（动力机械及工程专业论文）大型旋转机械在线监测诊断系统的网络通信.pdf

大连理工天学硕士学位论文 摘要 机械设备故障诊断、监测技术在现代工业生产中起着非常重要的作用，开 展机械设备故障诊断技术的研究具有重要的意义。机器设备监测诊断模式随着 检测技术和手段的进步，尤其是计算机技术和网络技术的发展，已经逐渐向网 络化的方向发展。 本文讨论了网络通信技术在大型旋转机械在线监测及故障诊断系统中的应 用。本系统在w i n d o w s 界面下，运用v i s u mc + + 中的w i n s o c k 技术，采用多线 程并发t c p 服务器结构模式( 客户机服务器模式) ，实现了局域网内旋转机械 振动信号的共享，达到了分布式诊断模式( d m d s ) 的设计要求。 本系统全部采用中文界面以满足大多数用户的要求，易于操作和使用。 关键掘：状态监测：故障诊断；僻i n s o c k ；分布式结构 大连理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef a u l t d i a g n o s i s a n dm o n it o r i n gt e c h n o l o g y o fm e c h a n i c a l e q u i p m e n ta r ev e r yi m p o r t a n ti nm o d e r ni n d u s t r y ，a n di t ss i g n i f i c a t i v e t os t u d yt h ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo fm e c h a n i c a le q u i p m e n t ，a st h e d e v e l o p m e n t o f m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y a n dm e a n s ，e s p e c i a l l y t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，n e t w o r k i n gis t h et r e n d o ff a u l td i a g n o s i sa n dm o n i t o t i n gm o d eo fm e c h a n i c a le q ul p m e n t t h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi no n l l n e f i o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mo fl a r g ed n i tr o t a r y m a c h i n ei s s t u d i e di nt h i sp a p e r u n d e rt h ei n t e r f a c eo fw i n d o w s 。k l s i n gt e c h n o l o g y o fv i s u a lc + + a n dm u l t i - t h r e a dc o n c u r r e n t t c ps e r v e r ( c 1 i e n t s e r v e r a r c h i t e c t u r e ) t h em o n i t o r e ds i g n a l so fr o t a r ym a e h i r eh a v eb e e ns h a r e d i nl o c a la r e an e t w o r k ( l 洲) ，a n d t h er e q u i r e m e n to fd i s t r i b u t e d m o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m ( d m d s ) h a sb e e nr e a l i z e d t h i ss y s t e mi sp r o g r a m m e dw i t hc h i n e s ei n t e r f a c e ，t h i sc a nm e e tt h e d e m a n d so fm o s tu s e r s t h ei n t e r f a c ei sf r i e n d l ya n dp o p u l a rc o m m o n k e y w o r d s ：c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ：f a u i td i a g n o s i s ：w i n s o c k d i s t r i b u t e da r c h l t e c t u r e 大连理工大学硕士学位论文第一章概述 第一章概述 1 1 发展故障诊断技术的目的和意义 随着科学技术的不断发展，机械设备越来越复杂，自动化水平越来越高， 设备在现代工业生产中的作用和影响也越来越大，与设备有关的费用越来越高。 机器运行中发生的任何故障或失效不仅会引起严重后果，造成重大的经济损失， 甚至还可能导致灾难性的人员伤亡和恶劣的社会影响。例如，1 9 8 6 年4 月前苏 联切尔诺贝利核电站四号机组发生严重振动而造成核泄漏，致使2 0 0 0 多人死亡， 直接经济损失达3 0 亿美元。通过对机器工况进行监测，对其故障发展趋势进行 早期诊断，便可以找出故障原因，采取各种措施进行维修保养，避免设备的突 然损坏，使之安全经济地运转。可见，机械设备故障诊断、监测技术在现代工 业生产中起着非常重要的作用，开展机械设备故障诊断技术的研究具有重要的 现实意义。 设备故障诊断技术包括的内容，是指机械设备运行状态，或称工作状态， 通过各种监测手段，判别其工作是否正常；如果不正常，经过分析和判断，指 出发生了什么故障，便于管理人员维修；或者在故障未发生之前，提出可能发 生故障的预报，便于管理人员尽早采取措施，避免发生故障、或避免发生重大 故障造成停机，给工程带来重大经济损失。这就是设备故障诊断技术的任务， 也是发展故障诊断技术的目的。 发展故障诊断技术的意义主要有以下四点： 1 提高设备管理水平。 2 保证产品质量，提高设备的可靠性与维修性。 大连理工大学硕士学位论，! = 第一章概述 3 避免重大事故的发生，减少事故危害性。 4 可以获得潜在的巨大的经济效益和社会效益。 1 2 国外故障诊断技术的发展现状 早在二战期间，由于大量军事装备缺乏诊断技术和维修手段造成了大量 的非战斗性的损坏，人们开始意识到故障珍断和检测技术的重要性。自六十年 代以来，由于半导体的发展，集成电路的出现，电子技术、计算机技术的更毅 换代，特别是1 9 6 5 年f f t 方法获得了突破性的进展后出现了数字信号处理和分 析技术的新分支，为机械设备诊断和检测技术的发展奠定了重要的技术基础。 美国最早开展机械故障诊断技术的研究。英国、瑞典、挪威、丹麦、日本 等国家紧随其后。早在1 9 6 7 年4 月，在美国宇航局倡导下，由美国海军研究室 主持召开了美国机械故障诊断预防小组( m p e g ) ，开始有组织有计划的对机械诊 断技术进行专题研究，并成功的运用于航天、航空、军事行业的机械设备中： 日本在钢铁、化工、铁路等民用工业部门的诊断技术方面发展较快，并具有较 高的水平。设备诊断技术在欧洲一些国家也有很大的发展，它们在广度上虽然 不大，但都在某一方面具有特色或占领先地位。如瑞典的s p m 轴承诊断技术， 挪威的船舶诊断技术，丹麦则在机械振动监测诊断和声发射监测仪器方面具有 较高的水平。 国外状态监测、故障诊断近20 年发展迅速。根据最新资料报导：西方国 家正投入大量人力物力进行这项技术的工业化研究以及相关基础性应用技术研 究。如欧洲共同体的英、法、芬兰、希腊从1 9 9 6 年5 月起，开始了一项利用人 工智能和仿真技术提高状态监测和诊断系统的功能与精度的“v l s i o ”大型联 合项目的研究。法国从7 0 年代末开始实施一项名为“利用永久性状态监测实现 状态检修( p s a d ) ”的研究计划，现已成功地用在了法国4 个核电厂的汽轮机 大连埋工犬学碾七学位论文第一章概述 组、反应堆循环泵、压力容器上，计划配备法国全部核电厂。p s a d 系统是由主 工作站、分析工作站和远程站组成，可以实现主要部件的在线故障检测、莉角 专家系统对故障的评估、向全国性分析中心发送监测数据等功能。 美国国防部自7 0 年代开始进行以可靠性为中心的状态检修技术的研究，并 应用在军用飞机、船舶和车辆上。在8 0 年代，民用工业开始采用，在能源、电 力、机器制造和电子工业等行业取得了举世瞩目的成绩，如n a s a 、3 m 公司、德 克萨斯仪器仪表公司、k r c c s y c a m o r e 电力公司、田纳西电站、勘萨斯市政动 力和照明公司等等。 在电力工业中，整个有关状态监测和故障诊断的研究实施计划正在进行， 其中e p r i 和s t i 正在进行一个关于用“净现值”评估概率和风险进行汽轮发 电机组状态检修的优化计算方法的研究。这种方法从效益和技术角度分3 层对 故障与检修进行分析和决策。 在状态监测的具体应用技术方面，美国有数个单位从油液分析、过程参数 趋势分析、红外热成像技术、声发射技术、摩擦磨损微粒分析、振动分析、电 气冲击波分析等多个领域进行，其中振动分析是最主要的研究内容。对振动分 析，他们正在进行相关的信息处理技术研究，如恒百分比带宽分析( c p b ) 、最小 误差分解谱( m v d s ) 、小波分析等。在残余寿命预测方面，利用概率诊断和系统 危险评估方法进行最优化计算。对大型汽轮发电机组的状态监淤、故障诊断不 仅仅限于轴系部件，还扩展到通流部分、调速系统、主变等电气一次主设备。 利用网络系统进行远程监测和诊断已是容易做到的。西方国家正在研究开 发新型的、丌放性更高的平台，研究并力图推行状态监测数据通讯标准 ( m i m o s a ) ，以提高监测系统的兼容性和便利性，提高信息资源的网络利用率。 美国西屋公司开发的汽轮机人工智能诊断系统( t u r b i f i ea i d ) ，发电机人 工智能诊断系统( g e n a i d ) ，中心设在奥兰多，连接了1 0 个电厂，运行已l o 多 年，据介绍这套系统使德克萨斯7 台机组的非计划停机率从1 4 下降到0 2 ， 大连理工大学硕士学位论文第一章概述 平均可用率由9 5 2 上升到9 6 1 。 西方国家机组状态监测和故障珍断的商品化应用系统有b e n t l y 公司的数 据管理系统d m 2 0 0 0 ，趋势分析系统2 0 0 0 ；p h i l i p s 的p r 3 0 0 0 状态监测系统； s c h e n c k 的v i b r o c o m 4 0 0 0 、v i b r o c o m 5 0 0 0 计算机化的状态监测系统，c s i 的3 1 3 0 ， i r d 公司的6 6 0 0 机器保护和诊断系统，b k 的c o m p a s s 系统等等。这些硬 牛和 软件产品已经有效地应用于生产。他们利用高速信息传输，建立了州级和地区 性的振动监测分柝大型网络，实现远距离对枫组的集中实时监铡、分析、诊断； 用建立的机组运行状态数据库，北美能源可靠性咨询数据系统数据库，准确预 测设备性能或潜在故障的趋势，为电厂的运行监测和状态检修提供可靠的技术 依据。 1 ，3 国内故障诊断技术的发展现状 我国在机械故障诊断技术方面的研究和应用相对来说开展得比较晚。在 1 9 7 9 年以前，一些大专院校和科研单位结合教学和有关设备诊断技术的研究课 题，逐步开始进行机械设备状态监测与故障诊断技术的理论研究工作和小范围 工程实际应用研究。特别是某些工厂某些枫组的事故频繁发生，促进了对本技 术发展的重视。从1 9 7 9 年开始，有不少工厂企业在熟悉苏联维修体制的基础上， 开始研究美、日、德、瑞典等国的维修体制。 二十世纪八十年代国内开始着手组建故障诊断的研究机构。其发展经历了 从简单诊断到精密诊断、从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度愈来愈快。 但与国外发达国家相比，我国虽然在理论上跟踪较紧，总体而言在机械设备 渗断的可靠性等方面仍有一定的差距。当前，我国的一些民用工业，特别是流 程工业、冶金和电力等部门。在开发和应用设各诊皈技术等方面十分活跃，走 在了其它行业的前面。 大连堙工夫学硕士学位论文第一章概述 经过三十年的发展，作为新兴的综合性的边缘学科，机械故障诊断技术已 初步形成了比较完整的学科体系。就其技术手段而言，已逐步形成以振动诊断、 油样分析、温度监测和无损监测探伤为主，一些新技术或方法不断兴起和发展 的局面。计算机硬件的突飞猛进、软件技术的日新月异，极大的促进了信号分 析和处理技术的发展，从而更进一步推动了机械故障诊断技术和检测技术向科 学化和实用化的方向发展。 1 3 1 故障诊断方法的研究 当前国内机组故障诊断的方法有两类：传统的基于人工智能的专家系统和 人工神经网络，前者的标准模式由知识库、推理机和人机接口组成：后者( 简 称神经网络，n e u r a ln e t w o r k ) 是由大量简单的处理单元相互连接组成的网络， 各种网络模型中应用最多最有成效的是前微小多层神经网络，这种网络在学习 过程采用了b p 算法，故又称为b p 网络。后期发展的模糊神经网络( f u z z yn e u r a l n e t w o r k ) 是将神经网络和模糊数学相结合，既具有联想、学习、自适应性，又 能进行模糊推理。 自8 0 年代后期起，每年国家自然基金委员会都资助数项旋转机械振动故障 机理、诊断理论或方法、诊断系统的研究。在故障机理方面，资助过碰摩、裂 纹转子等研究：在理论方法方面，与机组振动有关的有：“机器启、停过程动态 信息裣测技术与故障诊断”、“基于神经网络的诊断系统集成推理机制和学习 算法的研究”、“设备状态监测与故障诊断的人工神经元网络专家系统”、“基 于模糊p e t r i 网的c n c 设备故障诊断技术”、“系统级故障诊断基础理论与算 法研究”、“基于马尔科夫模型的旋转机械故障诊断新方法的研究”等项目。 1 3 2 振动信号处理方法的现状和新方法前景 振动信号数据的处理分析技术近l o 多年发展很快，从模拟分析到利用计算 5 人连理工大学硕l 学位论文第一章概述 机分析，通过软件和硬件两条途径，分析速度和性能得到迅速提高。在绝大多 数情况下，机组振动故障信号是平稳的，因而在各种方法中，快速傅里叶变换 ( f f t ) 的频谱分析仍是当前应用最广，最有效的频域分析方法，国内神经网络和 专家系统采用的信号特征仍然以频谱为主。 相关分析多用于随机信号的处理，旋转机械振动信号大多数是确定性周期 信号，相关分析较少采用。对机组进行结构共振分析时，需要知道机组构件与 转轴转速变化之间的关系，这种传递关系用锤击法测量的频响函数来表征，据 此判断机组结构系统是否存在共振。这项判断的难点在于需要有足够大的力的 输入以激起足够大的响应。频响函数还用在轴承油膜振动特性试验测定中。 倒频谱分析的目的是寻找频谱中的周期成分，利用倒频谱可以精确地量度 功率谱中的谐振频率和边带频率，用一个量值即可以代表谐振和边带的全部功 率。这在分析滚动轴承的故障时是很有用的，对于机组振动故障诊断没有明显 的优势。 近年来，出现了一些新的信号分析与处理方法，如i j i g n e r 时频分布等方法， 其中最具代表性的是小波分析法。傅里叶变换把瞬态信号的频域信号分析给了 整个频域分析范围内的其他频率分量，因此，它不适合于非平稳信号的处理。 小波变换发展了加窗傅里叶变换的时域局部化思想，窗口宽度随频率的增高而 缩小，保持高频信号有较高的分辨率。小波变换的具体处理方法是利用一系列 不同尺度的基函数对信号进行分解，这些基函数可以根据信号不同的频率段， 通过母小波的伸缩与平移而得到。小波变换信号的分解和利用d w t 重构可有针 对性地选择有关频带信息和剔除噪声干扰，信息量即无冗余，也无渗漏。 近年来发表了一些有关小波分析法应用于发电机组故障信号分析和渗断的 报告，从所公布的结果看有一定的成效，但作为实用性的技术方法，还存在着 一定的差距，需要对多种典型故障的小波特性进行对比研究，需要确定实际机 组和实验台转子故障小波特征的异同。 6 尢连理工大学硕士学位论文第二章机械设各监测诊断模式的芨展 第二章机械设备监测诊断模式的发展 保证工业设备尤其是大型关键设备安全可靠并以最优状态运行，是设备故 障诊断领域的长期研究课题。故障诊断技术应用于设备状态监测与故障诊断系 统，其性能优劣将直接决定状态监测的实时性和精确性、诊断结果的准确性， 其中系统结构对于可靠性、实时性、可扩充性及系统运行效率等性能指标的影 响较大。由于系统构成不合理，导致系统工作效率低和可靠性差，同样原因， 绝大部分设备监测诊断系统一直未能直接介入生产控制过程，由开环向闭环发 展的道路举步维艰，这极不利于实现工业生产过程中设备状态、产品质量和生 产率的全局最优。众多因素都要求在加强设备故障机理、诊断方法及诊断决策 等基础理论研究的同时，也应进一步加强设备监测诊断系统构成技术的研究， 实际上后者也是当前研究的薄弱环节之一。 自“工业革命”以来，机器设备监测诊断模式随着检测技术和手段的进步， 尤其是计算机技术和网络技术的发展，已经发生了本质的交化，大致可以分为 三个阶段。 2 1 单机监测诊断模式( s m d s ) 在机器逐步取代手工在工厂的地位后，对机器设各的状态监测和故障诊断 仅局限于“点到点”的诊断模式，即每一台机器由一个监测系统来控制。这是 一个封闭的系统，信息只在系统内部流动和处理，这种系统对于早期的小规模 工厂还是可以实施的。它的缺点是每个系统的工作效率低，浪费了大量的人力、 物力：而且随着工厂规模的扩大，机器数的增加，这种模式的局限性日益突出。 7 盔堡堡三查兰竺兰三兰篁堡兰 兰三兰型! 垫堡鱼些型堡堑竖蔓塑垄壁 目前这种模式的在线监测诊断系统已经逐步被淘汰。其结构图如图2 - l 所示。 l现场机组现场机组 +0 。 传感器子系统 + f监视仪表数据采集系统 + 现场计算机 图2 - 1 单机监测诊断模式 2 2 分布式监测诊断模式( d m d s ) 随着大规模工厂和大型机电设备的出现，s m d s 模式已经不能满足需要。由 于计算机、通讯、控制、显示等技术的发展而使工业控制领域出现分布式控制 系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ( 又称集散控制系统) 。分布式控制系 统以其高可靠性、高性能、分散控制、集中监视和管理的优良特性赢得了工业 界广大用户的青睐成为大型工业控制系统的发展趋势。受d c s 技术的影响， 9 0 年代以来，设备在线状态监测与故障诊断系统被赋予网络化的特点，进入分 布式时代。针对工厂的大型机电设备的功能分布和地域分布的特点，人们在网 络技术的基础上实现了分布式监测诊断模式( d m d s ) 。其结构如图2 2 所示。在 这一过程中。又以流程工业大型成套、关键设备的在线状态监溺与故障诊断系 统首当其冲。通过网络以分散监测和集中操作、管理、诊断的优良特性成功地 解决了测点数量多、分布广及监测、操作、管理、诊断困难的问题。同时，从 长远发展来看，通过网络互连，可以弥补当前上层网络设备管理信息系统中设 备现场运行工况动态信息的空白，为实现企业全局设备生产任务的动态调度铺 r 查堡兰三查兰堡主兰堡堡苎星三兰塑垫堡鱼些型兰堑堡壅堕茎垦 平了道路。分布式状态监测与故障诊断技术是一门面向企业大型成套、关键设 备或协作密切的设备群的跨学科综合应用技术，将成为设备故障诊断领域的一 个迅速发展的分支。d m d s 通过工业局域网将各个监测现场的本地计算机互连起 来，实现资源共享、分散监控和集中操作、管理、诊断，提高了系统的工作效 率，是一个相对开放的系统。 图2 2 分布式监测诊断模式 域网 2 2 1 什么是分布式监测诊断模式( d m d s ) 分布式监测诊断模式d m d s ( d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i s s y s t e m ) 是针对大型设备主机和多台辅机功能分布和地域分布的特点，通过工 业局域网把分布于各局部现场、独立完成特定功能的本地计算机互联起来，以 达到资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理、诊断目的的工业计算 机网络系统，是以微型计算机为核心的计算机技术、设备故障诊断技术、网络 通讯技术、c r t 显示技术竞相发展并紧密结合的产物。 查鎏堡三查兰塑主兰竺笙苎 兰三皇盟塑堡墨堕型堡堑堡些塑垄壁 2 2 2d m d s 的特点 1 可靠性高。网络上的各现场工作站均能独立完成分布式处理，具有故障 自诊断功能a 某一节点发生故障时，并不影响其它节点的正常工作。 2 扩展灵活。网络能适应新技术的发展而扩充或升级，只需更新相应设 备或将相应设备“挂”在网上即可，简单方便。 3 网络互联能力强。通过中继器、网桥、网关可实现网络各段间、同类 及异型网络闰的互联，形成较大的开放性计算机网络系统。就其现实意义而言， 分布式网络化设备状态监测与故障诊断系统可与生产过程控制系统、生产管理 信息系统连网，使生产控制、设备状态监测与故障诊断、生产管理形成闭环一 体化，实现整个生产过程的全局最优状态安全运行。 4 系统构成成本低。微机价格呈下降趋势，网络接口集成度逐渐提高， 信号传输电缆数量减少，建网费用相应较低。同时网络上各工作站均可实现 软、硬件资源共享，也提高了整个系统的性能价格比。 5 系统功能强。网络系统具有高度互联的特性，支持多用户、多任务并 发执行，可承担较多的工作负荷。测点数量可以很多，覆盖范围大，可通过网 络进行远程诊断，便于通过共享各类信息实现分散监测、集中管理和综合控制。 2 23 对d m d s 设计的要求 分布式监测诊断系统设计是一项复杂的系统工程，系统一旦建立，就成为 工厂生产过程控制与设备管理大系统的部分，这和离线监测诊断、简易监测 诊断有较大的区别。因此，必须从整个系统的角度进行分析。进行分布式监测 诊断系统设计时应着重考虑以下几个方面： 1 。可靠性与可维护性 2 开放性与可扩展性。由于目前国内企业技术水平、管理水平和自动化程 度较低，一些企业资金紧张，不可能一开始就建立一个大而全的系统，往往只 盔堡些! ：奎兰堡主兰堡堡兰蔓三茎! ! 堡堡鱼些型堡堑塑苎堕墨垦 要求些基本配置。但从系统设计角度来说，必须具有长远的眼光，使系统结 构具有较强的开放性和可扩展性，在较长的生命周期内能不断升级、扩充，以 保证系统的先进性和完善性。 3 在线实时性。系统必须具有实时响应外部事件的能力，确保对设备运行 状态进行连续监测，保证不漏采、不漏检，以为设备工况监测和故障诊断提供 准确、实时信息源。 4 分散监 9 1 4 和集中操作、管理、诊断。与d c s 的分散控制、集中操作管理 相适应，d m d s 应具有分散监测和集中操作、管理、诊断的功能。 因此，在进行系统开发之初，应先进行系统分析，综合以上不同构成形式 及其优缺点，针对不同的监测诊断对象，详细分析用户要求，明确用户需要的 功能并以此制定系统功能规范，确定系统功能的性能指标并以此制定系统性能 规范。然后按照系统功能规范和性能规范要求，对之作认真、细致的分析， 充分吸收和采用先进、科学的设计思想和设计方法，以达到系统功能和性能要 求为目标，完成系统体系结构的设计。 2 3 远程监测诊断模式( r m d $ ) 2 3 1 远程协作诊断简介 基于因特网的设备故障远程协作诊断是将设备诊断技术与计算机网络技术 相结合，用若干台中心计算机作为服务器，在企业的重要关键设备上建立状态 监测点，采集设备状态数据：而在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中心， 为企业提供远程技术支持和保障。我们把这种机器设备监测和故障诊断技术和 网络技术、通讯技术相结合形成的篮测诊断模式称之为远程监铡诊断模式r e d s ( r e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m ) 。生产企业设各运行出现异常时， 其状态监测服务器立即以工作传票方式向诊断分析服务器申请在线技术援助， l l 查堡些三查兰堕主兰垡堡兰 星三主垫燮堡堡些型堕堑垡苎箜垄垦 同时以电子邮件方式向有关专家发出离线会诊请求：在短时间内调动入网的所 有诊断资源，实现对设备故障的早期诊断和及时维修。整个系统中流动的是数 据，而不是技术人员；而且所有的诊断信息可以由网络获得。这种系统将管理 部门、监测现场、诊断专家、设备厂商联系起来，形成了一个真正的开放的系 统。其系统结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 远程监测诊断模式 远程西作诊断以因特网为桥梁，跨越企业和研究机构在时间和空间上的距 离，学术界可利用网上诊断分析服务器设立技术讲座，对企业技术人员进行理 论辅导和技术培训，同时发表自己的最新研究成果供企业使用；而企业界则可 利用监测服务器为研究机构提供宝贵的现场经验和数据。双方取长补短，广泛 合作，共同发展，这样既解决了生产企业技术力量不足和理论提高的问题，又 查垄望三查兰堕主兰堡堡苎 兰三垦垫! 塑鱼堕型堡堑竖壅堕茎壁 有利于研究机构更准确、有效地得到企业内设备运行的第一手资料，充实理论 和技术研究。因此，远程协作诊断具有重要的理论和实际意义： 1 实现远程诊断后，可利用诊断协作网对企业技术人员进 行培训，提高其理论水平。 2 企业可申请协作网专家在异地对设备故障进行会诊，提 高诊断的准确性和可靠性。 3 远程渗断可实现全国范围内的诊断知识与诊断数据共享 享。 4 远程诊断能切实加强科研院所和生产企业的技术合作。 5 远程诊断能实现对远洋船舶、海洋钻井平台等特殊设备的远程监控和管 理，为设备的安全运行提供可靠的技术保障。 6 i n t e r n e t i n t r a n e t 的互通性，远程诊断可在大到因特网小到几台p c 机的企业局域网上实现，便于技术的普及和推广。 在当今信息时代，因特网的迅速发展及其良好的应用前景，使之成为各种 信息的载体。基于因特网的远程挤作作为2 1 世纪的新型合作方式倍受学术界和 工业界重视；因特网模式的开放式软硬件体系结构也得到人们的认同，成为各 种系统开发的必然趋势。因此未来的设备故障诊断技术必须和因特网相结合， 必须采用开放式体系结构，才会有强大的生命力和广阔的应用前景。 2 3 2 远程诊断的国内外发展现状 如同设备状态监测与故障诊断的概念是从人类健康医疗监测移植而来的那 样，机电设各远程诊断的概念和研究工作最早也是从医疗领域开始的。1 9 8 8 年 开放式远程医疗系统的概念在美国提出，人们普遍认为一个开放式远程医疗系 统应该包括远程诊断、专家会诊、信息服务、在线检测和远程学习几部分。这 项网络化多媒体技术( n e t w o r k e dm u l t i m e d i a ) 的应用将传统医学处理过程的 查整些三查兰堕主兰垡堡苎苎三兰塑堕堡鱼些型堡堕堡蔓堕茎壁 地域性和局部性变成了历史。1 9 9 4 年9 月s y s o p t i c 公司在美国国会山向克林顿 总统演示了一个基于因特网的全国保健试验示范系统；1 9 9 5 年1 月美国俄克拉 荷马州的远程医疗系统投入使用，它把5 4 家乡村医院与州中心医院联系在一起， 并通过计算机网络将c t 、x 光片等病人临床检验结果送到州中心医院珍断，这 样病人在入网的任何一家乡村小医院就诊都能得到专家级的诊断；国内上海医 科大学在上海地区也建立了一个类似的远程医疗诊断系统。 敏锐的工程诊断界人士和仪器制造商已经意识到了这是借鉴医疗经验推动 设备状态监测与故障诊断工作向前迈进的一次机遇。1 9 9 7 年首届基于因特网的 工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工学院联合举行，有来自3 0 个公司 和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了远程诊断系统连接开放式体系、 诊断信息规程、传输协议，以及对用户的合法限制，并对未来技术发展作了展 望。会上确定由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于因特网的下一代远程 诊断示范系统，该项工作得到了制造业、计算机业和仪表业的b o e i n g 、f o r d 、 s e g a t e 、i n t e l 、s u n 、h p 等1 2 家大公司的支持和通力合作，并很快建立了一个 限于合作者间的远程诊断示范体系t e s t b e d 。t e s t b e d 采用嵌入式w e b 组网， 用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 实现远程信息交换和诊断推理：从该项目对外开 放内容和项目组1 9 9 7 年底的研究总结报告来看，系统离实用还有很大距离，许 多研究内容也还只是一个提法。此外，密执安大学也在积极开展针对机械加工 的远程诊断和制造系统的研究工作，并在因特网上设立了一个宣传站点。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e n s y s t e m sa i l i a n c e ) 、m f t p ( s o c i e t y f o r m a c h i n e r y f a i l u r ep r e v e n t o n t e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n t o r i n ga n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 、 v i b r a t i o ni n s t i t u t e 等，也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广工 作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司在他们的产品中也加入了 因特网功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行状态监测系统d a t a 1 4 查垄里三查兰壁：兰兰竺堡= 三三墨三兰! ! 竖墨鱼堕型堡堕竖垄塑垄墨 m a n a g e r 2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设 备运行状态：n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b v i e w 中新增了 因特网模块，可以通过w w w 、e m a i l 、f t p 方式发送测试数据。 国内高校、科研单位和设备使用部门目前正在追赶国外先进水平，已经考 虑并实施设备状态远程监测与故障诊断。较早的运用范例是上海长江口航标群 自动监控系统，每组航标各选择9 类近4 0 个参数，通过v h f 、v u f 或微波进行 无线信息传输和航标设备状态远程监测，通过控制中心监控海上航标的工作状 态。1 9 9 6 年，上海市教育委员会、上海交通大学和上海医科大学联合开发和研 制了上海医科大学远程医疗系统。该系统在通过上海市教委验收后，进行了多 项测试和演示，并在上海交通大学和上海医科大学1 2 8 k b s 专线和上海到北京 2 m b s 专线的长距离演示。华中理工大学于1 9 9 7 年开展远程渗断理论研究，并 将研究结果运用于汽轮发电机组状态远程监测，已在因特网上建立了一个远程 诊断宣传站，以技术示范的形式向用户提供初步的远程诊断技术服务。西安交 通大学考虑了设备智能综合诊断处理支持中心的建设思想、拓扑结构、技术方 案等诸多内容，并运用于大型回转机械的状态监测工作。同时b e n t l y 、e n t e k 、 s o l t r a n 等大公司也纷纷将他们最新的网络化设备状态监测产品推向中国市场， 这对增进我国学术界和企业界的网络化设备故障诊断意识和提高我国的设备故 障诊断水平也起到了积极的促进作用。类似的研究尝试还有很多。但总的来说， 国内外对设备状态远程监测工作的研究尚处于起步阶段。 大连理工大学硕士学位论文第三章客户机服务器编程设计 第三章客户机i n 务器编程设计 本章将详细介绍基于客户机服务器模型( c i i e n t s e r v e r 模型，简称c s 模型) 的因特网的编程结构。 3 1 客户机和服务器 在t c p f i p 网络应用中，多数网络应用程序是使用客户机i n 务器模型设计 的。客户机向服务器提出请求，服务器收到请求后，提供相应的服务。 在一个用户数据报协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，简称u d p 协议) 的应 用中，客户机首先向服务器的某个端口发送报文请求服务，服务器对应端口的 守候程序从收到的报文中的源地址识别出客户机i p 地址，然后根据相应的决策 向客户机方应答服务请求的结果。图3 1 中给出了针对u d p 协议的客户机服务 器模型的简单示意图。 l客户机 服务应答 u d p 服务器 i 图3 1 使用u d p 协议传送数据的 客户机i n 务器示意图 在传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，简称t c p 协议) 的应 用中，服务方在某一端口等待客户方的连接。连接成功后，服务器等待客户方 1 6 大连理_ _ 【：大学硕士学位论文第三章客户栅服务器编程设计 的请求，客户方则发送服务请求。服务器收到请求后向客户机发送应答报文。 服务结雪，关闭连接。 图3 2 给出了使用t c p 协议乩客户机n 务器模型的简单示意。 连接请求 接收请求 客户机t c p 服务请求 服务器 一 r 服务应答 关闭连接 图3 2 使用t c p 协议传送数据的 客户机服务器示意图 由以上可以看出，客户机服务器模型非常适用于t c p i p 的工作方式，特别 是t c p 协议。客户机的i p 地址事先不可知，并且一般使用动态绑定的端口号， 因而服务器无法主动和客户机建立连接。另外，服务器的资源总是有限的，不 能同时接收所有客户机的连接请求。为了满足所有客户机的连接请求，在对某 一客户机的服务结束之后应该及时断开和它的连接，这样就能依次和多个客户 机建立连接。 客户机服务器模型体现了数据集中存放和集中处理的思想，它适合于一台 服务器向较多数量的工作站提供服务。 3 2 服务器的并发处理 采用集中式的客户机和服务器模型结构的应用应该充分利用服务器的集中 资源，服务器必须并发地处理来自多个客户机的请求，即单个的服务器同时向 1 7 奎垄些三查兰堡主兰望堡苎兰三童查芝垫! 坚堑璺塑堡堡盐 多个客户机应用提供服务。例如，一个因特网上的w e b 服务器常常和成千上万 的浏览器同时存在t c p 连接，并同时接收请求和返回要求传送的数据。 图3 - 3 单个u d p 服务器同时向多个客户机提供服务 图3 4 单个t c p 服务器同时向多个客户机提供服务 图3 3 表示了单个的u d p 服务器同时向多个客户机提供服务式的情况，图 3 - 4 表示的是t c p 服务器的情况。 在w i n d o w s 操作系统环境下，服务器软件有三种技术可以并发处理来自多 个客户机的服务请求：多线程、消息驱动和循环处理。他们都有一些自己的特 点：多线程编程最直接：消息驱动和循环处理只需要一个线程，节省了多线程 1 8 查堡些三查兰堡主兰生堡兰堑三兰查! ! 塑! 箜墨塑墨堡盐 间上下文切换的c p u 开销：消息驱动是w i n d o w s 操作系统所特有的，因而更符 合w i n d o w s 下膨用程序编写的特点。 和其它抢先式的多任务操作系统一样，3 2 位的w i n d o w s 操作系统提供多任 务的管理。这样，服务程序能够为每个请求服务的客户机创建一个或多个任务 线程，以便同时处理。在w i n d o w s 多任务管理中存在“进程”和“线程”两个 概念，线程是分配c p u 资源的基本单元，而进程是c p u 以外资源分配的基本单 元。每个应用程序实例拥有一个进程，一个进程至少拥有一个线程，线程实际 获得c p u 处理时间。 循环处理和消息驱动方式类似，也可以解决使用单任务线程同时处理多个 客户机请求的问题。但它们采用的方式不尽相同：在消息驱动方式中，请求到 来时系统派发指定的消息；而在循环处理方式中，程序必须主动查询系统是否 收到客户机的请求。循环处理过程中，程序一般不能在i o 请求上阻塞，应该 采用异步i o 调用。当没有数据传送时功能调用技术返回，以便同时进行其它 的处理。 3 3 循环处理的u d p 服务器 u d p 协议提供不保证顺序投递的用户数据传输服务，在一个简单的应用中客 户机常常只用单个u d p 报文发送请求。这种情况下采用循环处理的方式是有利 的。图3 5 显示了循环处理的u d p 服务器和客户机交互的程序流程结构。 传输数据之前，发送数据的源端点必须知道接收数据的目的端点的i p 地址 和u d p 端口号。由于服务器具有相对固定的i p 地址，并且在知名端口守候，因 此客户机能够首先向服务器发送请求。一般客户机使用动态绑定的方法获得端 口号，服务器通过请求i p 报文得到客户机的i p 地址和u d p 端口号。 1 9 大连理工大学硕士学位论文 第三章客户机服务器编程设计 服务器程序一般没有或只有少量的人机交互。考虑到u d p 的不可靠性，服 务器回送的应答报文可能丢失，客户机程序在接收应答时应该等待较短的时间 或者在一段时间内间隔性的查询。如果应答接收超时，那么就必须重新申请或 者进行错误处理。 臣窭臣困 分配通信资源 绑定地址和端口 t 向指定i p 地址服 务器的u d p 知名 端口阻塞发送请 求报文 1 r 接收应答 报文 服务请求 服务应答 分配通信资源 士 绑定地址和端口 i f 阻塞接收请求报 文，并获得客户机 i p 地址和u d p 端 口号 处理服务请求 阻塞发送应答 报文 图3 - 5 循环处理的u d p 服务器 和客户机交互的程序流程结构 3 4 消息驱动的并发t o p 服务器 消息驱动的事件编程方法的核心思想是由消息触发事件代码的运行，而无 须不停的向系统询问某事件是否已经发生或者等到事件发生后调剧才会返回。 2 0 _ 丈整翌三查兰塑主兰堡堡兰垩三里查宝鲨竖墨墨塑堡堡生 在整个w i n d o w s 系统中充满了消息和事件的影子。一次单击会产生w mk e y d o w n 、 w m _ k e y u p 等一系列消息，窗口过程接收到这些消息后随即触发相应的事件过程 ( 即消息处理函数) 。 臣圃 w i n d o w s 消息处理系统w i n d o w s 消息处理系统 初始化 胡始化 分配通信资源分配通信资源 绑定地址和端口绑定地址和端口 请求 系统连接指定i pl连接指示系统可以接l 地址服务器的知l返收对本地址已绑i 返 署”“唧 一茹器唧 一- 连接完成事件接受连接事件 判断连接是否成r 匕一 接收 连接 已建立连接的通l 。， 功，并进行处理l 回 叮 服务 信资源广t 请求 读、写、关闭连接事件读、写、关闭连接事件 为避免阻塞，每 j _ 服务 为避免阻塞，每 上 次只读一次或写 返 应答 次只读一次或写 返、 一次：可以对不 回 一次：功以对_ i 同 同的连接进行小 v 同的连接进行不 y 同的处理断开同的处理 连接 图3 - 6 消息驱动的t c p 服务器和客户机交互的程序结构 2 l 查至些三查兰堕主兰笪笙壅兰三兰查宝型竖堑墨塑堡堡笪 图3 - 6 为消息驱动的f c p 服务器和客户机交互的事件化程序结构。从该图 中我们可以看出，在使用连接端口、接受连接等容易产生阻塞的调用时，它要 求系统在调用完成后给出消息通知调用的结果( 成功或失败) ，即调用某段事件 处理程序。为避免事件读写阻塞或者不必要的反复查询，当在指定连接上收到 数据后( 或者发送缓冲未满时) ，系统主动通知相应连接的继续读( 或者继续写) 事件处理程序。 这种客户机和服务器都采用了消息驱动的事件化程序结构。 3 5 多线程并发t c p 服务器 在循环处理的程序中，为了及时响应客户机的请求，代码使 用了异步接收和发送数据的办法把长的传输间隔分成足够短的间隔，有人机交 互时还要不停的查询键盘、鼠标等输入设备。这样就破坏了程序的自然的逻辑 顺序。消息驱动的w i n d o w s 程序结构 也保证不了程序自然的逻辑结构。消息就像精灵一样，根本无法预知它什么时 候会出现，因而很难确切的知道代码实际运行的次序。 w i n d o w s 的多任务调度技术使得服务器可以给每个已连接的客户机创建一 个线程，独立地处理请求和应答。这样，开发复杂的并发式t c p 服务器程序就 变得容易了。一个处理客户机请求的线程在收到完整的请求前能够一直保持阻 塞状态，而不必担心会妨碍对其它客户机请求的处理。在收到请求后阻塞调用 返回，线程接着分析，将应答发送回客户机，并在数据发送上保持阻塞。应答 发送完毕后，线程或者继续接收下个请求或者关闭连接直接退出。图3 7 给 出了多线程并发t c p 服务器和客户机交互的程序结构。 图3 7 中所示的客户机利用了多线程的管理技术，这样就不会由于网络通 信i o 的阻塞导致人机交互的受阻。 奎堕堡三查兰堡主茎壁笙壅蔓三兰查塑里堑壁堡堡茎盐 正常情况下，t c p 服务器应客户机请求建立的连接在回送应答后，或收到客 户机发送的退出服务的请求后关闭，或者服务器超时以及数据传输中发生严重 错误等服务器认为必须终止服务的情况发生时，服务器都会主动关闭连接并且 终止服务线程。 多个客户机服务器 图3 7 多线程并发t c p 服务器和 客户机交互的