基于Markov判定方法的數(shù)控系統(tǒng)硬件安全保護方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)控裝置硬件技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種基于基于Markov判定方法 的數(shù)控系統(tǒng)硬件安全保護方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著機床數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，高速、高精、復(fù)合、智能化加工等成為數(shù)控 機床的發(fā)展趨勢，數(shù)控機床的功率及加工速度的提高，對與之配套的數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動 單元的安全性提出了新的需求。數(shù)控機床系統(tǒng)在給人們帶來高效、快捷和方便的同時，其 對設(shè)備及人員的潛在危險及其危害性也越來越大，因而機床數(shù)控系統(tǒng)等相關(guān)控制設(shè)備的安 全性也變得日益重要。數(shù)控系統(tǒng)的安全保護系統(tǒng)是針對數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控裝置、伺服、主 軸、I/O等機床數(shù)控設(shè)備可能出現(xiàn)的故障進行保護動作的系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)故障時，能夠進入安 全狀態(tài)或進行故障消除，最終避免事故的發(fā)生或者至少能減少事故給設(shè)備、環(huán)境和人員造 成的危害，確保數(shù)控機床的高效、安全加工。由于機床數(shù)控系統(tǒng)所包含的數(shù)控裝置、伺服、 主軸、I/O、PLC等不同種類的功能單元模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與系統(tǒng)安全控制相關(guān)的控制信 號種類多，如急停信號、保護安全開關(guān)信號、數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線信號、驅(qū)動器狀態(tài)信號、電源 狀態(tài)等，并且這些信號之間的安全判斷關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，要求安全控制處理必須能夠高效、高 速、正確的對系統(tǒng)狀態(tài)做出判斷和響應(yīng)，最終實現(xiàn)避免事故的發(fā)生或者減少事故給設(shè)備、環(huán) 境和人員造成的危害。
[0003] 因此，機床數(shù)控系統(tǒng)的安全保護技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)外數(shù)控領(lǐng)域的熱門研究課題之 一，國外主要數(shù)控廠商如西門子、發(fā)那科等公司將數(shù)控系統(tǒng)安全保護作為一項關(guān)鍵技術(shù)及 數(shù)控系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，在研制的下一代數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動單元、PLC等產(chǎn)品中將安全 控制功能作為一個子系統(tǒng)集成到數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品中，并對國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)廠商實施技術(shù)封鎖。 我國目前在數(shù)控系統(tǒng)安全保護技術(shù)及產(chǎn)品領(lǐng)域尚屬空白，針對數(shù)控機床安全控制系統(tǒng)等設(shè) 計與研發(fā)，還主要處在借鑒采用國際相關(guān)技術(shù)的階段，在國際市場的產(chǎn)品競爭中，無法取得 話語權(quán)。在機床數(shù)控產(chǎn)品出口時，常因控制核心部件及電氣控制設(shè)備不符合相關(guān)安全國際 標(biāo)準(zhǔn)而發(fā)生禁售或強制更換部件等情況，另一方面，在面向航空航天、汽車制造等領(lǐng)域的高 速、大型、重型機床領(lǐng)域，由于我國沒有相應(yīng)的具有安全功能的數(shù)控系統(tǒng)等安全控制系統(tǒng)產(chǎn) 品，全部需要高價購買國外產(chǎn)品進行配套，經(jīng)濟代價高并經(jīng)常受到國外技術(shù)產(chǎn)品的封鎖限 制，嚴(yán)重制約我國高檔數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種方法 簡單、高效的針對數(shù)控系統(tǒng)硬件的安全保護方法及裝置，以面向機床數(shù)控系統(tǒng)運行過程中， 實現(xiàn)高效、高速、正確的對系統(tǒng)運行狀態(tài)做出判斷和響應(yīng)，當(dāng)判斷系統(tǒng)將處于故障或危險狀 態(tài)時，在預(yù)測到系統(tǒng)安全失效概率達到閾值時，通過啟動預(yù)編程處理的I/O輸出保護信號， 實現(xiàn)數(shù)控機床加工過程中對系統(tǒng)的保護操作功能，減少事故給設(shè)備、環(huán)境和人員造成的危 害，實現(xiàn)對人身和機床的保護，避免人員的傷亡、設(shè)備財產(chǎn)的損失等保護要求。
[0005] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于Markov判定方法的數(shù)控 系統(tǒng)硬件安全裝置，包括：
[0006] Microblaze處理器，輸入端接收來自總線的總線數(shù)據(jù)到達指示信號和來自執(zhí)行同 步延時計時器發(fā)出的同步信號；輸出控制信號分別至高精度實時時鐘RTC、高速數(shù)字及模 擬量I/O輸入電路、I/O輸出控制接口電路；并與其進行數(shù)據(jù)傳輸；用于完成數(shù)字及模擬量 信號的采集計算控制，基于Markov方法的系統(tǒng)失效概率計算，系統(tǒng)安全失效概率是否達到 閾值的實時計算及判斷處理，以及保護操作功能執(zhí)行控制；
[0007] 高精度實時時鐘RTC，連接Microblaze處理器，用于為Microblaze處理器提供高 精度的數(shù)字及模擬量信號作為實時采集的啟動控制信號；
[0008] 高速數(shù)字信號采集電路，連接Microblaze處理器，輸入端接收來自Microblaze 處理器的控制信號，用于監(jiān)測來自數(shù)控系統(tǒng)的脈沖輸出、運行狀態(tài)等監(jiān)測信號；與 Microblaze處理器進行數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的信號發(fā)送給Microblaze處理器；
[0009] 高速模擬信號采集模塊，連接Microblaze處理器，輸入端接收來自Microblaze處 理器的控制信號，用于監(jiān)測來自數(shù)控系統(tǒng)的電源電壓、工作電流的模擬量信號，將采集到的 信號發(fā)送給Microblaze處理器；
[0010] 1/0輸出控制接口電路，連接Microblaze處理器，輸入端接收來自Microblaze處 理器的控制信號，輸出安全控制信號，作為外部緊急停止控制信號，通過啟動1/0輸出保護 信號，實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護操作功能，實現(xiàn)錯誤處理機制，對系統(tǒng)進行保護操作。
[0011] 所述Microblaze處理器輸出的控制信號為啟動、停止、鎖存的控制信號。
[0012] -種基于Markov判定方法的數(shù)控系統(tǒng)硬件安全保護方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0013] 建立基于loolD -取一診斷結(jié)構(gòu)模型的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊關(guān)系模型、數(shù)控系 統(tǒng)故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P ;
[0014] 計算并判斷數(shù)控系統(tǒng)安全失效概率PFD及每小時失效概率Ρ??值；
[0015] 通過啟動1/0輸出保護信號，實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護操作功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)現(xiàn)場保護、 以及停機、復(fù)位等錯誤處理機制，對系統(tǒng)進行保護操作。
[0016] 所述基于loolD -取一診斷結(jié)構(gòu)模型的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊關(guān)系模型包括：電 源單元、控制單元、數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線單元、1/0單元、脈沖輸出單元、模擬量輸入輸出單元。
[0017] 所述數(shù)控系統(tǒng)故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中，數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為正常工作狀態(tài)0K、系 統(tǒng)未檢測到到危險失效狀態(tài)FDU及系統(tǒng)檢測到的危險失效狀態(tài)FDD三種狀態(tài)；當(dāng)診斷電路 診斷到某模塊發(fā)生危險失效時，裝置由狀態(tài)〇轉(zhuǎn)換到狀態(tài)1 ;可自動恢復(fù)的故障經(jīng)系統(tǒng)恢復(fù) 后，裝置正常工作，由狀態(tài)1恢復(fù)至狀態(tài)0 ;當(dāng)裝置任一部分發(fā)生未檢測到的危險失效時，由 狀態(tài)0轉(zhuǎn)至狀態(tài)2。
[0018] 所述數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P為：
[0019]
[0020] 其中，μ。表示裝置平均維修時間MTTR的倒數(shù)，λ D、λ DD、λ DU分別表示系統(tǒng)安全失 效概率、系統(tǒng)檢測到的危險失效概率和系統(tǒng)未檢測到的危險失效概率。
[0021] 所述數(shù)控系統(tǒng)每個功能單元的要求時的失效概率PFDi為：
[0022] PFD, = SqP^d, i = 1,2. . . ΤΙ
[0023] 平均要求時的失效概率：
[0024]
[0025] 其中，初始向量3。= [1 0 0]，系統(tǒng)的危險失效狀態(tài)包括檢測到的危險失效及未檢 測到的危險失效，因此危險失效狀態(tài)向量SD= [0 1 1]τ，ΤΙ為系統(tǒng)測試周期。
[0026] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0027] 1.實現(xiàn)簡單。本發(fā)明數(shù)控系統(tǒng)硬件安全控制及保護方法設(shè)計實現(xiàn)簡單，該算法不 需要存儲大量的信息，通過實時采集數(shù)控裝置中硬件運行的狀態(tài)信息，并通過實時計算系 統(tǒng)的危險失效概率，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的判斷。
[0028] 2.占用資源少。數(shù)控裝置硬件安全控制及保護方法可以通過現(xiàn)場可編程邏輯列陣 (FPGA)或IP核的方式設(shè)計實現(xiàn)，占用系統(tǒng)硬件資源小，并可以方便的集成到被監(jiān)控的數(shù)控 裝置中。
[0029] 3.具有良好的抗干擾性。本方法通過采用基于Markov估計的方法對系統(tǒng)故障及 危險評估進行建模，通過計算失效概率的方式對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行計算判斷，可以避免 由于數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)信息采集過程中由于干擾等引起的系統(tǒng)誤判。
【附圖說明】
[0030] 圖1數(shù)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2數(shù)控系統(tǒng)loo 1D -取一診斷結(jié)構(gòu)模型圖；
[0032] 圖3數(shù)控系統(tǒng)安全控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明方法流程圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明。
[0036] 本發(fā)明一種基于Markov判定方法的數(shù)控系統(tǒng)硬件安全保護方法及裝置，用于針 對數(shù)控系統(tǒng)硬件的安全保護方法及裝置，以實現(xiàn)高效、高速、正確的對系統(tǒng)運行狀態(tài)做出判 斷和響應(yīng)，當(dāng)判斷系統(tǒng)將處于故障或危險狀態(tài)時，通過啟動I/O輸出保護信號，實現(xiàn)對系統(tǒng) 的保護操作功能，滿足對系統(tǒng)的保護要求。包括以下步驟：
[0037] 分別對數(shù)控系統(tǒng)的電源單元、控制單元、數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線單元、I/O單元、脈沖輸 出單元、模擬量輸入輸出單元，通過分析系統(tǒng)中各個單元不同工作狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換來計算系 統(tǒng)的失效概率，根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)，可以將該系統(tǒng)建立為典型的loolD即一取一診斷結(jié)構(gòu)。基于 Markov方法，建立數(shù)控系統(tǒng)故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，其中，數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為正常工作狀態(tài) 0K、系統(tǒng)未檢測到到危險失效狀態(tài)FDU及系統(tǒng)檢測到的危險失效狀態(tài)FDD三種狀態(tài)。當(dāng)診 斷電路診斷到某模塊發(fā)生危險失效時，裝置由狀態(tài)〇轉(zhuǎn)換到狀態(tài)1 ;可自動恢復(fù)的故障經(jīng)系 統(tǒng)恢復(fù)后，裝置正常工作，由狀態(tài)1恢復(fù)至狀態(tài)ο;當(dāng)裝置任一部分發(fā)生未檢測到的危險失 效時，由狀態(tài)0轉(zhuǎn)至狀態(tài)2。狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。其中μ。表示裝置平均維修時間MTTR 的倒數(shù)。
[0038] 由上述狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程可得裝置的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ρ為：
[0039] (3)
[0040] 根據(jù)中國國軍標(biāo)GJB/Z299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中的數(shù)據(jù)作為失效 數(shù)據(jù)來源，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ρ具體求解為：
[0041] ⑷