（精密仪器及机械专业论文）基于组态王的旋转机械远程监控系统研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着信息化技术、网络化技术的迅速发展，企业对生产过程远程监控的要求 日益迫切，工业过程控制系统呈现出向网络化、集成化、节点智能化和分布化的 方向发展，基于以太网的远程监控系统成为工业过程控制系统的发展趋势之一。 转子作为大型旋转机械设备的主体部件，其工作状态直接反映了设备的运行情况。 本文以旋转机械为研究对象，结合工业现场旋转机械设备的状态特征及监控功能 要求，在多功能转子实验台上进行验证，完成了旋转机械远程监控系统的设计与 开发。 论文分析和比较了监控系统模式中b s 结构、c s 结构及其优缺点，选择采用 b s 体系结构和c s 体系结构相结合的工业以太网控制系统。通过分析旋转机械的 状态特征和转子实验台的工作情况，提出了远程监控系统的性能要求，确定了旋 转机械远程监控系统总体方案。确定组态王为终端界面的开发软件。 该远程监控系统由主机系统、从机系统和p x i 采集子系统组成。主机系统用 于监控设备的电机转速和环境温度，主要采用亚当a d a m 6 0 0 0 系列智能模块；从机 系统监控底座振动速度，主要采用亚当a d a m 4 0 0 0 系列智能模块；p x i 子系统专门 用于监测实验台底座的振动情况，采用p x i 数据采集模块。主机和从机之间通过 a d a m - 4 5 7 0 模块进行物理连接，实现基于以太网的远程监视和控制。主机系统中的 工控机同时担任整个网络系统的服务器，为远程i n t e r n e t 用户提供w e b 服务。 在控制终端采用组态王软件开发监控界面，实现远程监控。根据远程控制系 统的具体要求，选取电机转速、振动速度和环境温度作为监控界面显示参数，合 理安排画面布局及功能设置，建立上位机与下位机的通信连接，实现了包括监控 界面、趋势曲线、数据报表及报警等功能。并利用组态王的网络发布功能，实现 了工程画面在网络上的发布和远程浏览功能，i n t e r n e t 上的用户通过浏览器可动 态地了解现场的工作状况，方便企业的远程监视管理。 应用l a b v i e w 语言实现了振动速度信号的数据采集和存储功能，并对采集的 振动信号进行了时域滤波处理和频域频谱分析。该监测结果可返给组态王监控系 统，用于远程监控。 系统具备较好的可扩展性和设备的兼容性，对类似的系统有借鉴意义。 关键词：远程监控，组态王，旋转机械，以太网，b s 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi tt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e e n t e r p r i s e sr e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lp r o c e s sm o n i t o r i n gb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r a i n d u s t r i a l p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m i s d e v e l o p i n g t o w a r d sn e t w o r k ，i n t e g r a t i o n , i n t e l l i g e n c ea n dd i s t r i b u t e dd i r e c t i o n s ar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e de t h e m e ti s o n eo ft h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c i e so fi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ar o t o ri st h em a i np a r to fl a r g er o t a t i n gm a c h i n e r ye q u i p m e n t ，i t sr u n n i n gs t a t u s r e f l e c t st h ed e v i c es t a t u sd i r e c t l y 似【i n gr o t a t i n gm a c h i n e r ya sr e s e a r c ho b j e c t t h e t h e s i sd e s c r i b e sh o wt od e s i g na n dd e v e l o pt h er e m o t em o n i t o rs y s t e ma c c o r d i n gt ot h e s t a t u sc h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i n gm a c h i n e r ye q u i p m e n ta n di t sm o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t s ， a n de x p e r i m e n t sw i t hm u l t i f u n c t i o nr o t o rt e s tt a b l e a f t e ra n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft w os t r u c t u r e sc l i e n t s e r v e r a n db r o w e r s e r v e ri nm o n i t o r i n gs y s t e m , ae t h e r n e t b a s e dc o n t r o ls y s t e mo fb s s t r u c t u r ei s u s e d a c c o r d i n gt o t h es t a t u sc h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i n g m a c h i n e r y e q u i p m e n ta n dt h er o t o rt e s tt a b l e ，t h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rr e m o t em o n i t o r s y s t e ma r es u g g e s t e d t h es o l u t i o no ft h er e m o t em o n i t o rs y s t e ms t r u c t u r ei sa d o p t e d k i n g v i e ws o f i w a r ei su s e da st h et o o lt od e v e l o pt h em o n i t o ri n t e r f a c e t h er e m o t em o n i t o rs y s t e mo fr o t a t i n gm a c h i n e r ym a d eu po fh o s ts u b s y s t e m , s e c o n d a r ys u b s y s t e ma n dp x is u b s y s t e mi sd e v e l o p e dw i t ha d a m 6 0 0 0m o d u l e s a d a m 4 0 0 0m o d u l e sa n dp x im o d u l e s t h eh o s ts u b s y s t e mi su s e dt om o n i t o rt h e e q u i p m e n t sm o t o rs p e e da n dt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e t h es e c o n d a r ys u b s y s t e mi s u s e dt om o n i t o rt h ev i b r a t i o n p x is u b s y s t e mi su s e dt om o n i t o rt h ev i b r a t i o no ft h e r o t o rt e s tt a b l es p e c i a l l y t h eh o s ts u b s y s t e mi sc o n n e c t e dw i t ht h es e c o n d a r ys u b s y s t e m b ya d a m 4 5 7 0m o d u l e t h e r e b yt h es y s t e mr e a l i z e sr e m o t em o n i t o r i n gb a s e de t h e r n e t i p c 6l0o ft h eh o s ts u b s y s t e ma l s op l a y st h er o l ea st h ew e bs e r v e r , a n dp r o v i d e st h e 但bs e r v e rf o r t h er e m o t ei n t e r n e tu s e r sa tt h es a m et i m e k i n g v i e ws o f t w a r ei su s e dt os t r u c t u r et h et e r m i n a li n t e r f a c es y s t e m i tr e a l i z e st h e r e m o t em o n i t o rf u n c t i o n t h em o t o rs p e e d v i b r a t i o na n de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea r e s e l e c t e da sd i s p l a yp a r a m e t e r so nt h em o n i t o ri n t e r f a c e ，a n dt h em o n i t o rp i c t u r e sa n dt h e f u n c t i o n sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o l l e ra n d t h em a c h i n ec a nc o m m u n i c a t et h r o u g ht h en e t w o r k t h em o n i t o rs y s t e mr e a l i z e st h e s e f u n c t i o n ss u c ha sm o n i t o ri n t e r f a c e ，t r e n dc u r v e ，d a t ar e p o r t ，a u t o a l a r me t c f i n a l l y , t h e s y s t e m , w h i c hm a k e su s eo fn e t w o r ki s s u a n c et e c h n o l o g yo fk i n g v i e w , i s s u e st h e p r o j e c tp i c t u r e so ni n t e r n e t ，a n dt h eu s e r sc a nr e m o t e l yb r o w s et h es y s t e m t h r o u g ht h i s w a y , t h em a n a g e m e n t sc a nc o n v e n i e n t l yk n o w t h eo p e r a t i n gs c e n e ，a n do p e r a t et h em a i n o ni n t e r n e t p x is u b s y s t e mc a nr e a l i z ev i b r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t as t o r a g eb yu s i n g l a b v i e ws o f t w a r e 。i ta l s or e a l i z e st h ea n a l y s i sa n dp r o c e s so fv i b r a t i o ns i g n a l ， i n c l u d i n gf i l t e rp r o c e s si nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i si nf r e q u e n c y h 湖北工业大学硕士学位论文 d o m a i n t h ea n a l y s i sr e s u l t sc a nb er e t u r n e dt ot h ek i n g v i e wm o n i t o rs y s t e mf o r r e m o t em o n i t o r i n g t h er e m o t em o n i t o rs y s t e mh a sg o o de x t e n d a b l ea n dc o m p a t i b i l i t y i tc a nb eu s e d f o rr e f e r e n c et ot h es i m i l a rs y s t e m k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r ，k i n g v i e w ，r o t a t i n gm a c h i n e r y ，e t h e r n e t ，b s i i i 潮咖二案火謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：年月 日 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，即：学校有权保留 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 权湖北工业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。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 指导教师签名：厶巧7 夕1 厂 日期：，年厂月，j 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于： 1 ) 湖北省自然科学基金项目基于相位的旋转机械振动的主动控制理论与 控制装置设计( 编号：2 0 0 8 c d b 2 9 3 ) ； 2 ) 国家自然科学基金项目基于无监督学习的未知异常状态监测与故障诊 断方法研究( 编号：5 0 3 7 5 0 4 7 ) ； 3 ) 湖北省自然科学基金项目基于数据挖掘的故障特征识别与趋势预测理 论与方法研究( 编号：2 0 0 6 a b a 0 3 2 ) ； 1 1 2 课题的研究目的和意义 随着现代大工业的发展，大型、小型的旋转机械设备的应用范围越来越广泛， 世界上9 6 以上的机械靠旋转来产生动力，靠旋转来工作。许多大型旋转机械是石 化、电力、冶金、煤炭、核能等行业中的关键设备( 如：离心泵、电动机、发动 机、发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机等) ，它们以转子及其它回转部件作为工作 的主体，是企业的核心设备，一旦发生事故，将造成巨大损失。因此旋转机械设 备的监测和控制己成为安全生产和保障企业经济效益的关键措施。采用计算机对 这些设备实施在线状态监测和故障诊断技术，不仅能及时了解设备当前的工作状 况，进行报警监测，还可以将设备各种工作状态下的数据、信息进行存储、管理 和分析，实现故障预报和早期诊断，保证设备的安全、可靠运行u 。5 1 。 信息化和网络化技术的迅猛发展，极大地推动了企业管理的现代化和科学化 进程，企业的信息化己成为衡量企业管理先进水平的重要标志。全国大多数大型 企业内部都建设好了自己的内部网络即i n t r a n e t ，在此基础上建立一套生产监控 平台实施先进的控制策略和操作优化。远程监控对提供反映生产过程状态的实时 信息有着非常重大的意义。这些实时信息来自生产现场的d c s 、p l c 和各种仪器仪 表等测量和控制设备。各职能部门可通过平台支持的生产数据浏览和分析工具， 对大量的过程数据进行各种统计分析，为生产计划、调度和决策提供依据。因此， 湖北工业大学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 工n t r a n e t 的生产监控半台要担当联系各控制系统的桥梁，并且要 结合i n t e r n e t i n t r a n e t 的特点，成为生产信息和控制信息的集成和w e b 发布的 媒体。另外，构建基于b s 结构的实时监控网络系统，还能很方便的扩展网络的 其他通用功能，比如企业内部b b s ，邮件服务器等睁圳。 随着数字化经济时代步伐，全球数字环境的范围正不断扩大，而以数字化环 境来协助生产管理和决策的企业将获得更多的机遇。i n t e r n e t i n t r a n e t 将成为未 来最有发展前途的信息传播媒体，实现工业生产和i n t e r n e t i n t r a n e t 的完美结 合，建立一个基于工业生产现场的i n t e r n e t i n t r a n e t 体系，实现工业实时数据 的动态发布和工业现场的w e b 化管理，无疑是一个十分有意义的课题1 。 本课题研究旨在建立基于组态软件技术的远程监控系统，开发b s 模式的旋 转机械监控系统，该系统具有扩展性和可复用性，可用于类似的工业现场系统的 远程监控，有广阔的应用前景。 1 2 工业远程监控系统的发展 1 2 1 远程监控组成 远程监控是指本地计算机通过网络实现对远程端的生产作业过程的监测和控 制，它是计算机科学、通信技术和控制技术相结合的产物。远程监控技术是远程 监测与控制技术的结合。远程监控系统可以划分为：远程监控终端系统、远距离 数据传输系统、现场设备监测与控制系统三部分。各部分分工协作，共同实现对 设备的远程控制。其运作过程如图1 1 所示盯。1 训。 远程监控 - - - 远距离数据 - - - - - 1 - 现场设备监控 终端系统 1 一一一- - 侍输系统 _ + 一一- 一- 与控制系统 一控制数据流 一一一状态数据流 图1 1 远程监控系统模型 1 ) 远程监控终端系统 远程监控终端系统是用以与现场设备进行交互的远程接口。从功能角度来看， 主要包括远程设备状态的终端显示、控制命令及参数的输入、对命令参数和状态 数据进行必要的处理，以及其他操作。目前由于p c 机的广泛应用和价格越来越低 廉，并且用于远程监控的p c 机远离工业现场，所以基于p c 机的远程控制端软件 2 湖北工业大学硕士学位论文 技术发展迅速，p c 机成为远程监控终端系统的主要操作平台。 2 ) 远距离数据传输系统 远距离数据传输系统作为远程控制的信息的传输通道，进行各类控制数据、 监测数据和图像的传输。传输系统的目的就是将现场的设备状态信息尽快的传输 到监控端，使操作人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的操作措施；另 一方面传输系统将监控端的控制信息反馈到现场的控制主机，使主机能对设备进 行实际的控制。 3 ) 现场监测与控制系统 现场监控系统是直接对现场设备进行监测控制的系统。在整个远程监控系统 中，现场监控系统根据远程监控终端的控制数据对设备进行控制，实时监测设备 的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到远程监控端睁2 4 l 。 1 2 2 远程监控系统的发展历程 远程监控系统主要经历了集散控制系统、现场总线控制系统及工业以太网控 制系统等几个阶段的发展，过程控制系统呈现出向网络化、集成化、节点智能化 和分布化的方向发展 。1 驯。 1 ) 集散监控系统d c s 集散控制系统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 ) ，又称分布式控制系统，是 在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的，是一种以分散的数据采集、控制 和集中的监视管理为主要结构特征的计算机控制系统，具有控制功能强、操作简 便和可靠性高等特点，可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理，在化工、 电力、冶金等流程自动化领域的应用很普及。 集散控制系统从结构来看，是分级阶梯的分布式结构，灵活易变，易扩展。 它具有较强的分散功能，各个局部系统都能独立工作，各个局部系统之间的信息 通过高速数据总线进行通信。从控制的功能来看，集散控制系统大都表现出阶梯 控制思想，即整个系统分为优化控制系统管理级( 上位机) 和过程控制管理级( 下 位机) 。下位机完成对象基本控制要求，达到平稳操作的目标。上位机完成各单元 之间协调管理或控制优化工作，还可以同更上一级的计算机系统( 或网络) 实现 通信利。 2 ) 现场总线控制系统f c s 根据国际电工委员会i e c 和美国仪表协会( i s a ) 标准的定义：现场总线是连 接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。它 是先进的工业过程控制远程i o 和高速的工厂自动化应用的局域网( l o c a l ) 。现 3 湖北工业大学硕士学位论文 1 i i ! 皇曼曼鼍曼皇曼! 皇皇鼍 场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 用现场总线这一开放的、具有町 互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控 制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。 3 ) 工业以太网控制系统 以太网( e t h e r n e t ) 技术是目前最为成熟，应用最为广泛的一种局域网技术。 它是一种总线型局域网，采用带冲突检测的载波侦听多路访问方式( c s m c d ) 进行数据传输。 以太网控制系统具有很高的数据传输速率，能提供足够的带宽；因具有相同 的通信协议，e t h e r n e t 和t c p i p 很容易与互联网或者信息网络集成；能在同一总 线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网平台或基础构架，市场上能 提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；允许使用不同的物 理介质和构成不同的拓扑结构。 随着计算机技术、通信技术、控制技术的迅速发展，以太网技术得到广泛应 用，其高可靠性和高速率能从根本上解决控制系统的实时性要求。因此，结合以 太网实现过程控制系统的远程监控功能己经成为一个重要的研究课题，对基于以 太网的远程监控系统这一课题的研究有着重要的现实意义。首先，基于以太网的 远程监控系统可以实现工业现场设备运行数据的实时采集，快速集中数据并进行 分析利处理，为整个系统的调度、协调提供可靠的保证。其次，采用基于以太网 远程监控，可以实现无人值守，从而节省大量的人力、物力和财力，特别是对于 一些条件恶劣、不适宜人工操作的现场环境有着重要的意义。第三，借助于远程 监控技术，可以实现设备远程故障诊断。建立实时远程监控系统对设备和生产进 行实时监控，对出现的突发事件进行实时响应，确定故障发生的种类和部位，是 维护质量、提高管理水平以及提高劳动生产率的真正体现。因此，对于基于以太 网的远程监控的研究具有很高的实际应用价值n 引。 1 2 3 远程监控方式 根据不同层次方面的应用情况，远程控制系统可以有多种分类方式，根据控 制方式的不同，假设各种类型的控制方式中，被控对象是设备，远程监控可以分 以下几类t 1 ) 保持型的远程监控方式 远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个 命令，监控设备只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。这样就要求设备 不断向远程监控系统发送设备运行信息，远程监控系统保持对设备的监控能力。 4 湖北工业大学硕士学位论文 这种模式可实现远程设备的尤人控制，可应用于危险环境、人力不小能到达的地 方等。 2 ) 完成型的远程监控方式 远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个 命令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务后向远程 监控系统报告。设备的操作控制完全在本地进行，设备在本地操作人员的监控下 完成加工任务。 3 ) 完全型的远程控制方式 设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部的操作控制由远程监控 系统完成。在这种方式中，设备控制系统和设备是分离的，而在设备控制系统内 信号的传递速度要求很高，要求系统能够立刻对现场做出反应。这种控制方式用 在一些特殊的行业。 4 ) 人机交互式远程监控方式 设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下工作，即设备在远程监控 系统的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。在任务执行过 程中，可随时建立连接，进行设备和人员之间的交互，设备的状态信息可随时在 远程监控端采集。这是目前使用比较多的一种监控方式。 1 3 本文的主要研究内容 随着我国工业的迅速发展，对生产过程中质量控制和管理水平要求的不断提 高，国内企业对生产过程远程监控的要求日益迫切。转子作为大型旋转机械设备 的主体部件，其工作状态直接反映出设备的运行情况。针对这种情况，本文根据 技术的发展现状，在多功能转子实验台上验证，开发了旋转机械远程监控系统， 采用组态技术和以太网技术实现对设备的远程监控。本文的主要工作如下t 1 ) 分析监控系统模式中b s 结构和c s 结构，比较了这两种结构的优缺点。 分析远程监控系统的性能要求，根据工业现场旋转机械设备状态特征及远程监控 系统的性能要求，结合网络技术，确定c s 和b s 结构相结合的远程监控系统方 案。 2 ) 采用a d a m 6 0 0 0 系列以太网i o 模块、a d a m 4 0 0 0 系列远程数据采集和 控制模块和p x i 数据采集模块，构建由主机系统、从机系统和p x i 采集子系统组 成的旋转机械远程监控系统，并详细介绍其硬件设计。 3 ) 采用组态王软件完成系统监控界面的设计开发，开发监控界面、趋势曲线、 湖北工业大学硕士学位论文 曼! 苎! 曼曼曼! 皇曼曼鼍皇皇苎! 皇曼曼曼鼍皇曼曼鼍鼍i ； i i ；i ! 曼! 鼍曼曼! 曼! 曼! ! ! 曼曼皇 数据报表及报警等功能，由组态王完成对旋转机械的远程控制。并将监控画面发 布到互联网上，在远程控制端对整个系统的使用情况进行监控，使i n t e r n e t 上的用 户通过浏览器动态地了解现场的工作状况，控制远程的设备。 4 ) 采用l a b v i e w 实现振动速度信号的数据采集和存储功能，并对采集的振 动信号进行滤波处理和频谱分析。 6 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章远程监控系统总体方案 远程监控系统是通过网络实现对远程端的生产作业过程的监测和控制系统， 当今监控系统的开发模式技术架构有两大主流体系结构：c s 和b s 结构。在工业 现场，不论是各种现场总线，还是d c s ，或者是简单的p l c 控制，通信和联网已 经成为必然发展方向。工业企业信息与控制系统向i n t e m e t i n t r a n e t 的迁移，网络 体系结构由c s 向着b s 模式的转变已成为发展的趋势。 本章在分析和比较了c s 和b s 两种模式的优缺点之后，根据工业控制的特 点，在分析旋转机械控制系统的性能及配置的基础上，选择合适的智能通讯模块， 确立系统整体设计方案，给出了基于c s 和b s 模式结合的监控系统的整体架构。 2 1c s 结构与b s 结构比较 2 1 1c s 体系结构 c s 即c 1 i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 模式，由两部分构成：前端是客户 部分，负责执行前台功能，即用户界面( c l i e n t ) ，结合了表示与业务逻辑，接受 用户的请求，并向数据库服务提出请求；后端是服务器部分，执行后台服务，如 管理共享外设、控制对共享数据库的操纵、接受并应答客户机的请求等，还要提 画画画画 客户机1客户机2客户机3客户机4 图2 1 客户端服务器体系结构 供完善的安全保护及对数据的完整性处理等操作，并允许多个客户同时访问同一 7 湖北工业大学硕士学位论文 个数据库。在这种结构中，服务器的硬件必须具有足够的处理能力，这样才能满 足各客户的要求。典型的客户机朋艮务器体系结构如图2 1 所示。 c s 应用系统采用“请求响应的应答模式。当用户需要访问服务器时由客 户机发出“请求”，服务器接受“请求 并“响应”，然后执行相应的服务，将执 行结果送回给客户机，这种体系结构将一个应用系统分为两大部分，由多台计算 机分别执行，使它们有机的结合在一起，协同完成整个系统的应用，从而达到系 统中软、硬件资源最大限度的利用阳川。 由于这种结构往往是一个c l i e n t 端、一个s e r v e r 端成对出现，所以当应用的 业务逻辑放在c l i e n t 端时，将使得应用程序的可扩充性和可维护性很差，如果访 问另一套服务器就需要另一套软件，因此客户端必须配置很多软件。逐台配置机 器对于一个有多用户的复杂系统而言工作量相当大，维护成本高，一旦应用程序 由于需要而更新，必须升级所有的客户软件。当应用程序的业务逻辑放在s e r v e r 端时则会增加s e r v e r 的压力，使s e r v e r 的整体性能降低。另外，c s 结构对网络 底层协议的依赖性大，由于部分程序并非建立在t c p i p 协议之上的，因此难以解 决跨防火墙和异构网络等问题，对跨平台的支持也显得不足。c s 结构也有它的优 点： q c s 方式有很强的实时处理能力，更适合于对数据库的实时处理和大批量的 数据更新； c s 方式的面向对象技术十分完善，并且有众多与之配套的开发工具，这些 开发工具己经做的非常优秀； 由于c s 方式必须安装客户端软件，系统相对封闭，这反而使他的保密性 优于b s 结构。 2 1 2b s 体系结构 b s ，即b r o w s e r s e r v e r ，浏览器服务器结构。它是随着i n t e r n e t 技术的兴起， 对c s 结构的一种变化和改进。它利用不断成熟进步的浏览器技术，结合多种s c r i p t 语言和a c t i v e x 技术，成为一种全新的软件体系构造技术。 b s 结构采用三层的设计构造方式：浏览器w e b 服务器数据库服务器。在这 种结构下，用户工作界面通过浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端( b r o w s e r ) 实现，主要事务逻辑将在s e r v e r 端实现。b s 结构采用超文本传输协议h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 的消息传递机制，客户端通过浏览器访问服务器并 发出服务请求，服务器进行相应的处理后将响应结果返回给客户端。b s 结构如图 2 2 所示。 8 湖北工业大学硕士学位论文 图2 2 浏览器服务器体系结构 b s 结构的出现，大大简化了客户端电脑载荷，对前端机的配置要求也较低， 减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本( t c o ) ，而且晁 面丰富、客户端维护量小、程序分发简单、更新维护方便，容易进行跨平台布置、 在局域网与广域网之间进行协调，适宜信息发布类应用，并能实现不同的人员， 从不同的地点，以不同的接入方式( l a n 、w a n 、i n t e r n e t i n t r a n e t 等) 访问和操 作共同的数据库，并能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库的安 a 6 1 2 】 士 。 与c s 结构相比较而言，b s 的优点主要有以下几个方面： 由于w e b 支持底层的t c p i p 协议，使w e b 网与目前使用的几乎所有局域 网都可以做到无缝连接，从而彻底解决了异构系统间的连接问题； 由于w e b 采用了“瘦客户端”，使系统具开放性得到很大的改善，系统对将 要访问系统的用户数的限制有所放松； 系统的相对集中性使得系统的维护和扩展变得更加容易。比如，数据库存 储空间不够，可再加一个数据库服务器；系统要增加功能，可以新增一个应用服 务器来运行新功能； 界面统一( 全部为浏览器方式) ，操作相对简单； 业务规则和数据捕获的程序容易分发。 对于工业现场监控系统来说，客户端浏览器不需要进行数据逻辑运算，只需 浏览相应的画面信息，服务器端将进行数据的处理过程。所以本系统选用c s 结 构和开发维护成本较低、开发较为灵活的b s 体系相结合的结构。 2 2 监控系统性能要求 旋转机械的主体是转子及其它回转部件，通过转子部件的工作状态能够很好 地了解机械设备的运行情况，所以旋转机械振动测试的主要对象是转子部件。旋 转机械设备在运行过程中，和运行状态有关的各种物理量随时间的变化呈一定的 规律。当旋转设备发生异常时，一般情况下其振动情况都会发生变化，如振幅值 变化、振动频率变化、振动相位变化、振动方向变化等。因此，旋转机械的状态 9 湖北工业大学硕士学位论文 特征参量以振动参数为主，i 司时兼顾温度、压力等工岂参数及电压、电流等电量 参数。振动信号的物理参数一般指振动位移、振动速度和振动加速度这三种运动 量。振动信号中常常包含对机器状态识别与诊断非常有用的各种信息。有效地分 析、处理这些信息，建立它们和设备运行状态之间的联系，是旋转设备状态监测 诊断的基础晦】。 本控制系统要求对旋转机械设备的运行状态进行实时监测和控制，实现远程 端与现场工况的交互，设置运行过程的参数，设备的状态信息可随时在远程端采 集，完成各种控制、运行参数监控、报警和趋势分析、绘制各项参数曲线等功能， 另外还包括组态软件的安装和通信。综合以上因素，旋转机械远程监控系统应满 足的性能要求主要有以下几点订】： 强实时性。实时性是系统应该具有的能在限定的时间内对外来事件作出反 应的特性。本系统要求传输速度快、响应快，即响应实时性好。 高可靠性。由于直接面向生产过程，负责传输测量与控制信息，因此应满 足恶劣工业现场环境，如粉尘、电磁屏蔽等影响。同时，由于机械设备需要进行 长时间的连续工作，控制系统除了安全性好以外，还必须具有较高的稳定性，能 够长时间稳定运行。因此，在进行控制系统硬件和软件的设计时必须考虑系统稳 定性，尽可能降低系统发生功能故障的可能性。在出现故障的情况下，能及时报 警，保证整个系统的安全。 力求简洁。以降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性。 监控功能完善。监控系统的应用场合是工业生产现场，因此从远程监控端 而言，能够通过远程端人机界面对生产情况中进行实时控制和维护，对不断变化 的工况做出及时的反应。要求控制系统功能完善，操作简单，尽可能的保证较高 的生产安全性和生产效率。 2 3 远程监控系统总体方案设计 2 3 1 控制系统设计 如前所述，远程监控系统主要有集散控制系统d c s 、现场总线控制系统及工 业以太网控制系统。根据工业现场旋转机械设备状态特征、远程监控系统的性能 要求，结合网络技术，选择采用以太网控制系统，系统的开发模式技术架构采用 c s 和b s 相结合的结构，系统总体方案如图2 3 所示。 其基本功能单元主要由监控对象、监控下位机、网络服务器和用户四类组成， 各类设备功能描述如下： 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 1 ) 监控对象 监控对象是监控系统的目标，通常由一系列传感和变送设备组成。 2 ) 监控下位机 监控下位机是监控系统的核心。系统中可以有多个下位机，即有多个分布在 网络上的监控节点，下位机可以是智能仪表、智能模块、p l c ( 可编程控制器) 和 其他数据采集系统等等。这些下位机大多分散在各工业现场，对监控对象进行实 时数据采集和存储、信号分析处理。对整个系统而言，每个下位机可以通过局域 网与网络服务器连接，用于接收网络服务器发送的控制命令来完成对监控对象的 数据采集和控制，并完成采样数据的处理工作，最后将测试结果返回给网络服务 器n 引。 下位 图2 3 远程监控系统总体方案 3 ) 网络服务器 网络服务器大多配置于监控中心总控制室，从功能上来讲一般分为应用服务 器、w e b 服务器和数据库服务器，根据不同的业务，可以将这三种服务器集中在一 湖北工业大学硕士学位论文 台主机上，也町以分散在多台主机上。网络服务器是网络通讯和数据交互的核心， 一般配备海量存储设备和大流量网络传输设备，主要作用是通过广域网为客户端 提供w e b 接入服务，通过局域网对各监控下位机通信，可发送控制命令和接收客 户端发送的数据。网络服务器一般内建有数据库，用于存储和管理实验数据，同 时配合用户账户的管理以及动态网页的生成引。 4 ) 用户端 用户端部分比较简单，一般也不需要高端的配置，可以使用任何具有网络接 口的计算机设备，如p c 机、便携机等。只要安装有浏览器，通过i n t e r n e t 就可 直接访问该测控网站的地址，向服务器提出请求，通过人机界面就可以远程监控 现场。 2 3 2 监控软件开发工具 在远程终端实现对工业现场分散设备的监控，在上位机上需要实时采集下位 机的信号，并发送数据和指令给下位机控制站以控制整个生产过程。 在整个通信系统中，如何实现智能仪表、p l c 等与上位机的通信，开发远程 控制界面实现监控功能是系统的关键问题，参考现行的技术，监控软件的开发工 具有以下两种选择。： 1 ) 选择组态软件进行开发。由于组态软件一般都提供友好的用户界面，大量 的图库、变量库、控件库以及脚本语言，同时还提供各种与硬件的通信驱动程序， 所以，利用它用户可以简便、灵活地设计画面，设计变量及调用驱动程序，基本 上不用编写程序代码，或只是编写篇幅不大的脚本，就可以组态成自己的应用软 件。而且实现的功能与用编程软件开发的应用程序完全相当。开发容易、周期短。 缺点是购买组态软件费用较高，此外组态软件的驱动程序不是很全，特别是对最 新的p l c 的支持不多。 2 ) 选择v c 、v b 、d e l p h i 等编程软件来开发。优点是花费小，而且可以根据 自己的要求定制简单的画面。缺点是对开发人员要求较高，需要熟练运用编程软 件，开发周期较长。 由于目前工业控制方面的软件种类繁多，工控组态软件是近几年发展迅速的 一种。组态软件最早诞生于2 0 世纪8 0 年代，是运行于w i n d o w s 下的工控软件， 它的最大优点是对w i n d o w s 平台具有一很强的适应性和优异的图形界面开发功 能。当前组态软件已经发展到包括了人机界面软件、基于p c 的控制软件、生产执 行管理软件的综合工业自动化软件阶段。由于以上的优势，结合具体情况，本系 统采用国产组态软件进行界面开发。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 ! a ；a ；：；一一一；一；一； ；i i 鼍皇皇! 詈! ! ! ! 皇! ! ! ! 皇! ! ! 曼 本文的远程监控系统由一台下位机、多块智能模块、一套p x i 数据采集子系 统和一台监控计算机组成以太网络，监控计算机采用国产组态软件组态王开发监 控界面。远程监控系统由现场设备和终端计算机共同组成，系统网络拓扑结构示 意图如图2 4 所示。 ；i；i !il 数据采集与控制 图2 4 监控系统网络拓扑示意图 本监控系统是在监控计算机上实现对各机械设备的监测、控制功能，实现监 视设备状态和运行参数、接收故障报警信息，通过智能终端设备下达控制信号， 并具有报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。 2 3 3 转子实验台简介 本系统以旋转机械为研究对象，在多功能转子实验台上进行验证。选用北京 测振仪器厂生产的转子实验台，如图2 5 所示，外形尺寸：9 8 0 x 2 0 0 x 2 5 0 ( 咖) ， 主要组成如下： 直流电机：0 一- , 1 0 0 0 0 转分 底座 含油轴承支座4 个 转动轴共有两节组成，中间有橡皮轴套连接 带有滑动轴承的支座一个 注油壶一个( 使用3 2 号机油) 湖北工业大学硕士学位论文 p 自疃4 p f 摹民鬟黼蹴 鸶4 _ ；i 图25 多功能转子实验台 该实验台主要由一个直流调速电机驱动主轴旋转，转子采用4 个整体圆柱轴 承支撑，润滑油润滑，在轴承座上有传感器安装位置，便于轴承根部的振动测量。 通过配置振动、转速、位移等机械参量测量的传感器，综合应用传感器技术和工 程测试等知识，可对主轴的旋转速度、底座的振动速度等进行监测。其虽大的特 点是可以实现旋转机械的故障模拟，为许多硬件设施缺乏的客户提供一个极好的 实验环境。 2 4 本章小结 本章分析和比较了监控系统模式中b s 结构和c s 结构，讨论了监控系统的 性能要求，然后根据工业现场旋转机械设备状态特征及监控系统的性能要求，结