（机械制造及其自动化专业论文）状态监测系统若干关键技术的研究与实现.pdf

中文摘要 状态监测系统若干关键技术的研究与实现 研究生姓名：徐建 导师姓名：贾民平教授 学校名称：东南大学 现代工业生产过程中，设备状态监测与故障诊断系统在保障设备安全运行，预防事故发生以及实现设 备维修制度的变革等方面起到了关键性的指导作用，取得了显著的经济效益和社会效益但是，目前已经 开发的大多致状态监测系统，其稳定性、灵活性以及功能上还存在不足本文针对目前监测系统软件存在 的局限对状态监测系统开发中的几个关键问题进行了研究 1 )设计了系统体系结构，系统总体结构由上、下位机两部分组成，下位机负责数据采集，上位机负责数 据保存和工况分析提高了系统实时性在软件设计上，采用v i s u a lc + + 面向对象的编程思想，完成了状 态监测系统的总体软件设计，具体包括数据采集模块、数据处理模块、数据保存模块、数据传输模块及数 据显示模块，各模块完成相应的功能，提高了系统软件的可扩展性和易维护性 2 )完成了基于p c i 总线的高速数据采集卡驱动程序的设计，介绍了w m d o w s 2 0 0 0 下应用d r i v e r s t u d i o 和 v i s u a lc + + 相结合开发数据采集卡驱动程序的方法应用动态链接库技术调用驱动程序来实现对采集卡硬 件的访问，实现了数据的采集功能经测试各项功能正确，有效提高了a d 板卡和计算机之间的数据传输 速度 3 )在分析了t c p i p 协议及采用w i n d o w ss o c k e t 进行网络编程的基本原理的基础上，给出了保证数据传 输实时性、可靠性的若干方法阱及处理阻塞问胚的措施实现了基于t c p i p 协议的数据通信功能测试 结果表明，该通讯模块能够在保证可靠性的前提下及时完成数据的传输 将该状态监测系统应用于齿轮箱振动数据采集中实际应用表明，该系统具有较好的实时性，可靠性， 能够很好的满足工程应用要求。 关键词：状态监测数据采集驱动程序t c p i pp c i a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fs e v e r a lk e yi s s u e so f c o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m b y x uj i 姐 s u p e r v i s e d 略p r o cj i a m m p i 】堆 s o u t h e a s tu n i v e r s i t y i nm o d e mi n 血她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 ss y s t e mp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si n a n c i d e n tp r e v e n t i o na n ds a f e l ym a c h i n e w e l la sr e n o v a t i o no fm a i n t e n a n c e a n di ti s g e t t i n gs t r i k i n g e c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t h o w e v e r , t h em j o r i t yo f c u r r e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m sh a sd e f i c i e n c yi n f i m e t i o n s ，s t a b i l i z a t i o n , o p e n i n ga n dr o b u s t n e s s t os o l v et h ed e f i c i e n c yo f t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m , s o m e k e yt o p i c si ss t u d i e di nt h i st h e s i s 1 ) t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e , m a d e 印o fu p s t r e a mc o m p u t e rs y s t e ma n dd o w n s t r e a m c o m p u t e rs y s t e m , h a sb e e nd e s i g n e d t h ed o w n s t r e a mc o m p u t e rs y s t e ma c c o m p l i s h e sd a t aa c q u i s i t i o n , w h i l et h e u p s t r e a mc o m p u t e rs y s t e ma c c o m p l i s h e sd a t as t o r a g ea n dc o n d i t i o na n a l y s i s t h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo f c o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e ni m p r o v e d b a s e do nt h ev t s a a lc hl a n g u a g ea n dt h eo b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n gt h o u g h t , t h es o l t w a r ed e s i g no ft h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p l e t e d , i n c l u d i n gd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e 。d a t ad i s p o s em o d u l e ，s t o v i g em o d u l e ，t r a n s p o r tm o d u l ea n dd i s p l a ym o d u l e a c c o r d i n gt o s y s t e mf u n c t i o n , d i f f e r e n tm o d u l e sa d e s i g n e dt oi m p r o v et h es y s t e me x p a n s i b i l i t ya n ds t a b i l i t y 2 ) t h e d e v i c ed r i v e ro fp c i b a s e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r di sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h ed e v e l o p m e n tm e t h o do f h a r d w a r ed e v i c ed r i v e rw i t hd r i v e r s t u d i oa n dv i s u a lc + + s o f t w a r et m d e rt h ew i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i o n “s t e mi s d i s c u s s e d u s i n gd y n a m i cl i n kl i b r a r yt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ea c c e s s i n go fd a t aa c q u i s i t i o nc a r d , a f t e rt e s t i n g , e v e r yf u n c t i o nw a sr i g h ta n di ti m p r o v e dt h et r a n s f e rs p e e db e t w e e na dc a r da n dc o m p u t e re f f e c t i v e l y 3 1t h et c p f l pp r o t o c o la n dt h ep r i n c i p l eo f w i n d o w ss o c k e tp r o g r a m m i n ga r ei n t r o d u c e da n dt h ew a yo f h o w t oi m p r o v er e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n da c c u r a c yi nd a t at r a n s p o r t a t i o ni sd i s c u s s e d m e a s u r et os o l v ec o n g e s t i o ni s g i v e no u t t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h em o d e l 咖a c h i e v ed a t at r a n s f e ri nt i m eo nt h ep r e m i s eo f a c c u r a c y t h ea p p l i c a t i o n so ft h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi ng e a r b o xc o n d i t i o nm o n i t o r i n gh a v es h o w nt h a tt h e s y s t e mi se f f e c t i v ea n df e a s i b l ea n dc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c o n d i t i o nm o n i t o r i n g d a t aa c q u i s i t i o n , d e v i c ed r i v e r ，t c p i p p c i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：簦建。 日期：塑幽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：径垄。 导师签名：日期： 第1 章绪论 1 1 课题意义 第1 章绪论 随着现代工业的发展和科学技术的进步，现代设备的结构越来越复杂，自动化程度也越来越高，规模 越来越大，各生产环节的联系也日益密切，形成了具有整体关联的生产链，并不断向高效、高速、大容量、 高强度、系统化、自动化方向发展与之相应，关键设备故障的停工损失及维修费用也大幅度上升因而， 提高设备运行的安全性、可靠性，减少维护费用和生产费用成为工业过程关注的焦点 状态监测与诊断技术是了解和掌握设备的运行状态、识别设备的异常表现，早期发现设备潜在故障并 预报故障发展趋势的技术通过对设各进行状态监测和故障诊断，可以确定合理的检修时间和方案，达到 减少事故停机损失、提高设备运行的可靠性、降低维修费用的目的，是解决复杂系统的安全性、可靠性、 维修决策的科学性问题的关键技术之一而其中以计算机为中心的现代设备监测与故障诊断系统成为诊断 理论和技术应用于生产实际的桥粱，一切监铡诊断技术最终都要落实到实用的状态监控与故障诊断系统中 去，这是故障诊断技术发展的必然趋势l l - 3 状态监测系统在工业生产中的意义重大，主要体现在以下几个方面： 提供实时的数据以汽轮机为例，在开机过程中需要经过暖机阶段，等待机组温度达到要求后，才能 提升电机速度，此时工程师通过状态监测系统监测界面所显示的汽轮机冲转的参数来判断机组是否可以冲 转，避免事故的发生 提供大量的历史数据状态监测系统2 4 小时监测机组运行状况，具有强大的数据储备能力，工程师和 科学研究人员可对历史数据进行分析从而对机组长期以来的运行状况有更详细的了解。 及时发现故障当机器发生故障时，其振动信息就会发生变化，通过对这些信息的分析，可以确定异 常性质、危害部件、故障发展趋势 促进设备维修体制的变革应用状态监测与故障诊断技术对延长设备运行周期，促进设备维修体制的 变革有着重大的意义。尤其是对于自动化程度高、结构复杂的流程性工业，这项技术显得尤为重要【4 “ 1 2 状态监测技术的发展历程、现状和趋势 1 2 1 状态监测技术的发展历程 在工业生产过程中，需要对反映设备运行状态的物理量，如温度、压力、流量、噪声等，进行监测以 保证设备的正常运行。计算机诞生以后，很快就被应用于工业监测领域状态监测系统的发展随着自动化 技术、计算机技术等的发展而发展，大体上经历了以下阶段 e - 。月： 1 模拟仪表 在计算机出现以前人们只能采用各种模拟仪表对重要设备的个别状态进行单独监测这种方式没有 东南大学硕士学位论文 考虑整个系统的相互关联，各个监测仪表之间相互独立，缺乏有效的协调，难以适应大型复杂的工业监测 发展韵需求 2 数字仪表 6 0 年代早期，人们利用微处理器和一些外围电路构成数字式仪表以取代模拟仪表，并加入了控制功 能，该方式不仅提高了控制精度，而且具有传统模拟仪表无可比拟的性能价格比但是仍不能解决各个监 铡仪表之闻的协调问题。 3 集中式监控 7 0 年代左右出现了集中式监测监控系统在整个系统中，由一个监测监控中心完成总任务的分解、 分派和协调，采用计算机作为控制中心，实行集中监测控制和管理由于采用了计算机，这种方式可以充 分利用计算机强大的数据处理和显示功能，比常规仪表控制系统具有了很大的优越性，控制功能也变得比 较齐全，而且可以实现传统模拟仪表难以实现的功能和各种复杂的控制 4 集散式监控 7 0 年代中后期，随着工业生产过程复杂度的增加，分工进一步细化，由一个控制中心实现对所有子系 统的控制变得越来越困难，随之产生了新一代监测监控系统，即集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 。利用计算机技术对生产过程进行集中监测，解决了各监测点之间相互孤立的问题 5 分布式远程监控 9 0 年代以来，由于计算机网络技术的迅猛发展，i n t r a n e t 和i n t e m e t 在工业领域的逐渐普及，更因为生 产过程和监测控制系统的进一步复杂化，计算机监测监控系统逐渐朝着网络化、分布式的方向发展，出现 了分布式远程监测监控系统系统中的各个监测控制点分布在不同的地方，通过计算机网络完成数据的通 信和信息交换，协调合作，共同完成监测控制任务。系统的管理中心可以远离现场，通过网络进行远程监 测监控 i 2 2 状态监测技术的国内外研究现状 目前，随着计算机和网络技术的发展，基于i n t e m e t 技术的远程设备状态监测系统正在成为发展的主流 和重要的研究方向国内外都对该领域投入了大量精力，傲了深入的研究，并取得了丰富的成果 美国提出了n a s a 研究计划，用于武器装备的远程监测监控和故障诊断系统，目的是实现技术手册数 字化，建立远程维修信息系统，采集和处理故障数据、飞行实验数据等，还包括通过网络实现远程故障诊 断和故障隔离，并组织有效的零备件供应支持等”q 欧洲也有不少公司和部门从事旋转机械状态监测和故障诊断技术的研究和开发。英国早在7 0 年代初就 有英国机械保健中心为首开始宣传、培训、咨询、资料交流及诊断技术的开发方面取得了很好的成效欧 洲共同体的英、法、芬兰、希腊从1 9 9 5 年5 月起，开始了一项利用人工智能和仿真技术提高状态监测和诊 断系统的功能与精度的“v i s i o ”大型联合项目的研究欧洲大多数国家在设备诊断技术上都有很大的进 展。它们虽然在广度上成果不大，但都在某一方面具有特色或占领先地位如瑞典的s p m 轴承监测技术， 挪威的船舶诊断技术等【i ” h e w e t t p a c k a r d 公司开发t 6 6 5 0 1 网络通讯模块，该模块向上可以用h t l p 、f 1 p 协议与因特网相连，向 下可以与a r p 板等数字化测控设备相连借助该模块，用户可以通过浏览器实现远程数据采集 最近几年，德国f l e n d e r 服务状态监测公司已开发出基于现代远程故障诊断技术的面向状态的维惨 技术其i n t e r m a c 远程诊断系统内嵌有i n t e m e t 技术，可通过自动机( r o b o t ) 发e m a i l 的方式实现远程服务 对于c n c 数控系统，国外大部分著名的公司在其产品中均集成了远程诊断功能。日本的m a z a k 公司在 2 第1 章绪论 其数控系统f u s i o n 6 4 0 中带有m o d e m 和e t h e r n c t 接口组件，并具有远程诊断功能其它的如f a n u c 、s i m e n s 、 o k u m a 在其高端数控系统中均实现了远程诊断功能，有的还有e m a i l 报警功能、远程操作功能和操作员辅 助支持功能 b e n f l y 公司、丹麦b & k 公司、e n t c k 公司等国外著名的从事远程设备状态监测与故障诊断技术的公司也 在开展这方面的研究工作 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 ns y s t e m sa l l i a n c e ) 、 m f l w s o c i e t yf o rm a e h i n e r yf a i l u r ep 陀v 翩t i t o ：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 ga 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 l 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他们的产品中也加入了许多大公司在他们的产品中也加 入了因特网功能，如b 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 a m 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 li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品 l a b v i e w 中新增了因特网模块，可以通过w w w 、e m a i l 、f 1 p 方式发送测试数据i i s , 1 9 在国内，设备状态监测与故障诊断技术目前处于研究阶段。在一些大学中现在着重进行有关基础技术 的研究有的学校进入了应用研究阶段其中西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学已开展工业 领域的远程监测诊断研究工作，西安交大和上海交大分别设立了一个远程监测诊断示范网站，主要是针对 旋转机械的诊断，并取得初步成果上海同济大学与德国s e h u e l e r 公司合作正在进行针对上海大众汽车有 限公司的冲压生产线的远程服务系统的研究，该系统采用了基于i n t e m e t 的多层子系统形式的分布式结构。 清华大学开发了基于i n t r a n e t 的发电机组远程监测与诊断系统该系统充分利用了各种互联网技术具有良 好的稳定性和可扩充性，可以满足现代发电企业对机组安全性、经济性的要求，傲到了高度的信息共享， 大大促进了远程监测与诊断技术的发展华中科技大学开发了基于i n t c r n e t 的数控设备远程监测和故障诊断 系统，利用i n t e m e t 技术，将分布在不同地域的设备、监控系统、诊断系统和使用者联系起来，用于对数控 机床进行状态监测和故障诊断，改变了从前一旦设备发生故障诊断人员就疲于奔命的被动局面 2 0 - 2 q 种种迹象表明，在未来，设备远程诊断技术的研究和开发是大势所趋，是设备管理、监测与诊断上台 阶的重要标志。东南大学故障诊断研究所结合多年来在故障诊断领域研究成果，针对旋转机械的远程故障 诊断，设计并组建了一个基于w e b 的远程监测与故障诊断系统聚w f d s 0 2 t 2 9 3 “ 1 2 3 状态监测技术的发展趋势 从国内外状态监测系统的研究来看，计算机技术、网络通讯技术的迅速发展对设备状态监测技术产生 了重大的影响状态监测系统正朝着网络化、模块化、开放化方向发展1 3 2 - 3 5 】 1 网络化 设备状态监测技术与i n t e r n e t 技术相结合，采用开放式的体系结构这已经成为状态监测技术发展的 必然趋势t c p i p 技术，以太网技术，现场总线技术、w e b j a v a 技术等迅速发展，并在设备状态监测与诊 断中得到广泛应用基于网络的数据采集和基于网络的远程诊断构成了远程监测与诊断系统的基础在发 电机组、数控机床等生产应用领域，基于i n t e m e t i n t r a n e t 的远程监溅与诊断系统得到了广泛应用。 2 模块化 随着工业的不断发展，状态监测系统越来越多的应用于机械、化工等行业，不同的设备对监测系统有 不同的要求，将不同功能的部件分别制作成独立的模块，用户可以根据需要自由组合配置。按模块化的方 法对不同级别不同层次的软件功能进行设计，从而可以根据不同的监测需求，方便、灵活地组成相应的系 统。采用模块化的设计方法，将有助于提高系统的可靠性，大大降低系统的成本，便于系统维护 3 开放化 3 东南大学硕士学位论文 纵观国内外数目繁多的状态监测系统，不同厂商开发的状态监测系统都有自己的软件接口造成各状 态监测系统之间的兼容性极差。开放化的软件接口允许用户按照某种规定的方式和方法为软件补充自己所 需的功能，为用户带来方便。同时减少对系统支撑平台的依赖性，使系统能够运行在不同的硬件平台之上 许多国际组织，如m i m o s a 、c o m a d e m 、v j b r a t i o n l 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开放化已成为状态监测诊断系统发展的必然趋势 上述的三个发展趋势既相辅相成又互相联系，使用传统的软件设计方法己不能满足状态监测系统发展 要求，因此需要一种新的软件开发思想和方法来实现。 1 3 本文研究背景 随着工业生产的不断扩大，大型设备的日渐增多，对状态监测系统的要求也越来越高，旧的状态监测 系统在某种程度上已不能满足要求。这些问题主要体现在以下几个方面： 早期的标准r s 2 3 2 总线的应用，一些集成了i o 和控制功能的设备通过这些总线连接到计算机，实现 监控功能这种方案提供了当计算机死机或失效时，仍然可以提供一部分事件处理能力，但此时失去了对 整个系统得控制，并且不可恢复随着更多成熟的通讯技术的出现，如r s 4 8 5 ，e t h e m e t 协议，如n o v e l l ， t c p i p ，这时多个计算机可以同时运行在一个高速通道上，并访问同一个数据库这种方案比较完整，但 此时计算机仍然是包揽了所有工作，监测系统的实时性没有得到很好的解决。因此，期望对系统总体结构 方案以及数据采集方案的改进上去寻找一种能够改进系统实时性的一种方案 传统的基于i s a 总线数据采集卡对于振动测量数据采集量非常大、采集速度要求非常高的系统而言已 不能满足要求，因此，随之产生了基于p c i 总线的数据采集卡，p c i 总线的最大传输速率达到1 3 3 m b p s 完全可以满足要求。快速的数据采集装置需要有安全、稳定的操作系统支持，w i n d o w s2 0 0 0 以其安全、稳 定及界面友好等特性逐渐成为工业控制领域的前台操作系统，但是，w i n d o w s 2 0 0 0 不允许用户在应用程序 中对物理硬件进行直接访问，这就需要使用设备驱动程序跨越操作系统边界对物理硬件进行操作，并向上 提供客户应用程序控制接口以供调用开发w i n d o w s 2 0 0 0 下的基于p c i 总线数据采集卡的驱动程序就显得 尤为重要而对驱动程序的研究也就非常迫切。 髓着网络技术的发展，早期的单机诊断模式已不能满足要求，它是一个相对比较封闭，工作效率较低 的系统，浪费了大量的人力、物力、财力，适用于小规模的工厂取而代之的是基于网络技术的分布式状 态监测系统，它通过工业局域网将各个监测现场与本地计算机互联起来实现资源共享大大提高了系统 的工作效率，减少了人力、物力、财力的浪费，本地计算机可以与外界i n t e r n e t 连接，实现不同的监测现 场可由同一诊断中心管理在这个转变过程中，网络技术的作用不可忽视，如何通过网络将采集信息可靠， 实时的通过局域网传输到本地计算机，解决该问题，将有助于更好的将网络技术应用于状态监测系统 1 4 本文研究内容 本文根据状态监测系统的发展趋势以及状态监测系统中几个关键技术进行研究，根据现有状态监测系 统的不足之处对状态监测系统的软件进行重新设计下位机主要负责数据采集卡的操作，对旋转机械的 转速信号、振动信号、非振动信号进行实时采集。随后，通过网络传输模块将数据传输到工程师站工程 师站负责处理、显示、保存实时数据 具体研究内容如下： 4 弟i 章绪论 1 状态监测系统总体设计 系统的结构设计至关重要，结构设计得不合理，可能造成系统代价与系统性能上不可协调的矛盾。 本文第二章分析了目前常见的状态监测系统结构在实时性上的不足，在此基础上对系统结构作改进， 提高了系统的实时性与此同时，还比较了常见两种数据采集系统方案，确定了数据采集卡加工控机的数 据采集方案提出了模块化的系统软件结构的设计思想，结合模块所完成的功能对各个模块进行了详细设 计 2 数据采集卡驱动程序的设计 数据采集是状态监测系统的最前端部分，设备机组的所有缓变信号和快变信号都是通过数据采集系统 来获取的，数据采集的准确性、实时性、可靠性对系统的性能以及后期分析诊断都起着重要的作用而任 何硬件要正常的工作，都必须有一个可靠、高效的驱动程序 本文第三章串在介绍了w d m 驱动程序及其特点后，介绍了p c i 设备的w d m 驱动程序的开发流程及 其开发过程中关键技术，对本文所研究的p c i 2 0 4 0 数据采集卡的接口芯片p c i 2 0 4 0 作了详细介绍，深入分 析了驱动程序和应用程序之间的通信原理 3 网络通信模块的设计 在状态监测系统的结构中，两络通信占据了很重要的位置，它作为上下位机的联系方式，不仅使上位 机的及时获取下位机的采集数据，也让用户能在上位机方便的更新下位机的机组信息以及控制下位机的工 作。 本文在第四章中，首先给出了针对以太网技术的网络编程方法然后详细介绍了状态监测系统的网络 通信设计，并对软件实现过程中的关键问题进行了阐述 4 状态监测系统的实现及应用 本文第五章介绍了系统的性能指标、系统物理结构以及系统界面，对系统最后给出了系统在齿轮箱振 动数据采集中的应用，验证了本系统能完成预定设计要求 东南大学硕士学位论文 第2 章状态监测系统的总体设计 随着状态监控与故障诊断技术发展，状态监测系统已不再局限于对单一对象的监测、单一模型的具体 化研究，而是过渡到从总体上考虑系统的设计，一个好的设计方案对系统开发具有重要的指导意义 本章首先对现有状态监测系统的结构性能进行了详细分析在此基础上综合现有系统的优点，提出 了本状态监测系统的总体结构然后对系统软件结构设计和软件功能设计进行了详细介绍 2 1 系统总体方案设计 2 1 1 系统结构方案的选择 随着网络技术的不断发展，将网络用于状态监测，使得远程状态监测成为现实目前常见状态监测系 统结构如图2 - 1 所示： 图2 1 常见状态监测系统结构示意图 在该结构中，数据采集实时监测系统负责对现场设备进行数据采集、处理、存储及提供网络接口；该 种结构的缺陷在于系统的实时性较低，实时监测系统需要完成数据采集、数据处理、数据存储以及向远程 监控中心发送数据等所有任务，工作负荷大，严重影响了远程监控的实时性i ，j 针对该系统中的这种缺陷，对该种方案作改进，如图所示。改进后的系统结构分为上位机和下位机两 部分下位机主要负责对现场设备转速信号、振动信号、非振动信号的实时采集任务，并按照规定的格式 保存采集所得数据上位机获取下位机采样数据后，进行时域波形、频域波形、轴心轨迹以及各种趋势数 据波形的绘制并将对应数据保存为文件或者存入数据库其总体结构可分为三层信号采集层、数据传 输层和实时监铡层。结构如图2 2 所示： 6 第2 章状态监测系统总体方案设计 图2 - 2 改进后的状态监测系统结构 l 、信号采集层 信号采集层通过振动、电流、温度等传感器拾取设备运行信息，数据采集器由信号调理卡、同步数据 采集卡和工控机组成，实现传感器输入信号的放大、滤波、积分等处理以及转速的测量，并根据转速脉冲 控制振动信号同步采集，实现模拟信号到数字信号的转换，以满足计算机数字化处理的需要 2 、数据传输层 数据传输层是一个抽象层，负责将采集到的数据通过t c w i p 协议发送至远程工程师站数据采集嚣 和工程师站都备有网络接口，通过网络互联技术，可实现两者之间的数据交互 该传输层的设计引入了软件模块化的思想，数据采集器和工程师站既可以交互数据，也可以单独离线 工作在模块化实现的过程中，采用了动态链接库( d l l ) 技术，通过调用动态链接库，实现数据在采集 器和工程师站之间的传输，缩短软件开发周期 3 、实时监测层 实时监测层实时监测各种快变信号( 如振动) 、缓变信号( 如温度、压力) 的状态。通过通频振幅及其它特 征量判别机组运行是否正常，实现异常工况自动报警并有在不可预见事故发生时保存现场信息的功能 以满足工程师诊断的需要 该层通过数据传输层得到信号采集层的实时数据，实时显示机组振动波形、频谱、轴心轨迹、轴心位 置、趋势、棒图等此外该监测层还可以通过数据传输层向信号采集层发送控制命令，包括采样的开始与 停止、采样参数的同步 该种结构不仅可以使数据采集、数据处理、数据通讯并行执行，提高系统实时性；而且，降低了系统 软件开发难度，有利于采用模块化设计思想进行软件设计，降低了系统软件的耦合度，使系统结构具有较 好的开放性、扩展性和可维护性 2 1 2 系统采集方案的选择 信号采集层中的下位机主要负责设备振动数据的采集。数据的采集是通过计算机控制数据采集卡完成 的，按照采集卡和计算机连接的方式，本文将数据采集系统分为两种类型第一种是工控机类型如图2 3 所示，该种方案将数据采集卡内插在计算机i s a 或者p c i 插槽中，通过计算机总线进行数据通讯。第二种是 7 东南大学硕士学位论文 嵌入式类型h 埘】如图2 4 所示该种方案将数据采集部分单独做成系统，构成数据采集仪表这类仪表 具有一定的存储量和一定的数字信号处理能力，通过r s - 2 3 2 串行口或者u s b 与计算机通讯 图2 3 工控机数据采集系统 图2 - 4 嵌入式数据采集系统 这两种类型的数据采集系统各有优缺点 嵌入式数据采集系统将数据采集部分安装在计算机之外，数据采集系统和计算机系统在物理位置向可 以分散在不同的地点，数据采集系统和计算机系统干扰降低，有利于提高系统稳定性但是数据采集系统 和计算机通讯传输速度有限，数据采集系统外置往往需要占用空间，在现场没有可用空间情况下，会给系 统安装带来困难 工控机方案将数据采集卡插在计算机总线上，通过计算机总线进行数据通讯。目前工控枫主板都带有 i s a 和p c i 两种插槽，p c i 总线具有较高的数据传输速率，能较好的满足状态监测系统实时性要求p c i 即插即用的特性提高了系统的可扩展性但是系统各部分之间的干扰也随之增多，在设计时必须对系统抗 干扰措施进行周密考虑 两种数据采集方案的比较见表2 一l ： 表2 - i 二种方案的比较 构 嵌入式采集系统工控机采集系统 特点 可扩展性数据采集装置可扩展性差好 与计算机连接方式 r s _ 2 3 2 i l s b i n t e r n e t i n t r a n e t 可靠性 较好 较好 实时性较好强 数据存储量小大 l 第2 章状态监测系统总体方案设计 2 2 系统软件结构设计 2 2 1 系统软件结构设计 软件结构需要根据软件的功能来设计，状态监测系统软件的功能主要有数据采集、数据处理、数据保 存、数据显示、数据传输。如果单纯从功能的实现角度考虑那么软件的设计将变得十分简单，只需按照 数据流向逐步完成每个功能但是状态监测系统对软件的可靠性、实时性有更高的要求，尤其是在实时性 方面系统能够实时的反映机组运行状态，及时给出报警信息，对工业生产具有非常重要的意义 针对状态监测系统对软件的要求，系统软件结构采用了模块化的思想，模块化设计就是把软件按照规 定的原则划分为一个个较小的、相对独立但又相关的模块。分解、信息隐藏和模块对立性，是实现模块化 设计的重要指导思想1 4 ”将各功能块从系统中分离出来，每个模块负责实现相应的功能，各模块之间通过 进程间通讯进行数据交互这样做一方面可以增加系统可靠性：一方面可以降低系统维护成本，减短系统 开发周期此外，当模块化达到一定程度，对于以后系统的在线升级功能的实现有很大的帮助 系统软件由数据采集模块、数据显示模块、数据保存模块、数据传输模块、数据处理模块组成， 为了使系统软件结构更加清晰，本文将从上位机和下位机两部分进行描述 1 下位机软件结构设计 下位机必须包括的模块为数据采集模块、数据传输模块可选模块有数据处理模块、数据保存模块 数据流图可以清晰的表达下位机软件结构，下位机数据流如图2 - 5 所示： 图2 5 下位机数据流图 图中虚线框表示可选模块，实线框表示必选模块。数据采集模块完成数据从板卡到内存的功能，该模 块主要通过驱动程序读取板卡片内r a m 上的数据随后，将数据缓存至数据处理缓冲区和数据发送缓冲 区，数据处理模块得到数据后，对数据作处理，包括峰峰值、有效值等特征值的提取。处理后的数据将作 两份拷贝分别存入数据显示缓冲区和数据保存缓冲区后续任务交由数据显示模块和数据保存模块完成相 应的显示和保存任务下位机中，数据处理模块、数据显示模块、数据保存模块都是可选模块 9 东南大学硕士学位论文 2 上位机软件结构设计 上位机包括数据传输模块、数据处理模块、数据保存模块、数据显示模块。其中各模块之间互相联系， 数据保存模块和数据显示模块离不开数据处理模块，数据处理模块又离不开数据传输模块其中，数据保 存和数据显示模块之间虽然没有直接的联系，但是在显示模块中可以对其它各模块进行调度上位机数据 流如图2 - 6 所示： 2 2 2 系统软件结构的特点 图2 - 6 上位机数据流图 针对状态监测系统对实用性、实时性、可靠性的要求，本系统采用了模块化的结构设计，该系统软件 结构主要有以下特点： 1 可靠性高 庞大的软件需要实现各种功能，功能越多必然会使得系统出错几率增大采用模块化的结构设计，将 各功能块从系统中分离出来，每个模块负责实现相应的功能，每个模块的功能单一，大大提高了系统的可 靠性。 2 实时性强 实时性主要体现在振动信号从采集到显示或保存所需要的时间，时间越短，则实时性越高采用模块 化的结构设计，可以将减少数据从采集到显示或保存所需时间，数据采集模块采集到数据后可不经过处理、 保存、显示而直接发送至工程师站 3 开发周期短。 采用模块化的结构设计，几个模块的开发可同时进行只需按照各模块之间的数据交互协议留出接口， 1 0 第2 章状态监测系统总体方案设计 大大缩短开发周期。此外，各模块的调试工作也可以单独进行 4 升级维护方便。 当系统使用于不同的监测对象时，可能需要修改一些信息，通过修改显示模块就可以实现对不同的监 测对象的监测。同时不需要修改其它模块此外，若系统需要更新其中的任何一个模块，只需要将该模块 相关的文件作简单的替换工作即可实现 2 3 系统软件模块设计及模块间数据通讯 2 3 i 数据采集模块 1 数据采集模块功能 数据采集模块负责从数据采集卡获取数据，通过调用驱动程序的接口函数，实现对采集卡的初始化、 l i p 口的读写等操作，实质上是对驱动程序的应用该模块的实现需要对p c i 2 0 4 0 接口芯片和d s p 的h p i 口的细节有较深入的了解，p c i 2 0 4 0 接口芯片和d s p 的h p i 口豹介绍见3 2 ，1 节除此之外，采集模块还 负责对采集到的数据进行标定，并将其按照规定的数据结构写入共享文件缓冲区，供数据处理模块使用 2 数据采集模块的流程 该模块是一个后台进程，没有界面，模块的加载通过外部程序来实现其流程如图2 7 所示 3 数据采集模块的关键技术 掣 睾 臣蛰 景! 念 图2 - 7 数据采集模块软件流程图 东南大学硕士学位论文 数据采集模块的设计主要任务是如何运用驱动程序从硬件板卡获取数据，之中还包括驱动程序的设 计，因为数据采集模块从板卡获取数据的方式受到驱动程序的限制 驱动程序设计采用了w d m 驱动程序模型，实现了d s p 的h p i 口到主机内存的映射，向下可以对d s p 的h p i 端口进行读写操作，向上提供f i p i 端口操作接n 为了使用方便需要对驱动程序进行二次封装， 使得对硬件的操作更加方便，屏蔽硬件操作的细节。给出简单的应用程序读取数据接口，使用者无需对硬 件工作的具体过程有深入的了解驱动程序的设计详见第3 章 应用程序通过对二次封装的驱动程序所提供的接口调用，实现对硬件数据r a m 的读写操作，完成采 样数据的获取 2 3 2 数据显示模块 数据显示模块完成的主要任务是图形的显示、采样参数的配置、报表的生成等 图形的显示主要分为振动信号的时域波形、频谱、轴心轨迹、轴心位置、趋势、波特图、棒图等，通 过a c i t v e x 技术来实现该模块中图形显示功能 采样参数的配置包括传感器参数、采样长度采样频率、每周期采样长度、数据保存时间间隔、趋势 数据保存时间间隔的设置通过参数配置来适应现场采样的要求，使系统具有很强的灵活性使用方便 此外，显示模块中还提供报表的生成报表类型分为临时报表、日报表、月报表显示模块中负责完 成临时报表的生成。日报表和月报表的生成在数据保存模块中实现 显示模块的功能结构如图2 - 8 所示： 2 3 3 数据处理模块 图2 8 显示模块功能结构图 1 数据处理模块的功能 数据处理模块设计的主要任务是处理已采集到的数据并将数据分派到下一级缓冲区处理的主要内容 包括特征值的提取、f f t 、轴心轨迹、轴心位置、峭度、相位的计算等 第2 章状态监测系统总体方案设计 对于数据采集层( 工控机) 而言，采集模块完成数据采集后，将数据分为两部分，一部放于数据处理 缓冲区。等待数据处理模块取走数据处理模块得到数据后，通过调用一些算法库来对数据进行处理，处 理后的数据用于保存和显示算法库采用了d l l 技术将一系列算法进行封装，提供用户函数接口 2 数据处理模块的流程 与数据采集模块相同，该模块也是一个后台进程，该模块的加载通过外部程序来实现其流程如图2 - 9 所示： 2 3 4 数据保存模块 剑 审 萄 萄 图2 - 9 数据处理模块软件流程图 ! 主 i 嚣格醢即时毫i 1 _ j l数据保存模块的功能 采集到的数据不仅要以图形化的形式显示于外设，还要以某种方式作记录，以备后续作详细的分析 根据不同的数据类型，数据保存模块主要保存的数据包括临时数据、历史数据，报警数据、短期趋势、长 期趋势、日报表、月报袁，报警日志、机组维修日志 数据保存模块负责保存处理过后的数据以备用户后续分析之用根据系统设定的时间间隔将数据保 存在不同的文件夹下，系统将建立五种数据分组：当前数据、历史数据、报警数据、起停数据、趋势数据 1 )历史数据供离线分析时使用能够反映机组在某一时刻运行的详细情况 2 )报警数据在设备出现异常时根据设定的数据保存组数保存设备异常前后采集的数据作为报警记 录，供故障分析 3 ) 起停数据保存设备起停或转速变化时的振动数据 1 3 东南大学硕士学位论文 4 ) 趋势数据保存了系统在监测过程中反映机组运行状态的几个重要特征量，通过对各特征值变化趋 势的分析比较，有助于掌握机组的运行欹况 2 数