（机械设计及理论专业论文）基于internet的远程诊断系统的框架研究.pdf

摘要 基于i n t e m e t 的远程诊断系统的框架研究 摘要 机械设备故障诊断是一项与现代化工业生产密切相关的技术，其重 点是研究故障诊断及故障预报的理论方法和实施技术。( 它作为一门交叉 型工程应用学科有广泛的实际应用背景。故障诊断的多学科的特点也决 定了故障诊断在发展方向上呈现出多元性。计算机、通讯、控制技术的 发展，使远程故障诊断逐渐成为故障诊断领域的一个新的发展方向。它 把通信技术、网络技术、计算机技术和控制技术引入传统的故障诊断领 域，从体系机构上改变了传统故障诊断的模式，跨越了以往诊断系统的 在时间和空间的局限性。从而在很大程度上提高了诊断知识及诊断数据 的共享性j t 本文的研究方向着重于从原理上确立一个可实现的基于i n t e r n e t 的 远程诊断系统的构架，在此框架的基础上选取基于w i n d o w s 平台 ( m i c r o s o f tw i n d o w sn t 操作系统，i i sw 曲服务器，v b 开发工具，a s p 开发方案，s q ls e r v e r 7 0 数据库服务器) 实现相应的各个部分模块，最 后完成一个远程诊断系统的演示版。以此为基础，本文主要作了如下工 c f 一 作： ( 1 ) 从体系结构上确立了远程诊断系统是基于客户机服务器( 浏 览器服务器) 的结构，并且是面向多用户的系统。在服务器端使用m s s q l 7 0 数据库服务器管理所有的用户信息和数据信息。远程诊断系统 在功能上主要有三个相互独立的模块构成：远程采集模块，远程分析模 块和诊断专家系统，而统一的数据库的接口使得这三个模块相互协作为 用户提供分析诊断服务。 ( 2 ) 通过用户注册、登录系统实现对用户的管理，在此基础上实 现对多用户数据的管理。每个登录到远程诊断系统的用户都有自己相对 独立的数据空间，拥有对自己数据的所有权限和系统提供的服务。 兰童銮翌盔兰竺圭兰竺堡三 塑茎 ( 3 ) 远程诊断系统的最关键的问题在于如何取得远程用户的数据， 以及如何返回分析、诊断结果给客户端。本系统采用了微软的c o m 组 件标准，a c t i v e x 控件标准开发了服务器端组件和客户端控件实现远程 数据采集模块和远程分析模块。在诊断流程上能够实现从客户端提交数 据，经服务器端分析( 采用服务器端组件) ，以图表方式返回分析结果 到客户端的完整过程。 ( 4 ) 采用多种途径实现远程数据采集：通过客户端表单提交服务 器端组件接收数据并存放至数据库；通过在定制的客户端a c t i v e x 控件 中使用远程存取服务实现在本地对远程数据库的同步；提出了使用s o c k e t 编程技术实时实现从客户端采集数据到远程数据库服务器的新方法。 ( 5 ) 分析服务器和客户端的负载，提出使用客户端控件来均衡服 务器负载的策略。相应的，在信号分析模块方面提出两种解决方法：在 服务器端通过定制组件实时完成用户对服务器的请求，提供了f f t ，自 相关，功率谱，倒频谱等分析功能，以静态图表的形式返回对用户的响 应：使用a c t i v e x 控件标准开发了可内嵌在浏览器中的客户端信号分析， 以菜单的形式向用户提供动态的交互的界面，并可以实现较多的分析功 能，另一方面也将低了服务器的负载。c o m 组件和a c t i v e x 控件的可 扩展性使整个远程诊断系统也具有较强的扩展性。 ( 6 ) 提出了远程诊断专家系统的结构，专家系统作为远程诊断系 统的一个重要部分其具体实现还有待于进一步的完善。本文还开使用 a s p 发了一个多功能，可扩展的技术论坛系统，为专家和用户提供了一 个可以进行信息交流的场所。卜， 、 本文的创新正在于把计算机网络编程技术引入故障诊断领域，打破 了传统诊断系统在空间上的界限，实现了诊断技术在时间和空间的共 享。 4 一。 。 关键词：远程诊岍，i n t e m e t ，信号处理， 专家系缅c o m 组件，a c t i v e x 控件，浏览器服务器，爿讲设备扳瞎) 葶i 圭堡茎望查兰竺圭兰垡堡奎垫茎 s t u d y0 nt h ef r a m e w o r ko faw e b b a s e d r e m o t em e c h a n i c a lf a u i td i a g n o s i ss y s t e m a b s t r a c t m e c h a n i c a lf a u l t d i a g n o s i s i sa t e c h n o l o g yt h a tc l o s e l y c o n n e c t sw i t h m o d e mi n d u s t r ya n dh a sb e e nu s e d w i d e l y w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rs c i e n c e ，t e l e c o m m u n i c a t i o na n da u t o - c o n t r o lt e c h n o l o g y , r e m o t e d i a g n o s i s g r a d u a l l y b e c o m e san e wb r a n c hi nm e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i sf i e l d i ta p p l i e st h em o d e m t e c h n o l o g yt ot r a d i t i o n a lm a c h i n e r yd i a g n o s i sf i e l da n d g r e a t l yc h a n g e st h es t r u c t u r eo ff a u l td i a g n o s i s i ns p i t eo fl o n gd i s t a n c e ，i t c a ns h a r et h ed i a g n o s i sm e t h o da n dt h ed i a g n o s i sd a t ae a s i l y t h i st h e s i se m p h a s i z e so nc o n s t r u c t i n gaf r a m e w o r ko far e a l i z a b l ew e b b a s e dm e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i ss y s t e m a ne f f i c i e n te n v i r o n m e n tb a s e do r l w i n d o w sn ti sc h o s e nt od e v e l o pt h es y s t e m ，i nw h i c ht h em i c r o s o f ti i s ， a s p , v i s u a lb a s i c v i s u a li n t e r d e v , a n ds q ls e r v e r 7 0a r eu t i l i z e da s d e v e l o p i n g t o o l s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 e s t a b l i s h i n gt h ec l i e n t s e r v e r a n dm u l t i u s e rs t r u c t u r eo ft h er e m o t e d i a g n o s i ss y s t e m m ss q l 7 0d a t a b a s e s e r v e ri su s e dt o m a n a g ea l l t h e i n f o r m a t i o no ft h eu s e r sa n dt h ed a t a a ni n t e g r a t e ds y s t e mi sm a k eu po f t h r e ei n d e p e n d e n tf i m c t i o nm o d u l e sw h i c ha r er e m o t ed a t aa c q u i r i n gm o d u l e ， r e m o t es i g n a l a n a l y z i n gm o d u l e a n dr e m o t ed i a g n o s i se x p e r ts y s t e m t h e d a t a b a s es e r v e rp r o v i d e sas t a n d a r di n t e r f a c ew h i c he n a b l e st h et h r e em o d u l e s c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r 2 m a n a g i n gt h e u s e r s t h r o u g h a r e g i s t r a t i o n a n d l o g g i n g o ns y s t e m e v e r y u s e r sl o g g e do nt h es y s t e mh a sh i so w n i n d e p e n d e n td a t as p a c e ，a n dt h e f u l lc o n t r o lo nh i sd a t aa n da l s ot h ea n a l y s i s ，d i a g n o s i ss e r v i c et h a tt h es y s t e m 0 f i e r e d 3 t h ek e yp o i n to ft h er e m o t e r e m o t eu s e r sa n dh o wt or e t u r nt h e d i a g n o s i si sh o w t og e tt h ed a t af r o mt h e a n a l y s i sa n dd i a g n o s i sr e s u l tt ot h eu s e r s - i i i 、 1 ， 、 、 圭查茎望查兰耍圭兰些笙苎 塑茎 m i c r o s o f ts c h e m ei su s e dt oc o n s t r u c tt h es y s t e m u n d e rt h em s p l a t f o r m ， s e r v e r s i d ec o m c o m p o n e n t sa n d c l i e n t s i d ea c t i v e xc o n t r o l sa r ed e v e l o p e d t oc a r r yo u tr e m o t ed a t aa c q u i r i n ga n dr e m o t es i g n a la n a l y s i s 1 1 1 ea n a l y s i s r e s u l ti ss u b m i t t e dt ot h eu s e ri nt h ef o r mo f c h a r t 4 m u l t i m e t h o d sa r eu s e dt oa c q u i r eu s e r s d a t af r o mr e m o t ec l i e n t - s i d e ： s u b m i t t i n g d a t af i l e sf r o mt h ec l i e n t - s i d ef o r ma n dr e c e i v i n gd a t aw i t hs e r v e r s i d e c o m p o n e n t s ；s y n c h r o n i z i n g t h er e m o t ed a t a b a s es e r v e rf r o mt h e c u s t o m i z e dc l i e n t - s i d ea c t i v e xc o n t r o lu s i n gr d s ；r e a l t i m ea c q u i r i n gd a t a f r o mt h ec l i e n tw i t hs o c k e tt e c h n o l o g y 5 e v a l u a t i n gt h ep a y l o a db e t w e e ns e r v e r a n dc l i e n t ，t w os o l u t i o n sa r c r e c o m m e n d e dt oc o n s t r u c tt h es i g n a la n a l y s i sm o d u l e t h a ti s ，d e v e l o p i n g c u s t o m i z e ds e r v e r - s i d ec o m p o n e n t st or e s p o n dt ot h er e q u e s tf r o mt h er e m o t e c l i e n t s i d ew h i c hp r o v i d i n ga n a l y s i sf u n c t i o n ss u c ha sf f t a u t o - c o r r e l a t i o n ， p o w e rs p e c t r u m ，c e p s t r u me t c ；d e v e l o p i n g c u s t o m i z e dc l i e n t s i d ec o n t r o l s w h i c hc a r lb ee m b e d d e di ni eb r o w s e ra n dp r o v i d em u l t i - s e r v i c ei nm e n u - - f o r m t h ec l i e n t s i d ec o n t r o l se n h a n c et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nu s e r sa n dt h e a p p l i c a t i o n f u r t h e rm o r e ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so f t h ea p p l i c a t i o na r e i m p r o v e d 6 a sap a r to fa ni n t e g r a t e ds y s t e m ，d i a g n o s i se x p e r ts y s t e mi sv e r y i m p o r t a n t as t r u c t u r eo f r e m o t ee x p e r ts y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a n a c a d e m i cf o r u mi sd e v e l o p e dt oo f f e rt h eu s e r sap l a c et oc o m m u n i c a t ew i t h e x p e r t sa n do t h e ru s e r s q u e s t i o n sc a nb ea s k e da n da n s w e r e d i nr e s p e c t i v e f o r u m se a s i l y t h ei n n o v a t i o no ft h i s p a p e r i st h a ti t a p p l i e s t h em o d e m t e l e c o m m u n i c a t i o na n di n t e m e tt e c h n o l o g yt ot h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l d i a g n o s i sf i e l d ，b r e a k st h eb o u n d so f t h ed i s t a n c e ，s h a r e sd i a g n o s i sm e t h o d a n dt h ed i a g n o s i sd a t ai nt h em o s te x t e n t k e yw o r d s ：r e m o t em e c h a n i c a ld i a g n o s i s ，i n t e m e t ，s i g n a l a n a l y s i s ， e x p e r ts y s t e m c o m o b j e c t ，a c t i v e x c o n t r o l ， b r o w s e r s e r v e r 上海交通大学硕士学位论文 第一奄绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 1 l 1 故障诊断及其发展现状 “故障”这一名称，从设备维修的角度，早在3 0 ，4 0 年代就已提出。但是真正 形成“故障诊断”这一概念，却是在7 0 年代中期。特别是英国“机械健康监视与状 态监测协会( u k m h m g & c m a ) ”主席科拉科特博士( r ac o l l a c o t t ) 出版的一本具有 代表性的著作“机械故障诊断与状态监测( m e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i sa n dc o n d i t i o n m o n i t o r i n g ) ”于1 9 7 5 年问世以后，再加上科拉科特博士本人在英、美、法等国的讲 学活动中的推荐，“故障诊断”这一概念很快为国际工程界所接受，故障诊断也作为 一门独立的学科逐渐建立并完善起来1 1 1 。 另一方面，“故障诊断”这一名称在很大程度上也可以说是来源于仿生学。与医 学领域中的诊断相比，设备故障诊断技术起步的比较晚，历史比较短。它的水平和 成熟程度都比不上医学诊断。虽然如此，但从6 0 年代中期开始，特别是7 0 年代以 来，设备诊断技术的发展速度，研究规模和所取得的成果，以及达到的应用程度都 令人十分鼓舞。从技术背景方面看，6 0 年代是计算机和电子技术大发展的年代，快 速傅立叶变换和算法语言的出现，把信号分析技术从硬件到软件推向新的高度。设 备系统和产品零件的可靠性工程的发展以及对零件失效机理的研究等等，象声发射 技术、红外测温技术、油样分析技术、振动信号谱分析技术以及各种无损检测技术 的出现和发展，都在硬件和软件两方面极大的推动了设备诊断技术的发展。 由于设备故障诊断的复杂性和设备故障与征兆之间关系的复杂性，形成了故障 诊断是一种探索性的的过程。正是由于这种复杂性，实现对设备的故障诊断不可能 只采取一种方法，而是要采用多种方法，必须从各种学科中广泛探求有利于故障诊 断的原理、方法和手段。这就使得故障诊断技术呈现多学科交叉的特点。相应的故 障诊断技术也呈现了多元化的发展方向： ( 1 ) 故障机理的研究1 故障机理又称为故障机制，故障物理。它主要是为了揭示故障的形成、发展规 律。为了从不同的角度揭示故障机理，可从三个层次上加以研究。第一是宏观研究， 把研究对象作为一个大系统，观察其出现故障的概率与时间的关系，主要是研究其 统计特征，这是属于可靠性工程范畴：第二是表面层状态变化的研究。在元件损坏 或老化的过程中，表面层的物理化学性能以及表面层结构的变化，对大部分材料损 e 盔奎通占兰砸土：兰i 立逾z笙= 童结论 坏的发生和发展进程具有特殊的作用。机械设备的大部分故障却是从表面层开始的， 而同表面内发生的变化，有着密切的联系。如果不分析表面层内发生的变化，也就 无法全面解释故障性质和机理：第三是从微观研究。主要是研究在较小范围内发生 的“损坏”过程。从元件的某一部位取一个无限小的单元，从不同的角度，观察力 学、物理学、化学和金相学的变化过程。 ( 2 )诊断理论和诊断方法的研究 设备故障诊断中的诊断理论和诊断方 法是诊断技术的核心。故障诊断”1 就是识别 被诊断对象的当前状态以及估计被诊断对 象的未来状态。系统状态的变化必然会由 自身的动态特性的变化来反映。抽象到理 论而言，故障诊断就是系统识别。识别的 方法很多，常用的有六种识别方法p 1 ：统计 识别方法，函数识别方法，逻辑识别方法， 模糊识别方法，灰色系统识别方法，神经 网络识别方法。无论是哪种识别方法，完 整来说都必须包含四个部分，即信号测量， 四个部分。如图1 1 所示。 图i - i 模式识别包括的四个部分 f i g1 - 1f o u r p a r tf o rp a t t e r nr e c o g n i t i o n 特征提取，建立标准特征库和比较识别 诊断方法按所用的状态信号的物理特征分为：振动诊断法，声学诊断法，振声 诊断法，温度诊断法，强度诊断法等等。这里着重要指出的是振动诊断法，它是通 过对振动信号进行分析处理的一些基本方法。有如下几种具体的分析方法：振动信 号的幅值分析方法，振动信号的相关域分析方法，振动信号的频域分析方法，振动 信号的时域分析方法，振动信号的特征分析方法。通过这些振动分析方法来提取故 障特征是故障诊断识别中一个重要而有效的步骤。 ( 3 )硬件方面的支持 硬件方面的支持是进行故障诊断的必不可少的前提。传统的振动诊断方法中所 用的硬件主要包括：传感器，监视仪表，数据采集仪，频谱分析仪等等。这些仪器 性能的高低的对诊断的精密程度有着很大的影响。 由于网络、通讯、计算机技术的快速发展，监测、诊断系统在其体系结构上也 正经历了巨大的变化：由最初的单机诊断，到分布式的监测诊断【8 】，然后到跨越i n t e m e t 的远程故障诊断。 f ：龌2 通五坐面匕坐j 立垃z 簋= 童结i 金 1 1 2 远程诊断的提出 ( 1 ) 远程诊断的提出及其意义 远程故障诊断的出现，与传统的故障诊断相比，并不是对诊断理论或诊断方法 的改进，它仍沿袭了传统故障诊断系统中的诊断理论和诊断方法。但另一方面，把 计算机通讯领域的技术引入传统的故障诊断领域，以i n t e r n c t 为桥梁，从体系结构上 改变了传统的故障诊断，为故障诊断领域注入了一股新的活力。 基于i n t e r n e t 的远程诊断就是将设备诊断技术与计算机网络技术相结合，用若干 台中心计算机作为服务器，在大型企业的重要关键设备上建立状态监测点，采集设 备状态数据，而在技术力量较强的科研院校建立诊断中心，对设备的运行工况进行 分析诊断的一项新技术9 1 。远程诊断技术跨越了企业和研究机构在时间和空间的距 离，学术界可以利用网上诊断服务器设立技术讲座，对企业技术人员进行辅导和技 术培训，同时发表自己的最新研究供企业使用；而企业界则可以利用远程诊断服务 器为其提供分析、诊断服务，并且在遇到不能解决的疑难问题师向专家咨询。双方 取长补短，广泛合作，共同发展。这样既解决了生产企业技术力量不足和理论提高 的问题，又有利于研究机构更准确、有效地得到企业内部设备运行的现场数据，充 实理论和技术研究。 因此远程故障诊断具有重要的理论和实际意义，具体体现在m 】： 口实现远程诊断后，可利用诊断技术协作网对企业技术人员进行培i j i i ，提高其理 论水平： 口企业可申请协作专家在异地对设备故障进行会诊，提高诊断的准确性和可靠性： 口远程诊断能切实加强科研院所和生产企业的技术合作； 口远程诊断能实现全国范围内的诊断知识和诊断数据的共享； 口 远程诊断能实现对远洋船舶，海洋钻井平台等特殊设备的远程监控和管理，为 设备的安装全运行提供了可靠的技术保障： 口i n t e m e t i n t r a n e t 的互通性，远程诊断技术可在达到i n t e m e tt j , 至i j 几台p c 机的企 业局域网上实现，便于技术普及和推广： 口与传统的故障诊断方法相比，远程故障诊断跨越了时间和空间的限制，为企业 内设备故障诊断节省了大量的人力、物力、财力。 这种基于i n t e m e t 的远程协作作为2 1 世纪新型合作方式受到学术界和工业界重 视。i n t e m e t 的开放式软硬件体系结构也得到人们的认同，成为各种系统开发的必然 趋势。因此未来的各种设备诊断技术必然要和i n t e m e t 相结合，采用开放式的体系结 构，彳。会有强大的生命力和广阔的应用前景。 ( 2 ) 远程诊断的发展现状 与故障诊断的出现类似，基于i n t e m e t 的远程协作诊断研究故障也是最先从医学 领域开始的。1 9 8 8 年开方式远程医疗系统的概念在美国提出，人们普遍认为一个开 放式远程医疗系统应该包括( 15 1 远程诊断，专家会诊，信息服务，在线监测和远程学 习几个部分。1 9 9 4 年9 月s y s o p t i c s 公司在美国国会山庄向克林顿总统演示了一个 基于i n t e r n e t 的全国保健试验示范系统；1 9 9 5 年1 月美国俄克拉荷马州的远程医疗 系统投入使用，它把5 4 家乡村医院与州中心医院联系在一起，并通过计算机网络将 c t ，x 光片等病人临床检验结果送到州中心医院诊断，这样病人在入网的任何一家 乡村小医院就诊都能得到专家级得诊断。国内上海医科大学在上海地区也建立类似 的远程医疗诊断系统【“l 【“】。 设备故障诊断与人类疾病诊断是相似的，从技术上来看，能实现远程医疗诊断 也就能实现远程设备诊断。远程医疗诊断采用的体系结构、信息传输方法和异地专 家会诊组织、实现形式等都可以为远程设备诊断所采用和借鉴。但由于各种原因， 与远程医疗诊断系统已取得显著成果相比，工业领域内的远程诊断工作进展较慢。 1 9 9 7 年1 月首届基于i n t e m e t 工业远程诊断研讨会由斯坦福大学( s t a n f o r du n i v e r s i t y l 和麻省理工学( m i t ) 院联合主办，来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会 议主要讨论了远程诊断系统的开放式体系，诊断信息规程，传输协议以及对用户的 合法限制，并对未来技术发展作了展望。会上确立了由斯坦福大学和麻省理工学院 合作开发基于i n t e m e t 的下一代远程诊断示范系统。该项工作得到了制造业，计算机 业和仪表业的b o e i n g ，f o r d ，s e g a t e ，i n t e l ， s u n ，h p 等1 2 家大公司的支持和通 力合作，并很快建立了一个限于合作者间交流的远程诊断示范系统t e s t b e d 。t e s t b e d 采用嵌入式w e b 组网，用实时j a 、，a 和b e y e s i a nn e t 实现远程信息交换和诊断推理。 从该项目对外开放内容和项目组织1 9 9 7 年底的以及总结报告来看，系统离实用还有 很大的距离。许多研究内容也还只是一个提法。此外，密歇根大学( m i c h i g a n u n i v e r s i t y ) 也在积极开展针对机械加工的远程针对和制造系统的研究工作，并在 i n t e m e t 上设立了一个宣传站点【1 2 1 。 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 n s y s t e m sa l l i a n c e ) ，m f t p ( s o c i e t y f o r m a c h i n e r yf a i l u r e p r e v e n t i o n t e c h n o l o g y l ， 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 de 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 ni n s t i t u t e 等，也纷纷通过网络进行设备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。许多大公司也在他们的产品中加入了i n t e m e t 功能，如n 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 am a n a g e2 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 公司在其虚 上海交通大学硕上学位论文 第一章绪论 拟仪器产品l a b v l e w 中新增加了i n t e m e t 模块，以便通过、 厂、 n 、e m a i l 、f t p 方 式发送测试数据。 就国内来看，西安交通大学，上海交通大学，哈尔滨工业大学都在向国外先进 水平看齐，已开始或准备开始从事工业领域内的远程终端研究。华中理工大学于1 9 9 7 年初开始了前期的研究工作，并于同年1 1 月在网上设立了一个远程诊断宣传站点。 向国内介绍远程诊断技术，并以技术示范的方式向用户提供了十分有限的远程诊断 服务】。同时b e n t l y 、e n t e k 、s o l t r a n 等大公司也纷纷将他们的最新的网络 化设备状态监测产品推向中国市场。这对增进我国学术界和企业界的网络化故障诊 断水平起到了积极的作用。 ( 4 )远程诊断的体系结构 一个完整的远程故障诊断系统主要有三个子系统组成m 1 ：远程诊断中心，数据 通讯网络和企业内部的初级诊断中心，其结构如图1 - 2 所示。 图1 2 远程诊断系统的组成 f i g1 - 2i n t e g r a n t so f a r e m o t ed i a g n o s i ss y s t e m 在大型工业企业内部建立初级诊断中心是企业内部一个必不可少的重要环节， 对于大型机组的维护和诊断起着举足重轻的作用。这种初级诊断诊断中心是基于 i n t r a n e t 的局域网，通过专线或m o d e m 连接至i n t e m e t 。整个系统以c l i e n t s e r v e r 模 式运行，其中以c l i e n t 模式运行的是网络数据采集器，而以s e r v e r 模式运行的是企 业设备诊断服务器。该设备诊断服务器可对现场采集数据进行简单的分析和计算。 _ 上船乙豆左兰盐豇_ 七堂垃j 嫂 一 笙二童缝i 幺 远程诊断中心是空间地理位置上距大型企业工业设备较远的诊断中心，通常建立在 技术实力较强的高校和研究机构。远程诊断中心实际上是个w e b 服务器应用程序， 它除了有“远程诊断”主页外，还应提供文件的上下载服务，现场诊断工程师如遇 有疑难问题，可通过学术论坛向专家进行咨询，或通过下载一些诊断分析模块进行 现场诊断；而通过数据的上载服务可将现场采集的数据或离线数据发送到远程诊断 中心进行远程分析诊断。 远程诊断中心与企业内部的初级诊断中心通过防火墙与i n t e r n e t 国际互连网相连 而构成设备远程诊断系统，具有很大的开放性和扩展性。整个远程诊断系统采用了 浏览器服务器体系。浏览器服务器模式将分布在不同地域上的设备诊断资源连接在 一起，从而实现了故障诊断的广域网络化。 1 2 本文的主要研究内容 本文的主要目的在于探讨一个可以实现的、基于i n t e r n e t 的远程故障诊断系统 的结构。这里的远程故障诊断系统主要指服务器端远程诊断中心和客户端的企业( 或 个人用户) 。在此基础上实现一个在浏览器朋务器的分布式应用程序，用户在客户 端可以通过网络浏览器访问服务器的诊断系统。 作者在阅读了大量关于故障诊断，网络编程，数据库技术等文献的基础上，并 且通过程序测试开展了了如下几方面的研究： ( 1 ) 从理论上确立远程诊断系统的框架模型，即远程诊断系统的体系结构，各部分 的相互关系。远程诊断中心的有哪几部分组成，能为用户提供什么样的服务， 如何实现对多用户系统的管理。 ( 2 ) 通过比较不同的网络应用程序开发方案，选取了一个适合w i n d o w s 系统的快 速开发方法，并确定基于i n t e m e t 的远程诊断系统的开发模式。 ( 3 ) 探讨了如何实现远程数据采集，远程信号分析，以及远程诊断专家系统等各个 模块以及各个模块之间的接口。 ( 4 ) 远程信号采集的实现。如何在i n t e r a c t 的基础上实现传统意义上对设备监测点 的数据采集是远程诊断系统的一个关键问题。本文将采用多种方法实现和探讨 了远程信号采集，这里的信号采集包括离线采集数据的提交，以及实时提供客 户端信号采集至远程诊断数据库。 ( 5 ) 远程信号分析的实现。在取得客户端的数据后，即能在服务器端实现信号分析， 但如何把分析结果反馈给用户，是远程诊断系统中又个关键问题。本文在实 现远程分析的基础上，实时生成分析结果图表反馈到客户端的流程。此外，还 通过对服务器负载、性能的分析，提出使用客户端控件均衡服务器负载的方法， l ：点2 遢本堂面七兰垃j 22 笔= 童结途 并实现在客户端进行远程信号分析。 ( 6 ) 开发了一个的远程诊断系统学术论坛。具有浏览，发言，回复，分类，添加新 主题的功能。提供了一个可以交流，咨询的场所。所有的留言都存放在数据库 中，提高了可管理性和可维护性。 机械故障诊断发展至今己较为成熟，计算机通讯、网络技术的发展为各种传统 学科的进一步发展提供了较为先进的工具，并为这些传统学科带来了新的契机。本 文的创新之处正在于把计算机网络编程技术引入故障诊断领域，打破了传统诊断系 统在空间上的界限，实现了诊断数据和诊断方法在时间和空间的共享。 上海交通大学硕士学位论文 第二章机械设各故障诊断原理及诊断流程 第二章机械设备故障诊断原理及技术 21 故障诊断的一般流程 设备诊断技术的内容包括状态监测、分析诊断和故障预n - z 个方面，其具体实 施过程可以归纳为以下四个方面【4 1 1 7 】： 信号采集 设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化， 由此会产生不同的信息。根据不同诊断的需要，选择能表征设备工作状态的不同信 号，如振动、压力、温度等，这些信号一般是用不同的传感器来拾取。 信号处理将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征机器特征的过程， 电称为特征提取过程，如对振动信号在时域和频域上的分析。 状态i u , n 将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或判别参 数进行比较、对比以确定设备所处的状态，是否存在故障或故障的类型和性质等。 为此应指定相应的判别准则和诊断策略。 诊断决策根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施，同时应根据当 前信号预测设备状态可能发展的趋势，进行趋势分析。 上述诊断流程可用图2 1 来表示”i 。 故障档案建立 典型故障 ( 故障模拟) 故障档 式) 诊断实施 机械设 ( 信号) 集茎目测羹蕞障采集降丽翮f i 洲提取n 图2 - 1 设备故障诊断流程框图 f i g2 1 f l o wc h a r to f m a c h i n e r yf a u l td i a g n o s i s 22 信号采集 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它主要研究信息数据的采集、存贮、 处理以及控制。在机械设备故障诊断中，通过数据采集系统获得设备运行状态的信 芦 上海交通大学硕士学位论文第二章机械设备故障诊断原理及诊断流程 息是进行诊断分析的前提。数据采集系统通过与运行设备直接相连的数据传感器来 获取设备信息( 振动、噪声、温度、压力、流量等) ，将这些模拟量转换成数字信号， 然后通过微机接口电路将这些信号收集到计算机，以便于进一步的显示、处理、传 输和记录，图2 2 显示了数据采集系统与外部世界的关系。 外部 模拟 世界 调理转换 十卜 一信号调理k -叫 a d c 卜一计算机 i 信号调理 - t d a c| i 昆 由 图2 2 模拟世界的数据采集系统 f i g2 - 2d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 传感器把物理信号转换成电信号( 电压或电流) ；信号调理处理能够对微弱信号 进行放大、光电隔离、滤波等处理，以便更精确和更安全地测量；当输入信号被适 当调理后，即可输给数据采集板进行模拟数字( a d ) 转换。其中模数( a d ) 转 换过程具体包括：采样、量化、编码等环节，工作原理图如2 - 3 所示。 图2 - 3 a d 转换过程 f i g2 - 3a n a l o g d i g i t a ls i g n a lc o n v e r s i o n 采样是利用脉冲序列p ( t ) ，从连续时间信号r ( f ) 中抽取一系列离散值，使之成 为采样信号x ( n a t ) 的过程( ”= o ，1 ，2 ) ，a t 为采样间隔，1 a t - _ f ，称为采样频率； 量化又称幅值量化，是把采样信号x ( n a t ) 经过截尾或舍入的方法变为只有有限个有 效数字的过程。设信号x ( f ) 可能出现的最大值为爿，将其等分为d 个间隔，则每个 间隔的长度为4 a = a ，口a a 称为量化增量或量化步长。量化大小一般取决于a d 转 换器位数。例如，8 位的二进制为2 8 = 2 5 6 ，即4 a 为所测信号最大值的1 1 2 5 6 。编码 是将离散幅值经过量化后变为二进制数字，以便计算机可以识别。信号x ( f ) 经过上 上海交通大学硕士学位论文 第二章机械设各故障诊断原理及诊断流程 述变换以后，即成为时间上离散、幅值上量化的数字信号。数字信号经过分析处理 后，有时还需要复原为连续信号，以便于观测和纪录。这时则需要采用d a 转换器， 把数字信号转换为模拟信号。 根据信号分析理论和信号分析设备的要求，在信号分析中，需要预先设置一些 参数，这些参数如果选择的不适合，往往会使分析结果不准确。因此，数据采集时 选择合适的参数在实际的问题解决中是很重要的。其中最主要的参数是采样频率。 n a q u i s t 采样定理指出了对信号采样所必须遵守的基本准则：在实际数据采样中，首 先要了解x ( f ) 的最高截止频率上，以确定应选取的采样频率上，若x ( f ) 不是有限带宽 的，在采样之前应对x ( f ) 作模拟滤波( 这一步可在信号调理中完成) ，以去掉f f c 的 高频成分。采样频率上，又称“n a q u i s t 频率”，使频谱不发生混迭的最小采样频率， 即z = 2 z 。在实际数据采集中的采样频率应该大于2 z ，通常取为2 5 6f 。此外在采 样点数的选取上，为了频域分析时计算f f t 的方便，采样点数一般取为2 的幂数， 如51 2 ，1 0 2 4 ，2 0 4 8 等，许多信号分析设备取为1 0 2 4 点。 23 机械故障诊断中的信号处理 信号或动态数据的处理与分析，是设备故障诊断的前提和基础。有效的分析处 理这些信息，建立它们和设备运行状态之间的联系，是设备故障诊断的基础。通过 传感器采集的原始信号通常是某个物理量随时间变化的轨迹，称之为时域信号。从 时域信号信号中虽然可以直接得到一些关于幅值、周期等物理量的信息，但从这些 信息往往不能直接找到更多有用的信息，所以必须对信号进行加工处理，把动态波 形从以时域转换到频域上进行分析。 动态信号 确定性信号ll随机信号 周期信号jj 非周期信号ij 乎稳信号jj 非平稳信号 简漕1l 复杂周ii 准周期il 瞬态li 各态历1i 非备态历l i 调制型非il 一般非平稳 信号l1 期信号ll 信号il 信号li 经信号ll 经信号i1 平稳信号ll 随机信号 图2 4 信号分类 f i g2 - 4c l a s s i f i c a t i o no fs i g n a l 对于不同类型的信号，其处理、分析方法【_ 1 是不同的。但是对任何信号进行分 析处理部需要考虑以下的因素：信号的类型与特征：描述各类信号特征的特征参 上海变通大学硕士学血论文第二章机械设备故障诊断原理及诊断流程 数；这些特征参数的获取方法；如何保证所选表征参数的可靠性，并判断其精度。 信号按其特性可按图2 4 【7 】进行分类。 信号随时间变化的规律，可将其分为两大类f 6 】川：确定性信号和随机信号。周 期信号包括简谐信号和复杂周期信号，复杂信号可借助于傅立叶级数展成一系列离 散的简谐分量之和，其中任何两个分量的频率之比为有理数。非周期信号包括准周 期信号和瞬态信号，准周期信号也是由不同离散频率的简谐信号合成，但至少存在 一个频率分量与另一个频率分量之比为无理数；瞬态信号的时间函数为各种脉冲函 数或衰减函数，可通过傅立叶变换得到确定的连续频谱函数。随机信号无法使用确 定的时变函数来描述，它又可进一步分为平稳随机信号和非平稳随机信号，如果一 个随机信号的概率分布规律与统计特性不随时间的推移而变化，就称为平稳随机信 号，反之即称为非平稳随机信号。如果一个平稳随机信号满足其总体特征参数和样 本统计特征参数相同，则该随机信号是各态历经的。 在对平稳的各态历经的信号处理分析中，为了方便，一般把信号作为时间t 的 函数( 时f 司坐标) 来讨