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硕士论文 y5 7 j s 6 3 可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 摘要 对制造装备实行有效的监测、诊断与维护有利于提高设备运行的安全性、可靠性 和经济性。本文的研究是对基于i n t e m e t 的远程制造装备监测诊断和维护系统的一种 全新思考，目的是要解决目前大多数制造装备远程服务系统所存在的可重构性、可配 置性不强，系统升级换代不方便，网络带宽瓶颈，同时服务大量用户能力差等弊端。 文章首先阐述了目前国内外远程监测诊断维护系统的研究现状和发展趋势，分析 了其存在的不足之处，并提出了解决的关键技术和方法i 其次在i n t e r n e t i n t r a n e t i n f r a n e t 集成环境下，构造了远程监测诊断维护系统的体系结构，探讨了系统的信息 集成方式；针对目前制造装备远程监测诊断维护存在的弊端，文章提出了自动配置的 概念，利用嵌入到w e b 页面的a c t i v e x 控件来判断用户的设备类型和硬件资源情况， 并自动完成系统配置实现浏览器端的数据采集；针对目前基于c s 和b s 模式存在的 问题，提出了基于移动a g e n t 的远程监测诊断维护系统模型，以i b m 的a g l e t 平台为 例论述了系统的实现方法。最后，论文阐述了基于w e b 的l o n w o r k s 远程监控、基于 a c t i v e x 的自动配置、基于w i n s o c k 的远程控制的具体实现技术，并开发了相应的原 型系统，取得了良好的试验运行效果。 关键词：远程监测诊断维护，体系结构，自动配置，移动a g e n t ，原型系统 第1 页 硕士论文可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 a b s t r a c t t h ef a u l tm o n i t o r i n gd i a g n o s i sa n dm a l m e n a n c e t e c h n o l o g i e sw i l lg r e a t l yi m p r o v et h e s e c u r i t y r e l i a b i l i t y a n d e c o n o m y o fm a n u f a c t u r e e q u i p m e n t s t l i sp a p e r i san e w c o n s i d e r a t i o nt or e m o t ef a u l tm o n i t o r i n gd i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c es y s t e mb a s e do n i n t e m e t ，t h ep u r p o s ei st os o l v et h ep r o b l e m st h a tm o s to fc u r r e n tr e m o t em a n u f a c t u r e e q u i p m e n t ss e r v i c es y s t e m sn o w e x i s t f i r s t l y , t h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t t r e n do f r e m o t em o n i t o r i n gd i a g n o s i s a n dm a i n t e n a n c es y s t e ma r ed e s c r i b e d a f t e ra n a l y z i n gi t sd e f e c t s ，t h es o l v em e t h o d sa n d k e yt e c h n o l o g ya r ep r o v i d e d s e c o n d l y , w e e s t a b l i s ht h ea r c h i t e c t u r eo f r e m o t e m o n i t o r i n gd i a g n o s i s a n d m a i n t e n a n c es y s t e mi ni n t e g r a t e de n v i r o n m e n to fi n f r a n e t | i n t r a n e t1 i n t e r a c ta n dt h e n d i s c u s st h e i n t e g r a t i o n m e t h o d so fi n f o r m a t i o ni nt h e s ee n v i r o n m e n t a i mf o rt h e d r a w b a c k sc u r r e n ts y s t e m sh a v e ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ec o n c e p t i o no fa u t o m a t i c c o n f i g u r a t i o n ，i nw h i c hu s e r se q u i p m e n ts t y l e c a l lb ej u d g e db yt h ea c t i v e xc o n t r o l e m b e d d e di nw e b p a g e s ，a n ds y s t e mc o n f i g u r a t i o nc a l lb ea u t o m a t i cc o m p l e t e dt oa c q u i r e d a t af r o mw e bb r o w s e r , t h e nak i n do fr e m o t em o n i t o r i n gd i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e s y s t e mm o d e lb a s e do nm o b i l ea g e n ti se s t a b l i s h e dt os o l v et h ee x i s t e d p r o b l e m so f c s a n db sm o d e l ，a n dt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o nm e t h o di sd i s c u s s e db a s e do ni b ma g l e t p l a t f o r m f i n a l l y , t h et e c h n o l o g i c a ld e t a i l so fl o n w o r k sr e m o t em o n i t o r & c o n t r o lb a s e do n w e b ，t h ea u t o m a t i cc o n f i g u r a t i o nb a s e do na c t i v e xa n dr e m o t ec o n t r o lb a s e do nw i n s o c k a r ed i s c u s s e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o t o t y p es y s t e m sa r ed e v e l o p e d ，w h i c hg e tg o o d e f f e c t si ne x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n gd i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e ，a r c h i t e c t u r e ，a u t o m a t i c c o n f i g u r a t i o n ，m o b i l ea g e n t ，p r o t o t y p es y s t e m 第1 1 页 硕士论文 可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 1 绪论 1 1 现代制造对远程监测诊断维护系统的需求 1 1 1 现代制造系统的新发展【l 】口 当今，世界经济发展日趋信息化、全球化，谁能以最快的上市速度( t m m e t o m a r k e t ) 、最好的质量( q - - q u a l i t y ) 、最低的成本( c - - - c o s t ) 、最优的服务( s - - s e r v i c e ) 及最友善的环境适应性( e - - e n v i r o m n e n t ) 来满足不同顾客对产品的需求和社会可持 续发展的要求，谁就能在激烈竞争中赢得主动。适应市场变化、客户和社会需求的t 、 q 、c 、s 、e ，可以说是现阶段任何一个现代企业生存和发展的基本条件。而以先进 制造技术a m t ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 去谋求t 、q 、c 、s 、e ，己成 为人们的共识。从某种程度上说，2 1 世纪的竞争，就是先进制造技术的竞争。 在国际市场竞争中，产品的质量已经不再是竞争的主要因素，而是产品竞争的先 决条件。现代产品复杂性的大大增加，使得顾客对产品整个生命周期的服务成本和价 值的注意力也大大增加。企业需要强调以顾客为本的面向产品的行为模式和为产品提 供全生命周期的维护。因此，致力于把产品设计、制造与服务集成一体的新的思想模 式正成为2 1 世纪制造企业竞争的评价标准。 从本质上说，新的制造模式是在信息技术支撑下的现代化网络制造，它拥有“六 化”特征：数字化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化、集成化。具体体现在： 知识技术产品的更新周期越来越短； 产品的技术含量越来越高； 除t 、q 、c 、s 、e 外，独占性的知识产权的竞争也越来越激烈； 信息技术渗透到产品设计、制造、管理、销售等的全过程； 对产品的个性化的要求越来越高； 面向全球的竞争化趋势。 总之，信息时代的制造是“全过程、多学科”前提下的“大制造”，它是在利用 信息基础设旌来充分开发信息资源的前提下，追求本系统高度的柔性和敏捷性，力求 在参与全球化竞争中立于不败之地。 第l 页 硕上论文 可自动配置的制造装备远程监铡、诊断与维护系统及相关技术研究 1 1 2 现代制造对远程监测诊断维护系统的需求【如 对制造商而言，设备的维护维修属于产品的售后服务问题。售后服务的好坏，关 系到企业的形象和用户的满意度。作为扩大产品市场份额的一个重要手段，许多企业 十分重视服务水平的提升，将服务创新提高到战略的高度。以优质的服务水平赢得用 户的信任已成为企业的共识。目前，许多大公司都组织有一支庞大的售后维修队伍， 并且分布在全国各地，被动的等待用户的维修服务请求。其在实际运用中显得十分呆 板，反映在客户和制造商之间主要是通过人员进行交流，不仅不能远程监控，而且反 应速度慢、维护成本高；不仅降低了维修服务站的效率，而且也是对人力资源、资金 的一种浪费。随着工业的迅猛发展，用户数量的不断增多，分布在各地的维修服务站 点数量也在逐渐增加，通常一个维修服务站点要负责本地区十几家乃至几十家企业用 户设备的维护工作。这样，传统的现场维修服务模式使得维修服务站点显得力不从心， 工程人员不得不频繁出差，企业不得不通过扩大服务队伍的方式来提高对用户服务请 求的响应速度。但随着运营成本的增加，这种提高是非常有限的。积极的方法是使用 户能方便、正确的自己进行维护维修。 随着信息技术的发展，网络在制造业起着越来越重要的作用，它正使制造企业向 为任意地点任意时间的客户提供服务的模式转变。基于i n t e r n e t 的远程故障诊断与 维修服务以“信息流动”代替“人员流动”，为实现真正意义上的快速、高效、低成 本维修服务指出了方向。设备维修服务的模式也正从现场维修服务模式转向远程维修 服务模式，图1 1 2 1 表明了这一变化过程。这样通过远程维修服务模式，既可以为 用户提供准确、及时、直观的信息，指导用户进行产品的故障诊断与维修，又能使有 关产品的问题在最快的时间内得到解决，节省用户和企业的费用。 现场维修服务模式远程维修服务模式 流动的是人员 流动的是多媒体信息 请求响应速度慢 请求响应速度快 不能远程故障诊断与维修， 可以远程故障诊断与维修， 成本高 v 成本低 维修人员到达现场可以很 维修人员不到达现场即可以 好的了解故障信息很好的了解故障信息，基本 不需要人员流动 图i i 2 i 维修服务模式的转变 第2 页 硕士论文可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 1 2 远程监测诊断维护系统的研究状况 1 2 1 发展历程m 迄今为上，机电设备的监测诊断模式大致经历了三个阶段，如表1 2 1 。1 所示 表1 2 1 1 机电设备监测诊断系统发展概况 淤 运行模式系统对象信息处理效率 第一代单机诊断封闭某一设备仅限于系统内部 低， 反应速度慢 第二代分布式监半开放功能分布、地域分 工业局域网较高 测诊断布的大型机电设备 第三代远程诊断开放制造企业任何设备基于的i n t e m e t 的高， 信息流动，范围广反应速度快 ( 1 ) 单机诊断模式这是发展最早的第一代监测诊断模式。它是一种封闭系统， 主要针对某一设备而设计的，其信息的交流与处理仅限于系统内部。 ( 2 ) 分布式监测诊断模式这是第二代监测诊断模式。它是一种半开放系统，主 要针对功能分布和地域分布的大型机电设备。 f 3 ) 远程监测与故障诊断模式 当今覆盖世界范围的因特网与故障诊断技术相 结合，形成了一种具有强大生命力和广阔应用前景的开放式的远程故障诊断体系结 构。它是在原有的故障诊断系统的基础上，增加了用于远程诊断的w e b 服务器，并 与该技术领域力量较强的科研院所或系统供应商建立的故障分析诊断中心互连，同时 与相关的专家建立一种协作关系，若同为系统提供远程故障诊断服务。它实现了“移 动的是数据而不是人”，从而改变了一旦设备出现故障，诊断专家就疲于奔命的被动 局面。 1 2 。2 应用现状 从上世纪九十年代以来，国内外对这一领域研究高度重视【4 】1 5 】【6 】【7 】【8 】。在国外，政 府、军队、企业、科研院所均投巨资开展攻关以期先期突破，抢占先机；在国内已 经有一些科研院所在这一领域取得了一些进展。主要研究情况如下： 第3 页 硕士论文可自动配置的制造装各远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 美国n a s a 研究计划：用于武器装备的远程诊断服务系冽9 1 0 】 在武器装备交付给使用部队后，为了提供更好的保障和服务，建立集成保障系统 是极为重要的工作。这包括推广数字化技术手册。建立维修信息系统，采集和处理故 障数据、飞行实验数据、外场数据等，还包括使用计算机辅助故障诊断，进行故障隔 离和组织有效的零备件供应支持等。 推广技术手册数字化。采用先进的数字化技术组织和管理技术文件，相互关联 的信息数据按照一定的结构组织，按照c a l s 标准进行存储，可以很方便进行查询检 索。并且，在积极应用因特网技术后，将维修手册的内容存储在因特网数据库内，在 全球任何一个地方，只要将计算机连入因特网，即可查询检修步骤、维修过程、零件 图纸等内容。 建立维修信息系统。维修信息系统一般由便携式计算机和维修工作站组成。便 携式计算机由维护工程师随身携带，是维护工程师与飞机及要维护系统的主要接口装 置，可作为交互式电子手册的显示装置。维修工作站实际上是维护信息系统的中心。 其主要功能有：分析诊断数据、任务准备、采集维护数据、制定保障维护计划和分析。 运用电子商务方式采购备件。利用先进的供应链技术，组织有效的零备件供应 支持，是改进武器装备保障工作的重要保证。武器的生产厂家建立网络环境的零备件 库，在信息库的基础上，开发建设零备件网络定货系统，使得生产单位和维修保障人 员也能很方便快速的获取零备件信息。 基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的数字化远程故障诊断系统【“j 【“j 上海大众汽车公司和德国s h u e l e r 公司合作的针对设备远程故障诊断的系统结构 如图1 2 2 1 ，客户方和供应商分别组建企业局域网。客户服务p c 和供应商服务p c 通过i n t e m e t 连接，供应商向客户提供远程故障诊断支持。客户方工控p c 负责现场 设备上传感器、p l c 和执行器上控制参数、状态变量等的采集和控制。设备出现故障 时，工控p c 可获得设备状态信息，向供应商服务p c 传送，服务p c 回传技术信息 以帮助客户及时维修。供应商服务p c 也通过i n t e m e t 直接控制客户设备对其进行诊 断和维修。客户可利用视频会议系统的交谈和共享白板功能，从供应商处获取技术支 持和培训。 第4 页 硕士论文 可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 图1 2 2 i 基于i n t e m e t i n t r a n e t 的数字化远程故障诊断系统 制造系统中的远程监测、诊断与维护系统【1 3 】【1 4 1 1 1 5 】【1 6 】【7 1 1 1 8 】【1 9 】 “大型火电机组性能与振动远程在线监测与诊断系统”是面向整个电网的大型机 组的集成化状态监测、性能分析与故障诊断专家系统，它综合了电站监控、计算机网 络通信、装备故障诊断、过程建模与人工智能等多项先进技术，可实现大型电站中汽 轮机、锅炉、热力系统和发动机等装备的远程在线监测、异常预报、故障诊断、经济 性能分析和运行优化指导等功能。 采用信息技术的遥控、远距维护技术在机床行业中应用也很多，现在从机床的设 计、制造到维护都与信息技术紧密结合。客户可将需加工的零件图通过计算机传给机 床生产厂，通过专用程序，机床制造厂可给用户提供性能价格比最优的机床配置和工 艺布局方案。另外用户在使用机床过程中出现故障，机床制造厂的信息中心会得到详 细的资料。一般闯题立即通过远程通讯网络或电子邮件指导使用厂就地解决，严重的 问题可在事先了解情况的前提下，由维修人员快速解决。日本的许多机床企业正在不 断发展采用i t 、网络技术的遥控、远距操作、远距维护的机床技术。丰田公司的服 务部门掌握着用户远距操作、维护的c n c 、p l c 信息，即时解决出现的问题，可使停 机时间减少1 3 到1 2 。东芝公司、f a n u c 公司、三菱电机、西铁城等均推出了各种 远距控制、远距维护i t 系统。此外，还有德国西门子应用远程服务解决工厂自动化 装备的故障诊断与维护等应用。 国内一些科研院所取得的成果 国内许多单位也开展了远程监控诊断的研究，其研究情况如表1 22 1 所示。这 将极大提高设备制造商的服务能力，确保制造商为客户提供及时有效的诊断维护服 第5 页 硕士论文 可自动配置的制造装各远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 务，从而大大增强了制造企业的竞争力。 表1 2 2 1国内有关单位远程监测诊断维护系统应用实例 远程诊断系统案例科研院所应用对象 大型电站装备远程在线监测与诊断 清华大学大型电站装备 网络系统 建立远程服务系统的研究同济大学制造装备 远程分布式智能诊断网络东南大学制造装备 因特网模式的远程监控华中科技大学实验室机床 远程智能监控系统南京理工大学制造设备 从以上国内外远程监控诊断系统的研究及发展中我们可以看到，今天，无论是从 应用领域( 如军事、民用) ，还是从应用对象( 如制造设备、车辆、飞机、电站设备 等) 来看，远程监控诊断系统的研究都在积极展开，并在一些地方获得了成功的应用。 1 2 3 存在的不足 目前，国内外针对制造装备的远程监测、诊断和维护系统展开了大量研究，这些 研究的主要思考方式是传统监控和诊断模式在i n t e r n e t 上的拓展，即首先由设备使 用者建立在线监测系统，对设备进行实时数据采集、监测和控制，同时将监测的各种 类型数据通过i n t e r n e t 传送到设备提供商，由设备提供商给出具体诊断和维护方案， 再返回设备使用方。这种模式有几个弊端： 由设备使用方而不是设备提供商建立设备在线监测系统，而设备使用方对 设备监测、诊断和维护知识并不熟悉，他们也不愿意承担此项任务： 这样的系统很难满足敏捷制造环境下虚拟企业间异地制造、异地监控的要 求，其可重构性、可配置性不强： 设备使用方需要传输大量的现场监测信息至设备维护方，网络带宽容易成 为瓶颈； 远程诊断和维护系统必须服务于大量用户的应用，但这种方法采用c s 和 b s 结构模型，由于功能的限制，客户和服务器的身份不能转换，使诊断 和维护系统的服务能力大大削弱； 目前大多数基于i n t e r n e t 的监测、诊断和维护系统由于受底层传统信息获 取方式的限制，存在着信息传递与转化的困难，成为基于i n t e m e t 的监测、 诊断和维护系统实时功能和效率提高的瓶颈。 第6 页 硕上论文 可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 1 2 4 发展趋势 从国内外的发展状况来看，远程故障监测、诊断、维护系统技术研究正朝着信息 化、敏捷化、智能化方向发展。 信息化：大量使用现代信息技术，纳入现代信息战略新体制，采用网络化系 统模式，消除时空障碍； 敏捷化：一是实时监测、诊断和维护，敏捷地消除设备的故障；二是实现设 计、制造、使用、维修各单位的联盟，大大提高维修资源利用范围和利用率； 智能化：大量引入人工智能技术，有助于设备故障的快速消除，开辟设备维 修的新资源知识资源和智慧资源。 1 3 课题的研究内容和目标 1 3 1 课题来源及研究意义 本课题属制造业信息化研究领域，课题源于江苏省自然科学基金资助项目 ( b k 2 0 0 1 0 5 7 ) 。 课题研究是对基于i n t e r n e t 的远程制造装备监测、诊断和维护系统的一种全新 的思考，目的是要解决目前大多数制造装备远程服务系统所难以克服的弊端。本课题 研究的意义在于：系统采用了新一代服务模式，即a s p ( 应用服务提供商) 模式； 制造装备的监控、诊断系统升级、维护等由专业的生产商朋匣务商提供，减轻了使 用者的负担，使用者只须致力于自身核心能力的建设；降低了制造装备使用者的使 用负担和维护成本：为敏捷制造等现代制造模式的推广应用提供技术支持。 1 , 3 2 研究内容 课题将根据目前远程监测诊断维护系统存在的状况，对其存在的不足之处提出解 决方法，并对其实现的相关技术进行研究。论文研究的内容有： 基于i n t e r n e t i n t r a n e t i n f r a n e t 的制造装备远程监测、诊断和维护系统的体系结 构研究 面向制造柔性化、网络化、敏捷化的需求，改变传统的设备信息获取及处理方式， 基于控制网络技术，建立底层的网络化信息基础结构i n f r a n e t ，并通过与i n t r a n e t 和i n t e r n e t 的集成实现制造装备远程监测、诊断和维护系统的集成网络环境。 第7 页 硕士论文可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 基于远程诊断和维护服务的自动配置技术 自动配置技术的研究目标就是建立一个框架，在这个框架里，设备制造商可以为 他的相似的系列产品建立一个监测诊断维护系统，该系统可以完成对所有该类设备的 监测任务。利用w e b 页面，用户可以不必知道设备的维护知识而轻松地利用该系统自 动配置设备的维护信息。配置完成后，用户的设备就成为了远程监测诊断维护系统的 一部分，可以接受远程维护中心以及维护专家的诊断维护。利用该技术，设备制造商 将进一步节省用于设备维护的开支，而设备用户也将更容易使用和维护设备。 基于移动a g e n t 的诊断维护服务的实现技术 针对目前远程监测诊断维护系统中存在的诸如网络带宽瓶颈、网络不稳定因素、 同时服务大量用户能力差等弊端，提出了基于移动代理( m o b i l ea g e n t ) 的解决模型。 当前i n t e r n e t 流行的c s 和b s 结构模型由于功能的限制，使客户和服务器的身份 不能转换。这样使系统缺乏灵活性、智能性、重构性、异构性等，特别是远程分布式 故障诊断系统必须服务于大量用户的应用，众多的用户端传输大量的数据必然会使诊 断中心的服务能力大大削弱。移动a g e n t 技术为基于i n t e r n e t 的分布式应用提供了 一种灵活的计算模式，而将其应用在远程分布式监测监控和故障诊断中具有很大的潜 力。 相关技术原型系统的开发及应用研究 对远程监测诊断维护系统的相关具体实现技术进行研究，并开发相关原型系统来 验证其在实际应用中的可行性。 1 3 3 研究目标 本课题研究的目标是： 基于控制网络技术，建立i n t e r n e t i n t r a n e t i n f r a n e t 三网环境下的集成监 测、诊断和维护网络； 研究基于远程监测诊断和维护服务的自动配置技术： 研究移动a g e n t 技术在远程监测诊断维护系统中的应用： 利用网络技术以及相关软件开发技术，分别实现可运用到远程监测诊断维护 系统中的基于网络的远程监测、自动配置、远程控制等各种相关技术的原型系统。 1 4 论文的组织结构 全文共分六章，图1 4 1 是论文的组织结构图 第8 页 硕士论文可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 l 绪论 对制造系统的新发展趋势作了概连，阐明了现代制追东蚝时远程监剥 诊断雏护系统需求的迫切一胜；分析了监剥诊断堆护系统的发展历程和因内 外的研究状况覆应用实倒；然后根据目前远程监测诊断维护幕惋存在的弊 端，提出了其解央的美键技术和方法，指出了破关和创新的方向：最后对 奎支的研克内謇和结构进行了介绍 2 远程监测诊断维护系统的体系结构研究 首先给出了| n t c r n c t i n t r a n c t f n f f b n e t 三网集成环境下的远程监 襄蒿鬟羔艺曼嚣嚣曩华篷袭篮蒿蓼丢罐g 絮甓嚣罄是，釜磐蓑纛蔓鲁豢囊 存在的弊端引八了自动配王、移 a g e n t 远程控制几种技术束克服现有 系统的不足之北 3 远程监浸4 诊断维护系统的可自动配置技术研究 针对罱前远程蓝洲诊断雏护系统粪现方法上的不足之赴提出了自动配 王的概念介绍了自动配置的实现原理和方法，利用嵌入w e b 页面的 c t i v e x 控件可以判断用户的设备类型和硬件膏j 臣情况并宾现系统的自动配王 4 移动a g e n t 在远程监测诊断维护系统中的应用研究 介绍了移动a g e n t 的体系结构和特点提出了基于移动a g e n t 的远程监 测诊断雏护系统模型，然后以i b m 的a g l e t 平台为例话迷了系统的实现方 法，最后对移动a g e n t 在远程监剥诊断堆护系统中的应用所存在的问题作了 分析，井对其进一步发展砟了展望， 5 远程监测诊断维护系统的实现方法研究 干，。慈瑟五 篷裂鐾镐旨冀器襄； i 巢警、基于 c “ 。的自动配王- 基 6 总结和展望 1 5 本章小结 图1 4 1 论文的组织结构 本章首先对制造系统的新发展趋势作了概述，阐明了现代制造系统对远程监测 诊断维护系统需求的迫切性；分析了监测诊断维护系统的发展历程和国内外的研究状 况及应用实例；然后根据目前远程监测诊断维护系统存在的弊端，提出了其解决的关 键技术和方法，指出了课题的研究意义、内容及攻关和创新的方向，最后对全文的组 织结构进行了介绍。 第9 页 倾士论文可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 2 远程监测诊断维护系统的体系结构研究 根据前一章所分析的目前远程监测诊断维护系统中存在的不足之处，在充分吸收 了国内外先进技术成果的基础上，对远程监测诊断与维护系统的体系结构进行了规划 设计。我们所要讨论的远程监测诊断与维护系统是面向复杂设备或系统的，目标是建 立能够完成远程监测诊断与维护任务的系统，来迅速、有效、低成本的为客户提供服 务。 2 1 系统构建的指导思想 在网络化制造模式下，制造商的处境是1 1 “ ： 处于不断变化的动态联盟之中，在不同的产品开发与制造联盟中，其角色也 在不断的变化； 要响应广域范围内产品用户的维护与故障诊断请求，甚至要为用户提供不间 断的服务； 对于复杂产品的维护与故障诊断，需协作多家制造企业或设计单位来共同完 成。 由于每家制造商都不可能做到对设备所有组成部分进行专业化维护，因而对用户 来说获取诊断维护信息将是非常繁琐的事。为解决这个问题，可构建远程监测、诊断、 维护公共服务系统，企业只需提供必要的现场运行数据，而不必直接参与繁重的维护 与故障诊断工作，远程公共服务系统作为社会化的专业性组织，整合各方面的资源( 如 产品开发过程中各设计、制造厂商) ，相对于各个企业而言，具有更强大的维护和故 障诊断能力，为用户提供更全面的服务。对于产品用户而言，其不必亲自和产品制造 及设计单位相联系，可直接获取公共服务系统的设备维护与故障诊断服务。 这种面向行业的远程智能监测、诊断、维护公共平台使各企业集中精力发展自己 的核心竞争能力，而将设备的维护诊断等服务业务委托给专门的服务商完成，可以大 大降低企业的运行成本，充分利用社会资源，实现企业的小型化、专业化。在减轻了 制造商的售后服务与维护负担的同时，又为用户及时提供了令人满意的服务。 系统研究开发的目标是为设备提供全生命周期内的高效、快速、低成本诊断维护 服务，因此必须做到： 以客户为中心转变以产品为中心的传统观念，建立起以客户为中心的新的 经营理念，将企业的职能从硬产品提供向软产品( 服务) 提供延伸，扩大企业 第】0 页 硕士论文可自动配置的制造装各远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 的市场空间： 以“三性”为目标即以有效性、敏捷性、经济性为目标，推进维护保障系 统信息化建设； 提供设备或系统诊断与维护的核心功能即设备状态监控、维护、故障诊断 和维修管理、备件管理、后勤管理等； 以环境建设为支撑即建立以现代信息技术和系统为核心的信息基础环境， 如网络系统、数据库、安全保密机制等，支撑诊断维护服务系统的运作； 克服传统诊断维护方式的弊端提高底层数据采集、信息传递和转换的效率， 满足敏捷制造环境下可重构、可配置的要求，系统要方便设备使用方使用。 2 2 系统体系结构 在远程监测诊断维护系统中，远程诊断中心不仅要监测现场的实时数据，还要能 实现对设备状态、运行方式的控制。诊断技术与现代化网络技术的有效结合，将大大 提高诊断系统的功能以及效率，拓宽了维护人员的操作范围，有利于专家协同诊断的 开展。 2 2 1 系统总体结构 图2 2 1 1 是远程监测诊断维护系统的总体结构图，可以看出整个系统分成三个 层次，即现场控制网、企业内部网、国际互连网。 现场控制网 现场控制网络一般是指由控制对象形成的网络，简称i n f r a n e t ( i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k ) 。i n f r a n e t 是专用于检测和控制生产设备以完成测控自动化的网络，服务的 对象是用于现场的具有网络接口的智能型传感器及以它为核心的智能仪器仪表。通过 现场控制网络，能更加有效的将底层数据实时采集上来，供诊断维护使用。 企业内部网 企业内部网是在企业内部构建的一个局部网络，它是企业各种信息的载体，通过 防火墙与外部连接。企业内部网中有现场监测计算机，对制造设备状态进行检测监控， 并可访问远程服务中心来对设备进行监测诊断维护。 国际互连网 在这个层次上有远程监测诊断维护中心，网上各种诊断资源、各领域的诊断专家 等。远程监测诊断维护中心通过i n t e m e t 这个媒介，为世界范围内的企业提供远程监 测诊断维护服务。 第1 1 页 硕士论文可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 图2 2 远程监测诊断维护系统的总体结构图 图中所显示的各层次的各功能模块的含义如下： 远程监测诊断维护中心：由设各制造商建立的一个接入i n t e m e t 的可以为处在世界 各地的该种设备提供诊断维护服务的系统，包括w e b 服务器、知识库、数据库、 专家系统等。 渗断中心w e b 服务器：为制造企业提供w e b 服务的服务器，用户可以通过浏览器 访问它。 诊断数据库：存储各个企业用户设备的运行状态、维护数据等。 诊断知识库：存储设备的诊断维护知识。 第1 2 页 硕士论文可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 故障诊断专家系统：能对用户端发送过来的监测数据进行推理，通过调用知识库、 数据库，给出一个诊断的结果。 渗断专家：处在世界各地的拥有丰富领域知识的人。 网络诊断资源：其他诊断专家系统，网上知识库、数据库，各领域专家，科研机 构等。 现场监测计算机：企业网中对现场设备实时监测的计算机。 监测诊断对象：企业中生产现场的电机、机床、加工中心等制造装备。 客户端自动配置系统：能对客户系统自动进行配置的部件，详见2 3 2 节。 移动a g e n t ：一段有智能的在网络上自主迁徙运行的程序，详见2 3 3 节。 远程控制：一种操纵现场监测计算机的方式，详见2 3 4 节。 2 2 2i n f r a n e t 现场控制网络的构建【2 0 l 在计算机网络技术的推动下，控制系统要满足开放系统的要求必然走网络化的 发展道路，控制网络应运而生。控制网络目前正在经历着类似于数据网络式的发展。 过去那种封闭式的、集中式的、不灵活的体系正在被未来开放式的、网络式的、灵活 的体系所取代。网络化的控制体系远比p l c 、终端处理器和分布式控制系统更为强大。 由于控制网络的使用范围十分广泛，控制网络上设备的数量要远远超过数据网络上设 备的数量。 i n f r a n e t 是专用于控制设备和生产设备以完成测控自动化的网络，服务的对象是 用于现场的具有网络接口的智能型传感器及以它为核心的智能仪器仪表。i n t e r n e t 和 i n t r a n e t 为访问和控制i n f r a n e t 的节点提供了透明的通信和数据通道，i n t e m e t 和 i n f r a n e t 之间可以通过网关或路由器进行互联。i n f r a n e t 亦可以作为i n t r a n e t 的一个网 段或子网，可以通过网桥或中继器与企业网互联，从而大大拓展了i n t e m e t 的应用领 域、延伸了其应用触角，并丰富了其数据源，并为实现集控制、管理、信息、网络于 一体的企业综合自动化奠定基础。 目前，控制网络技术正向体系结构的开放性与网络互连方向发展。开放性控制网 络具有标准化、可移植性、可扩展性和可操作性。在计算机互联网络技术的推动下， 控制网络要满足开放性的要求，就必须走网络互连的发展道路，因而现场控制从总线 方式走向网络方式是一个必然趋势。 i n f r a i a e t 不同于一般的信息通信网络，其技术要求如下： 要求有高实时性与良好的时间确定性： 传送信息大多为短帧信息，且信息交换频繁； 容错能力强，可靠性、安全性好： 硕士论文 可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 控制网络协议实用简单、工作效率高； 控制网络结构的高度分散性： 控制设备的智能与控制功能的自治性； 与信息网络有高通信效率，易于实现与信息网络集成； 性能价格比高。 在企业生产现场运用控制网络，可以有效的解决目前大多数基于i n t e m e t 的监测 诊断和维护系统由于受底层传统信息获取方式的限制所存在着信息传递与转化的困 难。i n f r a n e t 和上层信息系统能方便的集成，实现对设备状态数据的采集将能大大提 高数据采集的效率和实时性。 2 2 3 信息集成机制 如何把现场控制网络和i n t r a n e t 、i n t e m e t 进行信息集成，这在远程监测诊断维护 系统中是一个比较关键的问题。 其中，d d e ( d y n a m i c d a t ae x c h a n g e ) 方式和o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 方式是两种比较典型的现场控制网络与上层信息系统进行集成的方式。 基于d d e 方式的信息集成【2 1 1 1 2 2 】 d d e 即动态数据交换，是实现i n f r a n e t 与i n t r a n e t 集成的一种方便方法。d d e 是w i n d o w s 系统中一种进程间的通信机制，建立在w i n d o w s 内部的信息处理机制上， 其实质为各应用程序间通过共享内存来交换信息。d d e 对话的内容是通过三个标识 名来约定，即应用程序名( a p p l i c a t i o n ) 、主题( t o p i c ) 、项目( i t e m ) 。基于d d e 方 法实现i n f r a n e t 与i n t r a n e t 集成的关键是： 中间系统的通信机制起沟通i n f r a n e t 与i n t r a n e t 的中间桥梁作用； 控制网络与信息网络平台必须支持w i n d o w s 的d d e 功能。 实现控制网络与信息网络集成的d d e 方法有较强的实时性，且比较容易实现， 因此在实际系统中得到比较广泛的应用。 例如，美国e c h e l o n 公司研制的l o n w o r k s 现场总线所构建的现场控制网络与上 层企业信息网就是通过d d e 方式集成的。 l o n w o r k s 现场总线与上位监控计算机通过d d e 会话建立连接，可以实现控制信 息和数据信息的双向交换，从而把现场监测诊断设备信息集成到i n t r a n e t 中，并进一 步通过i n t e m e t 传输到远程诊断中心。基于d d e 的i n f r a n e t 与i n t r a n e t 信息集成过程 示意图如图2 2 3 1 所示。 第1 4 页 硕士论文可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 企业数据库二二= lj i 上位监控程序i d d e 对话 l l o n m a n a g e rd d es e r v e r i jl 网络驱动器l i l l l l l o w 。a t 曲a s ei l o n w o r k s 网络接口 广1 l o n w o r k s 网络 “申申申申 f监测诊断对象 图2 2 3 1d d e 会话示慈图 基于o p c 方式的信息集成【2 3 】【2 4 】【2 5 】【2 6 】 o p c 是过程控制业中的新兴标准，它的出现为基于w i n d o w s 的应用和基于现场 控制的应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开 发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往 往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需 要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的 即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，o p c 标准应运而生，o p c 技术的出现把 开发访问设备接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以o p c 服务器的形式提 供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，完成了系统的集成，提高了系统的开放性和 可互操作性。 o p c 数据服务器是以m i c r o s o t t 公司的o l e c o m d c o m 技术为依托，采用客户 朋务器模式，是过程控制应用中的“软件总线”。基于o p c 技术的工业软件模块自 由地分布在这条软总线上，现场数据对于软件模块完全透明，软件模块可以分布在网 络上的不同地点。o p c 技术不仅可以灵活地应用于工控软件体系结构的各个层次， 同时o p c 技术也可作为任何软件模块间数据通信的标准接口，o p c 标准的产生将使 得整个控制软件体系更趋于合理，系统的开放性和可互操作性将得到进一步体现。 应用软件作为o p c 客户通过o p c 服务器提供的接口访问o p c 服务器，以存取 硬件设备的数据。o p c 规范定义了两种o p c 接口，包括o p c 自动化接口( a u t o m a t i o n 第1 5 豆( 硕士论文 可自动配置的制造装备远程监测、诊断与维护系统及相关技术研究 i n t e r f a c e ) 和o p c 定制接d ( c u s t o mi n t e r f a c e ) 。这两类接口定义了o p c 客户端软件与 o p c 服务器程序之间进行通讯的方法。用户可以编写自己的o p c 客户程序，通过在 客户程序中调用o p c 服务器对象的接口以及该接口所支持的方法来访问o p c 服务 器，常用的编程工具有c c + + ( f o rc u s t o mi n t e r f a c e ) 和v b ( f o ra u t o m a t i o ni n t e r f a c e ) 等 语言。 o p c 技术对工业控制系统影响和应用是基础性和革命性的，简单地说，它的作 用主要表现在以下几个方面： o p c 为不同的设备、系统的集成提供了可能和方便； o p c 便于集成不同的数据，为控制系统向管理系统集成提供了方便； o p c 便于系统软硬件的维护和扩展。 基于o p c 方式的信息集成示意图如图2 2 3 ，2 所示。虽然对监测诊断对象进行监 控的系统有好几种( 例如d c s 、p l c 、f c s 等) ，但是应用了各自的o p