一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，包括设置在远程服务器上的虚拟上位机、位于本地的下位机和远程监控终端，其中，虚拟上位机集成有远程监控及调试模块、安全登录认证模块以及智能诊断模块，安全登录认证模块用于虚拟上位机的安全登录认证，远程监控及调试模块用于将从本地下位机反馈至虚拟上位机的状态数据通过验证后的远程监控终端显示出来，并同时将其输入所述智能诊断模块以对机床进行故障预警和/或健康诊断，且所述预警或诊断结果可被相应的远程监控终端显示。本发明基于虚拟化实现了数控系统的远程监控与调试，提高了数控加工的智能化程度与可靠性，降低了车间维护成本。

权利要求

1.一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，其基于虚拟上位机中集成的远程监控及调试功能，实现对数控系统的远程监控与调试，其特征在于，该系统包括设置在远程服务器上的虚拟上位机、位于本地的下位机和远程监控终端，所述虚拟上位机与本地下位机之间、以及与所述远程监控终端均通过网络连接以进行通信，其中，所述虚拟上位机集成有远程监控及调试模块、安全登录认证模块以及智能诊断模块，其中所述安全登录认证模块用于虚拟上位机的安全登录认证，用户通过所述远程监控终端上的指令输入接口输入登陆指令，经过所述安全登录认证模块验证后进入所述虚拟上位机以进行访问操作，所述远程监控及调试模块用于将从本地下位机反馈至虚拟上位机的状态数据，发送至验证后的远程监控终端进行显示，同时该状态数据被输入至所述智能诊断模块，该智能诊断模块可根据所述机床加工状态数据进行健康诊断，并对其中的机床加工故障信息进行预警和/或报警，所述诊断结果及预警和/或报警信息可通过相应的远程监控终端予以显示；

该系统还包括远程调试终端，其设置于远程机床维护中心，用于提供数控系统调试或维护接口，以根据显示在远程调试终端上的诊断结果以及机床状态数据信息，通过该远程调试终端对数控系统进行调试或维护；

所述虚拟上位机还包括人机交互模块、非实时/半实时性任务执行单元和下位机控制单元，其中数控加工指令通过所述远程监控终端和/或远程调试终端发送到虚拟上位机，由上位机中所述非实时/半实时任务执行单元进行处理，并形成控制数据通过下位机控制单元利用网络传输至本地下位机，以控制其执行实时性的运动控制和逻辑控制；

所述远程监控终端和远程调试终端上均具有虚拟的人机交互界面，该显示界面是基于虚拟技术从所述虚拟上位机上下载后重绘而生成；

所述本地下位机的加工状态数据、机床参数信息及系统诊断信息均被存储至虚拟上位机，并可由远程监控终端或远程调试终端通过上述虚拟的人机交互界面显示输出。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，其中，所述预警或健康诊断信息记录可被存储并形成数控系统状态历史记录，并可在相应的远程监控终端和/或远程调试终端显示，以作为数控系统调试或维护的依据或参考。

3.根据权利要求1或2所述的基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，其中，同一套数控系统可以配置多个远程监控终端和/或远程调试终端，各终端可同时访问同一个虚拟上位机。

4.根据权利要求1或2所述的基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，其中，同时访问同一个虚拟上位机的多个远程监控终端或远程调试终端中，只有其中一个终端可操作虚拟上位机。

5.根据权利要求1或2所述的基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，其中，所述远程监控终端和/或远程调试终端可以为便携式终端。

6.根据权利要求1或2所述的基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，其中，所述远程服务器中集成有数据备份单元，用于对对应机床的加工状态数据、机床固有参数、以及健康诊断信息进行备份。

说明书

一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试方法

技术领域

[0001] 本发明属于数控系统技术领域，具体涉及一种数控系统的远程监控及调试方法。

背景技术

[0002] 数控机床能很好地解决复杂、精密、批量级、多品种的零件加工问题，具有高精度、高效率、操作方便等优点，在现代企业中得到了非常广泛的应用。目前国内外主流高档数控系统的软硬件体系多为上下位机结构：上位机与下位机均安装在数控机床旁边，上位机负责系统统非实时性任务，下位机负责系统实时性的运动控制和逻辑控制任务，两者通过内部总线或网络进行信息交互。在上述数控系统体系架构下，上位机与下位机的通信实现起来比较容易，结构设计简单，系统的实时性能比较好，操作人员可直接通过上位机的人机交互界面(HMI)读取加工零件的实时数据并控制机床加工过程。

[0003] 随着数控机床应用领域对数控系统的智能化要求越来越高，传统数控系统上下位机架构的弊端日益凸显，由于传统数控系统的上位机安装在机床旁边，机床操作人员必须在车间进行加工操作，工作环境嘈杂，从而会影响机床操作的准确性；在机床进行加工时，操作人员须在现场才能监控机床的运行状态，工作环境严重受限，无法随时随地查看机床加工状态；一旦数控系统出现故障，制造厂商需要派工作人员亲临现场进行调试与修复，这不但增加了制造厂商的维护费用，而且迫使数控机床停止加工，而影响企业的正常生产，可能会给企业带来巨额损失。

[0004] 因此，在数控加工领域实施远程监控及调试技术具有非常重要的意义，通过该技术的应用，机床操作人员可在远程控制机床加工过程，避开嘈杂的车间环境，提高加工操作的准确性与可靠性，并且设备制造商可通过远程协助对数控设备进行调试和维护，大幅度减少售后服务成本，而且可以实时远程监控机床的运行状态，提前预测可能发生的故障，并进行预防处理。

[0005] 目前国内外许多数控设备制造商都在产品中添加了远程模块，比如，日本FANUC公司提出的远程服务系统解决方案：通过远程维护中心，维护工程师可以了解远程用户的操作、PLC等信息，及时解决用户的问题，有效地减少了机床的停机时间。Siemens公司提出的数控系统IT解决方案：通过内嵌在机床中的电子邮件报警系统，将机床故障信息发送到公司技术支持与故障中心进行分析处理。

[0006] 但是，目前数控系统的远程监控及调试模块直接集成在本地数控设备中，这在增加数控系统本地硬件负担与成本的同时，也使监控及调试模块的开发与升级受限于本地软硬件资源，甚至会迫使本地软硬件设备升级，为企业带来更大的成本上升压力。传统数控系统的远程监控一般是基于现场总线实现，其虽然具备远程操作的意义，但是依然受限于传输距离，并且监控设备被限制在PC机上。一个车间的数控机床可能使用了不同的数控系统，那么每一类的数控系统则需要配置一台PC终端，以适应特定数控系统的通信、加工、及数据处理等，不利于车间的管理与维护。另外，当前数控系统一般采用磁盘备份，操作很不方便，而且磁盘很容易损坏，一旦在远程调试中出现误操作，使上位机系统陷入不可逆转的故障，就会导致整个数控系统无法正常恢复，而且在传统数控系统备份中，无法对数控加工数据进行即时备份，很容易造成数据丢失。另外，在当前的数控系统远程调试中，维修中心很容易操控车间的机床，获取机床的加工信息，这不利于生产企业保护车间加工数据。

[0007] 申请人在先申请的中国专利201510111457.4中披露了一种基于虚拟上位机的数控系统，其通过将上位机以虚拟机的方式设置在远程服务器中，形成虚拟上位机，并通过与本地下位机利用网络进行通信，控制本地下位机，从而实现数控加工。这种上下位机架构的数控系统对传统的上下位机结构进行了全新的设计，使得数控系统的数据处理性能和加工效率大大提高，而且可以解决HMI功能扩展以及远程加工受限的问题，同时也为数控系统的远程监控与调试奠定了基础。

发明内容

[0008] 本发明提供一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试方法，其在虚拟上位机中集成远程监控及调试功能，并与远程监控终端和/或远程调试终端均通过网络连接，从而实现对车间数控系统的远程监控与调试，提高数控系统的智能化程度，降低车间远程监控及调试模块的开发成本，使车间远程监控及调试功能的使用更加便捷与安全。

[0009] 为实现上述目的，按照本发明，提供一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，其基于虚拟上位机中集成的远程监控及调试模块，实现对数控系统的远程监控与调试，其特征在于，该系统包括设置在远程服务器上的虚拟上位机、位于本地的下位机和远程监控终端，所述虚拟上位机与本地下位机之间，以及与所述远程监控终端均通过网络连接以进行通信，其中，

[0010] 所述虚拟上位机集成有远程监控及调试模块、安全登录认证模块以及智能诊断模块，其中所述安全登录认证模块用于虚拟上位机的安全登录认证，用户通过所述远程监控终端上的指令输入接口(如鼠标、键盘等)输入登陆指令，经过所述安全登录认证模块验证后进入所述虚拟上位机以进行访问操作，所述远程监控及调试模块用于将从本地下位机反馈至虚拟上位机的状态数据通过远程监控终端进行显示，以向操作人员提供机床的实时加工信息，所述状态数据同时被输入所述智能诊断模块，该智能诊断模块根据所述状态数据对机床进行故障预警和/或健康诊断，所述预警或健康诊断结果可通过相应的远程监控终端显示。

[0011] 作为本发明的改进，还包括远程调试终端，其设置于远程机床维护中心，用于提供数控系统调试或维护接口，以便于维护人员根据所述预警或健康诊断结果对本地下位机进行调试或维护。

[0012] 作为本发明的改进，所述预警或健康诊断信息可被存储并形成数控系统状态历史记录，以作为调试或维护的依据或参考。

[0013] 作为本发明的改进，所述虚拟上位机还包括人机交互模块、非实时/半实时性任务执行单元和下位机控制单元，其中数控加工指令通过所述远程监控终端或远程调试终端发送到虚拟上位机，由上位机中所述非实时/半实时任务执行单元进行处理，并形成控制数据通过下位机控制单元利用网络传输至本地下位机，以控制其执行实时性的运动控制和逻辑控制。

[0014] 作为本发明的改进，所述远程监控终端、远程调试终端上均具有虚拟的人机交互界面，该显示界面是基于虚拟技术从所述虚拟上位机上下载后重绘而得到。

[0015] 作为本发明的改进，所述本地上位机的加工状态数据、机床参数信息及系统诊断信息均被存储至虚拟上位机，并根据用户需求，由远程监控终端和/或远程调试终端通过上述虚拟的人机交互界面显示输出。

[0016] 作为本发明的改进，同一套数控系统可以配置多个远程监控终端和/或远程调试终端，各终端可同时访问同一个虚拟上位机。

[0017] 作为本发明的改进，同时访问同一个虚拟上位机的多个远程监控终端或远程调试终端中，同时只有其中一个终端可操作虚拟上位机。

[0018] 作为本发明的改进，所述远程监控终端和/或远程调试终端可为便携式终端。

[0019] 作为本发明的改进，所述远程服务器中集成有数据备份单元，用于对对应机床的加工数据、机床参数、以及加工诊断信息进行备份。

[0020] 本发明中，数控系统的远程监控及调试模块是在虚拟上位机上进行开发与集成，不再受限于本地软硬件资源，同时减轻了数控系统的本地设备的软硬件负担，有利于数控机床的维护。

[0021] 本发明中，所述远程监控终端和/或远程调试终端不直接与本地下位机进行通信，而是通过虚拟上位机中的远程监控及调试模块间接获取所需的数据信息。

[0022] 本发明中，所述安全登陆认证模块的认证方式可由采购该数控系统或机床的企业自行设定，并可根据用户等级授予其不同的访问权限。

[0023] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

[0024] (1)远程监控及调试模块设置在虚拟上位机上，使远程监控及调试模块的功能开发与升级不再受限于本地软硬件资源，并使其与数控系统的集成简单化。

[0025] (2)本发明实现了真正意义上的数控加工远程监控，允许操作人员通过位于任意网络可位置的任意显示终端监控机床加工，特别是平板电脑与手机的应用，使数控系统的远程监控更加简便化。

[0026] (3)本发明提供的数控系统可以接受多个远程监控终端和/或远程调试终端的同时监视，但只有其中一个终端可以操作虚拟上位机，这在保证机床安全加工的同时，也使系统远程监控及调试功能的使用更加灵活。

[0027] (4)本发明中，远程服务器不仅仅可以为虚拟上位机系统进行备份，而且可以通过虚拟上位机为对应机床的相关数据进行备份，包括机床加工信息、机床固有参数、故障分析记录、健康诊断信息等，大大提高了数控系统的可靠性。

[0028] (5)本发明通过在虚拟上位机中设置安全登录认证模块，提高了远程监控及调试功能的使用安全性，有效保护了企业的生产信息，也避免了机床加工过程被不定因素干扰，保证机床加工的安全。

附图说明

[0029] 图1是现有技术中典型的数控系统的上下位机结构示意图；

[0030] 图2是现有技术中的数控系统远程监控与调试模块的部署结构示意图；

[0031] 图3是现有技术中的基于虚拟上位机的数控系统的结构示意图；

[0032] 图4是按照本发明实施例的基于虚拟化技术的数控系统远程监控与调试模块的部署结构示意图。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 本发明实施例所提供的一种典型模式如图3所示，该模式采用一种基于虚拟上位机的数控系统体系架构，即通过将上位机设置在远程服务器的虚拟机中，形成虚拟上位机，并通过网络与位于本地的下位机进行信息交互，虚拟上位机中集成有用于实现人机交互的人机交互模块、用于执行数控加工非实时/半实时性任务(如译码、离线速度规划)的非实时/半实时性任务执行单元、以及用于控制数控加工的下位机控制单元。本发明为虚拟上位机集成了远程监控及调试模块、安全登录认证模块、智能诊断模块等，实现了一种基于虚拟上位机的数控系统远程监控及调试功能。

[0035] 远程监控及调试模块是实现数控系统远程监控及调试功能的关键，负责响应远程监控终端和/或远程调试终端的请求，即根据用户需求，命令虚拟上位机将其从本地下位机采集的数据信息，显示在远程监控终端和/或远程调试终端。安全登录认证模块为远程监控终端和/或远程调试终端提供虚拟上位机的登陆认证接口，即远程监控终端和/或远程调试终端向虚拟上位机发送访问请求后，须向虚拟上位机提供正确的认证信息，才可以对数控系统进行远程监控及调试，否则其登陆请求会被拒绝。智能诊断模块负责数控系统的远程故障预警及健康诊断，为机床加工的远程监控提供安全保证，及时提醒操作人员对已有故障和/或可能发生的故障进行及时处理和预防，提高机床加工的可靠性，并将故障诊断信息以历史记录的方式进行备份存储，为数控系统的远程调试提供有力的参考资料，另外该模块可实时采集机床加工过程数据，如振动信号，电流/电压信号、跟踪误差等，并进行分析，使已损耗严重的机床零件得到及时维修与更换，如磨损严重的刀具等，保证机床的健康状态，提高车间生产效率。

[0036] 本实施例中，数控系统远程监控功能的实现流程具体可以如下：

[0037] (1)远程监控终端向虚拟上位机发送访问请求；

[0038] (2)虚拟上位机接收远程监控终端的访问请求，并要求终端提供认证信息；

[0039] (3)远程监控终端向虚拟上位机提供正确的认证信息；

[0040] (4)虚拟上位机通过终端的认证信息，并将桌面图像信息发送到终端；

[0041] (5)远程监控终端将虚拟上位机的桌面重绘到自身屏幕上；

[0042] (6)用户可通过远程监控终端提供的虚拟人机交互界面间接向本地下位机发送控制指令，完成数控加工过程的远程控制，同时虚拟上位机实时读取机床加工过程数据，并通过虚拟桌面实时刷新的方式实时显示在远程监控终端，用于机床加工的远程监视。

[0043] 本实施例中，数控系统的远程调试功能的实现方式可以如下：

[0044] 在数控机床通电开机以及运行过程中，数控系统会运行内置的自诊断程序，对数控系统中的关键硬件和控制软件进行检测，包括系统本身、PLC、位置伺服单元以及与数控装置相连的其他外部装置，并将检测数据主动上传至虚拟上位机。当数控系统需要维护人员进行远程调试时，远程调试终端首先需要完成对虚拟上位机的登陆和认证，并重显虚拟上位机的桌面，以虚拟交互界面的方式为维护人员提供数控系统调试接口，并通过该接口命令虚拟上位机将相关数据信息也以虚拟桌面的方式显示在远程调试终端，使维护人员在远程即可了解机床及数控系统的运行状态，判断机床故障原因。

[0045] 为了保证数控系统远程监控及调试的安全性，本发明在虚拟上位机上集成了安全登录认证系统，使远程监控终端和/或远程调试终端必须成功通过虚拟上位机的认证，才可以正常访问和操作虚拟上位机。本发明的上述认证方式可由采购该机床或数控系统的企业自行设定，并针对不同等级的用户授予不同等级的数据访问权限，另外，远程监控终端和/或远程调试终端向虚拟上位机发送的认证信息经过特定的算法进行加密，充分保证企业的车间生产信息。

[0046] 远程监控终端和/或远程调试终端上均集成有远程桌面工具，该远程桌面工具优选基于Qt技术进行开发，其运行时只占用极少的系统资源，并具备跨平台的特点，可在平板电脑、手机等设备上实现快速安装和应用，使数控系统的远程监控终端和/或远程调试终端不再受限于PC机，降低了生产企业在车间远程监控及调试功能开发上的成本，也提高了远程监控及调试功能在终端设备配置及使用环境等方面的灵活性。

[0047] 本发明实施例优选基于RFB协议，通过不止一个远程监控终端和/或远程调试终端同时访问同一个虚拟上位机，上述多个终端的界面显示同步，实现了多个终端同时在线监视同一台机床的加工状态。但是，为了保证数控机床的安全加工，上述多个终端并不可以同时操作虚拟上位机，而是只有其中一个终端具备虚拟上位机的控制权限，本实施例中优选设定如下的授权规则：

[0048] (A)远程调试终端的权限高于远程监控终端；

[0049] (B)对于不同等级的远程监控或调试终端，只有高等级的终端具备控制权，其中，终端的等级由其向虚拟上位机提供的认证信息进行判定。

[0050] (C)对于同一等级的多个远程监控终端或调试终端，只有最后一个成功登陆虚拟上位机的终端具备控制权。

[0051] 本发明中的虚拟上位机设置有智能诊断模块，可在远程实现对已有故障和/或可能发生的故障进行报警和/或预警，一方面降低嘈杂的现场加工环境对机床加工故障报警的干扰，另一方面可预先判断出机床加工过程中可能会发生的故障，及时提醒相关人员进行预防处理，提高数控系统的加工可靠性。虚拟上位机可将上述故障分析信息形成记录进行存储，为数控系统的远程调试、故障查找、系统维修提供有力的参考资料。另外，虚拟上位机可实时读取机床加工相关数据，如刀具/主轴振动信号、电流信号、电压信号、跟踪误差等，并进行诊断分析，以形成健康诊断信息提供给远程监控人员和/或远程调试人员，为数控系统的健康保证提供数据参考，减少机床故障发生率和停机时间，提高企业的生产效率。

[0052] 本发明所述远程服务器上，不仅设置有虚拟上位机系统的备份单元，而且还可以设有对应机床数据的备份单元，即使上位机出现不可逆转的故障，需要从上一个状态进行恢复，数控系统也不会丢失对应机床的固有信息及相关加工数据，提高了数控系统的可靠性。

[0053] 本发明的一个典型应用示例如下：在数控系统操作人员的培训工作中，传统的方式是培训人员亲临加工现场进行培训指导，而通过上述远程监控及调试方式，培训人员就可以在远程完成培训工作，并可以随时提供在线指导，若数控系统由于实习人员的误操作出现了故障，维护人员也可在远程对系统进行维护，极大地提高工作效率，降低人力成本。

[0054] 远程监控及调试技术在提高数控系统智能化程度、降低车间维护难度与维护成本、机床加工实时监控等方面发挥了重要作用。但是，当前主流数控系统的远程监控及调试模块均直接集成在本地数控设备中，导致远程监控及调试功能的开发受限，机床生产成本上升，远程监控终端和远程调试终端的扩展性很低，并在保证生产企业车间加工信息的安全性上存在很大的隐患。虚拟化技术在远程监控及调试模块开发中的应用则可以很好地解决上述问题。虚拟化技术是指计算机相关模块在虚拟的基础上而不是真实的独立的物理硬件基础上运行，把有限的固定资源根据不同的需求进行重新规划以达到最大利用率，实现简化管理，优化资源等目的。虚拟化技术的实现形式是在系统中加入一个虚拟化层，将下层的资源抽象成另一形式的资源，提供给上层使用。本质上，虚拟化就是由位于下层的软件模块，通过向上一层软件模块提供一个与它原先所期待的运行环境完全一致的接口的方法，抽象出一个虚拟的软件或硬件接口，使得上层软件可以直接运行在虚拟环境上。本发明正是借助虚拟化技术突破传统的数控系统上下位机架构设计，将传统的本地上位机移至远程服务器的虚拟机上，构建虚拟上位机，并在上述虚拟上位机上实现远程监控及调试模块的集成。

[0055] 本发明采用基于虚拟上位机的数控系统上下位机体系架构，通过在虚拟上位机上完成远程监控及调试功能的集成与开发，打破了本地软硬件资源对远程监控及调试模块开发与升级的束缚。本发明采用Qt技术实现了远程监控及调试软件的跨平台问题，包括Windows、Linux、Android等，即使在不支持图形化桌面的系统下，也可以正常运行上述远程监控及调试软件，为用户提供虚拟的人机交互界面。上述远程监控及调试软件优选基于RFB协议进行开发，可支持多个终端同时访问同一台虚拟上位机，并且上述多个终端的界面显示同步，但为了保证机床加工的安全性，并不具备同时控制机床加工的权限；上述远程监控及调试软件占用系统很少的运行资源，可在平板电脑、手机等系统上正常运行。另外，本发明为远程监控及调试功能集成了安全登录模块，并针对不同等级的用户设置不同的访问权限，以保护生产企业的加工信息。

[0056] 本发明基于虚拟化技术，采用一种基于虚拟上位机的数控系统上下位机体系架构，并在虚拟上位机上进行远程监控及调试功能的集成，改变了传统的机床远程监控及调试方法，提高了远程监控及调试功能开发的灵活性和应用的智能化程度，大幅度降低车间的维护难度与维护成本，并降低车间远程监控及调试项目建设的成本。

[0057] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。