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数据供应链管理体系
1数据供应链的构成
信息系统环境中的统计数据与和制造环境的物质产品具有相似性，把统计数据视为信息系统中的产品，这样，就可以采用全面质量管理(TQM)的原则、方法和技术来进行数据质量管理[4,7]；可以采用制造环境中供应链的管理体系来构建数据产品的管理体系，我们称之为数据供应链。实际上可以把统计数据的制造和消费过程看作一种业务流程模型，它由数据提供者、数据生产者、数据管理者到数据消费者的价值链组成，完成由数据消费者需求开始到提供给数据消费者以所需要的产品与服务的整个过程[8]，这就是数据供应链。数据产品的制造过程包括：原始数据采集、中间数据生成、成品数据生成、数据消费等四个阶段，它涉及四种角色：数据提供者、数据生产者、数据管理者、数据消费者[4]。数据产品的生产制造过程也是数据的增值过程，随着数据（信息）的价值得到社会广泛的认可，数据产品的开发和利用将会得更多的关注。从某一个数据生产者内部来看，它的数据生产过程也构一个内部供应链[9]，这个供应链比较简单(见图1)。外部供应链还包括数据生产者的数据供应市场和数据消费市场，数据供应市场由一个或多个数据提供者和它们的数据供应市场构成，数据消费市场由一个或多个数据消费者和它们的数据消费市场来构成(见图2)。
2内部数据供应链的管理组织模式
随着企业信息建设的推进，现代信息系统从MIS发展到企业商务智能系统。商务智能系统采集业务数据原始数据，经过数据清洗，形成支持决策和分析的数据仓库，数据的采购与处理过程见图3。可以看出，现代企业（或组织）内部的统计数据的采集、处理、分析过程是可以由企业商务智能系统来完成，并提供给相关的数据消费者。
3外部数据供应链的管理组织模式
完整的外部数据供应链是围绕满足用户的数据需求来构建的，它存在一个核心机构（或组织），并起着核心管理作用。构建一个数据供应链的同时也意味着一个统计体系的形成，它将数据提供者、数据生产者、数据管理者、数据消费者联系起来形成一个是开放性的、以团队工作为组织单元的有机整体[10]。采用供应链管理的思想来实现整个统计体系的管理，就是对一个统计体系中各参与组织、部门之间的数据、信息流与资金流进行计划、协调和控制等，目的是通过优化提高数据生产过程的速度和确定性，提高组织的运作效率和效益。对比制造环境的供应链管理，数据供应链管理更简单，它所关注的只有数据（或信息）及其价值，没有物流过程。数据供应链管理的基本对象是数据产品流，数据产品流由供应市场流向消费市场。数据供应链的信息流包括数据的需求、数据处理状态和传递状态等信息，评价与反馈流包括对数据产品的评估和评价信息等。采用现代信息技术，建立数据供应链管理系统实现数据产品流、信息流、评价与反馈流的统一管理，以实现对数据供应链的全面管理。
统计数据质量控制体系的构建
1系统框架
现代信息系统具有高效的计划、控制、反馈机制，高效的数据处理与传输能力，为构建DSCMS系统提供了技术支持。信息网络时代，统计数据质量的监控与预警系统是统计信息系统的重要组成部份[3]，可采用企业资源计划（ERP）、全面质量等管理思想构建统计数据质量控制框架，以有效避免目前统计数据质量控制体系中易受中间环节的人为干扰。图4给出了DSCMS的系统框架。
2系统功能与管理控制的实现
DSCMS由两部分组成：一是统计数据管理系统，它实现方案设计、数据采集、数据整理和统计分析与等统计工作各阶段的信息化管理；二是评价与反馈系统，它负责系统的控制、评价与反馈，是数据质量控制体系的实现。两者有机结合，融入计划控制、全面质量管理等现代管理思想，形成统计管理信息系统的全面解决方案。按系统的功能实现，可分成以下6个部分：（1）方案设计系统。实现统计工作方案设计，包括任务和目标的制定，数据收集、处理方案的制定，以及数据标准和要求的设定等。方案设计将结合目标与实施方案，做出完整的实施计划与控制策略，是DSCMS的控制中心，并通过评价与反馈系统来实现整个管理体系的计划、过程控制和评价功能。（2）数据采集系统。在跨组织的数据供应链中进行数据采集，需考虑时间和空间对数据采集产生的影响，构建基于互联网的分布式集成数据采集系统不仅能提高工作的效率，也可以有效的减少数据逐级传递过程中的人为干扰。面向服务架构是分布式系统当前应用最广泛的核心集成技术之一[11]，它可以对数据供应者的业务系统进行有效的集成，实现数据采集过程的自动化。（3）数据处理系统。数据处理采用集中处理方式来完成，各级数据生产者和管理者经过授权可通过数据处理系统对采集的数据进行处理，生成相关的统计数据，以供本级数据消费者使用。数据处理包括抽取、转换、装载等过程。（4）数据分析系统。数据分析可结合统计方法、数据挖掘技术、联机分析处理技术（OLAP）对数据库或数据仓库中的数据进行分析，分析结果可通过信息系统进行，并对分析结果进行评价与反馈。（5）信息系统。统计数据或分析结果可通过网站向社会公众或相关用户，并通过网站收集用户的反馈信息。（6）评价与反馈系统。通过构建科学的数据质量评价指标体系与反馈系统，利用现代信息技术手段对统计数据质量进行评价，并将评价结果及时反馈到数据质量控制框架及数据生成的各个部门（或环节），以便于及时进行修正、完善。
PLC以其可靠性高、逻辑控制功能强、体积小、适应性强和与计算机接口方便等优势在工业测控领域广泛运用,已大量替代由中间继电器和时间继电器等组成的传统电器控制系统。近年来,PLC技术发展迅猛,新产品层出不穷。高端PLC不仅擅长开关量检测和逻辑控制,而且能够处理模拟信号、进行位置控制和回路控制,还可以连接各种触摸屏人机界面并具有强大的网络功能。高端PLC配备适当的位置控制单元和触摸屏人机界面,并根据计算机集成制造系统(CIMS)或柔性制造系统(FMS)的具体要求,配置相应的网络模块或网络单元,即可实现网络互连,构成开放的数控系统。本文介绍一种基于OMRON高端PLC的磨削数控系统,这种数控系统装备的位置控制单元可以实现两轴联动,并可根据实际需要,任意扩展控制轴数;触摸屏人机界面可以根据操作需要灵活设计;还可通过DeviceNet、ControllerLink和TCP/IP协议单元进行多层次的网络互连。这种数控系统目前已在3MZ2120磨床数控技术改造中获得成功应用。
1.数控系统的开放特征与典型模式
开放式数控系统一般基于PC平台,具有模块化、标准化、平台无关性、可二次开发和适应联网工作等特征。基于PC平台的开放式数控系统目前有3种典型模式。第一种为衍生型(专用NC+PC),在传统CNC中插入专门开发的接口板,使传统的专用CNC带有PC的特点。此种模式是由于数控系统制造商不能在短期内放弃传统的专用CNC技术而产生的折中方案,尚未实现NC内核的开放,只具有初级开放性;第二种为嵌入型(PC+NC控制卡),将基于DSP的高速运动控制卡(NC控制卡)插在PC的标准扩展槽中,由PC机执行各种非实时任务,NC控制卡处理实时任务。是目前基于PC平台的开放式数控系统的主流;第三种为全软件数控系统,PC机不仅能够完成管理等非实时任务,也可以在实时操作系统的支持下,执行实时插补、伺服控制、机床电器控制等实时性任务。这种模式的数控系统实现了NC内核的开放和用户操作界面的开放,可以直接或通过网络运行各种应用软件,是真正意义上的开放式数控系统。与PC平台开放式数控系统相比,基于高端PLC的数控系统的开放性主要体现在网络层面和系统扩充层面。高端PLC采用类似于PC的总线结构和面向操作的梯形图语言编程,模拟量处理单元、位置控制单元、回路控制单元、网络模块或网络单元等高端部件都有专用控制语句,具有系统构建灵活、扩充能力强、应用软件设计便捷等优点。编程语言标准化和部件可互换性的不断增强,现场总线技术和工业以太网络标准的普遍采用,都使基于高端PLC的数控系统变得更加开放,将成为面向CIMS或FMS的设备层的重要组成部分。
2.基于高端PLC的磨削数控系统
2.1开关信号监测与逻辑控制
当前系统输入输出单元是PLC的基本组成部分,在磨削数控系统中承担所有开关信号的监测和全部逻辑控制功能。监测信号主要有:机械手进出、机械手上下、料盘正反转、修整器起落等动作的位置信号,磨削设备和辅助装置上的各种工作状态信号和异常报警信号。系统输出单元控制磨削设备上所有电磁阀和机床电器系统等,通过磨削设备上的液压系统,控制机械手、料盘、工件卡盘、砂轮轴、床身、修整器等基本部件和冷却、、过滤等辅助装置按照磨床动作和磨削工艺要求工作,实现磨削加工过程的自动化。
2.2工件与砂轮运转速度控制
保持工件与砂轮转动速度恒定,对提高磨削加工质量十分有利。为此系统配备了2台带RS-485串口变频器,分别驱动工件轴和砂轮轴。PLC采用联机随动控制保证两者之间速度的配合与稳定。操作人员依据磨削加工要求设定工件轴变频器速度参数,PLC接收该参数后,参照砂轮直径(设定或记忆值)和转动速度比例关系,计算并自动设定砂轮轴变频器的速度参数。在磨削加工过程中,PLC对砂轮在磨削及修整过程中的损耗给予速度自动补偿。PLC最多可以控制32台变频器,不同厂家的变频器可采用协议宏通信联接。PLC按照变频器地址(0-31)、指令代码和相关数据顺序向变频器传送命令,对变频器运行、停止、正转、反转等实施控制;PLC还可以监视变频器运行状态,当变频器发生过电流、过电压、变频器过载、硬件异常、电机过载、过力矩检测、电源异常、通信超时等情况,可将异常参数传输给PLC,由PLC作出相应处理。
2.3位置控制单元(PCU)与位置控
制高端PLC配备单轴位置控制单元,与步进电机或交流伺服电机驱动器配套使用,可以完成开环或半闭环位置控制及速度控制,配备两轴联动位置控制单元可以进行实时插补控制,实现直线和圆弧曲面等加工控制。目前全球各主要PLC制造商都已推出与高端PLC配套的PCU,具备高速和高精度的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU自带PCU的位置脉冲速度为1kBPS,高级PCU的速度可达到500kBPS,松下PP2或PP4系列的位置控制速度高达1MBPS。采用高端PLC设计数控系统,需根据控制精度、运行速度和运行轨迹要求选择适合的位置控制单元(PCU)。磨削数控系统控制精度要求较高(F1μm),一般选择数字交流伺服系统。OMRON高端PLC专用高级指令控制脉冲输出,可选择梯形、S形或三角形速度曲线运行,实现定程、点动、返回原点和原点搜索等运动控制。程序设计可选择相对坐标系或绝对坐标系,按照图2所示的梯形图编程运行,可实现各种磨削加工所应遵循的运行曲线。图3表示该数控系统准确实现铁路轴承内套挡边粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床快进、快退几个阶段的速度控制和位置控制的运动轨迹。
2.4触摸屏人机界面设计
基于高端PLC的磨削数控系统可选用触摸屏人机界面(ProgrammableTer2minal,PT),采用组态工具软件和图形库(开关、灯、棒图等)以及动画功能等,按照磨削工艺流程要求进行系统操作界面设计。下面以3MZ2120磨削数控系统操作界面为例介绍设计过程和效果。根据磨削数控操作和显示的需要,该系统主界面下设8个子画面(图4)。系统上电自动进入主界面,核对操作密码后弹出主菜单,在主界面上点击操作可转移相应的子界面。加工参数和修整参数设置界面提供设置数控磨削相关参数提示;手动操作和手动修整界面用于快前、快退、慢前、慢退、返回等手动位置控制和手动修整砂作,为设备调试提供便利;自动报警界面利用触摸屏人机界面本身具有的报警功能设计,对油雾、液压系统、机床电器系统、料槽状态、冷却系统和伺服电机等实施监测和自动报警,当发生故障时触摸屏立刻弹出报警信息(报警时间、故障代码及应对措施等);自动运行界面(图5)采用棒图显示当前磨削余量值;采用动画方式实时显示加工状态和加工位置等。还设有“紧急停车”等应急按钮。PT有RS232/422/485通讯口,能够兼容众多厂家的PLC。人机界面应用程序可脱机编制和调试,然后下载到PT上运行,PLC一般通过RS232接口与PT相连。许多PT还配备并行接口,可直接与打印机连接,实时打印数据或进行屏幕拷贝。
2.5网络结构与联网功能灵活的网络结构和强大的联网功能是高端PLC的重要特征。OMRON高端PLC配有标准RS232接口连接触摸屏人机界面、上位机或编程工作站。还可扩展DeviceNet通信单元,使各种符合DeviceNet通信协议的产品都可以连入系统中,以构成基于DeviceNet开放式现场总线的数控系统;系统与车间管理层计算机及车间其它高端PLC的连接可以采用ControllerLink方式,在PLC中扩展ControllerLink通信单元,车间管理层计算机装备ControllerLink支持卡即可实现互连,由底层DeviceNet设备、基于高端PLC的数控系统或其它测控设备和车间管理层计算机构成3层递阶结构的网络测控系统。高端PLC一般都可配置符合TCP/IP协议标准的以太网单元,全面支持远程监控等应用。
[关键词]数控系统伺服电机直接驱动
近年来，伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。
一、数控机床伺服系统
（一）开环伺服系统。开环伺服系统不设检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件，机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。
（二）全闭环伺服系统。闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高精度和大型数控机床上。
（三）半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同，同样采用伺服电动机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。
二、伺服电机控制性能优越
（一）低频特性好。步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象，运转非常平稳，交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。
（二）控制精度高。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机，对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
（三）过载能力强。步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍，可用于克服启动瞬间的惯性力矩。
（四）速度响应快。步进电机从静止加速到额定转速需要200～400毫秒。交流伺服系统的速度响应较快，例如松下MSMA400W交流伺服电机，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。
（五）矩频特性佳。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时转矩会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩。三、伺服电机控制展望
（一）伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化。80年代以来，数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字化交流伺服系统的发展，数控系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后，大大地提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。
另外，先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器，其传感器具有小于1μs的响应时间。伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。为保证高速时电动机旋转更加平滑，改进了电动机的磁路设计，并配合高速数字伺服软件，可保证电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。
（二）交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟。数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高，实现高速化的成本相对较低，所以目前应用广泛。使用滚，珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。但滚珠丝杠是机械传动，机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应会造成运动滞后和非线性误差，所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。90年代以来，高速高精的大型加工机床中，应用直线电机直接驱动进给驱动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运动惯量更小、动态响应性能更佳，运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线电机直接驱动，不需中间机械传动，减小了机械磨损与传动误差，减少了维护工作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大达10g，刚度提高7倍，最高响应频率达100Hz，还有较大的发展余地。当前，在高速高精加工机床领域中，两种驱动方式还会并存相当长一段时间，但从发展趋势来看，直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。
参考文献：
[1]《交流伺服电机控制技术的研究》，中国测试技术，郑列勤，2006.5.
远程监控系统由目标机端和监控主机端构成，通过前面所说的不同通信接口进行连接．目标机端运行远程监控，负责接收来自监控主机的命令，进行解析，根据命令执行相应的动作．监控主机端运行控制台程序，通过监控界面发出相应的命令，同时接收目标机的状态信息．远程监控系统的物理实现示意图如图1所示.为了实现对多种通信总线的支持，本文分析了传统远程监控系统的体系结构，对其进行了扩展．通过在应用层和总线驱动层之间增加通信管理层，将具体应用和通信总线隔离开来，应用不必再关心所使用的通信总线类型，使用何种总线建立通信，对于应用程序来说是完全透明的［6－7］．通信管理层实现的是一种命令／应答式通信协议，监控主机和目标机之间采用这种命令／应答式通信协议进行通信，通信过程总是先由监控主机向目标机发送一个命令协议包，目标机根据协议进行命令包的解析，执行相应读写功能后，再通过发送状态协议包向监控主机回送通信状态和数据．对于通信端口来说，该协议可以自动解析使用哪种端口进行通信，同时可以屏蔽不同通信端口之间的差异性，从而在监控主机与目标机之间建立与具体通信总线无关的数据通信策略．目前已实现了RS232串口、1553B接口以及CAN总线接口的通信功能，通过对底层总线驱动模块的扩展，可以非常方便地实现对SPI、SPACEWIRE等其它总线的支持．图2中给出了本文研究的远程监控系统的体系结构模型．通信管理层根据协议执行通信命令分析与组织、数据缓冲管理、通信重试、总线访问控制等操作，实现底层总线驱动模块与顶层具体应用的隔离，使得远程监控系统从功能与通信接口两个方面都很容易进行扩展，并且互不影响．它相当于一个格式变换的缓冲区，对底层的通信端口进行管理，在扩展不同的总线协议时，只要遵从缓冲区的数据交互规范，数据直接存放到缓冲区即可，从而可以满足不同的总线通信要求，实际的缓冲区对于用户来说是透明的．为了完成不同的命令功能，在实现时设置了四个缓冲区，分别为命令执行缓冲区、命令接收缓冲区、数据执行缓冲区、数据接收缓冲区．底层的各种通信总线可以直接发送数据到通信管理层，通信管理层通过对数据重新组织成新的数据格式，直接提供给上层的模块使用，因此通信管理层起到承上启下的作用．本文着重针对嵌入式系统开发调试和升级换代过程中对远程程序加载、目标机数据回传等方面的应用需求，设计远程监控系统应用层功能，实现了程序或数据的上传加载和下载回传，并能控制目标机程序的启动运行，未来可以根据需要很方便的扩展功能．该系统包含了三部分内容：监控主机运行的控制台软件（V8＿Loader）、目标机上运行的软件（V8＿Agent）及命令／应答式通信协议（CP）．V8＿Loader通过控制界面提供给用户通信接口选择、数据／程序文件发送与接收、程序运行控制等功能，按照通信协议与软件通信，实现程序／数据的上下传；V8＿Agent运行在以SPARCV8处理器为CPU的目标机上，接收控制台命令，根据协议完成命令的解析、执行，实现程序／数据在存储器指定区域的加载或回传；命令／应答式通信协议规定了控制台软件和之间的通信格式及命令功能与格式［8］．
2命令／应答式通信协议
2．1协议框架
V8＿Loader（监控主机，PC）与V8＿Agent（目标机）之间采用命令／应答式通信协议进行命令、数据、状态等信息的传送．通信过程总是由监控主机首先向目标机发送一个命令包，目标机在收到命令包后，执行相应读写操作，再根据通信协议向监控主机回送相应的状态应答包．因为远程监控系统对于不同命令的反应实效性是不一样的，为了便于管理，将协议命令分为三种类型，包括立即命令、缓冲命令和数据命令．立即命令信息量短，用于需要马上执行的命令；缓冲命令用于对可延时命令进行延时管理，主要是对数据包进行管理；数据命令主要是用来对大量数据信息进行数据包装．三种命令的具体定义如下：（1）立即命令：目标机接收到立即命令后进行校验，如果正确则立即执行，完成相应控制和状态查询等功能，并回送状态应答包．若校验不正确，则不进行处理和响应．（2）缓冲命令：目标机接收到缓冲命令后，首先存储在缓冲区中，并不立即执行，当监控主机发送执行命令后才执行缓冲区中的命令；执行完成后，也不立即向监控主机回送状态应答包，而是将执行结果存储在缓冲区中，当接收到监控主机发来的查询命令时，才将缓冲区中的状态应答信息作为查询命令的应答包回送给监控主机．（3）数据命令：目标机接收到数据命令后，将数据放在缓冲区中，同时进行校验，根据校验结果设置数据缓冲区的状态，数据包接收后不回送状态应答包给监控主机．
2．2协议包格式
协议包从传输方向上分为两类：上行协议包，由监控主机发送，目标机接收；下行协议包，由目标机发送，监控主机接收．其中上行协议包又包括立即命令包、缓冲命令包和数据命令包三种类型；下行协议包又包括状态应答包和数据应答包两种类型．各种协议包的格式如下：（1）立即命令包：监控主机发送的立即命令，包括前导字符、命令长度、命令内容和校验字节等部分．立即命令的类型包括很多种，具体使用中可以根据需要添加和扩展．（2）缓冲命令包：监控主机发送的缓冲命令，也是实际的功能命令，包括前导字符、命令长度、命令内容和校验字节等部分．缓冲命令包从功能上分为擦除命令、上传命令、下载命令、转移命令等，根据需要可以添加不同的功能命令．（3）数据命令包：监控主机发送的数据命令，用来向目标机的接收数据缓冲区注入一个数据块，包括前导字符、数据块长度、数据块内容和校验字节等部分．（4）状态应答包：目标机发送的状态应答信息，对来自监控主机的立即命令进行响应，包括长度、状态数据和校验字节等部分，长度表示状态数据的字节数，状态数据根据立即命令的不同而不同，从而给宿主机发送不同的状态响应．（5）数据应答包：目标机发送的数据信息，数据应答包是功能命令的数据块，包括长度、数据块和校验字节等部分，长度表示数据块的字节数，数据块是从宿主机接收到的具体数据信息．
3软件实现方法
远程监控系统软件具体实现分为两部分，分别为目标机上运行的V8＿Agent，监控主机上运行的V8＿Loader程序．本文按照图2所示的系统体系结构模型，采用模块化的设计方法进行了实现．软件整体设计框图如图3所示［9］．下面分别从目标机和监控主机两个方面对该系统的软件实现进行说明．
3．1V8＿Agent的实现
V8＿Agent主要完成各种通信协议命令的解析、执行，在V8＿Loader的控制下，将数据传送到目标机的指定区域，或将目标机指定区域的数据传给V8＿Loader．图4给出了目标机解析命令的运行过程，主要分为以下几个步骤执行：（1）初始化所有通信端口和缓冲区，转步骤（2），进入通信端口选择过程；（2）采用自动识别方法对通信端口进行识别，按照预先设定的通道顺序查询各端口，首先查到数据的端口将被选择为临时端口；如果从临时端口接收到一个正确的命令，则认为收到该命令的通信通道就是当前选择的通信通道，将当前通道选择标志送给通信通道选择标志，完成通信通道的选择；（3）识别到可用通信端口后，执行命令解析过程；由所接收信息包的第一个字符确定监控主机送来的包类型；如果是缓冲命令包则执行步骤（4），数据命令包执行步骤（5），立即命令包执行步骤（6），其他转步骤（7）；（4）接收到缓冲命令包后，将接收到的数据暂存到命令接收缓冲区，当监控主机确认目标机正确接收了缓冲命令后，再将其切换到命令执行缓冲区，并设置命令执行缓冲区状态为命令就绪状态后转步骤（7）；（5）接收到数据命令包后，将接收到的数据暂存到数据接收缓冲区，当监控主机确认目标机正确接收了该包数据后，设置数据接收缓冲区状态为数据就绪状态后转步骤（7）；（6）接收到立即命令包后，根据命令包类型执行不同的功能命令，同时给监控主机回送一个应答包，并转步骤（7）；如果接收的是执行缓冲区中命令的命令，则执行命令缓冲区中存储的缓冲命令，执行完毕后转步骤（7）；（7）结束本次通信命令解析过程，转步骤（2）
3．2V8＿Loader的实现
V8＿Loader软件在监控主机上运行，采用Vis－ualC＋＋6．0进行开发．V8＿Loader完成通信接口选择、文件管理、数据打包等功能，并按照通信协议与V8＿Agent进行通信，完成数据上下传．考虑到未来扩展应用功能方面的需求，远程监控系统在实现时不仅需要提供如前面应用说明中的完整功能，还需要为未来的嵌入式应用提供其它方面的支持．因此V8＿Loader在实现时，采用了如图5所示的多层次结构进一步细化了软件的层次结构，增强软件的可扩展性，提高软件的广泛适应性．界面管理层直接向用户提供文件上传、数据下载等用户界面管理，完成对文件的管理操作．文件上传是要将指定数据文件或程序文件的内容上传到目标机指定区域，而数据下载则是从目标机指定区域下载的指定长度二进制数据保存到主机的文件中．此外界面管理层还向用户提供了转移执行、FLASH擦除等功能．线程处理层完成基于文件和控制界面的监控功能处理．它将上传文件、下载数据区分成若干个包，通过调用功能处理层的上、下传支持函数来完成文件数据的上传和数据下载功能．线程处理层同时完成对界面上的进度条的实时处理与更新，完成与用户之间的信息交换，完成文件数据的读取与存储功能．功能处理层是真正的上传、下载、转移等功能的处理模块，按照协议规定通过通信管理层与V8＿A－gent之间进行协议命令及上下传数据的交互，完成规定大小数据的上传与下载．通信管理层提供各种通信功能到不同总线接口的映射．在总线驱动程序的基础上，完成通信字符到协议包的简单转换工作．总线驱动层可以根据实际的通信端口添加相应的驱动程序，可以很方便的扩展其他通信总线，从而完成对通信端口的底层管理．
4结束语
在数控系统中，有时采用多台电机联动虚拟为一个坐标轴，来驱动机床坐标的运动。最常用的多电机驱动为同步(Synchronous)运动的形式，比如，要求两台以相同的速度和位移运动的电机带动齿轮与齿条啮合作为一个坐标轴运动。这样的坐标轴被称为“同步轴”，如图1。同步技术被广泛应用在数控技术中，比如大跨距龙门机床的龙门直线移动、大型三坐标测量机的双柱直线移动，为保持运动的均匀，都需要两个电机同步驱动。曲轴车床、曲轴磨床的双头工件夹持架，为保持加工时不扭搓工件，在作旋转运动时也必需同步。
图1同步轴
除此之外，为保证正确地加工出螺距相同的螺纹，车床在车螺纹时的主轴和进给轴必需同步。滚齿机的工作台的分齿运动与滚刀的运动在滚齿时也必需同步、刚性攻丝的Z轴进给与主轴同步等，但这种同步是指多个电机的运动速度、位移之间成一定的关系，而不是相等的关系，对这种同步运动，本文不予讨论。
实现同步一般有两种方法。一是机械同步：同步系统由机械装置组成。这种同步方法容易实现，但机械传动链复杂，传动件加工精度要求高，所需的零件多，难以更换传动比，且占用的空间大。二是电伺服同步：同步系统由控制器、电子调节器、功率放大器、伺服电机和机械传动箱等组成。所需机械传动链简单、调试方便、精度高、容易改变电子齿轮比。FANUC数控系统的电伺服同步功能对不同生产机械的要求可提供不同的配置，实现其同步要求。
在某些情况下，一个伺服电机驱动机械坐标轴转矩不够用，但改用一个更大的伺服电机又嫌体积或惯量过大，於是以两个伺服电机取代一个伺服电机驱动机床的坐标轴，这种坐标轴被称为串联轴，如图2所示。这样由於两个伺服电机以一个恒定的转矩相互作用，或者通过预加负荷，在机床内部减少间隙。这就是所谓串联控制(TandemControl)，是另一种多电机控制。
图2串联轴
同步控制的概念
在电伺服同步系统中，“同步”的概念是指系统中具有两个或两个以上由电子控制的伺服放大器和伺服电机组成的“控制对象”，其中一个为“主(Master)控制对象”，另外一个或多个为“从(Slave)控制对象”，控制量为机械的位移或速度(对旋转运动为转角或转速)。通过控制器使“从控制对象”和“主控制对象”的输出控制量保持一定的严格比例关系，这种运动系统称为同步系统。一般同步系统的输出控制量为位置和速度。前面所提到的“同步轴”，“主控制对象”与“从控制对象”的输出控制量相等。
为了简化讨论，同步系统中的控制装置可被简化为具有一个积分环节的位置系统，其框图如图3A所示。其中KV为简化後控制装置的位置控制器的开环增益，XC、XO为位置输入、输出；FC为速度指令，Δ为位置误差。KF为速度环增益，当KF》1时，可把速度环近似为1；於是该控制装置的开环增益变为KV/S，如图3B所示。
图3简化的控制装置框图
利用图3的控制装置可以组成两种同步系统：
自同步系统(ActiveSynchronousSystem)：该控制系统具有两个相同参数的控制装置和驱动电机，分别驱动主、从轴。控制器送出指令同时给主控制装置和从控制装置，经测量同步误差反馈给从控制装置的输入，用来校正同步的误差，以保证主、从的输出保持严格的比例关系，如图4A所示。
图4两种同步系统
A)自同步系统B)他同步系统
其中XAMO为自同步系统主控制装置的输出，XASO为自同步系统从控制装置的输出，由於从控制装置是数字控制的伺服系统，其输出跟随输入变化；也即从控制装置的输出可以自动跟随主控制装置的输出变化，故称它具有自同步能力。用C表示自同步能力：C＝¶ASO/¶XAMO(1)
他同步系统(PassiveSynchronousSystem)：在同步系统中，由控制器发出指令提供给主控制装置，同时也提供给从控制装置，用同样的指令控制主从装置使这两种控制装置的输出同步，如图4B所示。其中XPMO为他同步系统的主控制装置的输出，XPSO为他同步系统从控制装置的输出。这种同步系统如果由於某种原因，比如负载发生变化，主控制装置输出XPMO发生变化，从控制装置的输出不受控制，所以不能跟随其变化，即
C＝¶XPSO/¶XPMO＝0(2)
因此该系统缺乏自同步能力，被称为他同步系统。
自同步系统主要采用在要求主、从两轴有自同步能力的机械中，并要求从控制装置严格跟随主控制装置运动。
他同步系统主要应用在要求主、从控制装置的输出的位置和速度基本相同并且具有较小的误差的机械。比如大型龙门式双轴同步的驱动系统。除了上面提出的自、他同步系统外，还可以由这两种系统混合组成的混合系统。
FANUC数控系统具有两类不同的同步功能：
简易同步控制(SimpleSynchronousControl)：控制器发出坐标轴移动信号送给主、从控制装置和两伺服放大器，以控制伺服电机运动。系统不进行同步误差补偿，一般情况下不对同步误差发出警报信号。把主、从伺服电机看做一个坐标轴的运动。但在手动回零时，主、从伺服电机一起运动一直到减速开始动作，然後分别检测栅格，分别进行螺距补偿和间隙补偿。这种简易同步控制见图4B，是他同步控制系统，由於系统不进行同步误差补偿，根据式(2)可知，系统缺乏自同步能力，说明这种控制比较适合於主动轴与从动轴负载条件不太相同，或者主、从两轴对同步误差没有特别要求，而又要求同步运动工作的情况。简易同步控制简单，容易实现；用软件也很方便实现，在数控系统中得到了广泛的应用。
同步控制(SynchronousControl)：控制器发出主动轴移动的信号同时送给从动轴，於是，主、从具有相同的路径。同时移动过程中不断检测同步误差，并向从动侧输出补偿指令。如图4A所说明，这种控制是一种自同步控制系统，由於系统不断向从动侧输出补偿指令，设主、从控制器的增益为k1、k2，且k1＝k2；那么根据式(1)可以推出，C＝¶XSAO/¶XAMO＝1，因此系统具有较好的同步能力。比较适合主动轴与从动轴间的转矩干涉较少的机械，但主动轴与从动轴间刚性较低。
对於长行程的同步轴，由於测量尺的绝对精度(误差)和热膨胀可能发生扭搓，在这样的情况下，同步轴的主、辅电机互相拉，由此如果电机流过大电流，电机可能过热，这主要是测量的位置误差所致。螺距补偿可以补偿测量尺的误差，但不能补偿因温度变化而产生的热膨胀误差。在此情况下，FANUC数控系统采用同步轴的自动补偿法进行补偿，该功能检测主、从轴的转矩差值并把这差值用来校正从动轴的位置以减少转矩误差。如图5所示。
图5同步轴自动补偿
串联控制的概念
串联控制的概念与电机的串联工作相似，以直流伺服电机为例，假定图6为两个相同参数的伺服电机串联在一起，电源电压为U，如果两个伺服电机所承受的负载一样，那麽，两个电机的反电势相等。如果M1电机承受较大的负载，电机的电流就会加大，流过电机M2的电流增大，M2的输出转矩也会加大，电机也加速。如果M1电机承受较大的负载而使电机速度有降低的趋势，那麽，由於M1速度降低，M2将施加较大的电压，因而也使M2反电势加大，其速度有增大的趋势，抵消M1的速度降落，使两个电机转矩相等，速度相等达到平衡。这类串联控制在机床驱动领域很早就得到了应用，如龙门刨床的刨台运动。对於大型机械的控制，在一个伺服电机的转矩不足以移动工作台时，往往采用两个电机。FANUC数控系统串联控制的两个电机，分别称为主(Main)电机和辅(Sub)电机；以区别於同步控制中的主(Master)电机和从(Slave)电机。以上利用两个电机说明了对串联控制的原理。
图6串联工作的电机
实际FANUC数控系统串联控制功能工作原理见图7。它是由数字伺服控制来实现。对於大型工作台的负荷，如果一个电机的转矩带不动，或者一个电机的惯量太大，那麽可以用两个电机代替，由软件控制给主和辅电机相同的转矩指令。於是可以把它当作一个“串联轴”进行处理，这就构成了串联控制。一般速度反馈从主电机反馈，如果机械具有较大的间隙，并且辅电机的移动在间隙之内，速度控制就进行不了，且机械会发生大的冲击。为了防止这种现象发生，把主、辅电机速度的平均值作为速度反馈值比较合理。
应该注意，同步控制是以同样的位置指令同时送给主轴和从轴；而串联控制是以同样的转矩指令同时送给主轴和辅轴。
图7串联控制原理
预加负荷与间隙的消除
一般来说，具有大齿轮降速比的机械，总存在机械间隙量。为了减少主、辅轴间的间隙，经常采用预加负荷的方法减少间隙。FANUC数控系统在串联控制时，可以加一个固定的预负荷到主、辅电机的转矩指令上。那麽相反方向的转矩可以一直维持主、辅电机的张力。在串联控制时，预加负荷可以很容易去除齿轮、齿条这样的机构主轴与辅轴间的间隙。不过这种预负荷并不能降低滚珠丝杆和工作台间的间隙。如图8所示，当预加负荷的机械在加速、减速时，主、辅电机产生相同方向的转矩，串联控制系统工作在负荷均分的工作方式，像图8的2和3；
图8预负荷的功能
当它在常速运行的情况，系统的工作取决於摩擦力与预负荷的情况，工作在负荷均分或者反间隙的工作方式。在预负荷大於摩擦力时，工作在反间隙的状态；在摩擦力大於预负荷时，工作在负荷均分的状态；当系统的进给停止时，这时预负荷在主、辅轴间产生张力，系统工作在反间隙的工作方式。根据上面的分析，可以合理选择预负荷的特性而保证在传动过程中消除间隙。
应用
上文已说明，多电机可采用同步轴和串联轴虚拟为一个数控坐标轴；那么什么情况下采用同步轴？什麽情况采用串联轴呢？串联控制主要用在下列场合：
一个驱动电机转矩不够，可用两个较小的驱动电机代替；
目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。
二、数控技术发展趋势
（一）性能发展方向
（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。（3）工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的一种复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。（4）实时智能化。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。
（二）功能发展方向
（1）用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。（2）科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。（3）多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。
（三）体系结构的发展
（1）集成化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。（2）模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。（3）网络化。机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。（4）通用型开放式闭环控制模式。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。
三、智能化新一代PCNC数控系统
当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。
参考文献：
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[3]陈伯时、陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社，1997.
关键词：图像监控电力系统开发应用
1概述
图像监控系统在工业、邮电、银行等部门应用较多，在电力系统的应用尚处于初期和推广阶段。该系统将现场摄像机摄得的图像通过一定的通讯通道传到监视中心，即可以清晰地看到现场的实际情况。图像监控在电力系统中有以下功能和特点：
（1）适用于无人值班变电所，监视变电所的设备运行和操作状况、发热情况，解决防火、防盗问题，并逐渐与操作人员现场操作的远方监视相结合，必要时各监控中心的图像信息数据要上局计算机网络，供网络用户察看。
（2）由于变电所之间距离较远，通常几十公里，甚至上百公里，通讯是用光纤、微波或电话线等方式进行连接，图像信号传到监控中心必须经过压缩和解压缩，因此图像质量较之现场的模拟信号稍有损失，必须选择好的压缩和解压缩的方式以尽量减少图像的损失。
（3）变电所设备的图像监视以静态物体为主，
动态物体为辅（如操作、防盗等）；监视平时需登高或带电位置的设备情况，如渗油、发热、冒烟等状况；电力大楼的各管理、监视用户通过MIS网的终端进行监控。
（4）要有撤防和布防功能。当变电所有人工作时，要撤防，以免误报警。当变电所位于无人状态时，要布防。
（5）控制功能的主要对象是云台和镜头，包括云台的左右旋转、上下俯仰、镜头聚焦、光圈调整和变焦变倍功能。对于多个云台和镜头的控制，一般采用诸如89C51，8031等单片机加以选择和控制。
2电力系统图像监控的组成
无人值班变电所的图像监控主要由摄像机、云台、编码器、解码器、画面分割器、视频监视器等部分组成。另外，还需与照明系统和防火、防盗系统相结合，成为一个完整的监控系统。
2.1摄像机（包括云台）
摄像机可分为：黑白、彩色、广角、调焦、一体化等多种，适用于不同情况，技术参数也各不相同，黑白摄像机适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区，可选的分辨率通常高于彩色摄像机。彩色摄像机可以观察设备的红绿灯等情况。一般在变电所采用彩色摄像机，经费紧张或摄像机数目较多时，在电容器室、电缆层等地可采用黑白摄像机；门厅可采用广角镜头的摄像机；控制室、开关室宜采用连带镜头、自动光圈的摄像机，对准目标后能迅速自动调整，不会因支架的抖动或人工因素造成调整困难；球型一体化摄像机是将摄像机、光学镜头、全方位云台、解码驱动器以及附属的底座和防护罩，集成在一个单元中，可以嵌入天花板、吸顶安装或支架安装，适用于室外和主控室墙壁距监控屏较远的地区。室外摄像机还可内置自动温感排风和自动防霜装置，可进行64点全方位预置，随时对2～3台主变油位、中性点闸刀、电容器以及围墙外场景进行监视，总体上降低成本。
此外由于压缩方式对图像的限制，如果图像传递后清晰度最高只能做到640×480，则摄像机的只要选择480线水平清晰度即可，不必选择太高清晰度，以免增加造价。
2.2视频监视器
监视器可分多种：工业监视器、电脑屏幕、电视机、数十台监视器组成的电视墙等，可以根据实际需求进行选择。一般采用计算机作为监视器的，易于操作和控制，由于要显示多画面图像，宜采用17英寸以上的屏幕。采用电视机作为监视器，价格便宜，但图像线数较低，对图像要求较低的场合比较适用；工业监视器清晰度较好，但控制和调节参数的灵活度不如计算机，条件允许的情况下可以采用计算机和工业监视器并用的方式。
2.3画面分割器
使用画面分割器能同时显现前端多个摄像机输出的画面。它分为固定式的四画面分割器和4个以上的多画面分割器。在监控室用计算机进行监视时，易采用4画面分割设备，既使每个画面比较清晰，容易观察，又可以观看多个图像；4个以上的画面比较小，且设备的价格比较高。
2.4编解码设备及相应的图像数据压缩技术
远程的图像传输涉及到图像的压缩和解压缩，一般编码器放置在变电所的控制室内，将现场的图像数据压缩为数字信号，传送到监控中心，解码器放置在监控中心，解开压缩的数据。编码器和解码器是互相对应的。有一对一的配置方式，也有一对多的配置方式。基于主机的视频图像压缩技术有面向硬件的和面向软件的（如Intel的In－deo）两大类。面向硬件的是基于DCT变换（离散余弦变换）等，有如下三种不同的算法：
（1）视频图像压缩算法DVI（数字视频交互），压缩后图像数据率为1．5Mbps。
（2）用于综合业务数字网（ISDN）通信中的H．261算法。
（3）用于动态图像压缩的MPEG标准，目前有MPEG1，MPEG2，MPEG4三种算法。其中MPEG1的图像质量与家用电视系统相近，压缩后的数据率为1Mbps～2Mbps，亮度信号的分辨率为360×240，色度信号的分辨率为180×120，每秒30帧。MPEG2算法的原始目标是对每秒30帧的720×572分辨率的视频信号进行压缩，压缩后的数据传输速率为5Mbps～10Mbps。
目前应用较多的为H．261，MPEG1和MPEG2三种方式，由于变电所的图像是静态和动态相结合，以静态为主，因此三种方式都适合，当然，高倍率的数据压缩是以损失原始数据信息量为代价的，会影响到传输图像的质量。
3图像监控系统方案的比较
3.1监控与通讯
（1）监控方式
1）由调度或监控中心（在局大楼内）统一监视、控制，适用于变电所数量不多，分布较集中的电力局。
2）由若干监控中心分别监控变电所，再将图像上传到局大楼的方式，三级结构，适用于变电所数量较多，分布较广的地区。
3）监控中心与MIS网终端应有一定的优先级，一般来说，监控中心优先控制和操作，MIS终端只能监视和切换画面，两者不能有冲突．（2）通讯与传输方式
图像视频信号的传输途径有多种：一点多址小微波、音频电缆扩频通讯传输、光纤2M数据口传输、电话电缆传输等方式。从实际应用效果来看，光纤传输效果最好。用电话线传输图像容易产生断续现象，不利于观察防火、防盗现象，但观察静态事物，尚可应用。
图像监控系统的分布与通讯通道的布置有关，有以下几种方式：变电所与监控中心有直接的通讯连接；变电所与局大楼有直接的光纤连接，监控中心再与局大楼有通讯连接，两种情况考虑的方案应有所不同。
信息传输通常采用TCP／IP和网络组波（Multicast）的技术，最大限度利用了网络的传输性能和网络带宽，避免网络的拥塞．
3.2信息压缩形式
（1）硬件压缩、软件解压的方式
用一个软件就能解决所有的解压缩问题，且升级换代容易，降低了成本，MIS网上的计算机只要安装相应的软件并授权，就可以成为一台功能齐全的监控主机，但稳定性较硬件为差，同一监控中心的变电所之间兼容性差。
（2）硬件压缩、硬件解压的方式
稳定性好，若采用一对多解码器，成本较低，但兼容性差；若采用一对一编解码器，只要总体设计原理相同，不受产品限制，但主站的控制软件也不具备兼容性，且监控中心的解码设备数量繁多，若监控中心的通讯通过调度中心转发，则电力大楼的硬件设备也很多，且需要两套编解码设备，上网需要两次压缩解压缩。
3.3控制界面操作
主站软件在控制云台方面的操作有两种方式：
（1）界面提供专业控制面板，用鼠标点击相应的方向进行控制。
（2）直接在图形界面上引导云台的转动方向，鼠标指针向哪个方向滑动云台就朝相应方向转动。
后种方式对于监控人员来说，非常方便，易于操作。
可以在电子地图上直接用鼠标双击获得远程终端的图像和对应摄像机切换和控制权。地图可完全模拟相应变电所环境，方便操作人员寻找摄像机和快速切换。
3.4发热报警装置
变电所设备发热也是比较常见的问题，时间一长，容易造成事故。可以采用两种方法监视无人值班变电所的发热状况：
（1）用红外摄像机进行监视报警，成本较高。
（2）用金属片发热变色，摄像机自动巡回检测后自动报警，比常规的红外测温仪要方便很多。金属片一般装设在开关或变压器的端头位置。
3.5无线摄像机和无线对讲设备
采用无线摄像机和无线对讲设备，当变电所有人巡视或操作时，随身携带以便于远方监视，防止走错间隔或误操作。为今后变电所单人操作监视的运行方式做好技术准备。
无线摄像机体积小，且通常镜头和发射天线均包含在其中，发射功率小，传送距离较近，大多在100m之内能接收。因此无线接收接口必须配置在适当的位置（一般在主控室），以保证信号的畅通。
无线摄像机可以做成帽式或手提式。由实践得知，帽式在头上运行人员走动时经常发生抖动，难以迅速聚焦，而手提式结构可视角度大，轻巧便利，比较切合单人操作摄像。
3.6其他设备
（1）升降车。室外一体化摄像机由于架设位置比较高，天长日久玻璃面罩积灰，摄像质量严重下降，定期安排清扫又受到安全距离影响，因此可设计为升降机结构，只在第一次安装调试时需要停电，以后的维护极为方便。
（2）滑轨。开关室的结构一般成行排列，只设一个或少量的摄像头无法看清每个开关柜的状况，无法对运行提供依据。设多个摄像机既增加成本，也存在死角。因此设计和开发步进马达式的电动滑轨装置，操作人员在远方就能控制摄像机前后左右移动，灵活方便，又降低造价。
（3）组合电缆。电力系统对电缆有特殊要求：阻燃、防火、防小动物，目前市场上还无铠装的视频电缆，因此可以设计将控制电缆、视频电缆、电源电缆三合一，制成铠装阻燃电缆，既对高压电磁场起到良好的屏蔽作用，又方便安装和施工。
4其他辅助系统的接入
4.1防火、防盗装置
在没有考虑变电所图像监控时，防火、防盗装置也是作为无人值班变电所的必要条件提出的，它结合综合自动化输出两个综合信号，存在的缺陷是经常出现误报，由于综合信号无法得知什么区域发生火警和盗警，工作人员赶到现场，可能为时已晚。
如果能将防火、防盗结合图像监控系统，就可以解决上述问题。采用警情联动功能，当发生报警时，立即启动摄像机，可以得知是哪个区域发生报警，是否误报，重要情况还可启动自动录像装置，为事故分析提供条件。
目前绝大多数厂家生产的火灾、防盗报警控制器不具备报警规约的输出功能，或只有一个开关量接点输入，因此防火、防盗设备与图像监控的结合需要合作开发，且火灾报警控制器要经中国消防产品质量认证，控制器可采用RS232标准接口与上位机通讯。
与防火、防盗设备相连，探测报警信号源有以下几种：烟感探测器、热感红外线控测器、微波物体移动感知器、开关、玻璃破碎感知器等等。一般无人值班变电所大多采用前三种探测器。若经济条件较好，可采用多种探测器相结合的方式。为减少单一探测原理装置易产生的误报，可以将红外、微波、超身等探测方法组合成双鉴式，即基于两种原理的复合式报警器。
4.2变电所照明系统
图像监控装置启动变电所照明有两种方案：
（1）摄像机上安装射灯，可以随着摄像机的转动而转动，远方控制，灵活性高，但亮度范围有所限制。
（2）启动变电所的照明电源，当有警情或远方控制时，可以开启变电所相应位置的灯光，亮度范围广、效果好。
4.3长延时录像机
监控中心在采用计算机监控时，可用计算机硬盘录像，必要时采用双硬盘备份，但硬盘录像时往往计算机运行速度就很慢，不能同时调用图像或控制。但很多情况下可以在监控中心外接长延时录像机进行录像。24h的长延时录像机比较理想，每日只需更换一盘录像带。讯协议对于子站的技术、通讯接入以及MIS的联网都大有影响，因此一旦主站方案选定后，再采用另一家厂家的产品，很难兼容和接入，对系统的图像质量也很有影响。如果有多个监控中心，虽然不同主站各自可以采用不同的系统，但是如果要联入MIS网，又将会互相冲突。因此在考虑安装图像监控系统时，一定要有一个总体的方案。一般变电所内需要监视的位置有：
（1）主变：油位，中性点接地闸刀，端头的发热情况。
（2）开关室：监视开关室的人员出入及开关操作的正确性，及面板上的微机保护或自动化装置的面板。
（3）门厅：监视进出的人员。
（4）电容器室：防盗、防火监视。
（5）主控室：监视设备、直流系统、自动化装置等设备的读数，计算机等设备的防盗，运行人员的现场情况等。
（6）电缆层：防火。
集各有关单位的人员进行讨论，特别是运行人员对摄像头的布置，通讯人员对通讯的接入和设备调试，计算机人员对于MIS网的接入和设置，保卫人员结合防火、防盗等都要有一个综合的考虑，新建的变电所应在投产之前进行布线和设备安装等需要停电的工作，改造的变电所要结合检修一起施工。在施工中应注意：
（1）图像监控系统的施工安全问题相当重要，既要考虑安装时的安全间距，又要考虑维护的方便性。
工作的开展都离不开对数控机床的控制原理的应用，数控机床是一种高度自由化的机床，相对于普通的机床其加工表面形式及方法是协调的。最根本的不同就是在自动化控制原理及方法的应用上。数控机床需要进行数字化信息的控制应用，这涉及到与加工零件相关的信息。也就是工件及刀具的相对运动轨迹的尺寸参数的应用。这些工作的开展，都离不开切削加工工艺参数的应用，其主要涉及到主运动及进给运动速度的协调，通过各种辅的操作，保证各种加工信息的协调，实现了规定文字、数字、符合等代码的应用，按照一定的格式需要进行程序的编写，这就需要进行加工程序的应用，进行控制介质的输入，保证数控装置的良好应用。这些工作的开展，都要进行数控装置的分析及处理，进行相关加工程序信号及指令，从而实现数控机床的加工。这就需要遵循相关的数控机床控制原理，进行数控机床的系统的协调，保证其功能的实现。
2数控机床组成及其优化设计方案
为了提升工程的效益，进行数控机床体系的健全是必要的，这需要针对数控机床应用过程中的各种问题进行分析，比如进行数控机床构成、程序编制等的分析，进行程序载体等的分析，保证数控机床自动加工零件的良好应用。这离不开良好的加工零件的工艺分析，保证零件坐标的基础坐标体系的相对位置优化。通过对机床及其零件的安装位置的协调，更有利于提升刀具及零件的效益，保证其满足尺寸参数的应用需要。这就需要实现机床安装位置及零件的协调，保证刀具及零件的良好协调性，满足尺寸参数的应用需要，这离不开零件加工工艺体系的健全，实现其加工顺序的协调性，实现切削加工工艺参数的健全，保证辅助装置的良好工作。在数控机床的应用过程中，为提升工作效益，进行数控代码体系的健全是必要的，这涉及到电脉冲信号模式的应用，将其进行数控装置的有效应用，做好数控装置及强电控制装置的协调工作，这是数控机床良好工作的核心，从而进行输出位置的脉冲信号的回馈。当然，这也需要进行数控装置系统软件的应用，做好逻辑电路的编译工作。进行相关机床部分的控制，需要做好规定运算及其相关的逻辑处理，进行有关信号及其动作的协调。这离不开驱动系统及位置检测装置环节的应用，保证伺服驱动系统体系的健全，实现驱动装置的良好设置，从而满足数控机床的进给系统分析。在这个环节中，机床的机械部分也扮演着重要的地位，数控机床的应用部分是非常多的，比如主运动部件、进给运动执行部件，比较常见的应用方式是工作台、拖板及传动部件，这些都是实现支撑性工作的关键，为了提升工作效益，进行相关工作步骤的冷却是必要的，需要保证辅助装置的协调。在数控系统的优化方案中，做好硬件部分的控制是必要的。数控铣床系统需要进行铣床专用数控器的应用，满足半闭环数数控系统的工作要求，在基本结构优化过程中，进行机床本体、铣床专用数据器等的协调是必要的。在其系统硬件的应用过程中，需要做好铣床专用数控器的应用，做好信号板的控制工作，进行交流伺服驱动器如交流伺服电机的应用，从而实现无刷直流电机及无刷直流电机驱动器的应用，以满足实际工作的要求，其中也涉及到很多的工作步骤要求。
在数控系统操作过程中，做好软件设计的工作是必要的，从而落实好铣床专用数控器的应用方案，保证数控铣床的系统效益的提升，这里我们也要进行铣床专用数控器参数的设置，针对其应用程序，做好编辑输入工作，满足程序设计的诸多要求，按照其具体指令完成规定工作。在参数设置过程中，需要应用到相关的参数设置方法，保证参数修改模式的更新应用，做好参数修改效益的应用工作。需要进行分辨率情况的分析，认真的做好分析，更有利于进行机械轴向转动装置的应用，实现伺服电机回授脉波数的正常应用。这离不开工作台的良好设计，保证不同工厂的设置优化，保证伺服马达的良好安装，从而满足工作台的工作需要，实现参数的良好设定，进行工作台方向的修正。进行数控铣床的实际情况的不同轴电机旋转方向的控制，满足当下马达旋转方向的设定要求。在这个阶段中，需要实现不同轴的最高进给速度的控制，针对数控铣床的应用趋势，保证不同轴的行距的控制，进行过高速度的控制，从而有效应对其冲击情况，保证电机工作的良好开展。这些工作的协调，离不开各轴的最高进给速度的控制，满足不同轴向的进给速度控制需要。在这些工作的优化过程中，进行程序的选择是必要的，这里可以进行H4C-M铣床专用数控器的应用，在这些程序工作过程中，可以进行相关程序编辑及执行工作。在其程序选择过程中，可以进行编辑及程序选择，进入程序选择模式，通过对输入键及选取键的选择，以满足当下工作的开展。在实际操作中，进行程序的画面选择也是必要的，从而满足旧程序的应用需要，在旧程序的修改及应用中，需要针对不同情况，进行工作方式的协调，进行指令的增加或者修改，保证程序语句区的良好操作，保证其所增加指令的单节的移动。在数据输入区进行相关指令字数的添加或修改。在程序语句区，需要将光标移动到所删除指令中，在数据输入区，需要进行相关指令所需字母的输入。在程序语句区，可以进行单节的插入，将其光标进行所需单节程序的插入。在数据输入区，可以进行插入单节的第一个指令的字母或者是数字，再进行输入键的按下。从而保证单节的删除。在程序语句区，需要将光标移动到需要删除的单节处，再进行删除键的按下。在数控系统的应用过程中，进行机械部分的分析是必要的，从而进行机床本身误差及其所需要加工零件精度的分析，更好地落实好机床的误差补偿控制。在数控铣床的工作应用中，进行数控技术、电子技术等的协调是必要的，这需要满足机床设计的诸多理论，保证数控机床的加工工作，从而满足机械设计制造的工作要求。为了实际工作的要求，需要协调好机械设计及自动化应用方向。
3结束语
1.1煤矿安全监控系统组成结构和工作原理分析
（1）利用传感器信息装置将检测到的物理量转化为电信号，电信号可以依据运行情况对其进行诊断，当出现问题时会及时的对其进行预报且显示问题所在原因。
（2）电信号必须通过显示设备将其作业状况完整的显示出来，然后转化为可控的传输信号，对其实时掌握。
（3）通过预先设置好的接收方式对信号进行接收，通常情况下，采取分站接收然后复用信息将其传输在主站上加以显示。对于分站来讲，它必须将接收到的信息加以整合、分类，对简单数据进行校验，防止不准确信息被利用，这样不仅仅会造成一定损失，且会增加发生事故的概率，所以在进行传输主站前，必须对信息进行准确的掌握。
（4）电源箱是确保煤矿安全监控系统正常运行的主要交流电源，它能确保在临时停电的基础上让煤矿安全监控系统可以有效的运行，维持正常的基本用电量且供电量大于二小时的蓄电量。
（5）主站在接收信号的同时，要对其信号进行及时的处理。传输接口在确保接收信号后，要再次将主站整理好的信息传输至相应分站。从某种角度上而言，传输接收器具备了分站与总站相互传输信号及自动检验、调节等功能，所以使用过程中不容忽视。
（6）主体正常运行的前提下，要利用计算机对其进行掌控，主机的主要作用是联网、控制输出打印、控制输出、人机的对话、声光的报警、显示、磁盘的存储、统计数据、判别报警、校正、接收检测的信号等。
1.2煤矿安全监控系统的作用
第一，通风及瓦斯监控，也就是监测局部的通风机停开（特别重要）、风筒的状态、风门的状态、馈电的状态、风压、风速以及甲烷的浓度等。一旦局部的通风机掘进巷道出现停风状况或出现停止运行现象时或瓦斯出现超限时，相应的煤矿其安全监控的系统就会自动切断各自区域电源，同时闭锁与报警，这一措施可以达到以下目的：
（1）规避与降低了因电气设备违章作业或失爆、或电气设备出现故障的危险温度或电火花导致瓦斯爆炸的发生率；
（2）规避与降低了运、掘、采等设备在运行状态下因危险温度或摩擦碰撞出火花而导致的瓦斯爆炸的发生率；
（3）可以起到提醒作用，督促生产的调度员、领导及时把工作人员安置到安全位置；
（4）督促生产的调度员、领导及时处理好事故的安全隐患，提前预防瓦斯爆炸事故的发生。
第二，瓦斯抽放系统的监控。
（1）监测抽放管路里阀门开度、温度、压力、流量、甲烷的浓度以及一氧化碳浓度等各管道的参数；
（2）对瓦斯抽放泵站室里甲烷的浓度以及井下临时的抽放瓦斯泵站其下风侧的栅栏外的甲烷浓度环境参数进行监测；
（3）对抽放泵轴温、抽放泵的真空度以及电机温度等进行监测；
（4）监测冷却水池的水位、水温以及水压与水量等供水的参数；
（5）监测功率因素、电压、电流等供电的参数；
（6）对供气管道其供气阀的开度、流量、甲烷的浓度、温度、正压等供气的参数进行监测；
（7）监测密封的水温、密封的水位、罐内其甲烷的浓度、罐压和罐高等储气罐的参数；
（8）对瓦斯抽放供水、阀门、泵等状态进行监测；
（9）对瓦斯抽放纯瓦斯量和混合量进行监测；
（10）对瓦斯抽放阀门与泵进行控制。第三，煤矿安全监控系统可以有效的对火灾进行实时监控，了解火灾发生的原因及火灾过程中烟雾、二氧化碳的浓度及温差变化，这样就能有效的控制火情，降低风险的蔓延、扩大。第四，监控系统可以有效的对瓦斯做出预警报警信息，从而将瓦斯所处的地质信息进行分析，进一步提高防治风险发生的预警能力。第五，针对往期事故的发生要对其进行调研，依据事故发生原因进行经验总结，这样不仅仅能够为其提供参考依据，更能为日后同类事故的发生提供预防预警的作用，所以针对每次煤矿事故的发生都要进行系统检测。
