（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器的远程监测与诊断系统研究及开发.pdf

s t u d ya n dd e v e l o p m e n tb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yo nr e m o t em o n i t o r i n g a n d d i a g n o s t i cs y s t e m b y x i a og a o q u a n s u p e r v i s o r ：p r o f h a no i n q d a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 0 8 一 _ 、。 7 l r l一-【 l _ _ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师韩庆大副教授的精心指导下完 成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夕务即 e t期：锣s 二彭 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 一r t 。 ， 1 东北大学硕士学位论文摘要 基于虚拟仪器的远程监测与诊断系统研究及开发 摘要 随着科学技术日新月异的发展，现代的工业中的生产设备趋向大型化，高速化、 自动化和集成化，设备一旦发生故障，将给企业造成巨大的损失。由此可见，设备运 行状态的好坏直接关系着生产效率，对其进行在线监测，可以实现对设备的趋势预报 和故障的及时排除。然而，在很多的情况下，设备现场的技术人员有限，技术力量不 够，一些疑难或突发故障就难以得到及时有效的解决，这样势必给企业造成巨大的损 失，这对设备的状态监测与故障诊断提出了更高的要求。因此，本文针对传统的在线 监测与故障诊断中对设备远距离监测、应急诊断、有效维护和高效管理方面存在的不 足，以沈阳冶金机械有限公司生产的隔膜泵为对象，利用虚拟仪器技术，结合w e b 技 术，对设备进行了远程状态监测与故障诊断方面的研究。 本文讨论了进行远程监测与诊断的b s 和c s 两种设计模式，根据企业的要求和 设备的特点及计算机体系结构，本文确定了以b s 和c s 两种模式混合的设计模式作 为对设备进行远程监测与诊断的实现模式，在此模式下进行了网络架构和系统开发。 论文引入了虚拟仪器技术，利用虚拟仪器设计软件l a b v i e w 设计了数据采集发布 系统和远程监测诊断系统。使用d a t a s o c k e t 技术和t c p 技术实现了数据远程实时传输， 具有很好的传输效果，真正实现了设备的远程实时在线监测与故障诊断。为了对动态 原始信号、分析诊断后的结果数据以及设备的状态参数和采样参数进行科学管理，本 文采用了文件、数据库和报表及报告三种数据管理方式，并开发了数据库系统。 另外，本文还结合w e b 技术开发了隔膜泵远程监测与诊断交互式平台，在该平台 下，能够实现远程浏览、专家协同会诊、资源共享以及报表报告服务等功能。 本文的研究成果丰富了设备状态监测与故障诊断的理论和方法，解决了实现远程 监测和诊断的若干关键问题，为隔膜泵状态监测和故障诊断提供了新的途径，为以后 的探索积累了一定的研究经验。然而，远程监测和诊断是一个复杂的、涉及多个学科 的系统工程，还有许多的工作需要更进步的完善。 关键词：虚拟仪器；远程监测与诊断；l a b v i e w ：信号分析；数据管理；隔膜泵；交互 式平台 ， t 、 东北大学硕士学位论文a b s tr a c t _ _ - _ - _ - - - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ - - _ - - - _ - - _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ - - - i _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - l - _ - - - - - - 一 s t u d ya n dd e v e l o p m e n tb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g yo nr e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s t i cs y s t e m a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc h a n g i n gq u i c k l y , t h ee q u i p m e n t s a p p l i e di np r e s e n t - d a yi n d u s t r yb e c o m em u c hl a r g e ，h i 曲s p e e d ，a u t o m a t i ca n di n t e g r a t i v e o n c et h ef a u l th a p p e nw i t he q u i p m e n t ，e n t e r p r i s ew i l ls u f f e rf r o mg r e a tl o s s s o ，t h es t a t eo f r u n n i n ge q u i p m e n ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c i n g ，t h u sm o n i t o r i n gi t s r u n n i n gs t a t ei sv e r yi m p o r t a n t ，i no r d e rt om a k i n gt r e n dp r e d i c t i o no ft h em a c h i n ea n d m a i n t a i n i n gi nt i m ea n da v o i d i n gm a i n t a i n i n gt o oo f t e no rn o te n o u g h h o w e v e r , u n d e rm o s t o fc i r c u m s t a n c e s ，b e c a u s eo ft h el a c ko ft e c h n i c a lw o r k e ra ts p o t ，s o m ed i f f i c u l ta n dg u s t y f a u l tc a i l tb es o l v e de f f e c t i v e l yi nt i m e ，w h i c hr e s u l tg r e a tl o s st oe n t e r p r i s ec e r t a i n l y f r o m t h i s ，w ec a ns e ei ti sag r e a td e m a n df o r t h em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so ft h ee q u i p m e n t t h e r e f o r e ，t a k et h ed i a p h r a g mp u m pa sao b je c t ，a d o p t i n gv i r t u a la n dw e bt e c h n o l o g y , t h i s a r t i c l ed i d t h er e s e a r c ho nr e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ，a i m i n ga tt h es h o r t c o m i n g o ft r a d i t i o n a lm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sw h i c hi sh a r dt or e a l i z er e m o t em o n i t o r i n ga n d l a s h - u pd i a g n o s i s ，e f f e c t i v em a i n t a i na n dm a n a g e m e n t t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt w ok i n d so fm o d e s ，b sa n dc s ，w h i c hw e r ea d o p t e dt od e s i g n t h er e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fe n t e r p r i s e 、t h e c h a r a c t e r i s t i co fe q u i p m e n ta n dt h ec o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ，t h i sa r t i c l ed e c i d e dt h em o d e m i x e db sa n dc so ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sd i a p h r a g mp u m p t h e n ， b u i l tt h en e tf r a m e w o r ka n dd e s i g n e dt h es y s t e mu n d e rt h i sm o d e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e t h e nd e s i g n e dt h es y s t e mo f d a t aa c q u i s i t i o na n dr e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sw i t hl a b v i e w , as o f t w a r et o d e s i g nv i t h e r eh a v eag o o de f f e c tt ou s et h et e c h n o l o g yo fd a t a s o c k e ta n dt c p i pt o t r a n s m i td a t aw i t hl o n g d i s t a n c e i tr e a l i z e dr e a l l yt h er e m o t er e a l t i m em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i s i no r d e rt om a n a g e t h ed y n a m i cd a t a ，t h ed a t aa f t e ra n a l y z e da n dt h er e s u l to f d i a g n o s i sa n dt h ep a r a m e t e ro f d e v i c ea n dt h ep a r a m e t e ro fs a m p l i n g ，t h i sa r t i c l ea d o p tt h r e e d a t am a n a g e m e n tw a y s ，f i l es y s t e m ，d a t a b a s es y s t e ma n dr e p o r t ，a n dd e v e l o p e dt h ed a t a b a s e - 1 1 1 - m a n a g e m e n ts y s t e m i na d d i t i o n ，c o m b i n e dt h ew e bt e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l e d e v e l o p e dt h ei n t e r a c t i v e p l a t f o r mo fr e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so fd i a p h r a g mp u m p u n d e rt h i sp l a t f o r m ， w ec a l ld or e m o t eb r o w s e ，c o o p e r a t e dd i a g n o s i sw i t hd i f f e r e n te x p e r t s ，r e s o u r c es h a r ea n d r e p o r ts e r v i c eo fd i a g n o s i s t h er e s e a r c h f u lr e s u l to ft h i sa r t i c l ee n r i c h e dt h et h e o r ya n dt h em e t h o do fe q u i p m e n t 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 t h i sa r t i c l es o l v e dt h e s e k e yp r o b l e m sa n d r e a l i z e dt h er e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so ft h ed i a p h r a g mp u m p i tp r o v i d e da n e w w a yf o rt h em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so ft h ed i a p h r a g mp u m p sc o n d i t i o na n d a c c u m u l a t e dal o te x p e r i e n c ef o rl a t t e rr e s e a r c h h o w e v e r , t h er e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i so ft h ed i a p h r a g mp u m pi sac o m p l e xa n dm a n yf i e l d si n v o l v e ds y s t e m i c e n g i n e e r i n g s oi no r d e rt op e r f e c ti t ，t h e r es t i l lh a v em u c hr e s e a r c hw o r kt od ol a t e r k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；r e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ；l a b v i e w ；s i g n a l a n a l y s i s ；6 a t am a n a g e m e n t ；d i a p h r a g mp u m p ；i n t e r a c t i v e p l a t f o r m t 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 捅姜i i a b s t r a c t ：i i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 1 1 课题背景1 1 1 2 远程监测与诊断的意义2 1 2 设备状态监测与故障诊断发展历程3 1 3 远程监测与诊断的研究现状4 1 4 虚拟仪器技术5 1 4 1 虚拟仪器概述5 1 4 2 基于w e b 的网络化虚拟仪器技术6 1 4 3 虚拟仪器技术在远程监测与诊断中的应用6 1 5 本文的主要研究工作6 第2 章系统总体设计8 2 1 设备简介8 2 2 远程监测与诊断的实现模式设计9 2 2 1c s 模式设计9 2 2 2b s 模式设计。1 0 2 2 3c s 和b s 混合模式设计1 2 2 3 系统的结构设计1 2 2 3 1 系统网络架构1 2 2 3 2 系统的功能结构。1 3 2 4 系统的硬件设计1 5 2 4 1 硬件选型1 5 2 4 2 仪器硬件驱动及结构组成：17 2 5 系统的软件设计1 7 2 5 1l a b v i e w 简介1 7 2 5 2 系统软件结构1 8 2 5 3 三大子系统设计1 9 第3 章远程数据通信设计2 6 3 1 网络技术基础2 6 3 1 1 计算机网络协议及体系结构2 6 3 1 2 网络结构模型2 7 一v 一 东北大学硕士学位论文 目 录 3 1 3h t t p 协议2 9 3 2 基于虚拟仪器的数据远程传输设计3 0 3 2 1 基于c s 模式的d a t a s o c k e t 技术3 l 3 2 2 基于b s 模式的远程面板技术3 4 3 2 3l a b v i e w 中的t c p 技术3 5 3 3 网络通信安全设计3 8 3 3 1d a t a s o c k e t 技术通信安全设置3 8 3 3 2 远程面板技术的通信安全设置4 0 3 3 3t c p 技术的通信安全设置4 1 第4 章信号分析与数据管理4 2 4 1 工程信号分析及故障诊断4 2 4 1 1 信号预处理4 2 4 1 2 幅域分析4 3 4 1 3 时域分析4 5 4 1 4 频域分析4 7 4 1 5 倒频谱分析4 9 4 1 6 趋势分析5 0 4 1 7 小波分析5 0 4 2 基于虚拟仪器的工程数据管理5 4 4 2 1 文件管理设计5 4 4 2 2 数据库管理设计5 6 4 2 3 监测报表和诊断报告设计6 2 4 3 本章小结6 4 第5 章远程监测与诊断中心交互式平台的开发6 5 5 1 交互式平台开发技术6 5 5 。1 1a c t i v e x 技术6 5 5 1 2w e b 动态网页技术6 6 5 2 交互式平台设计6 9 5 2 1 服务器端开发方案6 9 5 2 2 服务器端程序设计6 9 5 2 3a s p 技术在w e b 数据库访问中的应用。7 3 5 3 平台的相关介绍与展示7 5 第6 章结论与展望7 9 6 1 结论7 9 6 2 展望：8 0 参考文献8 1 致谢8 5 一v l 一 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 在当今市场经济社会中，科学技术日新月异，各企业为了提高自身竞争力和经济 效益，竞相采用高新技术来提高劳动生产率和管理水平，保证设备的利用率和产品的 质量。以便在日益激烈的市场竞争中立于不败之地。 随着信息时代的到来，计算机网络尤其是i n t e m e t 几乎渗透到了生产和生活的各 个角落，同时也为机械设备状态监测与故障诊断带来了全新的概念。特别是高速计算 机网络日趋成熟，网络产品的大量市场投人，性格比的提高；i n t e r n e t 的三级体系结构， 包括n f s n e t 主干网、地区网、校园网和企业内部网的建立；各种新的故障诊断方法 的不断出现和成熟。虚拟仪器技术的出现和飞速发展，打破了传统仪器功能固定，由 厂家定义，不便于扩展的局限，而且，虚拟仪器可以和计算机技术，网络技术完美的 结合，实现虚拟仪器网络化。所有这些软硬件环境都为远程监测和诊断的发展和实施 打下了坚实的基础。 沈阳冶金机械有限公司通过技术攻关，已经生产出大功率隔膜泵，取得我国在此 领域上的技术突破。由于大功率隔膜泵的工作条件恶劣，价格昂贵，易于出现断轴、 轴承损坏、泵阀泄漏、活塞杆损坏等各种机械故障，而一旦出现故障造成停产，损失 将是非常巨大的，会给企业带来大量不必要的经济损失。为此，东北大学设备诊断工 程中心与沈阳冶金机械有限公司联合开展了隔膜泵状态监测和故障诊断方面的研究， 已为其厂生产的大容量隔膜泵研制了一套状态监测系统，能够对其运行状态进行实时 监测，为诊断故障的类型与部位提供可靠的实时数据和信息，节省了维修费用，缩短 维修时间，避免过剩维修或维修不足，已取得良好的经济意义。 但是，由于目前这种传统的状态监测和故障诊断受到人员、时间和地域的限制。 一旦现场设备发生故障或一些突发疑难故障，而企业中技术人员的比例相对较少，技 术力量又较薄弱，在现场不能对设备故障进行及时、准确、有效的诊断时，仍然会给 企业造成很大的经济损失。并且，企业若在内部建立m i s 系统，传统的监测和诊断难 以很好的实现企业管理信息化，就很难实现设备的高效管理和企业的科学决策。可见， 对设备进行远程监测和诊断研究势在必行，此即本课题的来源。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 远程监测与诊断的意义 随着信息化时代的到来，对设备进行远程诊断具有重要的意义。 首先，企业的信息化和自动化技术己成为提高企业自身竞争力和经济效益的重要 手段，成为企业参与国际竞争的技术保障；借助于远程监测可以将企业内部的信息网 ( i n t r a n e t ) 有效地连接起来，实现对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企 业的经营管理策略紧密结合，从而实现企业的综合自动化。可以建立网络范围内的监 测数据和网上知识资源库，实现企业管理信息化。 通过远程监测可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监测数据， 为远程故障诊断提供了物质基础，为设备的安全运行提供可靠的技术保障，并改善了 企业设备的维修和管理体制。使得受过专业训练的技术人员无须亲临现场或恶劣的环 境，就可虚拟地出现在许多生产现场，监视生产系统和现场设备的运行状态及各种参 数，实现对设备的远程监测和管理，从而减少值守工作人员，最终实现现场端的无人 或少人值守，在一定程度上既可解决企业内专业人员相对少的问题，还可以达到减员 增效的目的。 其次，设备的远程监测和诊断可实现全国范围内的诊断知识与诊断数据共享，利 用诊断网络有利于数据积累和资源共享，企业可申请网内专家在异地对设备故障进行 协同会诊，使得多个诊断系统服务于同一台设备，或者多台设备共享同一诊断系统， 以弥补单个诊断系统知识的不足，可以很好地应对突发性的疑难故障，提高故障诊断 的可靠性、准确性和快速性，可为企业带来更大的经济效益，提高企业的竞争力。 再次，通过建立远程监测与故障诊断中心，可以很方便地实现对企业技术人员的 培训，提高其理论水平，也可以宣传故障诊断方面的知识。因此，在企业逐步推广应 用网络化m i s 系统、设备管理系统取得成功的基础上，对发展网络化的设备远程监测 与故障诊断系统提出了需求。 另外，实现远程诊断后，有利于沟通设备运行现场、诊断专家和制造厂之间的联 系，便于获取多方面的信息，积累和综合各方面的经验，服务于设计、运行和维修； 能切实加强科研院所和生产企业的技术合作，有利于研究机构更准确、更有效地得到 企业内设备运行的第一手资料，充实技术的理论研究n 1 。 本课题研究以隔膜泵为例进行了设备远程监测与诊断及其系统构建方面的研究， 具有重要的理论和学术价值，而且具有很大的社会效益和经济价值。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 设备状态监测与故障诊断发展历程 设备的状态监测与故障诊断技术开始于上世纪7 0 年代，其实用性为社会和企业带 来了巨大的效益。在不同工业生产时期，由于生产力和科学技术水平的不同，生产设 备的结构、规模和自动化程度大不相同，与之相适应的设备监测与诊断技术也不同。 总的来说，如图1o l 所示，其发展主要经历了如下几个阶段： 。? 一一 人t 离线监测与诊断 一卅缓纽 ， 单机集中在线监测与诊断 k 罴秦， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 实施异地远程监测诊断，能充分利用更多的技术支持和数据共享，大大地提高了故障 诊断的准确性和可靠性。远程监测诊断将是今后设备在线监测与诊断系统的发展趋势。 远程监测诊断系统是建立在集中式或分布式监测系统的基础之上的，如果没有这种监 测系统也就无法实施异地的远程在线监测与故障诊断乜1 。 1 3 远程监测与诊断的研究现状 传统的设备状态监测与故障诊断系统一般局限于企业内部，而企业中技术人员的 比例相对来说较少，技术力量较为薄弱，不能为企业设备故障进行及时、准确的诊断， 仍会造成很大的经济损失。研究者们注意到：很多学术机构集中了大量从事设备诊断工 作的技术人员，但是却由于地域、行业及企业之间的限制，这些技术力量并没有得到 充分发挥，如何充分利用这些高校、科研院所的技术力量优势成为当时人们关心的热 点。 网络的出现与快速发展为此提供了契机，远程医疗系统的出现更为此指明了方向。 1 9 8 8 年开放式远程医疗系统的概念在美国提出，此后该技术的研究与应用便在医疗领 域迅速开展起来，1 9 9 5 年美国俄克拉荷马州的远程医疗系统投入使用。我国上海医科。 大学在上海也建立了一个类似的远程医疗系统。设备故障诊断与人的疾病诊断是相类 似的，因此，远程医疗诊断系统的研究与应用成果，能为远程设备故障诊断所采用和 借鉴。1 9 9 7 年1 月，首届基于因特网的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工 学院联合主办，会议讨论了远程诊断系统连接开放体系、诊断信息规则、传输协议以 及对未来技术发展的展望b 1 。此后两所大学联合开发了基于因特网的远程诊断示范系 统，并得到了制造业、计算机业和仪表业的b o e i n g ，s e a g a t e ，i n t e l ，s u n ，h i 等1 2 家大公司的支持和通力合作。此外，密执安大学也在积极开展针对机械加工和制造系 统的远程诊断的研究工作，并在因特网上设立了一个宣传站点h 1 ；美国的西屋公司在 其诊断操作中心可以远程在线监测全美2 0 多个电厂的运行情况：加拿大航空公司为保 f 证飞机正常可靠地飞行，建立了一个集成远程监测诊断系统，并在实际中应用；德国 西门子公司也建立了自己的远程诊断系统，为客户提供全球范围的服务；法国a l a r m， 研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应 用。 国内目前有华中科技大学、西安交通大学、上海交通大学、东南大学和哈尔滨工 业大学正在积极从事这方面的研究工作，其中华中科技大学和上海交通大学还建立了 7 宣传性的远程故障诊断中心网站，提供简单的远程故障诊断服务。如西安交通大学研 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制的大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d 、华中科技大学开发的 汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d 、哈尔滨工业大学的微计算机化机组状态监视与 故障诊断专家系统m m m d e s 等。 由于远程监测与诊断技术是计算机技术、网络通信技术及设备诊断技术相结合的 一门综合技术，所以要实现远程在线监测与诊断对技术要求较高，目前还有很多技术 问题尚特解决。远程监测与诊断系统的建立也是一个涉及各个学科的系统工程，需要 各个学科的知识融合。 1 4 虚拟仪器技术 1 4 1 虚拟仪器概述 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，简称，是基于计算机的软硬件测试平台， 利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本 功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪器由计算机、 应用软件和仪器硬件三部分构成，如图1 2 所示。通过软件将计算机硬件与仪器硬件 有机融合为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件测量、控制能力结合在一 起，通过软件实现对数据的显示、分析处理以及存储。 机( l a b v i e w 、l a b w i n d o w s 、v b 、v c 等软件) 测对象卜_ 叫传感器卜- 卅信号调理卜_ 叫数据采集硬件( d a o 告) 图1 2 虚拟仪器系统结构 f i g1 2t h es t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m 虚拟仪器系统的关键是软件，没有一个优秀的控制分析软件，很难想象可以构成 一台理想的虚拟仪器系统。用于开发虚拟仪器的语言有v b 、v c 、d e p h i l 等，其中比 较优秀的开发软件是美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 公司的l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v l 和h p v e e 5 】o 虚拟仪器技术把计算机技术和仪器技术完美的结合起来，它的出现是仪器发展史 上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对 科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 2 基于w e b 的网络化虚拟仪器技术 基于w e b 的网络化虚拟仪器技术，是把v l 技术和面向i n t e r n e t 的w e b 技术二者 有机结合产生的一种新的v l 技术。 通常，一个大的、复杂的测试系统其数据的采集输入、输出和分析处理往往跨地 域的，传统的集成测试方法越来越不能满足复杂测试任务的需求。因此，网络化仪器 、。 的出现成为必然。随着计算机网络技术、总线技术和数据库技术的不断发展，互联网 使数据共享进入了一个新的阶段，加速了虚拟仪器在网络及远程计算技术方面的发展。 ? 虚拟仪器技术借助互联网的强大功能，将来自测量或控制设备中的数据直接发布到 w e b 网页上，把分散在不同位置的不同设备联系起来组成一个测试系统，使资源得以 共享。这就促使了虚拟仪器的网络化发展，网络化虚拟仪器应运而生。 1 4 3 虚拟仪器技术在远程监测与诊断中的应用 由于跨地域的设备远程监测和诊断的特点是测试数据、分析方法和故障诊断知识 的网络共享。因此，必须使监测和诊断技术的核心部分，信号采集、信号处理和分析 能够在网络上远程运行。网络化虚拟仪器技术为此提供了一个很好地解决方案。 ， 虚拟仪器把传统仪器的前面板移植到了计算机上，利用计算机上的资源进行测试， 而网络化虚拟仪器则把前面板移植到了i n t e m e t 的w e b 页面上，通过w e b 服务器处理 相关的测试需求。通过w e b 浏览器可远程监测和控制现场的测试仪器和监测对象，监 测数据和诊断的结果可以通i n t e r n e t 实时地发布和共享，打破了在同一地点进行采集、 分析和显示的传统模式，增强了分工合作能力，大大提高了工作效率。 基于w e b 的网络化虚拟仪器的应用，不受地域限制，可以提高昂贵硬件资源的利 用率和共享程度，降低设备的成本，而且还便于扩展系统。通过在i n t e m e t 服务器上 安装虚拟仪器，则能远程使用，管理维护工作也非常方便简单，在设备远程监测和诊 断方有很大的应用前景呻1 。 1 1 5 本文的主要研究工作 本文主要以大功率隔膜泵为对象研究基于虚拟仪器的设备远程监测和故障诊断系 统的设计与实现。首先分析了远程监测与诊断的基本原理和基本模式。然后设计了对 设备进行远程监测与诊断的整个网络拓扑结构、功能结构、软硬件结构和远程数据通 信的方式，最后在系统网络架构下对各个部分进行具体设计和功能实现。论文的具体 尊 东北大学硕士学位论文第2 章系统，总体设计 第2 章系统总体设计 本章以s g m b 系列某型往复式双缸双作用隔膜泵为例，采用虚拟仪器技术，结 合w e b 技术对设备远程监测与诊断系统进行了总体设计。利用本章提出的远程监测与 诊断系统实现模式、网络架构、框架结构及其技术措施，可以很方便的设计其他设备 的远程监测与诊断系统。 2 1 设备简介 以隔膜泵为例，它是由电动机通过减速机驱动曲柄连杆滑块机构，带动活塞往做 复运动，活塞借助油介质使橡胶隔膜做凹凸运动，驱使隔膜室腔内容积周期变化，完 成矿浆输送盯1 。具体运行过程是：当动力机通过皮带、齿轮或其他传动部件以角速度o 9 旋转带动曲柄向左开始运动时，推动活塞向右边移动，套缸内液体受挤压，压力升高， 吸入阀关闭，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管进入排出池。曲柄继续转动，活 塞开始向左端移动，液缸内形成一定的真空度，吸入池中的液体在液面压力的作用下， 东北大学硕士学位论文第2 章系统总体设计 2 2 远程监测与诊断的实现模式设计 由于设备的远程状态监测和诊断都是跨地域的，要求将设备的相关数据和分析诊 断结果进行远程传输。传统的远程监测与诊断通过写信，将设备的状态参数和相关的 数据写在纸上，然后邮寄到远程设备诊断专家那里，设备诊断专家再将分析的结果也 通过信件邮寄给用户，这种方式诊断周期太长，诊断比较粗糙。随着计算机、通信技 术及w e b 技术的发展，目前常用的远程监测诊断实现模式有：基于e m a i l 的远程监 测诊断、基于f t p 的远程监测诊断、基于视频会议的远程监测诊断、基于c s 和b s 模式的远程监测诊断。前三种模式的远程监测诊断简单易行，但因其功能有限，实时 性、交互性差，难以满足生产维护和设备信息管理的需要，现在已经很少采用。在实 际应用中通常采用c s 模式和b s 模式。 2 2 1c s 模式设计 c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式，即客户机服务器模式。它是2 0 世纪8 0 年代由美国 s y b a s e 公司为首的几家计算机公司提出并实现的，后来得到迅猛的发展并渗透到计 算机应用的各个领域，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到 c l i e n t 端和s e r v e r 端来实现，降低了系统的通讯开销。 c s 模式体系结构主要由完整的服务器系统、客户机和完善的计算机网络支持三 个因素组成，其中服务器通常采用高性能的p c 、工作站或小型机，并采用大型数据库 系统，如o r a c l e 、s q ls e r v e r 等口训。客户端需要安装专用的客户端软件。传统的 c s 模式一般是两层的结构，这种两层的结构往往存效率低下、安全性差、维护困难 和共享程度低的不足。现在通常采用三层c s 模式结构，在传统的两层结构的基础上 增加中间层，这是伴随着中间件技术的成熟而兴起的，核心概念是利用中间件将应用 分为表示层、业务逻辑层和数据存储层三个不同的处理层次。三个层次的划分是从逻 辑上来分的，具体的物理分法可以有多种组合。中间件作为构造三层结构应用系统的基 础平台，提供了以下主要功能：负责客户机与服务器间、服务器间与服务器间的连接 和通信；实现应用与数据库的高效连接；提供一个三层结构应用的开发、运行、部署 和管理的平台。这样可以克服传统的两层结构中存在的缺点，避免客户端或服务器端 过“瘦”或过“胖”。采用三层的c s 结构可以使系统的安全性加强，效率提高，易于 维护，硬件结构灵活，更具有开放性n 。 基于c s 模式的远程监测与诊断系统，就是在c s 基本结构的基础上，结合设备。 9 东北大学硕士学位论文第2 章系统总体设计 状态监测和故障诊断系统的基本特点和功能要求构成的，其典型的结构如图2 2 所示。 客户机 应用服务器 图2 2 三层c s 模式远程监测与诊断结构 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo ft h er e m o t em o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i sw i t ht h r e et i e rc sm o d e 这种c s 模式远程监测与诊断的基本工作原理是：数据采集系统将采集到的数据 存储到数据库中或通过数据通信服务器转发，客户通过远程调用或直接请求数据库服 务器应用程序或数据通信服务器提供服务，服务器执行完请求后，将数据和结果返回 给客户机。客户端负责实现用户接口功能，同时封装了部分或全部的应用逻辑，把得 到的数据进行分析、处理、显示和打印。服务器端的数据库服务器和数据通信服务器 主要提供数据存储功能和接受远程客户端请求并转发数据，也可通过触发器和存储过 程提供部分应用逻辑。 随着计算机技术的发展和企业规模的日扩大，应用程序的复杂程度不断的提高， 传统的c s 模式也暴露出了许多的问题。因为这种模式都是针对性强，缺少通用性， 业务变更不够灵活，所以当用户的需求改变时，客户端的应用软件也需要进行相应的 修改，当该软件的应用范围越广时，其维护成本也就越大。 另外，c s 模式所采用的软件产品大都兼容性比较差，缺乏开放的标准，一般不 能夸平