域網、數據庫、工作站的發展以及零件加工系統發展的需要，出現了分布式數控系統，它是針對車間的生產計劃、技術準備、加工操作等基本作業的集中監控與分散控制相結合而產生的車間生產控制系統。系統的目標任務通過局域網分配給各子系統，子系統之間信息相互交換以協調完成任務。這種系統的優點是易于擴充、靈活、可靠性高，具有良好的開放性。
一般DNC系統通常具有兩級計算機分級結構形式，即主控計算機加CNC系統群組成(見圖1)。對于通信距離短、組成DNC系統的數控機床數量少的小型系統可采用這種方式聯接。該聯接方式結構簡單，但連線多、易出故障、通信距離短(RS2232通訊距離一般為15m以內)，不適宜較大范圍的DNC系統。
2.2現場總線系統及網絡結構
鑒于以上通信方式存在的缺陷，一些研究單位提出了基于現場總線技術(主要有BitBus和CAN總線)的改進型DNC通信系統，可實現遠距離通信，具有操作方便、開放性好的特點，其網絡拓撲結構如圖2所示。每臺數控機床配備一臺通信前端單元，各通信前端單元與DNC主控計算機間采用現場總線進行連接。通信前端單元與數控系統集成在一起，可靠性高。系統具有良好的擴展性，設備更靈活，但是車間級網絡是總線協議，工廠上層網絡都是基于TCPPIP的以太網，這樣還不能方便地實現信息共享。
3.工業以太網
普通以太網(Ethernet)是為IT應用而開發的，在工業自動化領域只得到有限的應用，這是由于:1)以太網采用CSMAPCD碰撞檢測方式，在網絡負載較重(大于40%)時，網絡的確定性(Determinism)不能滿足工業控制的實時要求:2)Ethernet所采用的接插件(connector)、集線器(hub)、交換機(switches)和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境的要求;3)以太網抗干擾性能較差;4)以太網滿足本安型應用有一定的難度等。隨著工業以太網技術的發展，上述問題正在迅速得到解決。
工業以太網是基于IEEE80213(Ethernet)的強大的區域和單元網絡，工業實時以太網對普通以太網作了如下改進:1)采用交換式以太網，僅在發送站和接收站之間直接交換信息，克服了時延和碰撞，提高了實時性;2)采用全雙工(Full2duplex)網絡，端口上媒體段的長度不受CSMAPCD的制約，可以延伸距離;3)網絡速度的提高(已全面從10M過渡到100M，甚至1000M)，使以太網能提供足夠的帶寬，又減少了沖突;4)所采用的接插件(connector)、集線器(hub)、交換機(switches)和電纜等已有為工業環境而設計的。至于以太網存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實現、優先權的引入以及全雙工的布線等，基本上得到解決。通過提高數據傳輸速率，仔細地選擇網絡的拓撲結構及限制網絡負載等，可將發生數據沖突的概率降到最低。工業以太網經過上述改進措施后，典型的工業應用中，10MEthernet峰值負載為10%，100MEthernet峰值負載為0.5%，而Ethernet只有當負載達40%以上時才會有明顯的延時現象;在100MEthernet網中，發送一個信息包延時超過2ms的狀況五年也不會發生一次，美國電力研究院(EPRI，PaloAlto.，Calif)的實驗結果表明，可保證延時在4ms以內。網絡數控就是建立在上述工業以太網的基礎之上，而且采用工業以太網作為網絡數控的底層有多方面的優勢:1)成本低。因普遍應用所形成的硬件、軟件資源和廣泛的支持，Ether2net是世界上應用最多的網絡，超過93%的網絡節點為Ethernet。2)為了促進Ethernet在工業領域中的應用，國際上成立了工業Ethernet協會(IndustrialEthernetAssociation)。美國電氣工程師協會(IEEE)正著手制定現場裝置與Ethernet通信的新標準。3)全球主要自動化廠商和組織加強了工業Ethernet的實現，如德國SI2EMENS公司于1998年了工業Ethernet白皮書，于2001年了其工業Ethernet規范，稱為ProfiNET.2004年奧迪(Audi)、寶馬(BMW)、戴梅勒克萊斯勒(DaimlerChrysler)和大眾(Volkswagen)四家主要的德國汽車公司一致同意支持ProfiNET工業以太網標準。
4.基于工業以太網的網絡數控
網絡數控系統(NetworkedComputerNumericalCon-trolSystem)是網絡控制系統的一個分支。近幾年國內比較高端先進的數控系統上都配備了標準以太網的接口，比如華中數控的世紀星系統，這樣可以方便地進行聯網，即使沒有標配以太網接口的數控系統，由于都有RS2232接口，筆者也提出了RS2232到以太網的轉換解決方案，專用通信單元用AT89S8252單片機和AT24C512SerialEEP2ROM，以支持Internet應用。此通信單元還有數據緩沖的功能，可以解決老式數控系統內存太小，不能一次裝下復雜加工程序的問題，這樣就解決了加工停頓的問題，此裝置也符合工業標準，安裝方便。
1.1煤礦安全監控系統組成結構和工作原理分析
（1）利用傳感器信息裝置將檢測到的物理量轉化為電信號，電信號可以依據運行情況對其進行診斷，當出現問題時會及時的對其進行預報且顯示問題所在原因。
（2）電信號必須通過顯示設備將其作業狀況完整的顯示出來，然后轉化為可控的傳輸信號，對其實時掌握。
（3）通過預先設置好的接收方式對信號進行接收，通常情況下，采取分站接收然后復用信息將其傳輸在主站上加以顯示。對于分站來講，它必須將接收到的信息加以整合、分類，對簡單數據進行校驗，防止不準確信息被利用，這樣不僅僅會造成一定損失，且會增加發生事故的概率，所以在進行傳輸主站前，必須對信息進行準確的掌握。
（4）電源箱是確保煤礦安全監控系統正常運行的主要交流電源，它能確保在臨時停電的基礎上讓煤礦安全監控系統可以有效的運行，維持正常的基本用電量且供電量大于二小時的蓄電量。
（5）主站在接收信號的同時，要對其信號進行及時的處理。傳輸接口在確保接收信號后，要再次將主站整理好的信息傳輸至相應分站。從某種角度上而言，傳輸接收器具備了分站與總站相互傳輸信號及自動檢驗、調節等功能，所以使用過程中不容忽視。
（6）主體正常運行的前提下，要利用計算機對其進行掌控，主機的主要作用是聯網、控制輸出打印、控制輸出、人機的對話、聲光的報警、顯示、磁盤的存儲、統計數據、判別報警、校正、接收檢測的信號等。
1.2煤礦安全監控系統的作用
第一，通風及瓦斯監控，也就是監測局部的通風機停開（特別重要）、風筒的狀態、風門的狀態、饋電的狀態、風壓、風速以及甲烷的濃度等。一旦局部的通風機掘進巷道出現停風狀況或出現停止運行現象時或瓦斯出現超限時，相應的煤礦其安全監控的系統就會自動切斷各自區域電源，同時閉鎖與報警，這一措施可以達到以下目的：
（1）規避與降低了因電氣設備違章作業或失爆、或電氣設備出現故障的危險溫度或電火花導致瓦斯爆炸的發生率；
（2）規避與降低了運、掘、采等設備在運行狀態下因危險溫度或摩擦碰撞出火花而導致的瓦斯爆炸的發生率；
（3）可以起到提醒作用，督促生產的調度員、領導及時把工作人員安置到安全位置；
（4）督促生產的調度員、領導及時處理好事故的安全隱患，提前預防瓦斯爆炸事故的發生。
第二，瓦斯抽放系統的監控。
（1）監測抽放管路里閥門開度、溫度、壓力、流量、甲烷的濃度以及一氧化碳濃度等各管道的參數；
（2）對瓦斯抽放泵站室里甲烷的濃度以及井下臨時的抽放瓦斯泵站其下風側的柵欄外的甲烷濃度環境參數進行監測；
（3）對抽放泵軸溫、抽放泵的真空度以及電機溫度等進行監測；
（4）監測冷卻水池的水位、水溫以及水壓與水量等供水的參數；
（5）監測功率因素、電壓、電流等供電的參數；
（6）對供氣管道其供氣閥的開度、流量、甲烷的濃度、溫度、正壓等供氣的參數進行監測；
（7）監測密封的水溫、密封的水位、罐內其甲烷的濃度、罐壓和罐高等儲氣罐的參數；
（8）對瓦斯抽放供水、閥門、泵等狀態進行監測；
（9）對瓦斯抽放純瓦斯量和混合量進行監測；
（10）對瓦斯抽放閥門與泵進行控制。第三，煤礦安全監控系統可以有效的對火災進行實時監控，了解火災發生的原因及火災過程中煙霧、二氧化碳的濃度及溫差變化，這樣就能有效的控制火情，降低風險的蔓延、擴大。第四，監控系統可以有效的對瓦斯做出預警報警信息，從而將瓦斯所處的地質信息進行分析，進一步提高防治風險發生的預警能力。第五，針對往期事故的發生要對其進行調研，依據事故發生原因進行經驗總結，這樣不僅僅能夠為其提供參考依據，更能為日后同類事故的發生提供預防預警的作用，所以針對每次煤礦事故的發生都要進行系統檢測。
