（机械制造及其自动化专业论文）复杂机电系统远程监测与诊断方法及应用研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着科技的发展，机电一体化系统的自动化、智能化水平不断提高，系统也 变得越来越复杂。近年来，基于机电一体化技术的展示系统也获得了迅速发展， 而对这些先进复杂的机电展示系统的维护与诊断工作，却没有得到相应的快速响 应。硕士期间参与的机电展示系统项目主要有：上海金山石化展示项目、淮安吴 承恩纪念馆展示项目、上海科技馆多层幻影成像展示项目、上海宝山烈士陵园大 场景多媒体展示项目等。结合这些实际项目，利用组态软件强大的功能，开发机 电展示系统的远程监测与故障诊断系统，并对系统的设计与实现进行了以下较为 深入的研究； ( 1 ) 计算机监测诊断系统的硬件平台，采用s c a d a 思想，以p l c 作为下位 机进行实时数据采集，采用工控机作为上位机进行监测和诊断，远程监控利用互 联网通讯来实现。 ( 2 ) 计算机监测系统的软件设计方面，利用组态软件m c g s 强大的监控与显 示能力，在m c g s 中对监测系统的主控窗口、用户窗口、实时数据库、设备窗 口和运行策略窗口进行组态设计，并通过对m c g s 系统的网络访问功能设置， 实现远程浏览监控功能。 ( 3 ) 故障诊断系统通过构造专家系统来实现，根据机电展示系统的故障特 征，专家系统采用基于案例的推理方式进行设计。对基于案例推理专家系统的案 例的表示和检索方法进行了探讨，并利用o l e 技术实现专家系统与m c g s 监测 系统的实时数据共享。 利用m c g s 开发的机电展示项目的监测与诊断系统，具有操作简便、可视 性好、可维护性强、可靠性高等突出特点，为该系统在机电展示领域的应用打下 了坚实的基础。 关键词：机电展示系统、m c g s 组态软件、远程监测、故障诊断、c b r 专家 系统 上海大学颐士学位论文 a b s t r a c t m e c h a t r o n i c ss y s t e mi sg e t t i n gm o r ea u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n ta st h ed e v e l o p i n go f s c i e n c et e c h n o l o g y , i tm a k e st h es y s t e mm o r ec o m p l e x d i s p l a ys y s t e mb a s e do n m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gr a p i d l yi n r e c e n t y e a r s h o w e v e r , t h e m a i n t e n a n c ea n dd i a g n o s i so ft h e s ea d v a n c e da n dc o m p l e xd i s p l a ys y s t e md o n tg e t a l o n gw i t ht h ep r o g r e s so ft h ed i s p l a ys y s t e mi t s e l f t h ep r o j e c t sp a r t i c i p a t e dd u r i n g t h et i m es t u d y i n ga t s h a n g h a iu n i v e r s i t ym a i n l yi n c l u d es h a n g h a ip e t r o c h e m i c a l c o m p a n yd i s p l a ys y s t e m , w u - c h e n g 锄m e m o r i a ld i s p l a ys y s t e ma th u a i a n , s h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym u s e u mm u l t i l a y e rd i s p l a ys y s t e m , s h a n g h a i b a o s h a nm a r t y rc e m e t e r yg r e a tv i s i o nm u l t i - m e d i ad i s p l a ys y s t e m b e c a u s eo ft h e g r e a ta b i l i t y , c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec a nb eu s e df o rd e v e l o p i n gm o n i t o r i n ga n d d i a g n o s i ss y s t e mo f t h e s em e c h a t r o n i e sd i s p l a ys y s t e m ，t h ei t e m ss t u d i e di nt h i sp a p e r a sf o l l o w s ( 1 ) t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fc o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e ma d o p t e d s c a d a m e t h o d ，p l cw a su s e da sl o w e rp cf o rr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n , i p cw a s u s e da su p p e rp cf o rm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i s ，a n di n t e r a c tw a su s e df o r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e rp ca n dm o n i t o rc e n t e r ( 2 ) f o rt h ea s p e c to ft h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ss o f t w a r ed e s i g n , t h i sp a p e r u s e dm c g sc o n f i g n r a t i o ns o f t w a r e t h em o n i t o r i n gp i c t u r e sw a sd e s i g n e di nm c g s ， i n c l u d i n gm a i nc o n t r o lw i n d o w s ，u s e r sw i n d o w s ，r e a l t i m e d a t ab a s e ，d e v i c e w i n d o w sa n du s e r ss t r a t e g yw i n d o w s t h er e m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o nw a sr e a l i z e d b yn e t w o r ke o n f i g n r a t i o ni nm c g s ( 3 ) t h ef a u l td i a g n o s i sw a sr e a l i z e db ye x p e r ts y s t e m t h ee x p e r ts y s t e mw a s d e s i g n e dw i t hc a s e - b a s e dr e a s o n i n gb a s e do nt h ed i s p l a ys y s t e m sf a u l tc h a r a c t e r t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h er e p r e s e n t a t i o no ft h ec a s ea n dt h er e t r i e v a lm e t h o d o l o g yo f t h i sm e t h o d i ta l s ou s e do l et oa c h i e v et h er e a l t i m ed a t as h a r i n gb e t w e e nt h ee x p e r t s y s t e ma n d t h em c g sm o n i t o r i n gs y s t e m i i 圭童查兰堡主竺垡笙壅 t h em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e md e v e l o p e db ym c g s ，i tp o s s e s s e st h ea d v a n t a g e o f e a s yo p e r a t i o n , g o o di n t e r f a c e , h i g hm a i n t a i n a b i l i t ya n d s t a b i l i t y , a n dt h e s ea b i l i t i e s w i l lm a k et h es y s t e mb eu s e dw i d e l yi nm e c h a t r o n i c sd i s p l a yf i e l d k e yw o r d s ：m e c h a t r o n i c sd i s p l a ys y s t e m , m c g sc o n f i g u r a t i o ns o r w a r e ，r e m o t e m o n i t o r i n g , f a u l td i a g n o s i s ，c a s e - b a s e dr e a s o n i n ge x p e r ts y s t e m 1 1 1 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明；所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蕉丛日期：丝：查：? 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 犀必期：孕型 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 复杂机电一体化系统及其故障诊断概述 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工 程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅 速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产 品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产迈入了 “机电一体化”为特征的发展阶段。机电一体化是7 0 年代首先由日本学者提出 的概念，指在机械的主功能，动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技 术。将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称【1 】。 1 1 1 复杂机电一体化系统的特点 图卜l 焊接机器人作业流水线 图卜1 为汽车焊接生产线机器人流水作业线示意图，是一典型的现代机电一 体化系统 2 1 。在该系统中综合了机、电、液、仪、计算机、通讯等多种技术和单 元，具有检测、控制、驱动、执行等多个子系统，要完成诸如工件的识别定位， 电机的驱动和控制，现场仪表的检测，机器人的动作规划，以及多机器人之间、 第1 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 机器人与传送带之间的协同作业等工作，只有当所有的单元都处于最佳状态后才 能完成焊接任务。 图1 - 2 机电一体化多媒体展示系统结构图 图卜2 为一种机、光、电、视音频等结合的多媒体展示系统，它包含机械、 电气、自动控制、光学成像、灯光音响烟雾等多个相对独立的系统。它通过影像、 模型、机械动作、灯光、音效、烟雾等的完美结合和相互配合，达到最佳的视听 觉效果，是一种先进的机电一体化多媒体展示系统。 对以上典型机电一体化系统分析，可看出现代机电一体化系统普遍具有以下 两个特点： 1 ) 结构的复杂性 复杂机电一体化系统规模上越来越大，且通常体现为递阶分布式结构，其硬 件形式或功能均由多个互联的机械、液压、气动、电力、电子的子系统组成，而 每个子系统又由多级机电结合的部件或部分组成，各子系统有着各异的复杂结构 和功能组成。 2 ) 状态的复杂性 对于复杂机电一体化系统，每一子系统及各单元都有若干个可能的运行状 态，且各个单元部件的状态参数会随着时间的推移而变化，使得整个系统的可能 运行状态数目巨大；同时，不同的部件之间相互关联，紧密祸合，任一参数的变 化都会影响其所在子系统的变化，进而影响整个系统的状态。 第2 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 1 1 2 复杂机电一体化系统的故障诊断的提出和意义1 3 1 随着现代机电一体化系统规模和复杂化程度的日益提商。由于其结构和状态 的复杂、功能和单元众多，无法用精确的状态模型进行表示，设备发生故障的潜 在可能性和实际发生故障的几率也在相应增加。与此同时，人们对设备不仅要求 性能好、效率高，还要求其在运行过程中故障率低，否则因故障停机带来的损失 是十分巨大的。像“挑战者号”航天飞机和某电力部门的3 0 0 m w 发电机组等复 杂机电系统发生故障，都造成了重大的经济损失，可能带来灾难性的人员伤亡和 恶劣的社会影响 4 1 。人们也从这些大型设施和装备的故障和事故中，逐渐认识到 开展机电系统故障诊断的重要性。 伴随着现代复杂机电一体化系统的出现和计算机技术的发展，状态监测和故 障诊断技术应运而生，迎合了人们对机电系统故障诊断的方面的需求。应用状态 监测和故障诊断技术对机电系统进行监测和诊断，根据对系统运行状态监测获得 的信息，判断系统或设备是否存在故障、故障程度和发展趋势，并提出最佳的维 修时间和维修部位，从而预防设备恶性事故的发生，从而避免人员的伤亡、环境 的污染和巨大的经济损失。而且。由于当前的机电设备和系统复杂性不断增加， 对其进行状态监测、诊断、维修和保养的质量要求也越来越高，对先进复杂的机 电设备不应轻易的解体检查，必须采取先进的测试技术和科学的方法，进行不解 体监测和诊断，从而分析出设备所处的状态和故障情况。 而当现场诊断人员和诊断系统，对一些复杂的问题或未曾遇到的问题难以做 出准确的判断时，采用计算机网络，可以通过网络将故障信息及时送至诊断中心， 在异地利用更先进的诊断系统或专家会诊对设备故障进行分析，并将结果及时反 馈回生产现场。这就是所谓的远程监测与故障诊断，就是将设备故障诊断技术与 计算机网络技术相结合，利用现代化的通信技术与计算机网络技术实现异地间的 监测与诊断行为【5 】。 应用状态监测和故障诊断技术，变被动的故障维修为主动的维护保养，把定 期维修改变为预知维修，不但节约了大量的维修费用，而且，由于减少了许多不 必要的维修时间，而大大增加了机电系统和设备正常运转时间，大幅度地提高生 产率，产生巨大的经济效益。因此，机械状态监测与故障诊断技术对发展国民经 济有相当重要的作用。 第3 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 1 2 现代故障诊断理论【7 l 【8 1 故障诊断始于( 机械) 设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断 ( c m f o c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ) 【6 】。它包含两方面内容： 一是对设备的运行状态进行监测；二是在发现异常情况后对设备的故障进行分 析、诊断。状态监测是故障诊断的数据来源，是故障诊断的基础；故障诊断是状 态监测的目的，是状态监测的进一步发展。 现有的故障诊断方法，概括起来可分为三大类，( 1 ) 基于信号处理的方法； ( 2 ) 基于解析模型的方法：( 3 ) 基于知识的诊断方法f 9 l 。所谓基于信号处理的方法， 通常是利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波变换等，直接 分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等待征值，从而检测出故障。所谓基 于解析模型的方法是在建立解析对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对被 测信息进行处理诊断，它可分为状态估计法、等价空间法和参数估计法。目前此 种方法得到了深入的研究；但在实际情况中，常常难以获得对象的精确数学模型， 这就大大限制了基于解析模型诊断方法的使用范围和效果。 近年来，人工智能及计算机技术的飞速发展，为故障诊断技术提供了新的理 论基础，产生了基于知识的故障诊断方法，此方法由于不需要对象的精确数学模 型，而且具有某些“智能”特性，因此是一种很有生命力的方法。现代智能故障 诊断方法主要有：专家系统故障诊断方法，模糊故障诊断方法，故障树故障诊断方 法，神经网络故障诊断方法等。 1 ) 专家系统故障诊断方法l l o i 专家系统故障诊断方法，是指计算机在采集被诊断对象的信息后，综合运用 各种规则( 专家经验) ，进行一系列的推理，必要时还可以随时调用各种应用程序； 运行过程中也可向用户索取必要的信息后，迅速地找到最终故障或最有可能的故 障，再由用户来证实。专家系统的故障诊断方法可用图i - 3 的结构来说明，它由 数据库、知识库、人机接口和推理机等组成。 图卜3 故障诊断专家系统结构图 第4 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 专家系统故障诊断其根本目的在于利用专家的领域知识、经验为故障诊断服 务。目前在机械系统、电子系统及化工设备故障诊断等方面，已有成功的应用。 但专家系统的应用依赖于专家的领域知识获取。知识获取被公认为专家系统研究 开发中的“瓶颈”问题；另外，在自适应能力、学习能力及实时性方面也都存在 不同程度的局限。 2 ) 模糊故障诊断方法1 1 1 i 模糊故障诊断是通过研究故障与征兆( 特征元素) 之间的关系来判断设备状 态。由于实际因素的复杂性，故障与征兆之间的关系很难用精确的数学模型来表 示，诊断结果不能简易的用“是否有故障”的来表达，而要求给出故障产生的可 能性及故障位置和程度如何。这就产生了模糊故障诊断方法。 模糊故障诊断方法是利用集合论中的隶属函数和模糊关系矩阵的概念来解 决故障与征兆之间的不确定关系，进而实现故障的检测与诊断。这种方法计算简 单，应用方便，结论明确直观。在模糊故障诊断中，构造隶属函数是实现模糊故 障诊断的前提，但由于隶属函数是人为构造的，含有一定的主观因素；另外，如 果对特征元素的选择不合理，诊断精度会下降，甚至诊断失败。 3 ) 故障树故障诊断方法1 1 2 l 故障树方法是由计算机依据故障与原因的先验知识和故障率知识自动辅助 生成故障树，并自动生成故障树的搜索过程。诊断过程从系统的某一故障开始， 沿着故障树不断提问“为什么出现这种现象? ”而逐级构成一个递阶故障树，通 过对此故障树的启发式搜索，最终查出故障的根本原因。 故障树法对故障源的搜寻，直观简单，它是建立在正确故障树结构的基础上 的。因此建造正确合理的故障树是诊断的核心和关键。但在实际诊断中这一条件 并非都能得到满足，一旦故障树建立不全面或不正确，则此诊断方法将失去作用。 4 ) 神经网络故障诊断方法【1 3 1 人工神经网络由于其本身信息处理特点，如并行性、自学习、自组织性、联 想记忆功能等，使其能够出色地解决那些传统模式识别方法难以圆满解决的问 题，所以故障诊断是人工神经网络的重要应用领域之一。 在知识获取上，神经网络的知识不需要由知识工程师进行整理、总结以及消 化领域专家的知识，只需要用领域专家解决问题的实例来训练神经网络；在知识 第5 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 表示方面，神经网络采用隐式表示，在知识获取的同时，自动产生的知识由网络 的结构和权值表示，并将某一问题的若干知识表示在同一网络中，通用性强，便 于实现知识的自动获取和并行处理；在知识推理方面，神经网络通过神经元之间 的相互作用来实现推理。 神经网络故障诊断虽然有它独特的优越性，但也存在一些困难。主要表现在 三个方面：一是训练样本获取困难；二是忽视了领域专家的经验知识；三是网络 权值表达方式难以理解。 总之，近些年来，由于计算机技术，信号处理、人工智能、模式识别技术的 发展，促进了故障诊断技术的不断发展，特别是基于知识的智能故障诊断方法得 到广泛的研究。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 状态监测与故障诊断技术研究概况刚1 4 l 早在二战期间，由于大量军事装备缺乏诊断技术与维修手段，造成了大量非 战斗性的损坏，人们开始意识到故障诊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、计算机技术的更新换代，为设 备诊断和检测技术的发展奠定了重要的技术基础。 美国自1 9 6 1 年开始执行阿波罗计划后，出现一系列因设备故障造成的事故， 导致1 9 6 7 年在美国宇航局( n a s a ) 倡导下，由美国海军研究室( o n r ) 主持成立了美 国机械故障预防小组( m f p g ) ，并积极从事技术诊断的开发。美国诊断技术在航空、 航天、军事、核能等尖端部门仍处于世界领先地位。英国在6 0 7 0 年代，以 c o l l a c o t t 为首的英国机器保健和状态监测协会( m h m g c m n ) 最先开始研究故障 诊断技术。英国在摩擦磨损、汽车和飞机发电机监测和诊断方面具领先地位。日 本的新日铁自1 9 7 1 年开发诊断技术，1 9 7 6 年达到实用化。日本诊断技术在钢铁、 化工和铁路等部门处领先地位。故障诊断技术经过3 0 多年的研究与发展，已应 用于人造卫星、航空航天、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系统、石油化工 过程和设备、汽车、冶金设备、矿山设备和机床等领域。 第6 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 我国在故障诊断技术方面起步较晚，1 9 7 9 年才初步接触设备诊断技术。目 前我国诊断技术在化工、冶金、电力等行业应用较好。我国开展机械故障诊断大 致经历了三个主要阶段：第一阶段从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代初期，主要是引 进和吸收国外的先进技术，在此基础上开始研究机械设备的故障激励、诊断方法 等：第二阶段从2 0 世纪8 0 年代初到8 0 年代末，主要是研究各种新的诊断技术， 研究和创建新的诊断理论和诊断方法，将设备诊断技术推广应用到生产中去；第 三阶段从2 0 世纪8 0 年代末至今，主要是从理论上和生产实践建立较有系统性的 和诊断理论，研究设备状态检测和故障诊断系统，将我国的机械故障诊断技术推 向理论研究和应用的新高潮。国内，华中理工大学研制了用于气轮机组工况检测 和故障诊断的智能系统d e s t ：哈尔滨工业大学和上海发电设备成套设计研究所 联合研制了气轮发电机组故障诊断专家系统删m d 一2 ；清华大学研制了用于锅炉 设备故障诊断的专家系统等等。但总体来说，国内在故障诊断方面的研究和应用 相对来说还处于起步阶段，已经取得了一定的成果，正在向应用化阶段发展。 1 3 2 远程监测与故障诊断技术概况 远程监测与故障诊断技术，是利用远程网络系统在异地对远程的现场设备实 施监视、测试，并根据测试数据进行故障的预报和诊断的技术。1 9 9 7 年1 月， 斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首届基于i n t e m e t 的工业远程诊断研讨 会，标志着远程诊断技术的诞生，国内外很多企业、研究院所和高校都开展了这 方面的研究，如美国n a s a 的用于复杂设备的远程诊断服务系统【l5 】；德克萨斯 m o n i c o 公司开发的发动机远程监控和i n t e r n e t 信息服务系统【16 】；清华大学以大型 电站设备为对象，开展了远程在线监测和诊断研究【 】；同济大学在中德合作项目 的资助下，开展了制造企业远程服务系统的研究【埔】；华中科技大学提出了基于 i n t e r n e t 的远程协作故障诊断的相关理论【1 9 1 ；南京理工大学以武器准备和轨道交 通车辆为对象也讲行了大量的研究工作【2 0 j 。 1 3 3 组态软件在状态监测与故障诊断中的应用2 1 】 组态软件，它是一些数据采集与监控的专用软件，采用模块化设计，易学易 用，能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且可提供分布式数据管理和网络 第7 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 功能，在状态监测与故障诊断领域大有作为。组态软件更确切的称呼应该是人机 界面h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) ，监控与数据采集s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t e a c q u i s i t i o n ) 软件。目前组态软件的发展迅猛，已经由过去的主 要应用于h m i ，解决人机推行界面和计算机数字控制问题，发展到s c a d a 系统， 广泛用于企业信息管理和控制一体化、远程诊断和维护以及在互联网上的- 系列 的数据整合。 组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。直到9 0 年代 焉期，随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的监控系统 时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得 不偿失的。因此，在1 9 9 5 年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。主 要应用的国外组态软件有w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 、i n t e l l u t i o n 公司的i f i x 、s i m e n s 的w i n c c 、r o c k w e l l 的r s v i e w 等软件，国内的主要有北京亚控科技的组态王， 大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) ，北京昆仑通态软件公司的m c g s 软件等。 组态软件主要解决的问题有： 1 ) 如何与采集、控制设备间进行数据交换。 2 ) 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。 3 ) 处理数据报警及系统报警。 4 ) 存储历史数据并支持历史数据的查询。 5 ) 各种报表的生成和打印输出。 6 ) 为使用者提供灵活、多交的组态工具，可以适应不同应用领域的需求。 7 ) 具有与第三方程序的借口，方便数据共享。 正是由于组态软件是面向监控和数据采集的软件平台，在数据采集、数据库 操作、画面显示、网络通讯等方面的无与伦比的优越性，使得应用组态软件可以 更直观、更方便、更稳定的构建远程监测与故障诊断系统，组态软件在石化、电 力、冶金、汽车制造领域的生产监控方面，以及电梯、动力设备等设备监控领域 获褥了越来越多的应用。 1 3 4 发展趋势7 1 1 1 3 i 从远程监测与故障诊断研究内容看，主要有两个方面，一是系统集成技术 第8 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 的研究，如远程诊断中心知识资源、故障诊断专家如何通过网络有效为远程用户 提供所需的故障诊断与维护服务；二是发展各种故障诊断方法，以及用人工智能 方法来进行故障的诊断。总之，复杂设备的远程智能故障诊断系统技术研究正朝 着信息化、敏捷化、智能化方向发展： 1 ) 信息化：大量使用现代信息技术，纳入现代信息战略薪体制，采用网络化 系统模式，消除时空障碍。 2 ) 敏捷化：一是实时诊断和维护，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。 3 ) 智能化：大量引入人工智能技术，以及各种智能方法的有效集成，更有效、 更准确地发现故障并及时的排除，大大提高维修资源利用范围和利用率。 从以上的分辑我们可以看到，今天，无论是从应用的领域( 如军事、民用) ， 还是从应用的对象( 如工业装备、车辆、飞机、电站装备、医疗疾病等) 来看，远 程监测故障诊断系统的研究都在积极的展开，并获得了成功的应用。 1 4 论文的主要研究内容 在硕士研究生期间，本人有幸参与到多个机电一体化多媒体展示项目中。机 电一体化多媒体展示系统中，包含机械系统、控制系统、光学成像系统，而且各 种机械，电气元件繁多，一旦出现故障，不仅给现场展示带来不好的效果，而且 不易处理，现场工作人员一般只能解决一些简单的故障诊断问题，当系统出现故 障时，就只能请专家到现场进行诊断，传统的对方呼叫、出差维修、维修返回方 式在实际应用中显得呆板、效率低、造成人力、资金的浪费。因此，对这样复杂 的系统，实时地对其各种工作状态进行监控和如何快速的对故障进行诊断并排除 故障就变得相当重要。 硕士期间参与的机电一体化多媒体展示系统主要有：上海金山石化展示项 目、淮安吴承恩纪念馆展示项目、上海科技馆多层幻影成像展示项目、上海宝山 烈士陵园大场景多媒体展示项目等。本课题以参与的实际展示系统为研究对象， 基于组态软件，对其进行远程监测与故障诊断研究，旨在提高机电展示系统管理 水平及故障诊断的准确性和快速性。 本课题以工程应用为目标，研究工作主要包括以下几点内容： 第9 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 1 ) 根据现有条件，确定机电展示系统的监测和诊断系统设计方法，制定其 整体框架设计思路。 2 ) 设计整个系统的硬件平台，利用p l c 、上位机、局域网、远程监控中心 构成监控系统。搭建p l c 控制与监测硬件系统，并进行抗干扰设计和自保护程序 设计；实现上位机与p l c 的数据通讯，由上位杌对整个系统进行监控。 3 ) 建立计算机监控系统，对机电展示监测系统的整体功能，软件实现以及 模拟运行进行深入的研究。上位机利用组态软件，对整个系统进行实时状态监测 及显示，并配置网络实现远程监控。 4 ) 选择合适的诊断方法，进行故障的智能诊断。收集机电展示系统运行过 程中发生的故障，采用专家系统建立故障诊断系统，利用基于案例方法进行推理， 对其关键技术进行研究；研究故障诊断专家系统与计算机监控系统的集成问题。 第1 0 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 第二章基于机电一体化技术的多媒体展示系统 2 1 机电一体化多媒体展示系统【2 3 】【2 4 i 传统的自然博物馆、科技博物馆等展示场所，其展示技术主要采用陈列实物 或模型展示方式，以及简单的互动展品展示技术，不太注重形式设计和环境设计， 也不注重灯光、音效等综合效果的设计和表现，物本主义的痕迹很深。很多没有 “物”的主题，概念只能通过文字、图文板等有限的手段来表现，教育意义浅显， 起不到触景生情的作用。在当今上海世博经济与世博科技的不断提出高要求的情 势下，传统的展示技术和方法已经很难满足人们的参观需求，与现代入对信息和 现代展示技术的需求有很大差距。随着信息时代计算机技术和各种集成技术的快 速发展，基于机电一体化的多媒体展示技术应运而生，满足了人们对展示系统更 高的要求，可以提供给人们更多的互动、体验、参与和感受。 基于机电一体化的多媒体展示系统，集成了机电一体化技术、自动化控制技 术、影视媒体技术、仿真模拟技术、舞台表演技术和艺术、灯光灯效控制技术、 音视频及其音效控制技术、集成控制技术等于一体，是一种典型的现代机电系统， 它可以为科普教育、休闲娱乐、展览展示、大型演示性工程项目提供技术的支持 和服务。它以信息集成控制技术为核心，以机电一体化装备、计算机信息网络设 备为平台，以计算机控制软件为纽带，通过声、光、机、电及计算机等技术，结 合影视、动画等多媒体技术，向观众传递更多的展示信息，满足人们对信息可视 化、艺术性、教育性和趣味性的要求，突出了展示内容，加深了展示效果。国外 比较有代表性的科技馆，如美国的e x p l o r a t i u m 科技馆、美国的t e c h m u s e u m 科 技馆、法国的l a v i l i t ec i t y 综合性科技馆，特别是国外的主题公园，如美国的 d i s n e y 乐园、环球影城，把机电一体化技术和视觉媒体工程技术结合起来，应用 到现代展示娱乐系统中，把高科技技术应用列娱乐服务行业上来，创造了很好的 经济效益和社会效益。 下面介绍若干典型的机电一体化展示技术及其应用实例。 第1 1 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 2 2 机器人剧场 随着近年来计算机技术、电气自动化技术( 包括新型的传感器技术) 、精密 机械加工制造技术的高速发展，使得机器人技术也得到了高度的发展。机器人已 经广泛应用于与我们的现代生活与工作中，替代了人类的部分工作。 娱乐机器人是机器人应用的一个重要领域，世界各国都很重视机器人在教育 娱乐领域中的应用。“机器人剧场”概念的提出，目的是为了更好地展示现阶段 机器人的用途、功能、技术，进行相关知识的科普宣传，通过创意策划的机器人 表演节目，使观众在这里获得技术、艺术、知识等熏陶和享受。 2 2 1 机器人控制方法 由于机器人的可实现的姿态控制众多，所以应建立一个数据库，将一个节目 所要完成的动作保存为一个模块，将机器人动作的每一个动作段所需的数据编写 为数据库中的数据段，包括动作编号、调用对象、所需时间、动作段结束方式等 数据。在实际控制时，分别从数据库中调用相应的数据，通过通用程序控制模块 去控制机器人动作以及各种多媒体。机器人剧场电气原理图如图2 - 1 所示。 圈2 - 1 机器人剧场电气原理图 1 ) 机器人跳舞动作的实现 众所周知，机器人是不会跳舞的，更不知道什么舞姿和内容，只知道点和点 的轨迹，同时机器人动作的编程技术人员也是不懂得舞蹈的乐曲与形体动作的结 合关系，没有可参考的模型。机器人舞蹈动作的实现，首先要聘请专门的舞蹈老 第1 2 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 师指导舞蹈动作。然后，根据节拍编排好的舞蹈动作录像，得到舞蹈的运动曲线 和音乐的时间节拍，勾画出表现的轨迹曲。最后，由编程人员按动作段，设计出 机器人的各种空间点、曲线和相互之间的配合关系，把这些动作最后固化为动作 程序。 在音乐节奏舒展部分，编制动作时应该较多考虑动作的连续性，主要采用插 值处理和仿真处理；在音乐节奏的跳动部分，编制动作时较多的考虑动作的往复 跳跃性( 即从本动作结束到下一动作开始应强调动作响应快速) 。最后将一个舞 曲中的机器人动作连贯起来，达到乐曲内容既有节奏强烈部分、又有动作舒展部 分的优美的机器人舞蹈。 2 ) 机器人动作与灯光的配合技术 机器人虽然具有一定的智能，但是目前还不能快速灵活的对外界事物作出反 应。机器人动作与灯光的配合，是通过同时控制灯光设备、机器人进行预定动作， 来实现配合的效果。 采用的方法是将一个节目的机器人的全套动作，分解成一个个较单一的动 作，然后进行编号和动作时间长度的测试。采用电脑调光台灯光控制设备对机器 人的单一动作进行灯光控制程序的编制。首先，将机器人的单一编号的动作与灯 光的编号控制一一对应，根据单一动作由电脑控制灯光的追光、色彩变换、亮度 变换、图形变换等程序编制。然后在控制机器人全套动作进行时，再给机器人按 时间顺序发送调用的动作编号，同时向电脑调光台发送相同的灯光控制编号，这 样可以实现灯光与机器人每个动作的配合功能要求和时间上的同步与合拍。 3 ) 机器入动作与音乐的配合技术 机器人动作与音乐、语言的配合，它的控制原理是与灯光配合不同的，主要 采取以音乐、语言为主，去控制机器人的动作，而机器人的动作节拍实现是以其 编辑的动作去迎合音乐节拍和语言内容。 通过软件将音乐源文件进行节拍分析，取出各个节拍的时间参数，分成时间 段，然后通过计算机处理，转换成机器人的机器码。机器人动作的编辑就是根据 音乐的时间码配合，编成动作段编号，计算大量的点位和轨迹曲线，经过重放合 成，来完成优美的机器人动作。 第1 3 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 2 2 2 机器人剧场实景 如图2 2 、2 3 所示，为上海科技馆机器人剧场的实景，分别是表演用的机 器人画面及机器人在茉莉花民族舞表演中的现场画面。 2 - 2 机器人剧场的表演机器人 2 - 3 机器入在表演民族舞荣莉花 2 3 三维立体成像展示 三维立体成像多媒体展示系统( 以下简称三维立体成像) 利用大型凹面反射 镜及分光镜等光学元件，将平面显示器上呈现的三维动画成像在自由空间中，使 之达到空间三维立体成像的效果，造成强力的立体视觉冲击感。系统可广泛应用 于广告、娱乐、展览、科教等领域。 2 3 1 三维立体成像原理 按常理，二维空间不适合展示空间三维事物。但是根据人的视觉心理，巧妙 利用透视、光影、色彩的变化以及物体的运行，便可营造出三维空间感。如图 2 4 所示，系统利用计算机图像技术制作富有立体感的三维动画a a ，使用大型 凹面镜和呈4 5 4 放置的分光镜m 1 构成的光学系统系统，再现二维平面显示器 上播放的三维动画发出的散射光，形成一幅“悬浮”在三维空间的实像b b 。在 背景投影电视画面的衬托下，利用人眼视错觉产生逼真地视觉效果，即使观众远 离系统，三维动画上出现的物体也看似触手可及，产生立体感。在配上声音、灯 光等渲染展示环境，使得展示内容栩栩如生，获得更强的真实感、立体感体验。 第1 4 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 图2 - 4 三维立体成像光学系统示意图 2 3 2 三维立体控制原理 整个系统的核心，仍然是机电一体化技术。它包含计算机、p l c 、电视机、 音响、灯光及电源，通过计算机程序对多媒体播放进行控制，而由p l c 程序对 整个系统的操作进行控制。 图2 - 5 控制系统结构圈 控制系统核心采用可编程控制器p l c 对系统进行监控，控制电视机、计算 机、音响和灯光的电源供给。并通过可靠性较高的r s 一2 3 2 通信方武与多媒体计 算机建立通信连接，对计算机多媒体播放进行控制，同时接收计算枫信号，控制 灯光的关闭。控制面板按钮连接p l c 的输入端，控制整个系统的播放操作。由计 算机内部控制软件，实现图像和声音回放，并送入电视机和音响设备。整个控制 系统的结构如图2 - 5 所示。 系统软件设计充分考虑到操作的方便性和系统的安全性，在任何时刻都可以 第1 5 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 通过控制面板按钮进行启动、循环、单次、停止播放的操作。计删e w i n d o w s 2 0 0 0 的环境下不允许在使用进程中关机。针对这种情况，对多媒体计算机采用u p s 供 电，p l c 实时监测电网的供电情况而对u p s 进行控制。 2 3 3 三维立体成像实际应用 位于上海市科技馆内“智慧之光”展区设有三维成像展示系统，观众驻足展 台前，可以看到一个个动态的“宇宙天体”在空间浮动，展示太阳系构造和现代 航天事业的发展。画面中九大行星在各自的轨道绕太阳旋转，随着画面的切换， 地球出现在眼前，海洋与陆地依稀可见，人造卫星在其上空旋转。这些色彩绚丽 的三维动画，在环境灯光的渲染下，有着强烈的三维立体视觉冲击力。并在背景 音乐渲染下，给人以赏心悦目的视听感受。如图2 - 6 所示。 2 4 消化道之旅 图2 - 6 三维成像系统演示效果图 在国内外的主题公园里，特别是美国的d i s n e y 乐园，开发和应用了大量的 过山车、快速轨道历险项目，结合美国历史上曾发生的西部探险、金矿开采和石 油开采等一些内容和故事，把人们带回到过去。其主要是应用机械电气控制技术 和场景复原造景技术，把轨道车穿梭的惊险和人们追求刺激的本性有机地结合在 一起，演绎了众多有趣的新奇的故事内容，经久不衰，既创造了欢乐，也带了不 错的社会效益和经济效益。消化道之旅，这是借鉴了这种技术，来演绎人体旅行， 达到科普教育和人体结构知识宣传的双重目的。 第1 6 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 2 4 1 消化道之旅的展示内容 人体是一个十分复杂的有机体，消化道系统是人体的重要组成部分，消化道 系统中充满了令人叹为观止的奥秘。消化道之旅，利用轨道车技术，通过搭建仿 真的场景，结合已知的人体知识，让人们深入到人类的身体中去看个究竟。消化 系统趣游，是普及人体消化道健康知识的一种重要手段，通过现代机电一体化展 示技术，以多变的视频、音效、灯光、特技使趣味之旅与科学内容的宣传融为一 体，可以使人们获得从理性的认识到感性的认识，了解人体自身，掌握科学卫生 知识，既有教育意义，又有警示的效果。 消化道之旅的实现过程是，通过一种轨道车，搭载观众由口腔进入人体消化 系统，在模拟人体的仿真环境中穿行，应用多自由度动感游览车、四维动感电影、 电影特技等多项高科技技术，整个过程中通过仿真器官的特技运动与消化系统的 立体电影，配上a v 灯光、立体电影，使观众了解口腔卫生知识、胃的常见病变、 小肠胰腺病变、肝脏的保护功能及大肠的病变情况，使观众在这种由立体影像与 模拟的真实场景组成的环境中获得新奇感和探秘感。 2 4 2 消化道之旅的系统控制 图2 - 7 消化道之旅的控制系统结构 消化道之旅的控制系统是按照固定的剧本时间为控制主线，将声、光、影像 和机电各子系统通过各种通讯协议进行集成，精确的对各子系统同步触发和控 制，以使各系统统一、协调、精确的表演，给观众视觉、听觉和肌体的震撼效果。 整个控制系统，分为媒体控制模块，灯光控制模块，轨道车控制模块。如图2 7 第1 7 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 所不。 小车的控制是整个控制系统的核心部分。小车要实现上坡，下坡、转弯、旋 转、快速前进、快速后退、前后颠簸、左右抖动等动作，这些特技动作由安装在 小车上的多自由度座椅，在控制系统的控制下实现。小车通过滑触线来供电，小 车的控制通过每辆小车上的m o d e m 和中央控制柜之间的通讯来实现，中央控 制柜发车各种指令使小车快速、慢速、前进、后退、前后颠簸、左右摆动、3 6 0 度旋转等，小车在轨道上的位置靠位置控制开关来实现。中央控制柜有l o 条通 讯通道，分别控制每辆小车，同时控制小车在轨道上的相对位置，使他们不相互 干扰。小车到达指定位置后，触发