（机械电子工程专业论文）基于labview的轧机实验台远程监测及故障诊断.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 设备的远程在线监测与故障诊断是一门综合学科技术，它融合了传感器技术、测量技 术、计算机数据传输技术、信号分析技术和故障诊断技术等多门技术，这种技术的广泛应 用，为现代企业的生产带来了巨大的效益。 本文的研究对象是一台轧机实验台，利用虚拟仪器软件，开发一套基于c s + b s 混合 数据传输结构的轧机实验台远程在线监测与远程故障诊断系统。主要内容为： 1 ) 采用图形语n g 语言代替以往采用文本语言v c + + 、c + + b u i l d e r 等来完成整套系统 程序的编写，图形化语言g 语言形象直观，给编程带来了很大的方便，没有了以前文本语 言的枯燥无味，大大提高了编程效率，而且整个操作系统界面人性化，操作方便，更容易 实现人机交互。 2 ) 由于c s 结构不能满足升级方便、维护简单的需要，而单一的b s 结构又不能满足 信号快速传输的需要，本文综合了两种结构的特点，开发出一套基于c s + b s 混合数据传 输结构的轧机实验台远程在线监测与远程故障诊断系统。既使企业内部的诊断专家能够 通过c s 结构在最短的时间内，以最快的速度分析出故障发生的原因和解决对策，又 使位于异地的专家通过b s 结构能够方便快捷地进入企业内部的故障诊断系统。 3 ) 针对轧机在轧制钢材时其轧制力周期性变化的特点，对其轧制力提出了一种触发 采集的方式，这种数据存储的方式不但能够保证采集数据的完整性，而且还大大节省了存 储空间，给企业降低了成本。 4 ) 采取两级报警的方式，报警的控制信号是s l n 力的最大值及主传动系统的振动速 度均方根值。绿色灯代表当前机器工作正常，黄色灯表示机器处于一级报警状态，红色灯表 示机器处于二级报警状态。 关键词：c s + b s 结构；触发采集；远程监测；信号分析；故障诊断 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e m o t eo n l i n em o n i t o r i n ga n dr e m o t ed i a g n o s i so fe q u i p m e n ti sam u l t i d i s c i p l i n a r y t e c h n o l o g y ，i tc r o s s e d t h es e n s o rt e c h n o l o g y ，m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rd a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，s i g n a la n a l y s i s ， f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g ya n do t h e rt e c h n o l o g y ， e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yf o rt h ep r o d u c t i o no ft h em o d e r ne n t e r p r i s eh a sb r o u g h t h u g eb e n e f i t s t h i so b j e c to fs t u d yi sat e s tb e dm i l l ，u s i n gv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ed e v e l o pas y s t e mo f t h em i l lt e s td a t ar e m o t eo n l i n em o n i t o r i n ga n dr e m o t ef a u l td i a g n o s i sb a s e do n as e to fc s + b sm i x e ds t r u c t u r e t 1 l em a i nc o n t e n t sa r e ： 1 ) t h ep a p e ru s eg r a p h i c a ll a n g u a g egl a n g u a g et oc o m p l e t et h ee n t i r es y s t e mi n s t e a do f t h ep r e v i o u su s eo ft e x tl a n g u a g el i k ev c + + ，c + + b u i l d e r ，e t c g r a p h i cl a n g u a g eg l a n g u a g ei sv i s u a li m a g e ，s ot h a tp r o g r a m m i n gi sab i gc o n v e n i e n c e ，t h e r ei sn op r e v i o u st e x t b o r i n gl a n g u a g e ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h ep r o g r a m m i n ge f f i c i e n c y ，a n dt h ew h o l eo p e r a t i n gs y s t e m u s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yt oo p e r a t e ，e a s i e rt oa c h i e v eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n 2 ) s i n c ec ss t r u c t u r ec a nn o tm e e tt h en e e dt h ee a s i l yu p 野a d e 、s i m p l em a i n t e n a n c e ，t h e s i n g l eb | ss t r u c t u r ec a nn o tm e e tt h en e e d so fr a p i dt r a n s m i s s i o no fs i g n a l s ，t h i sa r t i c l e c o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i e so f t w os t r u c t u r e s ，d e v e l o p e das e to fr e m o t eo n l i n em o n i t o r i n ga n d r e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nc s + b sm i x i n gm i l lt e s td a t at r a n s m i s s i o n s t r u c t u r eoe v e ni ft h ed i a g n o s i so r e x p e r t sw i t h i nt h ee n t e r p r i s et h r o u g hc | ss t r u c t u r ei nt h e s h o r t e s tp o s s i b l et i m e ，t h ef a s t e s ts p e e do ft h ef a u l tc a u s e sa n ds o l u t i o n s ，a n dt h es p e c i a l i s t si n d i f f e r e n tp l a c e sb ss t r u c t u r ec a ne a s i l ya n dq u i c k l yi n t ot h ei n t e r n a lf a u l td i a g n o s i ss y s t e m 3 ) r o l l e ds t e e lr o l l i n gm i l lm a c h i n e r yi nt h ec y c l i c a lc h a n g e sw h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f r o l l i n gf o r c e ，r o l l i n gf o r c eo f i t sp r o p o s e da c q u i s i t i o no fa t r i g g e rm o d e ，t h i sd a t as t o r a g em e t h o d c a nn o to n l yg u a r a n t e et h ei n t e g r i t yo fd a t ac o l l e c t i o n ，b u ta l s os i g n i f i c a n ts a v i n g si ns t o r a g e s p a c e ，r e d u c et h ec o s tt ot h ee n t e r p r i s e 4 ) t a k e st w oa l a l n l ，t h ea l a l t no b j e c ti st h em a x i m u mr o l l i n gf o r c e ，t h em a i nd r i v eo ft h e v i b r a t i o nv e l o c i t yr m s g r e e nl i g h tm e a n st h ec u r r e n tm a c h i n ew o r k i n gp r o p e r l y t h ey e l l o w l i g h ti n d i c a t e st h a tt h e m a c h i n ei si na na l a r mc o n d i t i o n ，r e dl i g h ti n d i c a t e st h a tt h em a c h i n ei si n t h es e c o n d a r ya l a l t n k e y w o r d s c s + b sm o d e ：t h ea c q u i s i t i o no f t r i g g e r ；r e m o t em o n i t o r i n g ：s i g n a la n a l y s i s ； f a u l td i a g n o s i s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 绪论 随着现代测量技术、计算机通讯技术和信号分析技术的不断发展进步，对大型设备 的远程在线监测变得更为可靠，对设备的远程故障诊断变得更为准确。现代化机械设备外 形比以前更大、依赖人工操作程度更低、设备的运转速度更快和设备结构更复杂，使得设 备的远程故障诊断比以前也更复杂。传统的故障诊断机制，如事后维修、定期检查维修已 变得不能满足现代生产的需要。 大型机械的状态监测和故障诊断一直以来是国内外学者研究的重要课题，目的就是确 保设备的安全运行、高效生产、降低生产成本。在此背景下，机械设备的远程在线监测， 设备的远程故障诊断应运而生。 设备远程监测和故障诊断是一门综合性极强的学科【l 】，主要针对的是一些远程大型设 备。近年来，随着工业领域对设备安全性、稳定性、寿命的要求越来越高，依靠传统人工 的在线监测诊断方式越来越不适应。基于传感器、计算机、网络通信、信号分析处理、智 能故障诊断等技术的远程在线那监测与故障诊断方法【2 3 】得到了快速发展，使设备的状态监 测及故障诊断变的越来越方便、快捷、高效、准确、可靠。 轧钢机械的远程在线监测及远程故障诊断系统的研究和应用【4 】，对我国在国民经济总 值中占有重要比重的钢铁行业有着重要的意义，可以真正地实现无人值守机械，生产成本 越来越低，生产效率越来越高。 1 1国内外设备远程监测与故障诊断的研究现状及发展趋势 基于网络的远程诊断研究工作最先是从医学领域开始的。上世纪5 0 年代末，美国学 w i t t s o n 首先将双向电视系统用于医疗，这被认为是最初的远程诊断。自上世纪8 0 年代后 期，美国和西欧国家的远程医学系统发展速度很快，联系方式一般是通过卫星和综合业务 数据网( i s d n ) 。1 9 8 8 年开放式远程医疗系统的概念在美国提出，同时美国学者还指出， 远程医学系统应包括远程诊断、信息服务和远程教育等诸多功能。1 9 9 6 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 光片等病人临床检查结果送到州中心医院诊断。这样，病人在任何 一家联网的乡村小医院就诊都能得到专家级的诊断【5 j 。 工业领域的设备状态监测与故障诊断工作起步较晚，进展相对较慢。其发展历程，大 致经过了人工离线监测与诊断方式、单机集中式在线线监测与诊断方式、分布式在线监测 与诊断方式和远程在线监测与诊断方式。起初的监测诊断系统是针对某被检测机器而设 计的，它是一种封闭式的系统，信息的交流与处理限于监测系统内部，这就是单机监测诊 断系统，可以认为这是第一代的监测诊断系统。接着出现了针对大型机电设备的分布式监 测诊断系统，它针对大型机械设备主机和多辅机功能分布和地域分布的特点，通过工业局 域网把分布于各个局部现场、独立完成特定功能的本地计算机互联起来，形成工业计算机 网络系统，以达到资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理及诊断目的，这是基 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 于工业局域网的相对开放的系统，监测信息的交流预处理在局域网内部进行，大型机电设 备的分布式监测诊断系统是第二代的监测诊断系统。随着计算机技术，网络通讯技术，信 号分析与故障诊断技术的发展，在加上现在企业内部机械设备领域内故障诊断技术人员比 较少，设备发生故障时专家人员因地理等方面的原因又不能及时赶赴现场，这使得远程在 线监测与故障诊断技术得到了一个前所未有的发展机会。 1 9 9 7 年1 月，美国斯坦福大学和麻省理工学院联合举办首届基于i n t e r n e t 的工业远 程诊断研讨会，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。该项工作得到了制造业、计算机业和仪 器仪表业的b o e i n g 、f o r d 、s e a g a t e 、i n t e l 、s u n 、和h p 等1 2 家大公司的支持和通力合 作，很快建立起了一个远程诊断示范体系t e s t b e d 。近年来，美国西屋公司、美国南部电 力公司，i n l a n d 钢铁公司、q u a n t u m 化工公司、b e n t l y 公司等均发展了各自的状态监测诊 断网络。特别是b e n t l y 公司在其最新的监测系统s y s t e m l 中融进了基于网络的远程监测 诊断与管理模式。最近澳大利亚联邦科技与工业研究组织( c s i r o ) 将远程诊断纳入“智 能制造系统计划面向2 1 世纪的全球制造 项目的重要研究内容之一。美国波音公司、 通用电器公司也已经将远程诊断技术应用到生产实际中，取得了巨大的经济效益。远程监 测诊断网络系统可以认为是第三代设备状态监测与故障诊断系统 6 1 。 最近几年来，远程在线监测及故障诊断技术在部分高校和大型企业得到了快速的研究 与实际应用。 远程诊断技术是在分布式技术和网络技术上发展起来的。远程诊断系统实际上是一个 通过计算机网络与专用通信设备连接起来的一个分布式监测与集中型诊断系统，它可以同 时将多个企业或分厂( 车间) 的设备监测数据集中到远程诊断中心进行统一管理、控制和 诊断。随着科技的进步，尤其是传感器技术、信号处理技术以及计算机软硬件技术的发展， 也随着市场经济使企业之间竞争的进一步白热化以及计算机网络技术和通信技术的发展， 特别是i n t e r n e t 技术的发展，信息高速公路的开通，推动了远程诊断技术的产生与广泛 应用。越来越多的企业领导和有识之士逐步认识到推行设备预知维修工程、采用现代设备 故障诊断技术，对于降低企业生产成本、提高企业设备综合利用率和提高企业综合经济效 益，有着十分重要的现实意义。 一套完整的设备远程在线监测与故障诊断系统一般主要包括：原始数据的采集、数据 的存储和网络实时传输、状态在线监测、状态报警、信号分析、故障诊断与设备状态的趋 势预测。 1 数据采集方面，数据采集系统的速度和精度，决定了系统采集性能的好坏。在能够 保证精度的基础之上，为了满足实时控制、实时处理和实时采集对速度的要求【3 】，要尽可 能地提高采样速度。 这里所说的实时性系统，是一种“实时反应 系统，而不是我们所说的运行速度极快 的系统。一般多用户多任务操作系统，比如w i n d o w s ，u n i x 等，多为非实时系统，而这一 般所谓的非实时性的操作系统的运行结构，由于c p u 速度快，尽管其中没有特殊的算法来 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 支持实时性，在其上执行的软件也都一起分享c p u ，但我们感觉好像也可以是同时执行多 个软件，所以不会感觉软件并不是一段一段在执行。为了满足在信号采集时的实时性和可 靠性，在系统的设计过程中引入了嵌入式系统。1 9 7 1 年，嵌入式系统兴起，最开始是一个 四位处理器，由i n t d 公司推出，接着德州仪器( t i ) 与国家半导体( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 公司也相应推出了各自的4 位微处理器，后来就慢慢发展到了8 位，1 6 位，3 2 位微处理 器，随着微处理器功能的强大，各种嵌入式系统也得到了广泛应用，空调设备，电磁炉， 汽车的刹车系统等都应用了这门技术。 嵌入式系统【7 8 】能够满足我们生产和生活中对它专用性要求比较强、实时性要求好、可 裁剪性要求好、可靠性要求高、能量消耗要求低等特点，那些专用计算机系统对功能、可 靠性等有严格要求的均适合，可以充分地把嵌入式处理器功能强大的通信能力和数据处理 能力应用到设备的监控系统中。 2 数据传输方面，可以通过网络进行数据传输。而网络传输经常采用的架构有c s 模 型【9 】和b s 模型1 0 】。c s ( 客户端朋艮务器) 技术从二十世纪末出现到今天，最早在美国b o r l a n d 公司研发和应用，其结构经历了二层c s 、三层c s 的更迭，技术也已经发展的相当成熟 了。但在应用c s 结构时，开发者必须有较高的技术水平。程序之外的一些问题，要求开 发者必须投入大量的时间和精力去解决。在c s 结构中，客户端软件对操作系统的依赖性 比较强，而且这些操作系统更新十分快，这使得应用程序的维护、移植和互操作变得复杂。 c s 结构通过专用服务器，在小范围的网络环境、专用的网络上，提供数据交换和连接服 务。 针对网络用户来说，这种c s 结构就比较复杂，还要在客户端上安装相应的应用软件 才能实现，于是就诞生了一种新的结构b s 结构。 三层结构的b s ( 浏览器h i 务器) 结构，是美国微软公司研发，它是随着i n t e m e t 技术 的兴起，对c s 结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，应用者的工作界面，是 通过访问网络浏览器来实现的，在服务器端来实现其主要事务逻辑，在f i i 端有很少部分事 务逻辑去实现。这种结构的优点是：减轻了系统升级的成本，减少了系统维护的工作量， 大大降低了客户端电脑载荷，总成本也大大减少了。目前来看，相对易于把握、成本也较 低的结构，就是建立浏览器h i 务器结构的网络应用，并通过因特网来进行数据库的访问。 这种方式使得数据库服务器安全，也能很好地管理数据库的访问权和数据平台。 3 随着传感器技术，计算机技术的发展，状态监测的形式也是多样化，由传统的测点 监测，整个机组监测发展到现在的全线监测。所谓全线监测就是对整个机组实施多测点， 全方位，全天候的检测，这样一来，机器的运行状态就可以全面掌握。在线监测系统，除 了对运转中的机械设备状态进行有效地监测外，还要对相应的测点数据超过设备正常状态 值的部分实行分级报警。 4 随着机械设备的高度复杂化和电子化，设备的信号分析处理技术，一直以来是科研 技术人员攻坚的重点和难点。对信号的分析处理方法分为常规分析方法，有在时域中的分 析方法，有在频域中的分析方法和在幅值域中的分析方法等；现代分析方法，如基于形态 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 小波【1 1 】的轴承故障诊断分析方法，基于谐波小波【1 2 】分析的共振解调分析方法等，基于时i h j j 芋列 1 3 】分析的齿轮故障诊断分析方法，小波分析方法，是种时一频分析方法，它是在傅 咀叶变换分析的壮础之上演变而米的，由j ：它的独特优势，使得小波分析在信号的分析与 处理中占据着越来越重要的地位。 在人工智能诊断方面，常有的分析方法有基于故障树的故障诊断方法【1 4 , 1 5 , 1 6 故障诊断 方法，有基于模糊数学的故障诊断方法【竹，18 1 ，有基于专家系统的故障诊断方法【1 9 ，2 0 1 ，有基 于神经网络的故障诊断方法【2 ，近些年来，神经网络以其独特的容错能力好、联想丰富、 推测准确、记忆能力强、自适应能力好和处理复杂多结构等一系列的优点，在设备的故障 诊断领域里面，引起了许多专家学者和科研人员的研究热潮。 5 除了对设备进行有效的在线监测，对故障信息进行准确的分析和处理外，还应对 设备的状态进行一个趋势评估和预测，目的是保证设备在不出故障的情况下运转。趋势预 测在很多领域罩得到了应用，如每年年术对第二年或者是未来数年内的经济发展状况进行 预测，对一个大型机械，可以对振动数据进行分析，通过逼近预测设备可能发生故障的时 间，来安排维修人员适时进行检修，确保设备在运转情况下不发生故障。对某一个具体的 设备，可以采用基于多特征值的趋势预测和多参数的趋势预测。 1 2 本课题的研究内容，研究目标和待解决的关键问题 武汉科技大学冶金设备研究所一直致力于冶金设备的远程在线监测与故障诊断方面 的研究。该研究所于2 0 0 0 年初，利刚现有闲置的减速机和一台轧机建立了一个轧机实验 台。建立本实验台，其目的一是供本科生、研究生进行传感器、测量技术等课程实验使用； 另一目的是作为实用型远程在线监测和故障诊断应用软件，r 发的中试基地，使之成为外界 了解冶金设备研究所研究领域和进展的一个窗口，并将研究成果应用到企业的实际生产中 去，为企业的安全生产提供保障。 图1 轧机实验台装置 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 1 2 1 研究的内容 1 ) 本课题以传感器技术、信号测量技术、网络实时数据传输技术，数据库建立与管 理技术，网络服务器技术，信号分析及处理和智能故障诊断技术为基础，运用虚拟仪器软 件开发一套基于轧机实验台并能在工程中得到运用的远程在线监测与智能故障诊断软件 系统。 2 ) 系统在硬件上由嵌入式信号测量统、在线监测模块、报警装置，网关模块、网络服 务器，数据库服务器及远程故障诊断计算机等组成，在软件功能上主要由四个子系统：设备 状态远程在线监测子系统、数据库建立与管理服务子系统、网络传输服务器子系统、故障 诊断与趋势预测分析子系统组成。 在网络条件允许的条件下，用户可以通过万维网浏览器，来访问远程在线监测和故障 诊断系统页面。内外网络间通过防火墙技术隔开以保证数据安全。该系统主要完成对设备 运转状态进行数据采集、网络实时传输、信号特征值显示、超常状态报警、采样数据的保 存、信号分析处理、数据库管理操作和故障诊断等任务。数据库管理服务器子系统的任务 主要是，接受、处理和保存各个现场安置的数据采集站发送的各路信号数据，通过程序处 理，将采集的原始数据放入原始信号缓存区，将经过处理过的信号存入历史数据库。万维 网网络服务器子系统，为我们提供网络传输服务，它是设立在因特网上的服务站点。系统 采用b s 结构来进行工作，所有状态监测模块、报警模块、信号分析处理模块都放在网络 服务器上，在本系统的主页通过用户名和口令形式进入系统界面。为了满足企业内部工作 人员的需要，可以通过建立c s 结构进行数据访问。 3 ) 实时在线监测功能的实现本系统利用n i 公司开发的图形化编程语言( g 语言) ， 来编写实时在线监测程序。程序每隔一定的时问就读取数据库服务器上当前采集到的数 据，数据经过在线监测模块中的信号分析处理程序予以分析处理，最后以各种图形的形式 和虚拟仪表的统计值等形式显示在动态网页中，从而实现实时在线监测功能。 4 ) 故障诊断功能的实现具体的各种故障诊断结构采用功能强大的虚拟仪器软件的 信号分析模块来进行编程处理。 1 2 2 研究目标 把数据测量技术、嵌入式技术，信号分析技术、故障诊断技术和虚拟仪器技术通过u m l 技术有机地结合成一个整体，并借助网络通讯技术和数据库技术，运用虚拟仪器软件刀：发 工具开发一套基于c s + b s 混合结构的状态远程在线监测和远程故障诊断软件系统，并将 它应用到本轧机实验台上。 1 2 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) 嵌入式信号采集方案。 ( 2 ) 数据的实时传输技术。 ( 3 ) 整个系统结构设计的合理性。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 故障诊断方式的算法设计。 1 3 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案 本课题将理论知识研究、实验研究和工程实践相结合，具体的研究方法如下： ( 1 ) 按照轧机实验台远程监测及故障诊断方案的要求，结合工程实际设计一套合理、 可行的软件系统框图。 ( 2 ) 将轧机在生产中常用零部件的故障特征频率进行统计和分析，以便确定算法的 设计； ( 3 ) 运用图形化编程语言( g 语言) 来开发实现信号的分析与处理的系统。 ( 4 ) 设计出来的系统用于轧机实验台进行检测。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 基于虚拟仪器软件的轧机实验台远程监测及故障诊断系统的技术实现 由于因特网传输速率高，同样还具有较强的开放性，组网非常方便，易于与其他网络 进行互联等优点，通过因特网组建轧机实验台的远程在线监测系统，同以往采用的单个计 算机对少数几个测点进行监测方式相比，不仅监测范围大大提高，在这种结构下，即使各 台计算机位于不同的网络类型中，也可以很方便的让这些计算机彼此间进行无缝链接，这 样各台计算机就能共享网络中浩瀚的资源，也极大地方便了企业生产现场和与相关职能部 门之间的通信，从而使各职能部门更有效、方便、快捷地作出决策调度等。还可以通过这 一网络，加强企业同国内外的先进科研机构和企业之间的交流，也有利于专家对故障远程 诊断的实现。 远程故障诊断技术是一门综合学科技术，它集合专家系统、人工智能、应用电子技术、 信号分析处理技术、计算机网络通讯技术和设备故障诊断技术等多门学科于一体。远程诊 断是专家在异地通过网络对远程的设备进行监测，并通过监测所得到的数据进行相关故障 分析、诊断和趋势预测。随着网络技术的不断发展，基于因特尔网络的远程诊断系统【2 2 2 3 】 在不同行业得到了广泛地关注。在该系统研究过程中，利用图形化编程语占( g 语言) 的 编程优势，建立了一套完整的基于因特网的，轧机实验台远程在线监测与远程故障诊断系 统。 设备的远程在线监测及远程故障诊断技术的应用，可以带来以下优点： 第一，有了远程故障诊断技术，多位专家就可以在异地对设备进行故障诊断，对故 障诊断准确率的提高有很大的帮助。 第二，采用现代网络通讯技术，数据实时传输技术，对机械的状态信息实时掌握，客 户可以通过网络，这样就摆脱了距离的束缚，在异地登陆网页，查看设备的运行状态，通 过对信号的分析诊断，提前对设备予以维修，以免影响企业的正常生产，这样可以避免由 设备故障引起的重大事故的发生。 第三，由于远程故障诊断系统对数据格式必须统一的要求，这样一来统一的数据库就 应运而生，从而使得诊断数据和诊断知识，能够在大范围内共享。 第四，其良好的可扩展性，使该系统在任何范围内均可以实现。 2 1 什么是虚拟仪器软件 l 虚拟仪器软件是一种图形化编程语言。与传统的枯燥乏味的文本编程语言相比，图形 化编程语言( g 语言) 更简单易学，更形象直观。而虚拟仪器软件编程方式是采用的数据 流，数据的执行顺序取决于程序框图各个节点之间的数据流向。函数用形象的图标表示， 程序中的语句执行顺序依照数据流的流向。 2 1 1 虚拟仪器软件的特点 虚拟仪器软件和其它的文本编程语言相比较，有以下几个显著的特点： 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 便捷快速的程序设计 ( 2 ) 强大的图形显示能力、范围广泛的高级数学分析库 ( 3 ) 适用领域众多 2 1 2 虚拟仪器软件的作用 虚拟仪器软件的优势领域在自动化，测量和控制等领域，它提供了相当多的控件与函 数，应用于对现场数据的采集，数据的分析和数据的存储。虚拟仪器软件被广泛的应用于 交通工具的生产、电子产品生产、过程测量与控制和生物医学测量与控制等各个领域，涵 盖了一件产品开发周期中的所有阶段。 2 1 3 选择虚拟仪器软件的原因 用虚拟仪器软件进行软件开发，其速度之快，是我们选择虚拟仪器软件来开发测控 应用程序的一大决定性因素。在一般情况下，使用图形化编程语言( g 语言) 开发应用系统 的速度，比使用其他一些文本编程语言要快许多倍。 虚拟仪器软件之所以有这么快的软件编程周期，它的突出优势主要体现在一下几点。 ( 1 图形控件比较丰富，而该软件本身也是采用图形化的编程方法，比文本编程工具 简单易学、形象直观。 ( 2 ) 软件内建的编译器可以使用户如果在编程过程中有语法错误，可以立即提醒。 ( 3 ) 能够实现自动的多线程。 ( 4 ) 内部带有很多接口，可以很容易实现与其他编程语言混合编程。 ( 5 ) e x e ，安装包或动态链接库可以通过应用程序生成器轻松地发布。 ( 6 ) 提供了大量的驱动程序，几乎可以喝任何借口的硬件轻松通信。 ( 7 ) 提供了大量的数据分析和信号处理函数，使得对信号的分析与处理编程比较简单。 ( 8 ) 可以扩展虚拟仪器软件在其他一些领域中的应用，附加模块比较丰富。 2 2 远程在线监测及故障诊断系统的技术实现 2 2 1c s 结构简介 在因特网技术还不够成熟的时候，企业的机械设备远程在线监测和故远程障诊断系统 的建立，是基于c s 结构，c s ( 客户端朋艮务器) 技术【2 7 】从二十世纪末出现到今天，最早在 美国b o r l a n d 公司研发和应用，其结构经历了二层c s 2 4 1 、三层c s 1 2 5 】的更迭，技术也已 经发展的相当成熟了。但在应用c s 结构时，开发者必须有较高的技术水平，程序之外的 一些问题，要求开发者必须投入大量的时间去解决。在c s 结构中，客户端软件对操作系 统的依赖性比较强，而且这些操作系统更新十分快。c s 结构通过专用服务器，在小范围 的网络环境、专用的网络上，提供数据交换和连接服务【4 2 1 。其结构图如图2 1 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 i 客户 图2 1c s 结构示意图 c s 结构的优点： 1 响应速度比较快。 2 操作界面更具有个性化。 3 c s 结构能实现比较复杂的流程。 这些优点易于满足客户的要求，只要安装相应的应用软件就可以使用。 但c s 结构也有他的缺点： 1 在客户端需要安装相应的操作程序。 2 机构的兼容性比较差，在不同的软件开发平台上，有较大的限制。 3 对开发软件的技术人员有很高的技术水平要求。 2 2 2b s 结构简介 针对网络用户来说，这种c s 结构就比较复杂，还要在客户端上安装相应的应用软件 才能实现，于是就诞生了一种新的结构b s 结构。 b s 结构( b r o w s e r s e r v e r 结构) 2 6 】即浏览器和服务器结构。在这种结构下， 应用者的工作界面，是通过访问网络浏览器来实现的，在服务器端来实现其主要事务 逻辑，在前端有很少部分事务逻辑去实现。这种结构的优点是：减轻了系统升级的成本， 减少了系统维护的工作量，大大降低了客户端电脑载荷，总成本也大大减少了。目前来看， 相对易于把握、成本也较低的结构，就是建立浏览器j j 及务器结构的网络应用，并通过因特 网来进行数据库的访问。这种方式使得数据库服务器安全，也f l , - t l i l 好地管理数据库的访问 权和数据平纠4 3 1 。其结构图如图2 2 ： 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 v v c v ，姒啪p 同小 r 姒晒闱小 l l r 数据库服务器 浏览器 i w e b 服务器 i il 1 i i li j l ；z ：f 客户应用层i应用服务层i 数据中心层 ii 图2 2b s 结构示意图 b s 结构的特点如下 ( 1 ) 软件的更新和维护比较简单。 ( 2 ) b s 结构成本大大降低，选择方式也更多。 2 2 3c s 与b s 的区别 客户端服务器结构是建立在l a n ( l o c a l 觚an e r o ) 基础上的，浏览器服务器 结构是建立在w a n ( w i d e 觚an e 帆o r k ) 基础上的。 1 两种结构的硬件环境不同 相比建立在专用网络上的c s 结构而占，b s 结构有着更强的适应范围，只需在有操 作系统和浏览器的环境中就可以。 2 对安全性提出的要求不同 一般面向固定的用户群的c s 结构，在对信息安全的控制能力方面，比面向的是不可 知用户群的b s 结构要强。 3 软件重用不同和对程序架构不同 4 用户间接口不同和系统的维护不同 c s 程序升级较难，b s 结构使系统维护开销降到最小。 5 信息流不同和处理问题不同 c s 结构相对于b s 结构，其交互性相对较低。b s 相对于c s 来说，对操作系统的 依赖关系最小。 2 2 4c s + b s 混合传输结构 对轧机进行远程在线监测和故障诊断是一个比较复杂的工作，为了对企业的轧 机机组进行可靠的、全面的故障诊断，就需要一个庞大的诊断工作组，而这些诊断专 家可能来之不同的地方，这就对诊断网络的设计提出了比较高的要求。一方面，来自 企业内部的诊断专家，为了能使他们接触到核心的故障信息，并且要花费最短的时间， 用最快的速度，分析出故障发生的原因和相应的解决对策，这就对网络的可靠性、安 武汉科技大学硕士学位论文 第11 页 全性和快速性提出了要求；另一方面，位于异地的专家小组在对故障进行诊断的时候， 要求能够方便快捷的进入企业内部的故障诊断系统，这就对网络的便捷性提出了要 求。综合以上两点，在网络的设计上就采用c s 和b s 混合结构【27 1 ，在企业内部就 采用c s 结构，在企业外部就采用b s 结构。 目前，国i 为c s + b s 混合结构有两种【2 8 2 9 删，一种是在一套系统最下层设置一个无缝 集成的系统后台数据库作为各子系统的数据源同时支持两套数据系统；还有一种就是基于 w e b 技术和a j a x 技术分别为c s 和b s 结构下不同的客户端提供统一的服务器实现方式， 可以实现数据存储与操作的一体化。本文采用第一种方案，优点是实现了数据的统一管理， 可以满足不同的客户不同需要。 c s + b s 混合结构集结t c s 和b s 各自的有点，既包含了c s 交互性很强，安全性很高 的特点，也包含了b s 的客户端对操作系统依赖性小的特点，这种结构能实现信息相互交 流与共享。对于只有比较少的数据流量的、对交互性要求不是很高的、远程请求的、不要 求很高执行速度的功能则采用b s 结构；相反情况则采用c s 结构。整个网络的体系结构如 图2 3 所示。 企- 蚋删s 凰 一一一一一一一一一一一一一t i 二；毒二 ，r 量目焉飘 ；么黧三隰 2 ”隰 嵌入式数 据采集模 块 图2 3 系统的网络结构示意图 端 信1 一一一 号 分 析 引! 国i 故一； 一瓯溺 障! 攀鍪洋； 诊 远干l - ! b s 客厂1 端1 霁l 竺妻皇! 一_ 2 3 基于虚拟仪器软件的c s 结构 建立在c s 结构基础上的应用，其数据操作灵活性强、可靠性比较高、安全性比较好 及管理高效等特点，基于这些特点，客观上使越来越多的系统平台建设建立在这个结构基 础之上，图2 4 所示为企业内部c s 结构系统功能框架，不一样的客户端实施不相同的操作 来完成不同的作业。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 l l： f 统计查询 ：数据库管诊断知识 理 库 企业内部客户机端1 啜据嗣 服务器i 图2 4 企业内部c s 结构系统功能框架 本系统利用共享变量技术技术来实现c s 结构【4 5 】。虚拟仪器软件为了方便系统开发者， 简化网络编程过程，在软件里面建立了共享变量。通过对控件创建共享变量，可以使企业 内部用户在不同的计算机上的虚拟仪器之间、同一计算机的不同虚拟仪器之间进行数据交 换。共享变量传输方式为无损传输、低传输延迟和传输速率高等特点，使得虚拟仪器软件 与实时系统的通信变得非常简单。 2 3 1 创建与使用单个共享变量 在服务器端和客户机端都安装虚拟仪器软件，在服务器端创建一个共享变量名为 s v s e r v e rv 撕a b l e ，由服务器计算机上的一个虚拟仪器向该共享变量不间断地写入数据。 系统创建人员在客户机上创建一个共享变量名为s v c l i e l l tv 撕a b l e ，该共享变量的数据是 靠服务器端的计算机不停地提供的，同时在客户机上的一个虚拟仪器中不停地读取 s v c l i e l l tv a r i a b l e ，由此源源不断的获取服务器计算机上s v s e r v e rv a r i a b l e 的值。 共享变量必须存在于p r o j e c tl i b r 叫中。在p r o j e c te x p l o r e r 中右击m yc o m p e e r 或l v l i b 并选择n e w n 础l e 选项就会弹出如图2 5 所示的共享变量属性对话窗。在打开的对话框中 对各种属性值进行设置。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 嚣 裤 黜t _ t “ 簟 x 艚稳霉囊童 嗍i t v 礁椒 | i 1 4 口h 啦 1 ，j z e ，争 哼垂 【壁j 两叠 甄 图2 5 共享变量属性对话框 新建一个v 1 名为s v w r i t e r v i ，直接将p r o j i e c te x p l o r e r 的s v s e r v e r _ v a r i a b l e 拖到新建 的虚拟仪器程序框图中，右击该共享变量的图标，并选择“转换至写状态”选项将其转换 为“写”功能，这时候就可以向我们设置的共享变量中写入想要输入的数据了。程序框图 如下图2 6 所示： 图2 6 服务器端写入数据程序框图 运行该虚拟仪器以后，程序就会自动弹出一个共享变量d e p l o y l 拘对话框，这个对话框 中显示了我们设置的共享变量的部署信息，但是要注意的是共享变量只有在d e p l o y 后才能 使用。 在客户机上创建s v c l i e n tv a r i a b l e 的创建方法和在服务器端的创建方式是一样的。其 中不同的地方是，在创建共享的时候，需要在图2 5 所示对话框中，选中“绑定到源 这 个复选框，使其与服务器端计算机上的s v s e r v e rv a r i a b l e 进行绑定。 创建好共享变量s v c l i e i l tv a r i a b l e 之后，将其拖到新建的一个虚拟仪器的程序框图中， 以便可以读出它的数据了，程序框图如图2 7 所示； 图2 7 客户端读取数据程序框图 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 2 多个共享变量的创建 本课题的共享变量数量很多，而且在一个f o r 循环中访问多个共享变量，手动配置很 麻烦，必须经过编程来实现共享变量的访问。 图2 8 自动创建多个所需的共享变景 首先通过a p p l i c a t i o n 的p r o j e c t o p e n 方法打开指定路径的v r o j e c t ；通过p r o j e c t 的r o o t 属性 获得其根对象a r o j e e c t r e m ；然后通过p r o j e c t i o n 的g e ta l ld e s c e n d e n t s 方法获得该p r o j e c t t g 的 l i b r a r y ；通过p r o j e c t l t e m 的a d d l t e m 方法添加共享变量；通过v a r i a b l e r e f e r e n c e 的v a r i a b l e 属 性节点对共享变量的各种属性进行设置，然后通过p r o j i e c t 的s a v e 方法保存p r o j i e e t 。 2 4 基于虚拟仪器软件的b s 结构 本文采用虚拟仪器软件软件w e b 发布方式来完成整个系统的b s 结构开发，该b s 系 统框架结构如下，远程客户端可以根据自己的需要选择不同的操作。 ：远程客户机端 t w e b 服务 l 器- j 数据库 服务器 图2 9 远程客户端b s 结构系统功能框架 2 4 1b s 结构进行网络发布的方式 对于系统开发者来说，让他们在一款软件最底层来进行网络编程是一件比较复杂的工 ，脯鞅上备传感器信息u一胤l轧机基举信息u 武汉科技大学硕士学位论文