（机械工程专业论文）面向离心泵的运行状态远程在线监测系统研究.pdf

浙江工业大学工程硕士论文 摘要 离心泵作为关键机电设备，在石油、化工、供水、冶金等领域的工业生产中 起到非常重要的作用，因此对于离心泵的有效状态监测是保证相关上述工业生产 安全、顺利进行的前提条件。传统的离心泵监测系统只能对数据流量较小的物理 信号进行处理，实时性较差，无法实现对目标设备运行状态的远程在线监测与控 制，且难于进行数据存储与对比分析。针对上述问题，本文提出了一种面向离心 泵的运行状态远程在线监测方法研究方案，主要研究内容如下： 1 1 在对国内外大型旋转机电设备监测技术进行广泛调研的基础上，对离心 泵远程在线监测技术及其研究发展进行了分析，明确本文的研究目的与意义，并 对文章框架结构及相关研究内容进行了简要阐述。 2 ) 针对离心泵远程在线监测系统的基本功能需求，基于构件化思想，完成 监测系统的构架设计。根据系统构架的功能模块划分与数据依赖关系，分别对硬 件组成及其控制关系、软件模块上下文结构及其数据交互关系进行了描述。 3 ) 基于多通道实时数据采集技术，开发了面向离心泵远程在线监测的数据 采集分析系统，实现对监测目标的实时数据采集、预处理、存储及显示等基本功 能；结合相关数字信号处理算法，完成对所采集数据的分析与计算。 4 ) 基于s o c l 缸网络通信技术，实现了面向离心泵远程在线监测的网络数据 传输，并对其数据传输协议及其访问接口进行了相关描述；基于开放数据库互联 技术( o d b c ) 建立监测数据主题数据库，实现监测历史数据的对比分析与离线研 究。 5 ) 基于本文的相关研究成果，以某汲水站的离心泵为具体监测对象，设计 实现了相应的应用实例系统；工业现场实验证明，该系统能够对目标设备进行有 效的实时监测，且能够较好的实现远程网络在线数据传输。 6 ) 对本文的主要工作进行总结，对需要继续完善及尚未完成的相关研究内 容进行了展望。 关键词：离心泵运行状态远程在线监测网络通信信号处理 浙江工业大学工程硕士论文 a b s t r a c t a st l l ec r i t i c a le l e c t r o m e c h 砌c a ld e v i c e ，c e i 耐如g a lp 咖叩p l a y sh i l p o r 乞a l l tr o l e i ns o m ei 1 1 d u s t r i a lr e g i o n ss u c ha u sp e t r o l e u m ，c h e m i c a ie n g i i l e e r i n g ，w a t e rs u p p l ya n d m e t a l l u 瑶y ，s oe 仃b c t i v er 咖i n gs t a t i l sm o i l i t o r i n gf 0 rc e n t r i m g a lp 啪pi s t l l e p r e c o n d i t i o no fs a f e t ) ra 1 1 do r d e 订ye x e c u t i o no fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nm e n t i o n e da b o v e t r a d i t i o n a lc e n t r i m g 出p u m pm o i l i t o r i n gs y s t e mo m yc a i lp r o c e s sp h y s i c a ls i g n a lw i 血 l i t t l e - q u a l l t 埘d a t an o w ，i t sr e a l t i m ep e o m a l l c ei sv e 巧b a d ，c a i ln o tr e a l i z et h e r e m o t eo n - 1 i n em o l l i t o r i n ga n dc o n 仃o lf o rt h eo b j e c td e v i c e ，a r l di sh a r dt of i l l i s hn l e d a t ac o m p 撕s o na n a l y s i sb yr e l a t i v ed a t as t o r e d 灿m i l l ga tt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h j s p a p e rb r o u g h tf i o m 伽dab n do fr e s e a r c hs c h e m ef o rr e m o t eo n 1 i n en m n j n g 吼咖s m o i l i t o r i n gm e t h o do r i e n t e dt oc e 嘶f u g a lp u m p ，a l l dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sw e r e d e s c r i b e di nn l ef 0 1 l o 、析n g ： f i r s t l y a c c o r d i n gt ot l l ei i e s t i g a t i o nr e s u l t so fm o m t o r i n gt e c h n o l o g i e sf o r r o t a t i n ge l e c 仃o m e c h 枷c a ld e v i c e ， r e m o t eo n l 硫 m o l l i t o r i n gt e c l l i l o l o g y o f c e 嘶如g a lp u 玎叩a n di t sd e v e l o p i n gt r e n dw e r ea i l a l y z e d ，t l l er e s e a r c hd e s t i r 扭t i o n 趾d s i 鲥f i c a n c eo ft 1 1 ep a p e rw e r ee n s u r e d ，a 1 1 dt h e 缸髓es 仃u c n l r eo ft l l ep a p e ra i l di t s r e l a t i v er e s e a r c hc o m e n t sw e r er e p r e s e n t e d s e c o n d l y ，i i li l l u s i o nt 0 1 e 如1 妇n e n t a j 缸1 c t i o nr e ( 1 u i s i t i o no fc e n t r i 如鲥p u n l p r e m o t eo n _ l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，t l l es 讯l c t u r ed e s i g l lw 嬲f i l l i s h e db yu s i n gt h e c o i n p o n e n tp r i l l c i p l e a c c o r d i n gt os y s t e m 允n “o nm o d u l ep a r t “i o i l i n ga n dt t l e i r i a ：t a d e p e n d e n c yr e l a t i o n ，t h es y s t e mk i r d w a r ea 1 1 di t sc o n t r o lr e l a t i o l l ，s o 行a r em o d u l e c o n t e x ts t m c t u r ea n di t sd a t ai n t e r a c t i o nr e l a t i o nw a u sd e s c r i b e dr e s p e c t i v e l y t h i r d l y ，b a s e do ni n u l t i c h a n n e lr e a l - t i i i l ei 【a t ac 0 1 l e c t i o nt e c l l l l o l o g y ，t h ed a t a c o l l e c t i n gs y s t e mo r i e n t e dt oc e n t r i 如g a lp 啪pr e r n o t eo n - l i n em o l l i t o r i n gw a s d e v e l o p e d ；i tw o u l dr e a l i z er e l a t i v e 觚d a m e m a l 向n c t i o i l ss u c ha sr e a l t i m ed a ：t a c o l l e c t i o i l ，p r e p r o c e s s i n g ，s t o r a g ea i l dd i s p l a y c o m b i n e dc o r r e s p o n d i n gd i g i t a ls i 印a 1 p r o c e s s i n ga l g o r i t ，a n a j y s i s 锄dc a l c u l a t i o no ft h ed a _ t ac o l l e c t e dw e r ef i l l i s h e d f o u 劬l y ，u s i n g s o c k e tn e t w o r kc o 删n u i l i c a t i o n t e c h n o l o 鼢 n e 觚o r kd a t a 仃觚s m i s s i o n 耐e m e dt o c e n t r i f h g a lp u r n pr e i n o t eo n - l i n em o l l i t o r i n gw a sr e a l i z e d ， a i l dt 1 1 ec o 玎e s p o n d i n gd a t a 仃a n s m i s s i o np r o t o c o l 锄dd a t aa c c e s s 硫e r f i a c e sw e r e d e s c 曲e d b a s e do no p e nd a t ab a s ec o m e c t i v 时( o d b c ) t e c l l i l o l o 缈t h em o n i t 耐n g d a t as u b j e c td 撕b a s ew a se s 讪l i s h e d ，i t 、o u l dr e a l i z et h eh i s t o r i c a ld a t ac o m p a s s i o n a n a j y s i sa n do f r - l i n er e s e a r c h i i f i 蹦y ，b yr e l a t i v er e s e a r c ha u c m e v e n ：l e n t so f t h ep 印e r ac e n 仃i f h g a lp u m po 士o n e d r a ww a t e rs t a t i o nw 弱l o o k e du p o nt l l eo b j e c ti n o i l i t o r e d ，a n dc o r r e s p o n d m g a p p l i c a t i o ni n s t a n c es y s t e mw a sd e s i 印e da i l df i i l i s h e d i n d u 嘶a lf i e l de x p 渤e n t s p v e dt l l a tm i ss y s t e mc a nm o n i t o rt 1 1 eo b j e c td e v i c ee a e c t i v e l y a n d c a nr e a l i z e n 咖r ko n l i n er e a l t i l n ed a t a 仃a n s m i s s i o nw e l l s i x m l y ，r e s e a r c hw o r ko ft 1 1 ep a p e r 、v a ss 邶 衄撕z e d ；s o m ec o n t e m sw l l i c hn e e d t 0b eb e t t e r e d 锄dc o m p le t l 甜w e i r ep r o s p e c t e df m a l l y k 叻啊o r d s ：c e 栅f h 鲥p 啪p ；r u 血n gs t a t u s ；r e m o t eo n l 硫m o i l i t o r i n g ；n e r k c o m m u l l i c a t i o n ；s i 印a lp r o c e s s i n g h i 浙江丁业大学工程硕上论文 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 离心泵远程在线监测技术及其研究发展分析2 1 2 1 设备运行状态监测技术研究与发展t 2 1 2 2 大型机电设备远程在线监测技术研究与发展6 1 2 3 面向大型机电设备的实时数据采集与分析技术1 1 1 2 4 离心泵远程在线监测技术基本需求分析1 2 1 3 研究目的与内容1 3 1 4 小结1 4 第二章离心泵远程在线监测系统构架设计1 5 - 2 1 系统框架结构组成与模块划分1 5 2 1 1 系统构架组成及其功能描述1 6 2 1 2 实体模块划分及其数据依赖关系1 7 2 2 系统硬件构架设计与主要功能部件选型2 0 2 2 1 振动传感器及其功能选型2 1 2 2 2 实时数据采集卡及其功能选型2 3 2 3 系统软件构架设计2 5 2 3 1 监测功能需求分析2 7 2 3 2 系统软件上下文结构分析3 1 2 3 3 软件功能模块划分与数据交互关系描述3 2 2 4 小结3 4 第三章面向离心泵远程在线监测的多通道数据采集分析系统3 6 3 1 数据采集技术及其系统构成3 6 3 1 1 采样频率、抗混叠滤波器和样本数3 6 3 1 2 数据采集系统构成3 8 3 2 多通道实时数据采集技术及其实现方案3 9 3 2 1 采集卡与虚拟仪器技术3 9 3 2 2 采集卡与通用集成开发环境4 0 3 2 3 系统开发环境与工具4 1 3 2 4 实时数据采集与预处理4 3 3 3 实时数据分析与计算4 7 3 3 1 信号统计值特征计算4 7 3 3 2 监测算法设计4 9 3 4 小结5 5 第四章面向离心泵远程在线监测的网络数据传输与主题数据库5 6 4 1 基于s o c k e t 的远程网络数据传输系统5 6 4 1 1 网络通信技术协议5 6 4 1 2s o c k e t 通信技术简介5 9 4 1 3 基于s o c k e t 的数据传输协议设计6 2 i v 浙江工业大学工程硕士论文 4 2 基于o d b c 的监测数据主题数据库6 6 4 2 10 d 技术简介6 6 4 2 2 监测数据主题数据库设计6 9 4 3 小结7 1 第五章应用实例设计与实验7 2 5 1 应用系统实例设计实现7 2 5 2 实验演示与数据分析7 6 5 3 小结7 7 第六章结论与展望- 7 8 6 1 结论7 8 6 2 展望7 8 参考文献8 0 致谢8 3 v 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 进入二十一世纪，全球一体化进程不断深入，科学技术革新日新月异，知识 经济的大潮席卷宇内。随着现代工业生产规模的不断扩大与发展，大型机电设备 的应用日益广泛，遍及各个工业生产领域，并起到不可替代的关键作用。在一般 情况下，大型机电设备往往是工业生产中的关键设备，这些设备的运行状态会直 接影响到工业生产的安全、正常进行。若发生故障而得不到及时预测与控制，轻 则造成生产停滞，财产及经济效益遭受损失，重则将发生机毁人亡的大型或特大 型事故；若生产工业规模越大，其自动化、集成化程度越高，设备布置越密集， 因设备故障而导致的经济损失也就越大。一个十万千瓦级的发电机组因小型故障 停机维修一天，导致的经济损失就超过百万元；如果故障发生在机组运行中，如 转子断裂或轮机堵塞而产生毁机，所造成的直接经济损失则高达数千万元i l l 。 鉴于以上原因，设备运行状态在线监测技术正是在这种背景下得到了迅速的 发展。据相关专家估计与预测，对大型关键机电设备进行运行状态监测与控制的 投资回报率可以超过1 ：1 0 。离心泵( c e 耐f i l g a lp u l 】叩) 作为典型的大型关键机电 设备，如图1 1 所示，在石油、采矿、化工、供水、冶金、食品、运输等领域的 工业生产中得到广泛应用，且起到非常重要的作用，对于离心泵的有效状态监测 是保证相关上述工业生产安全、顺利进行的前提条件。随着计算机技术与仪器仪 表技术的不断发展，为设备状态监测技术提供了较好的技术支持。因此，开发一 套面向离心泵状态监测系统是必要且可行的。 图1 1 离心泵实物图 a - 装配中的离心泵b 配有动力系统的离心泵 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 离心泵远程在线监测技术及其研究发展分析 面向离心泵的运行状态远程在线监测方法研究涉及了机械、测控、计算机、 仪器仪表等技术领域，其主要研究工作主要将围绕机电设备在线监测技术、远程 网络访问技术、多通道实时数据采集技术、数字信号预处理技术、监测信号分析 计算方法等方面展开。下面就上述关键技术内容的研究与发展概况进行简要描 述。 1 2 1 设备运行状态监测技术研究与发展 ( 1 ) 设备状态监测技术概论 当前国内外对设备运行状态实时在线监测技术的研究与相应监测设备及配 套仪器的研制与开发都十分活跃，方兴未艾。在基础理论研究方面，每年全球都 有本领域的多次专门的国际性学术会议召开，探讨有关设备运行状态在线监测的 最新研究方法与成果；在监测设备及仪器系统研制与开发方面，美国的德克萨斯 州仪器设备公司( t e x a si i l s t l l l 瑚e n t s ，t i ) 、威斯汀豪斯电气公司( w e s t i n 曲o u s e e 1 e c 仃i cc o 印o r a t i o i l ，w e c ) 、安捷伦科技有限公司( a g i l e mt e c l l i l o l o g i e si n c ，a t i ) 、 阿美特克兰德( 舢汪t e k - l a l l d ) 公司、本特利内华达公司( b e n t l yn e v a d a c o r p o r a 【t i o n ，b n c ) 、泰克( t e k 们1 1 i x ) 公司，日本的三菱公司( m i t s u b i s k c o 巾o r a t i o n ) 、日本电气公司( n i p p o ne 1 e c t r i cc o m p a n y ，n e c ) 、理音( o n ) 公司， 德国的蒂森一克虏伯( 1 1 1 y s s e n - 鼬u p p ) 公司、阿米帕( a m 印a ) 公司、瑞典的s p m 公 司，印度的塔塔( t a 啪公司以及国内的台湾固纬、京航、东方、星晨、振通、亿 恒等公司都开发了一系列的数字化监测信号仪表、多通道实时信号采集监测分析 系统及手持巡回便携式监测仪器仪表。因此，面向大型关键设备运行状态监测与 故障诊断与预测技术己逐渐发展为一个新兴的产业，为社会的持续稳定进步起到 了一定的促进作用。 ( a ) 2 浙江工业大学硕士学位论文 ( c )( d ) 图1 2 常见设备状态监测仪器仪表 a 本特利内华达测振仪b 理音噪声测量仪 c - n e c 便携式红外热像仪d 振通无线数传模块 大型机电设备运行状态监测方法已历经多年的研究与发展，在基础理论研 究、设备系统及相关配套仪器的研发方面已经有了长足的完善与提高。在上个世 纪中后期，大型机电设备本身的基本技术难度、机械构造复杂程度及状态监测要 求都处于较低的水平，其运行状态监测方法主要采用现场经验判断和周期预防性 维修方式。工业现场经验判断即有经验的专业技术人员或者专家借助简单的机械 式仪器仪表通过对目标设备运行时的声音振动、温度、压力、速度、流量等直 观物理参量进行观察分析来判断设备运行的状态，预测故障发生的可能性，降低 事故发生概率，并提出相应的维护、控制措施。很显然，这种方法有很强的主观 性，很大程度上依赖于操作人员的经验积累和技术熟练水平。周期预防性维护 维修方式，即根据相关操作规程及实际工作经验，在设备正常运行的时候定期停 机检修，更换易损坏部件；并在较长的周期内进行停机大修，对系统的大部分零 件进行清理维护。这种方式虽然也可以一定程度上减少目标设备故障发生的概 率，提高设备的平均无故障运行时间0 订e a l lt i m eb 鲍e e nf a i l u r e ，m t b f ) ，但由 于需要定期的停机，不可避免的会对工业生产产生较大影响；另外，由于不当操 作，运行正常的健康零件常常会因维修、拆卸造成不必要的损坏与更换，而增加 设备运行成本与维护费用。 ( 2 ) 基于嵌入式系统技术与工控p c 机的设备监测系统 进入2 l 世纪后，随着传感器技术和电子计算机技术的蓬勃发展，出现了一 批手持便携式的设备运行状态监测仪器仪表，这类仪器以4 位、8 位或1 6 位微 控制单元( m i c r oc o n 乜o lu n i t ，m c u ) 为核心，可自带或外接单路多路传感探头， 具有体积小、功耗低、操作使用方便的特点。但由于该类仪表物理空间的局限性 决定了其性能是很有限的，所以一般只是用来替代传统机械式监测仪表，采集、 显示与判断目标设备的个别离散运行参数，比如振动信号的极值、均值、峰峰值 浙江工业大学硕十学位论文 等。另外，由于m c u 在计算能力及外扩存储空间方面的限制，因而其在离线状 态下对设备进行深入分析判断的功能不强。 随着最近嵌入式系统技术( e m b e d d e ds y s t e mt e c l l i l 0 1 0 鼢e s t ) 的不断进步， 嵌入式芯片凭借其性价比高、稳定性好、体积小而逐步渗透到许多原来用单片机 和工控个人计算机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ，i p c ) 的工业应用领域，成为新一 代智能仪器仪表的系统核心。基于嵌入式微处理器( e m b e d d e dp r o c e s s o ru 血， e p u ) 和数字信号处理芯片( d 磷t a ls i 龃a lp r o c e s s o r ，d s p ) 的手持巡回式设备状态 监测仪器开始问世。这类仪表基本上克服了传统单片机m c u 监测仪表由于计算、 存储能力不足而造成的信号分析能力有限的局限，使得对目标设备的监测分析手 段有了巨大的提高。它不仅可以存储和显示缓变物理参数，如温度、压力、流量 等；对于快速变化的物理量，如大型旋转机械主轴的振动信号，也能够以很高的 频率进行连续的实时数据采集，并完成相应的数值运算操作。以嵌入式e p u 和 d s p 为核心的机电设备运行状态嵌入式智能分析系统可同时采集多路快变物理 信号和缓变物理信号，其主要技术路线为：通过安装在被监测机械设备上的传感 器得到快变信号( 振动信号) 和缓变信号( 如转速、温度等) ，再经过其数据采集部 分的，d 转换电路将模拟信号转换为数字信号，由d s p 芯片初步处理后再打成 一定格式的数据包传送给嵌入式e p u 进行进一步运算与分析，最后得到目标设 备运行时的振动频谱、数据变化趋势以及根据预先设置的专家系统规则分析得到 结果等。上述方法已经在大型水泵、大型鼓风机等工业现场得到应有，并得到了 良好的运行效果1 2 i 。 另外，一般嵌入式系统都有较高的集成度，功能齐全，e p u 中往往集成多 路高速度a d 转换模块、液晶显示( “q u i dc w s t a ld i s p l a y ，l c d ) 驱动模块、串并 口通讯驱动模块及音频视频输入接口等，且能够扩展空间较大的虚拟存储器， 所以其具有很高的性能价格比，因而已经成为目前手持便携式监测仪器系统架构 的发展趋势。 虽然手持便携式设备运行状态监测系统技术因体积小、携带方便等优点获得 了较快发展且已经在某些领域得到很好的应用，但其只能孤立的对某台目标设备 的当前运行状态进行数据采集和分析监测；且由于其处理能力有限不能实现实时 在线数据监测和分析，因而不能满足对需要实时监测的重要机电设备进行数据采 集分析的要求。在现代工业生产规模条件下，如果要对企业工业现场不同种类且 为数众多的机器设备进行分类对比分析与离线历史数据比较研究，用手持便携式 设备监测仪器就难以达到实际工业生产的基本需要了。 针对上述问题，一种可行的方案是利用手持式设备监测仪器有限的存储能 力，将分散采集到的设备状态数据进行保存，并统一汇总到企业监测中心的主机 或者服务器上，显然这种方法在操作上较为繁琐，且不能够获得较高的工作效率； 4 浙江工业大学硕士学位论文 除此之外，手持式设备监测仪器由于其能耗供给方面的限制，不能对目标设备进 行长时间、全天候的实时监测，而这却正是工业现场大型关键机电设备如汲水站 的离心泵所需要的。而基于工控p c 机的设备运行状态监测系统可以实现对目标 设备进行实时监测。这种系统一般由工控机插入一块数据采集卡来实现对现场传 感器采集的设备运行状态信号进行d 转换、滤波等预处理操作，再由处理能 力较强的工控机中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s o ru n i t ，c p u ) 进行数据分析计算和设 备当前运行状态的判断与控制。由于工控机设备运行状态监测系统比基于单片机 m c u 或嵌入式e p u 的手持便携式设备状态监测系统在系统功能、运算速度、存 储空间等方面具有很大的优势，所以它一般被用作对企业的关键机电设备进行在 线实时监测与控制。 ( 3 ) 网络化监测系统 随着现代工业生产规模不断扩大与进一步集中化，种类繁杂的诸多工业设备 要求共同协作，才能满足当前日益提高的个性化生产需求，因此对生产设备的管 理、监测和控制也需要集中、有序的进行；除此之外，协同工作的不同设备之间 的运行状态和故障征兆现象之间必然存在一定的相关性，因此针对不同目标设备 的监测仪器系统的网络化改造是非常必要的工作。当前计算机网络技术的不断进 步为基于网络的设备运行状态监测系统提供了多种方法与技术实现路线，其实现 方案主要有两种： 。 将各台目标设备上的传感器采集的模拟信号直接通过信号电缆连接到企 业监测中心，位于控制中心的设备状态监测系统再对信号进行集中处理和分析， 比如本特利内华达6 0 0 0 系列仪器就是采用上述方案来实现的。因为此方案是利 用网络直接传输传感器所采集的模拟信号，所以对信号的传输距离、信号的保真、 防衰减及抗干扰的要求比较高；再者，由于该方案所采用的拓扑结构为星型网络 结构，其扩展能力直接受到系统的最大接入容量的限制。 目前比较流行的另一种设备状态监测网络解决方案是基于网络( w | e b ) 的经 典客户机服务器( c l i e 州s e r v e r ，c s ) 架构。该方案在目标设备上安装基于嵌入式 e p u 或工控p c 机的设备运行状态监测系统作为网络中心服务器，用户可以通过 联网的任何一台p c 机( 监测网络节点) 作为客户端访问服务器，获得监测目标设 备的运行状态数据，即现场任意一台目标设备的各种运行状态参数与相关物理信 号。这种网络架构的突出优势是可以和互联网( i n t e m e t ) 实现连接，专家或者企业 工作人员可以在世界上任意能上i m e m e t 的地方访问到工业现场的设备运行情 况，并根据运行参数值对设备的工况进行判断，做到远程条件下实现对目标设备 的在线状态监测与控制。但这种网络化的设备监测系统也有缺点，由于它是基于 互联网协议( i n t e m e tp r o t o c o l ，i p ) 实地址，对网络的架构变化的动态支持不够。例 如有新的设备加入或有旧设备移出，重新配置网络和设置软件将是一项繁琐而容 浙江工业大学硕士学位论文 易出错的工作。除此之外，由于一般的企业内部网络( e t ) 与i n t e m e t 都有网 关相阻隔，对于通过h t e m e t 访问企业内网中诸如实时振动信号这样的类似音频 视频( a u d i o d e o ，a 、，) 的大批量数据流，基于w 曲服务器客户机的网络系统架 构就很难实现i l l o 1 2 2 大型机电设备远程在线监测技术研究与发展 随着计算机技术、网络技术、数据通信技术、自动化控制技术、仪器仪表及 传感器技术的飞速发展与不断进步，面向机电设备运行状态在线监测的新方法、 新思路不断涌现，为其健康有序的发展提供了较为坚实的理论基础与稳定的技术 支持。在这种形势下，机电设备监测仪器系统研发也获得了较快发展，经历了基 地式气动仪表控制系统( q d z ) ，电动单元组合式模拟仪表控制系统( d d z ) ，集中 式数字控制系统( c e n 觚l i z e dc o n t r o ls y s t e m ，c c s ) 三阶段，逐渐发展到了集计算 机、通信、自动控制、人工智能、传感测量技术为一体的分布式集散监测系统 i s t r i b u t e dc o n t l o ls y s t e m ，d c s ) 和近年来随现场总线( f i e l db u s ，f b ) 技术发展而 兴起的新型网络集成式分布式监测系统( f i e l d - b u sc o n 的ls y s t e m ，f c s ) ，如图3 所示。随着现代工业生产对于信息化、智能化及集中化的要求越来越高，基于以 太网( e t h e m e t ) 的工业局域网( l o c a l 心e an e 铆o r k ，l a n ) 技术得到了普遍推广与应 用，下面就上述专题技术内容进行简要描述。 图1 3 分布式监测系统实现方案 ( 1 ) 工业以太网与设备远程监测 面向机电设备运行状态的监测网络发展的基本趋势是逐渐走向开放、透明的 6 浙江工业大学硕士学位论文 通信协议，现有的d c s 和f c s 系统都存在兼容性差、底层通信速度慢、管理层 的以太网向下延伸困难，于是将在商业系统中被广泛应用的以太网技术引入到工 业控制领域中，即把以太网运用到控制现场，将上层信息网与底层控制网集成， 直接将输入输出( i r l p u to 唧u t ，i o ) 设备连接到以太网或连接到与以太网兼容的 i o 数据服务器( 集中器) 上，将上层信息网与底层控制网集成起来，形成所谓的 工业以太网技术构架。 工业以太网继承了以太网的低成本、运行稳定、工作可靠等诸多优点以及随 机接入、载波侦听特点。对应于开放系统互联参考模型( o p e ns y s t 锄s i n t e r c o l l n e “o nr e f e r e l l c em o d e l ，o s i ) ，工业以太网协议在物理层和数据链路层采 用i e e e 8 0 2 3 标准协议，在网络层和传输层则采用标准的传输控制互联协议 ( t r a i l s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 】m e m e tp r o t o c o l ，t c p i p ) 协议簇。在高层协议中， 工业以太网通常忽略掉会话层和表示层，而只定义应用层。目前已存在的工业以 太网如我国由浙江大学牵头提出的工厂自动化以太网( e t l l e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ，e p a ) 1 3 l 、由c o n t r o l n e t 等国际组织共同开发的e t l l e m 引i p 网i 训、 m o d b u s 组织和i d a ( i n t e r f a c e 矗wd i g t r i b u t e da u t o m a t i o n ) 集团合作开发的 m o d b u s i d a 网i 引、由p r o f i b u si n t e m a t i o n a l 组织提出的p r o f i n e t 网1 6 j 、奥地利 e p s g ( e m e m e tp o 、v e d i n ks t 锄d 砌i z a t i o nm u p ) 组织开发的e 胁e m e tp o w e r l i i l k 网 1 7 j 以及德国倍福( b e c k h o 公司开发的e t h e r c a t ( e t h e m e tf o rc o m r o la u t o m a t i o n t e c h n 0 1 0 9 y ) 实时以太网等1 8 l ，在保有上述技术特点的基础上，且采用1 0 0 m b p s 快速以太网或1 0 0 0 m b p s 的千兆网以太网与交换式以太网技术来提高以太网的实 时性与快速性，避免由于资源竞争而发生网络拥塞，影响数据传输的实时性准确 率。 当前使用的监测系统信息的交互都是在企业级的内联网中进行的，因此突破 空间的制约进行异地监测，将是监测系统发展的一个新方向。远程监测系统的构 建是计算机技术、通信技术和智能传感器技术的综合应用，对于分布式系统而言， 通信网络往往是整个系统构建的技术瓶颈。远程监测可使用的网络可有多种方 式，如专用线路、有限距离的无线电台、i m e m e t 和现有的移动通信网络。架设 专用的通信电缆，成本极高，且在通信网络的拓扑结构上也难以符合要求，长距 离通信时对于常用的美国电子工业协会推荐标准( e l e c t r o l l i ci n d u s n ya s s o c i a t i o n r e c o m m e n ds t a n d a r d ，e i a r s ) 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 而言，由于其自身的固有问题而 使其通信能力难于实现。架设无限电台建设比较简单，但是受到功率和无线频率 资源的限制，信号的传输距离一般不能超过几十公里，对于空间跨度大的分布式 系统显然是无能为力l 引。 随着i n t e m e t 的普及和远程控制策略的完善，基于公共网络的远程监测成为 可能，它大大降低了网络的建设与维护成本，提高了已有设备的利用效率和联合 7 浙江工业大学硕士学位论文 生产能力。基于i m e m e t 监测系统的组网主要有两种方式，即客户机服务器( c s ) 和浏览器服务器( b r o w s e rs e r v e r ，b s ) 。基于c s 架构下的监测网络，由数据采 集端、用户监测端和服务器构成。使用组态软件、通信软件、监测软件以及数据 库构成专用工控软件，软件之间使用t c p 口套接字( s o c k e t ) 通信。基于b s 架构 下的监测网络，主要由数据库和w 曲服务器、现场测控设备、监测设备、交换 式以太网、浏览器等组成。企业内部用户和外部用户使用w 曲浏览器分别通过 i n 仃a i l e t 或i n t e m e t 与w 曲服务器连接l l o j 。 。 对于一些移动的机电设备如大型工程机械、矿山机械或者石油机械，其作业 面分布范围较广，工矿环境较为特殊甚至恶劣，在这种情况下进行有线网络连接 是不容易实现的，故选用无线的方式将设备接入互联网完成远程异地信息传递是 比较合理的实现方案。无线接入可以采用移动通信系统( 地波) 和卫星通信系统( 天 波) 。卫星通信覆盖面积大，但费用较高；而移动通信系统成本低，操作灵活， 使用方便。目前已有厂家开发出利用通用无线分组业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ，g p r s ) 进行i n t e m e t 无线接入的机电设备运行状态监测系统。g p r s 可进 行高速数据传输，适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，适合于 机电设备的远程监测。在网络化监测与控制系统中，各传感器和控制节点通过以 太网连接在一起，不同的路由器选择使得数据包沿着不同的线路传输，加上载波 监听多路访问冲突监测方法( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ， c s m c d ) 固有的传输不确定性，会导致监测数据传输的不稳定性和传输时延的 随机性。因为i n t e m e t 属于开放式网络，网络安全问题日渐严重，故对一些安全 性要求高的机电设备如汲水站离心泵、煤矿提升机矿井升降机、火力或者水力 发电站机组的大型轮机、油田大型钻探设备等，完全通过互联网进行监测尚存在 一定困难l l l 】。 ( 2 ) 网络远程访问及其数据接口技术 随着网络技术的迅速发展，i m e m e t 已经成为信息时代的主要信息载体，并 在工业现场获得了一定的应用。而现场控制技术的兴起，改变了控制系统的结构， 使其向着网络化的方向发展。一方面，现场总线技术从工业设备底层向上发展， 逐步扩展到网络化、开放性和分布性；另一方面，计算机网络从互连网i n t e m e t 顶层向下渗透，直至和底层的现场设备可以通信。由此，具有远程监视功能的现 场总线控制系统应用而生，它通过现场工业以太网控制网络结合现场总线和 i m e m e t 把分散于各局部现场、独立完成特定功能的控制计算机互连起来，以达 到资源共享、协同工作、远程监视和集中管理的目的，并形成全分布式设备控制 和远程状态监视系统。 由此可见，由于工业以太网技术及现场总线技术适应了控制系统向智能化、 网络化、分散化的发展趋势，显示了强大的生命力，得到了迅速发展，成为控制 8 浙江工业大学硕十学位论文 领域的热点技术。从工业控制领域来讲，由于现在的工厂和生产在地域上越来越 分散，要总揽现场控制信息和生产状况，或要实现对分散在个工厂和生产线上的 控制网络进行状态监测。只有通过i n t e m e t ，特别是对一些大型的跨省或跨国公 司，要实现对分散在各地的下属公司，进行经营、生产概况的数据、曲线进行统 一分析与计算，同时监视工厂生产装备的运行状态，更是迫切要求控制网络和 i n t e m e t 相结合来实现远程控制，所以将控制网络与i n t e m e t 结合将成为控制领域 的一个发展趋势i l2 1 。 对于分布式、网络化的大型关键机电设备运行状态监测系统，必须设计一个 有效的通信网络，才能保证智能数据采集装置或智能传感器与监测中心实时地进 行数据交换。由于集成信息要跨多种异构网络传输，而网络固有的时延问题严重 影响远程监测和故障诊断的质量，必须解决实时性和数据丢包问题，可以通过基 于服务器推送( s e r v e rp u s l l ，s p ) 等技术来提高系统的实时性；系统设计时应根据具 体的对象，综合考虑性能和价格因素，选择适当的技术方案，保证远程系统监测、 预报和诊断的质量。 w 曲技术 对于3 层的b s 结构模式或混合结构模式，w 曲服务器是一个专门的提供远 程监测服务的网络服务器，安装有功能齐全的监测应用软件、远程代理操作软件 以及针对大型机电设备专门设计的数据分析与计算软件等。上述软件主要实现对 大型关键设备