（机械电子工程专业论文）基于网络的设备远程监控及智能维护的研究.pdf

上海交通大芍明页士掌位论文摘要 基于网络的设备远程监控 及智能维护的研究 摘要 当今社会正在步入信息化时代，计算机技术、网络技术和通讯技 术的飞速发展和紧密结合使制造业和家电业等方方面面都发生了巨 大的变化。正是在这样的时代背景下，我们提出了进行远程监控和智 能维护的思想在工程应用中的研究这个课题。 本文首先对远程监控和智能维护的基本概念、国内外研究的现 状、可行性必要性、研究内容等做了一个概括的阐述。接下来深刻探 讨了现代远程监控及智能维护领域的一些研究课题并做出了自己的 判断和分析，同时提出了一套该种思想在制造业和信息家电业的应用 模型。 第三章详细介绍了嵌入式网络接口模块( e n i m ) 的设计思想及制 作过程。e n i m 在远程监控系统中扮演了一个非常重要的角色，它是 设备以较低成本上网的关键，正是由于它的存在，才有可能使信息家 电走向寻常百姓家，另外该模块对于一些小型的制造设备而言也是能 够上网的关键装置。 接下来的两章设计了两套具有代表性的实际设备的远程监控系 统：基于开放式控制器的数控铣床远程监控系统、洗衣机远程监控系 统。文章对该两套系统的体系结构、相关组成部分、软硬件设计等都 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 上海交通大粤昀页士掌位论文 摘要 做了详细地介绍。这两套系统从根本上体现了远程监控的思想，并从 实验结果证明了系统运行良好，已经完全达到了预先设定的参数规 范，满足了预定要求。 最后作者客观分析了现在开发的两套系统的优点和不足，结合对 远程监控和智能维护的理论化研究以及相关技术的发展成果，提出了 在该领域中进一步研究应该首先解决的一些技术上和观念上的问题， 并从作者的经验出发对有些问题的解决提出了自己的见解，这将有利 于后来的研究者的研究工作。 关键词：远程监控、智能维护、嵌入式网络接口模块、数控铣床、信 息家电、网络、t c p i p 协议 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 上海交通大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fr e m o t em o n i t o r i n g a n di n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c ef o r e q u i p m e n t b a s e do nn e t w o r k a b s t r a c t i n f o r m a t i o nb a s e ds o c i e t yi s c o m i n g t h eq u i c kd e v e l o p m e n ta n d c l o s ec o n n e c t i o no fc o m p u t e rt e c 量m o l o g y 、n e t w o r kt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sm a k i n gt h ef i e l do fm a n u f a c t u r i n ga n d h o m ea p p l i a n c ec h a n g ee n o r m o u s l y u n d e rt h i sb a c k g r o u n dw e p r o d u c e d t h es u b j e c ta b o u tr e s e a r c ho fi d e aa n da p p l i c a t i o ni np r o j e c ts y s t e mo f r e m o t em o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c e o nt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i sid e s c r i b et h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： f u n d a m e n t a lc o n c e p to fr e m o t em o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c e 、 r e s e a r c hs i t u a t i o na r o u n dw o r l d ，f e a s i b i l i t y ，n e c e s s i t y ，r e s e a r c h c o n t e n t s t h e nir e s e a r c hp r o f o u n d l ys o m ec o n t e n t si nt h ef i e l do fr e m o t e m o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c ea n da n a l y z et h e ma n dw o r ko u t m y o w nr e s u l t ：ak i n do fa p p l i c a t i o nm o d e li nt h ef i e l do f m a n u f a c t u r i n g a n dh o m e a p p l i a n c e i nt h et h i r dc h a p t e rii n t r o d u c et h ed e s i g n i n gt h i n k i n ga n dm a k i n g p r o c e s so fe m b e d d e dn e t w o r ki n t e r f a c em o d e l ( e 删i nd e t a i l 。e n i m p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei i lr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m i ti sc r i t i c a lt o 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 上海交通大国炙士掌位论文 a b s t r a c t c o n n e c te q u i p m e n t sw i t hn e t w o r ki nac h e a pc o s t i n f o r m a t i o na p p l i a n c e w i l lb e c o m ep o p u l a rb e c a u s eo fi t m e a n w h i l ei ti sa l s oap i v o t a ld e v i c e f o rs m a l l s i z em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t sc o n n e c t e dw i t hn e t w o r k i nt h ef o u r t ha n df i 觚c h a p t e rie x p l o i tt w os e t so fr e p r e s e n t a t i v e r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fa c t u a le q u i p m e n t s ：r e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mo fc n cm i l l i n gm a c h i n eb a s e do no p e n c o n t r o l l e r 、r e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mo fw a s h i n gm a c h i n e i nt h e s et w oc h a p t e r sii n t r o d u c e t h es t r u c t u r e ，s e g m e n t s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h et w os y s t e m s w h i c he m b o d yt h ei d e ao fr e m o t em o n i t o r i n g t h er e s u l to fe x p e r i m e n t p r o v et h es y s t e mw o r kw e l la n d m e e tt h ed e s i g n i n gs p e c i f i c a t i o n i nt h ee n da u t h o r a n a l y z eo b j e c t i v e l y t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so ft h et w os y s t e m s t h e nip r o v i d es o m ep r o b l e m si n t e c h n o l o g ya n dt h i n k i n gf o rf u r t h e rr e s e a r c ha c c o r d i n gt o t h et h e o r y r e s e a r c ho fr e m o t em o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c ea n dr e l a t i v e t e c h n o l o g i c a lp r o d u c t i o n a u t h o ra l s ow o r k so u tr e s o l v i n gm e t h o df o r s o m ep r o b l e m sw h i c hw i l l p r o v i d e c o n v e n i e n c ef o rt h es u c c e s s i v e r e s e a r c h e r k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ，i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c e ，e m b e d d e d n e t w o r ki n t e r f a c em o d e l ，c n cm i l l i n gm a c h i n e ，i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e ，n e t w o r k ，t c p i pp r o t o c o l 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：殇7 亥7 p 日期：o 弓年月f 留日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密d ，在互年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位做作者签名李1 竞i 指刷币签名：如蚁让 日期：。弓年月f 吾e 1 日期： o 年y 月飞日 上海交通大碧岛暇士掌位论文第一章绪论 第一章绪论 随着计算机技术、网络技术和通讯技术的飞速发展和紧密结合，人类社会已 经进入了信息化时代，这种社会和传统社会相比最显著的特点就是基于信息的设 备网络化与智能化。最能够体现这种特色的两个应用领域是生产制造领域( 以数 控加工为代表) 和信息家电领域，这两个领域有着共同的特点，那就是通过网络 对设备( 生产制造设备和家庭耐用设备) 进行远程的监控，同时该设备能够实现 自身智能的维护。 1 1 远程监控及智能维护的主要内容及概念 设备的远程监控，概括的说就是指本地计算机( 俗称客户机) 通过网络系 统( i n t e r n e t 、i n t r a n e t 、e t h e r n e t 、g p r s 、g s m 等各种有线或无线网络) 实现的 对远端设备和运行过程的监视和控制。相应的远程监控思想包含两方面的内容： 现场设备运行状态的信息数据的远程集成和远方控制端根据相应的算法和各种 控制命令而实旌的对设备及其运行状态的控制( 远程服务) 。 此外，从某种意义上来说，任何一个设备都是一台“故障发生器 ，如何发 现设备的故障是故障诊断技术的研究内容，将传统的设备故障诊断技术与计算机 网络技术相结合即产生了一个新的研究内容：智能维护，它的作用就是利用现代 的高科技手段将设备的故障防患于未然，或者是将由于设备故障原因造成的损失 减小到最低限度。 对于以信息数据为基础的远程设备来说，远程监控和智能维护是相辅相成 的，既相互联系相互交叉又相对独立，可单独对某个方面进行研究，也可相互启 发相互促进。 1 1 1 远程状态信息集成 近年来，设备的使用无论是在观念上还是技术上都发生了很大变化。市场的 瞬息万变导致产品生命周期越来越短，对设备的反应速度即敏捷性提出了越来越 高的要求。企业对市场的快速反应能力、产品生产的柔性度、企业重组与动态联 盟的能力以及面向客户的全方位服务观念等已成为决定企业生存的重要因素。为 提高企业的敏捷性，一方面要在企业中宣传贯彻敏捷制造的哲学思想，强化企业 组织与管理，建立适应现代市场经济的企业内、外部管理机制，另外一方面，需 要用现代科学技术的新成果，研究提高企业敏捷性的新方法和新手段。在信息家 电领域同样如此，信息家电的含义远不是将家电连接上网络那么简单，它是在新 的社会中一种全新的生活方式，需要和周围环境中的方方面面有机地联系到一 起，这种联系既包括有形的物理上的联系，又包括无形的思想上的联系。而将远 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 上海交通大掌硕士学位论文第一章绪论 程的状态信息集成起来则是实现这种全新运作方式的第一步。 任何一个计算机集成系统都是由实际物理系统和基于物理系统而抽象出来 的信息系统组成的。要实现计算机集成系统的存在，就必须构造起联通实际物理 系统和基于信息的虚拟系统的桥梁。远程状态信息集成，就是应用多传感器数据 融合、信号处理和计算机网络技术将实际物理系统和基于信息的虚拟系统有机地 联系起来，从而为基于信息的虚拟系统提供更加符合实际的初始数据，使其产生 更加符合实际的结果，力指导实际物理系统有效工作提供新的手段。 建立远程状态信息集成系统，将大大改善设备运行的环境，提高设备利用率 和灵活性以及人机一体化的智能水平。因而开展对远程状态信息集成研究是十分 必要的。具体可阐述为如下几个部分： ( 1 ) 远程状态信息集成是计算机集成体系中实现物理系统和虚拟系统有效 集成必不可少的条件。远程状态信息集成系统可为虚拟系统动态准确地提供实际 生产过程状态信息及初始化条件，从而使虚拟系统更加符合实际。因此，只有解 决远程状态信息集成问题，才能实现真正意义上的虚拟系统和虚拟系统与物理系 统的集成。 ( 2 ) 远程状态信息集成是充分发挥高级专家、高级管理人员对生产指导作 用的有效途径。市场竞争，实质上是人才的竞争，如何高效地发挥高级技术人才 和高级管理人才的作用是企业面临的一大难题。远程状态信息集成问题地解决， 将使高级专家和管理人员通过计算机网络了解和掌握设备运行状态，并通过网络 指导生产和操作，解决生产中可能出现的各种难题，从而使系统更加高效、稳定 地运行。 ( 3 ) 远程状态信息集成是产品设计、工艺规划和生产调度管理人员快速、 简捷地掌握生产实际情况的有力工具，能有效地解决目前存在的设计人员、工艺 人员与实际制造过程脱节的问题，有利于并行工作环境的建立，缩短了产品开发 周期，减少了设计阶段的质量事故。 ( 4 ) 远程状态信息集成是实现异地控制、设备重组和系统优化的重要手段 和工具，通过远程状态信息集成系统，可以在计算机网络上了解可选设备的实际 工作状态，从而根据产品质量要求选择所需设备，优化系统组合。 ( 5 ) 远程状态信息集成是不断积累知识和经验的有效途径，通过远程状态 信息集成系统，可以实现知识和技术的传播、交流、共享与积累，促进设备智能 化的发展。 、一 ( 6 ) 远程状态信息集成是构成制造系统全球化和家电网络化的重要组成部 分，只有解决远程状态信息集成问题，才能实现操作控制人员和被控设备在地域 上的分离，实现真正意义上的远程控制。 1 。1 。2 远程服务思想 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 2 i - 海交通大学硕士掌位论文 第一章绪论 2 1 世纪制造全球化、市场竞争激烈化成为制造业发展的趋势。制造业全球化 主要表现在企业制造的分散化以及客户和设备供应商的国际化。这就要求同一企 业内部的不同工作组之间，企业与设备供应商之间，以及企业与客户之间协同工 作、共享信息。市场竞争激烈化表现在制造业将从传统的单一工厂及个别设备为 主的竞争转变为完全协约化分散工厂为主的相互合作生产体系。高质量的生产能 力和产品以及良好的售后服务成为企业在市场竞争中获胜的关键。这就要求企业 对生产设备及售出产品能够提供服务和技术支持，并能对产品的故障提供及时、 灵活的在线维修。所有这些都对建立制造业远程服务系统提出了需求。 当前的设备控制技术及计算机多媒体和网络通讯技术的发展已为远程服务 提供了一种可能性。即通过计算机通讯网络的手段，与异地设备实现远程联接， 来完成远程设备的诊断和控制。同时借助计算机多媒体声像网络技术，最终实现 设备的维修和故障排除，这就是所谓的远程设备维修服务。 远程设备维修服务系统包括以下功能： 远程设备故障诊断和分析 远程在线设备状态调整 令远程信息服务，包括远程培训和远程咨询服务 目前设备制造供应商可为用户提供的设备维修服务方式，主要有： ( 1 ) 通过书面或口头描述方法对用户提供维修服务帮助和指导。这对于一 些简单故障的排除有一定作用，但直观性较差且对语言要求较高。 ( 2 ) 通过专门派出专业维修服务人员赴用户现场提供维修服务和指导。这 是目前较常规的服务方式，但由于跨地域等因素，在服务的及时性和服务成本及 工作效率方面有较大的影响，同时提供的服务质量也要受到所派人员能力和水平 的限制。 ( 3 ) 在各用户设备所在地就近建立设备维修服务点，长期派驻维修服务人 员。这就能解决用户快速响应的要求，但服务成本太高，同时提供的服务质量也 受到所派驻人员能力和水平的限制。 采用远程维修服务方式，在保留了上述各维修服务方式的优点的基础上，可 明显地改善它们各自的缺陷。通过远程的实时声像网络通讯，维修服务人员在本 部可既直观又及时地为用户提供优质的服务指导。在需要的情况下，服务人员还 可将必要的诊断设备和用户设备直接通过远程通讯接口相连，以实现及时的故障 诊断和故障排除。 采用远程维修服务方式的优点在于： ( 1 ) 对设备制造供应商而言： 能提供更有效的服务 大量减少人员长途出差所产生的疲劳和费用 基于m 增t - 的设备远程监控及智能维护的研究 jr 海交通大学硕士掌位论文 第一章绪论 对用户设备可快速做出诊断和维修方案 全球规范服务能力的提高 维修服务工作效率的提高 以上优点可增强设备制造供应商的竞争能力，并开辟了新的商务活动空间。 ( 2 ) 对设备最终用户而言： 夺加快维修需求的响应能力 可更快的排除故障 停机维修费用降低 令对企业员工的支持 令减少制造设备供应商到达客户的时间 可有效缩短因设备故障而造成的设备停机时间 以上优点可使设备用户能更有效地节省时间，降低成本，从而提高生产率， 增强企业的竞争能力。 ，。1 。3 远程故障诊断和智能维护 故障诊断是智能维护的基础，严格说来，远程故障诊断技术可归并于远程 服务技术这一范畴，但是。近年来，基于i n t e m e t 远程故障诊断技术( i n t e r n e t r e m o t ed i a g n o s i s ) 的研究，受到了国内外研究者的密切关注和重视，在这一方 面已经有一些成果出现。所以，在这里将远程故障诊断技术单独作为一节来阐述。 设备的远程故障诊断或设备故障远程协作诊断是将设备故障监测诊断技术 与计算机科学、通信技术相结合的一种设备故障诊断方式。 在当今信息时代，i n t e m e t 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i n t e m e t 的远程协作作为2 l 世纪的新型合作方式倍受学术界 和工业界的重视：i n t e r a c t 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监测与诊断技术必须和 i n t e m e t 相结合，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。 将故障诊断专家系统与i n t e m e t 计算机集成环境结合起来，可从许多方面改 善诊断专家系统的性能和扩展增强系统的功能。 ( 1 ) 提高诊断智能。由于这种系统的“临床”机会大大增加，可以得到大 量的现场故障样本，因而其学习机会也大大增加，诊断经验可迅速丰富。 ( 2 ) 大范围共享诊断资源，形成丰富的诊断数据库和诊断知识库。 ( 3 ) 可实现多诊断系统远程协作诊断、人机共栖的异地会诊环境，从根本 上提高系统的整体诊断能力。 ( 4 ) 便于实现设备或系统从设计、生产到安装、运行的全寿命管理。 ( 5 ) 对设备或系统生产设计者而言，可改变单纯的传统的现场维护和电话 支持服务方式，实现每星期2 4 h 7 d 模式的连续维护支持，从而改变企业形象， 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 4 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 提高产品的竞争力。 智能维护就是利用诊断结果，并结合以前所收集整理的历史数据，对设备做 出迅速准确的维护方案，与传统的事后维修的模式不同的是，该种维护模式为事 前的，即在故障将要发生而发生之前即预测到故障的类型和危害，从而及时做出 相应对策。该种维护模式具有下述优点： 避免安全事故的发生 令减少停机时间 节省维修成本 1 2 现有的技术基础 近年来，计算机网络，无论是网络硬件、网络协议、还是网络接口编程技 术和理论的发展都十分迅速。i n t e m e t i n t r a n e t 网络己成功应用于许多领域的远程 监控中，如医疗领域的专家会诊、远程手术指导等，为其他各个远程监控领域提 供和积累了宝贵的物质、技术条件及宝贵经验。网络多媒体的发展也已日渐成熟， 快速、便捷的远程视频、音频服务已经出现。同时，经过几十年的发展，传感器 技术、信息处理与数据融合技术、加工过程监测控制技术、制造系统运行与管理 技术、制造系统故障诊断技术、机床特性的建模、加工误差分析与建模方法、切 削过程和切削机理的研究、建模与仿真技术研究的深化和所取得的成就，使得建 立远程监控与智能维护系统成为可能，为研究的开展奠定了良好的理论和技术基 础，从而具备了技术上的可行性。 1 3 目前国内外的研究现状 1 3 1 远程状态信息集成的研究现状 远程状态信息集成的研究历史很短，其理论和技术尚不成熟。在制造领域， 由于加工设备与环境交互的复杂性和非确定性，以及大数据量的实时传输受到通 信条件的限制，针对加工设备远程操作的研究才刚刚开始。研究主要针对信息感 知、信息处理、数据融合和集成方法几个方面，所涉及的信息主要包括设备运行 状态信息、与切削过程有关的信息、与加工质量有关的信息、设备精度状况信息、 系统工作环境状况信息等。该项技术研究得到了美国、日本、英国、澳大利亚及 韩国等国家的高度重视，各国竞相开发相关技术。 日本的i m s 国际合作计划将制造设备远距离控制技术、远程传感技术、相应 于人感觉的测量技术和生产中的人工现实感应技术等列为其第一个十年计划的 重要研究内容。在日本智能制造系统计划的支持下，日本东京大学的光石卫助教 授等与美国乔治华盛顿大学的b r u c ek r a i i i c r 等联合开展了加工系统远程操作 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 5 上海交通大掌硕士掌位论文 第一章绪论 技术的研究，分别于1 9 9 1 年、1 9 9 2 年和1 9 9 4 年进行了3 次机床异地加工状态 信息集成和远程操作的原理性试验，被称为“从地球背面操作机床 。三次试验 虽然都取得了预期的效果，但是仍然存在许多有待解决的理论和技术问题。澳大 利亚在这方面也进行了研究，开发了利用i n t e r a c t 的加工单元异地加工状态信息 集成与控制系统。 韩国的p o h a n g 理工大学于1 9 9 6 年建成了基于i n t e m e t 的网络虚拟制造系统， 开发出异地设计系统、异地车间控制系统、异地监控系统以及服务以上三个系统 的通信媒介。这四个系统的计算机集成满足了用户异地设计的需要，将生产命令 送到位于p o h a n gc l l a r g 、0 n 的工厂，从而通过虚拟制造预测远程制造的可行性， 为实现制造敏捷性提供了有力支持。德国阿亨工业大学开展了切削过程远程监控 技术的研究，建立了演示实验系统。美国林肯大学以i n t e m e t 为基础开展了电火 花加工过程监控与信息集成技术的研究。美国麻省理工学院以i n t e m e t 为基础正 在开展远程加工和装配单元一体化研究，远程状态信息集成是其中的重要组成部 分。 在我国，远程控制作业已开始受到重视，8 6 3 计划中的智能机器人主题己将 基于虚拟环境技术的遥控作业列为关键技术进行研究，但是针对制造加工系统的 远程遥控作业及信息集成技术的研究才刚刚起步。 1 3 2 远程故障诊断和智能维护的研究现状 基于i n t e m e t 的远程协作诊断研究工作最先是从医学领域开始的，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 包括远程诊断、专家会诊、信息服务、在线检测和远程学习几个部分。1 9 9 4 年9 月s y s o p t i c s 公司在美国国会山庄向克林顿总统演示了一个基于i n t e r a c t 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诊断，这样病人在入网的任何一个乡村小医 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 的远程诊疗系统。 设备故障诊断与人类的疾病诊断是相似的，从技术上说能实现远程医疗诊断 也就能实现远程设备诊断。远程医疗诊断采用的系统体系结构、信息传输方法和 异地专家会诊组织、实现形式等都可为远程设备诊断所采用和借鉴。但是由于重 视程度不够和投入的科研资金少、人力不足等原因，与医疗行业已取得的显著成 果相比，工业领域的远程诊断工作进展相对较慢。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 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主办，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 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 6 上海交通大掌硕士掌位论文第一章绪论 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i n t e m e t 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i n t e m e t 上建立了一个宣传站点。 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 ma l l i a n c e ) 、m f t p ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt 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 i t o r i n g a n d e 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 n i 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。许多大公司在它们的产品中也加入了i n t e r n e t 功能， 如n 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 am a n a g e r2 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 l i n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b e w 中新增了i n t e m e t 模块，可以通过 w w w 、e m a i l 、f t p 等方式发送测试数据。 在国内，西安交通大学、哈尔滨工业大学、天津大学、武汉工业大学、华中 理工大学都在向国外先进水平看齐，已开始或准备开始从事工业领域的远程诊断 研究工作。其中华中理工大学走在了研究的前列。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。 1 3 3 远程服务技术的研究现状 要建立一个完善、有效的远程服务体系并不是一件容易的事情，它需要科 研单位和企业密切配合才行。从现在掌握的资料来看，国内外关于远程服务的研 究应用并不是很多，大多都集中在上面所述的两个领域中的某个部分，在国内， 只有上海同济大学和上海大众汽车公司合作建立了一套冲压流水线的远程维修 服务系统和一套单台数控机床的远程维修服务系统，但是从其发表的论文来看， 这两套系统的功能还不完善，效果并不理想。 1 3 4 信息家电的研究现状 信息家电是随着互联网的迅速普及在近几年发展起来的家电工业新领域，现 在国外已有多家单位或研究机构从事这方面的研究，国内以海尔为代表的一批家 电企业也将信息家电定为未来家电发展的方向并己着手作出相应的研究和开发 策略。 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 7 上海交通大孽蛹炙士掌位论文第一章绪论 1 9 9 9 年3 月成立的开放服务连接组织( o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ，简称 o s g i 组织) 、目前有思科、i b m 、s u n 、惠而浦、m o t o r o l a 、n o k i a 等3 0 余家公司参加，主要是为制定家庭网络的标准服务；欧洲的c o n v e rg e n c e 项目是 由欧洲三大家用和建筑电子协会合作推出的共同合作项目，它将结合各公司的技 术，形成综合性的全球网络标准，该标准将适用于所有的欧洲家用和商用电器。 但不管标准和技术如何发展，其必须是具有开发性的才能有前途。1 9 9 9 年1 1 月 6 日，意大利梅洛尼公司推出了世界上第一台通过互联网和g s m 无线网控制的商 业化洗衣机，梅洛尼公司把它命名为m a r g h e r i t a 2 0 0 0 c o m 。机主可以通过移动电 话遥控洗衣机。洗衣机在需要维修时，可以通过互联网通知梅洛尼的维修人员。 1 9 9 9 年1 1 月，瑞典家用电器制造商伊莱克斯公司和通信制造商爱立信公司在瑞 典斯德哥尔摩建立了一家开发和销售网络家电的公司，该公司将开发一个标准的 体系结构，使家电产品能够联网并能够通过互联网与其他设备相连。该公司计划 在今年1 0 月向市场推出屏幕冰箱，该冰箱可以检测食品存货，并通过移动电话 上网，让消费者发邮件到超级市场补货。1 9 9 9 年1 0 月另一家欧洲的大公司博世 公司宣布，该公司将和信息产业的巨头太阳微系统( s u nm i c r os y s t e m s ) 公司在信 息家电方面开展合作。今年1 月6 日，美国以惠而浦为代表的家用电器厂商宣布 了与思科( c i s c o ) 系统公司、太阳微系统公司合作生产与互联网相连的冰箱、灶具 等电器产品的计划，并在1 月6 日的拉斯维加斯的电子展上展出了样品，商业化 产品计划于今年1 1 月面世。日本n e c 、n t t 、日立制作所等厂商与一些大学在 通产省的协助下，正致力于开发一个以j a v a ( 网络编程语言) 为基础的网络家 电标准操作平台，以使各种不同的操作系统和微处理器都可以在该框架下自由地 进行信息传输交换。这种操作平台名为jv c o m 。p d a ( 个人数字助理) 、移 动电话、数码相机、电视机、电脑等设备，只要加上2 v c o m 软件平台，不管设 备上使用的是哪一种微处理器和操作系统，都可以进行信息交换。以j v c o m 中 间平台作为媒介，还能下载i n t e m e t 和卫星放送的信息，把影像信息传送到家电 上。在国内8 9 届广交会上海尔推出了“太空系列网络家电，共包括1 0 大系列 2 8 个品种。各种家电通过局域网连接，并连接到 n t e m e t 上。 1 4 开展本课题研究的意义及必要性 从以上三节内容的论述可以看出，远程监控与智能维护技术必将在信息时代 得到广泛的应用，它将成为制造业和信息家电中不可或缺的一部分。我国机械制 造企业众多，家用电器数量庞大，随着计算机网络技术的发展和应用，远程监控 与智能维护技术将具有十分广阔的市场。但是，我们也应看到，世界各国对于远 程监控与智能维护技术的研究才刚刚开始，虽然已经取得了一些令人鼓舞的成 就，但是大部分还是停留在概念及实验室阶段，离实际应用还有很大一段距离， 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 8 上海交通大学硕士攀位论文 第一章绪论 远程监控与智能维护系统的普及也将是一个长期的过程。而且，我国在这方面的 研究投入的人力和物力并不多，起步也晚，已经被欧美日本等发达国家落下了很 远，这种现状显然和我国的机械制造业规模、家用电器数量以及我国2 1 世纪在 世界经济中所处的地位极不相称。具有长远发展眼光的各科研单位以及各制造企 业应该密切配合，共同努力，力争使我国在该领域占有一席之地。 1 5 本课题的研究内容 本课题的研究内容包括下列方面： 夺远程监控及智能维护思想在数控加工领域和信息家电领域的应用思路、 应用模型的研究 冷远程监控系统中的关键部件一嵌入式网络接口模块一的功能设计、技术 路线和软硬件设计 远程监控及智能维护思想在数控加工领域的应用研究一基于开放式控 制器的c n c 铣床远程监控系统 远程监控及智能维护思想在信息家电领域的应用研究一洗衣机远程监 控系统 1 6 本章小结 本章阐述了远程监控与智能维护的主要内容、相关概念、现有的技术基础、 研究现状、进行相关研究的意义及必要性，最后介绍了本研究课题的研究内容。 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 9 上海交通大掌硕士掌位论文 第二章远程监控及智能维护在工程应用中的理论化研究 第二章远程监控及 智能维护在工程应用中的理论化研究 一个企业若想在2 1 世纪的竞争中立于不败之地，就必须考虑产品和制造的 未来发展趋势是什么，以及如何在未来的竞争中对产品和制造引入新的思路和方 法。所有这些考虑中的最重要的一点就是傲到前瞻性，即提前预测到设备将要发 生的故障并及时做出维修维护方案，做到防患于未然。由这种思想外延就产生了 产品和制造业的智能维护的理论。本章首先对未来的产品和制造业的发展按照过 去和现在的发展趋势做出一个预测，在此基础上引出智能维护的理论思想及应用 思路，在本章的最后给出了现代远程监控及智能维护思想在制造业和信息家电业 中的应用模型。 2 1 产品和制造业的演进及发展趋势 在过去几年中，基于i n t e r n e t 的网络技术已经加快了产品设计、制造和商业 流通的步伐。商业自动化正在迫使公司的运作方式从“工厂集成型转向链状管 理的“虚拟工厂 。为了获得高协作性的设计和制造环境而采用的技术进步基于 表2 - 1 产品和制造业的演进和创新发展趋势 2 7 】 t a b 2 1e v o l u t i o ni np r o d u c ti n n o v a t i o na n dm a n u f a c t u r i n g 1 9 8 0 1 9 9 019 9 0 - 2 0 0 02 0 0 0 - 2 0 1 0 p r o d u c t 3 c s ( c h i p 、c o m p u t e r 、 p r o d u c tt h a tt h i n kp r o d u c tt h a tl e a r n 、 f o c u sc o m m u n i c a t i o n l &a n d l i n k g r o w 、r e e o n f i g u r e i n t e l l i g e n tm e c h a t r o n i c s a n ds u s t a i n m a n u f a c t u r i n g f a c t o r ya u t o m a t i o n b u s i n e s s e - f a c t o r ya n d f o c u s ( f l e x i b i l i t y ) a u t o m a t i o ne - a u t o m a t i o n ( f l e x i b i l i t y ) i n n o v a t i o n m i c r o e l e c t r o n i c se m b e d d e d e - i n t e l l i g e n c e & c o m p u t i n gi n t e l l i g e n c e & s m a r ts y s t e m s n e t w a r e 多媒体类型的信息化工程工具和高可靠性的通信系统。该种系统使并发式工程设 计的分布式过程、制造过程的远程操纵和分布式生产系统的操纵成为可能。这种 转变依靠基于“e 工厂和e 自动化的下一代制造思想的提出。这种“e 工厂和 e 自动化 以信息为基础使事件的发生过程在全球范围内协作进行。在全球范围 内的市场竞争中质量不再是一个追求的目标，而是一个首要必各的条件。此外， 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 1 0 上海交通大学硕士学位论文 第二章远程监控及智能维护在工程应用中的理论化研究 现代产品的复杂性大大增加了消费者对维护成本和产品生命周期价值的注意力。 一种着眼于对综合性产品设计、制造和服务进行“e 智能化管理的新思维模式 正在变成制造企业在2 1 世纪的竞争中的一个首要战略。表2 1 描述了产品和制 造业的演进和创新发展趋势。从这些发展趋势中得出的一个结论是市场领先的制 造组织必须在管理和生产实践中富有灵活性，并且拥有迅速设计和制造出无缺陷 产品的能力，以响应日益变化的世界市场的机遇和需要。 将来的制造企业需要一套中央智能系统来处理有关综合性设计、制造和服务 系统内部的商业性能问题。这套中央智能系统称为“5 p s ：p r e d i c t a b i l i t y ( 可预 测性) 、p r o d u c i b i l i t y ( 可生产性) 、p r o d u c t i v i t y ( 生产力) 、p o l l u t i o n p r e v e n t i o n ( 污染防治) 、p e r f o r m a n c e ( 性能) ( 见图2 1 1 2 7 】) ，当我们把集成商业系统作 为一种科学来对待时，我们就可对其进行比较准确的预测并采取最优化方法。有 了那样一个对制造企业的科学理解，我们就可着眼于为消费者提供完整的解决方 案并为产品生命周期的创新选择一个最适宜的过程。 罄鎏童宝 强调速度 解决方案 抽。一 强调服 务质量 图2 - 1 生产全过程的制造战略 f i g 2 - 1m a n u f a c t u r i n gs t r a t e g yo fp r o d u c t i o np r o c e s s 一种新的商业模式需要通过产品和服务创新来着眼于为客户提供解决方案。 对解决方案的关注允许我们不必采用解决问题的传统方法。解决方案需要对一个 完整的系统做出规划，而不仅仅是针对系统的一部分。我们必须对产品服务系统 进行创新从而为客户提供更好的解决方案。 那样一种判断能力为我们提供了一种新的产品服务形式以确保产品和操作 基于网络的设备远程监控及智能维护的研究 上海交通大学硕士掌位论文 第