（计算机应用技术专业论文）基于upnp的设备故障监测诊断系统.pdf

摘要 设备故障监测诊断技术是保证大型机电设备安全运行的关键，特别是在机器 众多的工业现场，联网的故障监测诊断系统就显得尤为重要。传统的设备故障网 络监测诊断系统基本上是基于服务器信户机体系架构，虽然可以对多台设各的 运行状态进行监测，但如果网络架构发生变化，比如被监测设备或者监控端p c 的加入或移出，都会带来繁琐的网络配置任务；另外，在工业现场，可能需要同 时对多种类型的设备进行对比监控，监控端p c 因此需要处理各种设备的参数配 置，而传统基于服务器客户机体系架构的网络监测诊断系统很难做到对网络中 众多参数配置表的自动维护和刷新。 本文在充分调研了当前设备故障诊断相关技术以及设备故障监测诊断系统 的基础上，结合网络中间件技术和嵌入式技术，提出了一种基于u p n p 的设备故 障监测诊断系统设计方案以及相关协议，并实现了系统的基本功能框架，完成了 系统主要构件及模块的设计工作。 本文的主要研究工作包括以下四个方面： 第_ _ ，调查了课题的行业背景，分析故障诊断相关技术的现状，并对比分析 了几种网络中间件技术的特点，详细的介绍了u p n p 网络中间件的工作原理。 第二，详细描述了基于u p n p 的设备故障监测诊断系统的整体架构以及功能 实现。实现了系统的三个主要模块( 设备数据采集模块、用户监控模块和数据存 储服务模块) ，并对其实现机制、技术特点做了详细分析。 第三，定制了设备故障诊断数据传输协议和设备故障诊断系统配置协议，研 发了系统主要功能构件( 通讯构件及数据处理构件) ，并对系统如何实现数据在 各个节点的流动、参数配置表的自动维护和刷新、被监测设备的事件公告机制进 行了详细的分析。 第四，实现了几种被监测设备数据采集端信号采集系统的硬件平台，并在文 中对其中的基于m s p 4 3 0 的系统硬件实现做了简单的介绍。 本文得到国家8 6 3 计划软件重大专项( 2 0 0 2 a a l z 2 3 0 8 ) 基金赞助。 关键词：网络中间件，通用即插即用技术，故障诊断，嵌入式系统 a b s t r a c t i n s t r u m e n tf a u l tm o n i t o ra n dd i a g n o s i st e c h n o l o g yi st h ek e yt e c h n o o g y ， w h i c hk e e pt h eh u g em e c h a n i c a l e l e c t r o n i ci n s t r u m e n t si ns a f es t a t u s an e t b a s e df a u l tm o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e mi sp a r t i c u l a r l yn e c e s s a r y i nl a r g es c a l ei n d u s t r yf i e l d t r a d i t i o n a ln e t b a s e df a u l tm o n i t o ra n d d i a g n o s i ss y s t e m sa r em o s t l yd e s i g n e d o ns e r v e r e l l e n ta r c h i t e c t u r e a 1 t h o u g h s u c hk i n do f s y s t e m s c a na l s om o n i t o r m a n y i n s t r u m e n t s s i m u l t a n e o u s l y ，t h ev a r i e t yo f n e ta r c h i t e c t u r e ，s u c ha s a d d i n ga n d r e m o v a l t a r g e t i n s t r u m e n t so rm o n i t o rp c ，w i l lr e s u l ti n h e a v y n e t c o n f i g u r ew o r k o nt h eo t h e rh a n d d i f f e r e n ts o r t so fi n s t r u m e n t sm a yb em o n i t o r e di n i n d u s t r yf i e l d s om o n i t o r s s h o u l dd e a lw i t ha l lk i n d so fp a r a m e t e r c o n f i g u r e dt a b l e s ( p e t s ) h o w e v e r ，i t sv e r yh a r dt om a i n t a i na n du p d a t e p c t si nt r a d i t i o n a ls e r v e r c l i e n tn e t b a s e df a u l tm o n i t o ra n dd i a g n o s i s s y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nl o t so fi n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h e i n t e r n a la n do v e r s e a sf a u l t d i a g n o s i s s y s t e m ( f d s ) t e c h n o l o g i e sa n d i n s t r u m e n tf a u l tm o n i t o ra n dd i a g n o s i s ( i f m i ) ) a p p a r a t u s au p n p b a s e d i n s t r u m e n tf a u l tm o n i t o ra n d d i a g n o s i ss y s t e ma n d s e v e r a lr e l a t i v e p r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e d t h em a i nc o n t r i b u t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o na r e1 i s t e da sf o l l o w s ： 1 )i n v e s t i g a t i o no ni n d u s t r yb a c k g r o u n da n df a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y i sd o n e a n da f t e r c o m p a r i n gw i t hs e v e r a lp o pn e t w o r km i d d l e w a r e t e c h n o l o g l e s ，u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) n e t w o r km i d d l e w a r ei s d i s c u s s e di nd e t a i l 2 ) au p n p b a s e di n s t r u m e n tf a u l tm o n i t o ra n d d i a g n o s i ss y s t e m i s i n t r o d u c e da n di t sa r c h i t e c t u r ea n dm a i nf u n c t i o nh a v eb e e nd e s i g n e d t h r e em o d u l e so fs y s t e m ( d e v i c ed a t ac o l l e c t i n gm o d e l ，u s e r m o n i t o r i n g m o d e la n dd a t as t o r a g es e r v i c em o d e l ) h a v eb e e n i m p l e m e n t e d 3 ) t w ok e yp r o t o c o l so fs y s t e ma r ep u tf o r w a r d ：n d t p ( m a c h i n e r yf a u l t d i a g n o s i sd a t at r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) a n dm s c p ( m a c h i n e r yf a u l td i a g n o s i s s y s t e mp a r a m e t e r sc o n f i g u r ep r o t o c 0 1 ) a n dt h em a i nc o m p o n e n t so f s y s t e m ( c o m m u n i c a t i o nc o m p o n e n t sa n dd a t am a n a g e m e n tc o m p o n e n t s ) a r e a l s oa c c o m p l i s h e d d a t af l o wm e c h a n i s m ，p e t su p d a t i n gm e c h a n i s ma n d e v e n tn o t i f i c a t i o nm e c h a n i s l f ta r ea l s oa n a l y z e di nd e t a i l i i 4 ) s e v e r a lh a r d w a r ep l a t f o r m sa r er e a l i z e da sd a t aa c q u i s i t i o ne n do f t a r g e td e v i c e t h em s p 4 3 0 一b a s e dh a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s c r i b e di n d e t a i1f o ri n s t a n c e t h a n k sf o rg o v e r n m e n ts u p p o r t e d8 6 3f u n d ( 2 0 0 2 a a l z 2 3 0 8 ) k e yw o r d s ： n e t w o r km i d d l e w a r e ，u p n p ，f a u l td i a g n o s i s ，e m b e d d e ds y s t e m i i i 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 我国改革开放以来，国民经济快速发展，各种大型机电旋转设备被广泛应用 于国民生产的各个领域。在工业现场，大型机电旋转机械往往是生产的关键设备， 这些设备的故障会直接影响到工业生产的正常进行，轻则造成生产停滞，财产损 失，重则出现机毁人亡的大型事故。而且，通常生产规模越大，自动化程度越高， 因设备故障导致的损失也越大。例如，一个3 0 万千瓦的汽轮机组因小型故障维 修一天，直接的经济损失就达一百多万元，如果发生汽轮机运行过程中转子断裂 而毁机，所造成的直接经济损失则高达几千万! 设备故障诊断技术正是在这种情 况下迅速发展起来。据专家估计，对大型设备进行运行状态监测和故障诊断的投 资获利比为l ：1 7 ，并推荐以设备价值的百分之一装备故障诊断系统。 目前国际上对故障诊断技术的研究和故簿诊断设备的研制都十分活跃。在科 研方面，全球每年都要召开数次专门的国际性学术会议，探讨设备故障诊断的最 新方法与成果；在故障检测诊断仪器和系统方面，美国的西屋公司、b e n t l y n e v a d a ，日本的三菱、n e c 、r _ i o n 理音公司，瑞典的s p m 以及国内的京航、 东方、星晟、振通等都推出了一系列的监视仪表、信号采集监测分析系统及便携 式故障诊断仪。设备的故障监测与诊断己逐渐成为一个新兴的产业，推动国民经 济健康稳定的发展。 1 。2故障诊断设备与系统的发展状况 故障诊断的方法手段经历了几十年的发展，已经有了长足的提高。在1 9 世 纪，机器设备本身的技术水平和复杂程度都很低，设备的故障诊断主要停留在现 场经验判断和“定期预防性维修”方式。现场经验判断即有经验的技术人员和专 家借助简单的机械式仪表通过对设备运行时声音、温度、流量等直观参量进行观 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。这 种方法有很强的主观性，对人员的经验和技术依赖很高。“定期预防性维修”方 式即在设备正常运行的时候定期停机检修，更换易损坏部件。这种方式虽然可以 一定程度上减少事故发生的概率，但由于需要定期的停机，对生产影响较大，并 且常常会出现健康部件不必要的更换，而增加设备运行成本。 进入2 0 世纪后，随着传感器技术和电子技术的发展，出现了一批便携式的 故障诊断仪表，这类仪表以4 位、8 位m c u ( 微控制单元) 为核心，自带或外 浙江火学硕士学位论文 接传感器，具有体积小检测简便的特点，但由于其性能有限，所以一般只是用来 替代传统机械式检测仪表，采集和显示个别离散的设备运行参数，比如振动的最 值、峰峰值等，而且由于其存储能力有限，因而离线诊断功能不强。随着最近嵌 入式技术的发展，出现了基于嵌入式芯片和d s p ( 数字信号处理芯片) 的手持式 故障诊断仪开始。这类仪表基本上克服了传统单片机故障渗断仪由于计算能力不 足信号分析能力有限的局限，使得诊断手段有了巨大的提高，不仅可以存储和显 示缓变量，如温度、流量等，对快变量，如振动信号也能够以很高的频率连续的 采集并做数值运算( 如f f t 变换) 。另外，一般嵌入式系统都有较高的集成度， c p u 中往往集成多路a d 模块、l c d 驱动模块、通讯驱动模块等，所以有很高 的性能价格比，因而成为目前手持式故障诊断仪的趋势架构。 然而，手持式故障诊断仪只能孤立的对菜台设备的当前状态进行数据采集和 分析，如果要对企业众多的机组进行归类对比，历史数据比较分析，用手持式故 障诊断仪就有些力不从心了。一种权宣之计是利用手持式故障诊断仪有限的存储 能力，将零星采集的数据保存并汇总到分析中心的主机上，十分繁琐且低效；而 且，手持式故障诊断仪不能对设备进行全天候的实对监测，而这却正是工业现场 关键设备，比如电厂的汽轮机所需要的。丽基于工控机的故障诊断系统可以实现 对设备进行实时监控。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 传感器采集的设各运行状态信号进行a d 转换，再由处理能力较强的工控机c p u 进行数据分析和处理。由于工控机相比基于单片机或嵌入式的手持式故障诊断仪 的功能和运算速度有很大的优势，常常被用来对企业关键设备进行实时现场监 测。但工控机相比价格较高，体积庞大，很难对现场的所有需要监测的设备都配 备一台监测仪。 另外，由于工业生产规模不断扩大，众多设备协同工作，对它们的管理和监 测也开始集中进行；而且，各设备之间的运行状态和故障的症状有其内部的相关 性，因而迫切需要将故障监测设备进行联网。目前有多种基于网络的故障监测方 案，一种比较传统的方案是将各台目标设备上的传感器采集的模拟信号直接通过 线缆连接到监控中心，在控制中心的故障监测诊断系统再对信号进行集中处理和 分析，比如b e n t l y 6 0 0 0 系列产品。由于此类产品网络传输的直接是传感器采 集的模拟信号，所以对信号的传输距离、信号的保真和防衰减尤要求很高：而且 由于是星型网络结构，其扩展能力直接受到系统的最大接入容量的限制。另一种 目前比较流行的故障诊断网络解决方案是基于w e b 的服务器客户机架构。该方 案在目标设备上安装基于嵌入式或工控机的故障诊断系统作为网络服务器，用户 可以通过联网的任何一台p c 作为客户端访问服务器，即目标设备的运行数据， 以取得现场任意一台目标设备的各种运行状态参数。这种网络架构还有种优势 是可以和i n t e m e t 实现连接，专家可以在世界上任意能上i n t e r a c t 的地方访问到 浙江大学硕士学位论文 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 故障监测与诊断。但这种网络故障诊断系统也有缺点，由于它是基于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烦琐而容易出错的工作。另外，由于般的企业内 部网络与i n t e m e t 都有网关相阻隔，对于通过i n t e r n e t 访问企业内网中像实时振 动信号这样的类似音视频数据流，基于w e b 服务器客户机的架构就很难实现。 设备故障诊断系统的发展大体历史过程如图1 - 1 所示。 图1 1 设备故障诊断系统的发展大体历程 1 。3本文研究基础 本人所在实验室从2 0 0 2 年开始，一直致力于设备故障诊断系统平台的研究， 到目前为止已经开发了三个系列的设备诊断软硬件平台，并在工业现场投入运 行，取得了良好的效果。另外还制定了相关的故障诊断数据传输及参数配置协议， 以及推出了机械设备故障诊断系统集成开发环境。 实验室研制的第一代故障诊断系统是旋转机械故障诊断嵌入式智能分析仪， 该系统的硬件体系分为上下位机。基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的下位机与基于i n t e l s a l l l o 的上位机通过串口进行数据交互；下位机主要负责数据的采集，上位机 浙江大学硕士学位论文 主要负责数据的分析、显示、存储和网络通讯。这样的硬件架构充分利用了d s p 芯片的高速数据处理能力和嵌入式芯片的高性能的特点，使得整个系统有很高的 数据采集和分析能力。由于该系统上下位机一体，并通过交流电作为系统电源， 所以工业现场的每台目标设备上都要安装一套系统，增加了设备的运行成本；另 外，本系统虽然提供网络支持，但只是基于普通的客户机服务器结构，没有一 套完善的多设备网络管理方案，也没有数据库的支持，所以对于拥有众多需监测 设备的大型工业现场，该系统优势不太明显。 实验室研制的第二代故障诊断系统是手持式设备故障诊断仪，该系统延续 第一代故障诊断系统的上下位机结构，侧重于故障诊断仪器的便携性以及低功耗 性的设计，同时又考虑到仪器在数据采集、故障监测分析以及人机交互方面的性 能的要求，是拥有多台中大型旋转机械设备的工业现场进行巡检式故障监测的高 性价比方案。系统下位机是基于1 6 位m c u ( 微程序控制器) 的数据采集板，承 担多路现场快变及缓变数据的采集及预处理，并通过串口传给上位机：上位机是 市面上主流的h p 公司的p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t 个人数字助理) ，通过串 口接收下位机上传的数据，著承担实时数据的二次处理运算、快变及缓变数据的 实时动态分析显示及精简的专家系统故障监测等工作。p d a 有s d 卡扩展能力， 可以存储现场采集的实时数据，并可以通过串口或者蓝牙下载到p c 上进行进一 步的故障趋势分析。本系统对整个现场监测的任务进行合理的分解：将模拟信号 的采集、a d 转换以及简单的数据处理部分放在下位机实现，以控制系统的硬件 规模及耗电：将数据的进一步处理、现场需要实时分析的显示构件、历史数据重 现及精简的专家系统放在上位机上实现，以充分利用p d a 的处理能力和交互能 力；将复杂的历史数据对比分析、设备性能趋势预测以及完整的专家系统放在分 析中心的p c 上实现。 实验室研制的第三代故障诊断系统，即本文即将介绍的“基于u p n p 的设备 故障监测诊断系统”是基于网络中间件u p n p ，适用于大型的工业现场众多设备 的故障诊断系统。本系统突破以前两代故障诊断仪的上下位机一体的模式，引入 网络中间件技术，将采集功能和诊断功能分离，利用中间件的服务调用机制和事 件订阅机制，实现目标设备的网络监控和故障诊断网络的“零配置”化。这种全 新的故障诊断模式不但合理分配了计算( 将数据采集功能做成u p n p 的设备节点， 将诊断和控制功能做成u p l l p 的控制端，两者通过u p n p 网络进行交互) ，还合 理的分配了成本( 每台目标设备都需要配备的数据采集部分的人机交互模块可以 省略所有设备的监测和控制都可以集中在运行u p n p 控制端的p c 或p d a 上) ， 另外系统还支持数据库的自动数据备份和历史数据随机查询。本系统的具体特征 将在下一小节着重进行介绍。 浙江大学硕士学位论文 1 4基于u p n p 的设备故障监测诊断系统特点 基于u p n p 的设备故障监测诊断系统是在基于w e b 架构的网络故障诊断系 统上发展而来的新一代网络故障诊断系统。它不仅拥有基于w e b 桨构的网络故 障诊断系统监测目标设备网络化的优点，而且还支持网络的动态配置与自动识 别，大大简化了大型工业现场的众多故障诊断设备的联网与访闯。另外，出于 u p i l p 对网关的支持，基于u p n p 的设备故障监测诊断系统可以方便跨越网关， 在外部的i n t e m e t 上对企业内网进行远程数据访问，实现真正的因特网专家实时 会诊和设备远程监测。u p n p 是微软推出的下一代即插即用技术，即通用即插即 用( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ，u p n p ) 。有关u p n p 的功能和实现机制将在下一章 详细介绍。 1 4 1系统网络拓扑结构介绍 图1 2 是基于u p n p 的设备故障监浏诊断系统的一种理想的现场拓扑结构。 现场车间的故障监测点( 即本文中的数据采集端) ，分为上下位机结构。下位机 是一块数据采集板，直接和目标设备上传感器相连接，将传感器采集的多路模拟 信号进行a d 转换和前期处理后按照协议打成一定格式的数据包传给上位机。上 位机主要完成以下四项功能： 1 、作为u p n p 的d e v i c e 节点，提供一系列的服务供控制端调用。 2 、接收从下位机发送过来的数据包，对该数据包进行校验、打时间戳、拆 包等操作。 3 、为数据分析和显示对数据进行后期处理。 4 、用户界面。 其中3 、4 项功能是可选的，如果该设备需要现场实时监测，则增加该模块，否 则可以省略，以降低成本。当用户需要查看没有人机接口的目标设各实时运行状 况时，可以在监测中心的计算机或任意一台联网有权限的计算机上访问。另外， 操作人员还可以使用p d a 通过无线网络现场访问任何一台联网设备。这种系统 硬件的可配置性大大提高了平台成本预算的灵活性。 车间的热点是工业现场以太网的无线延伸，主要用于技术员巡检时p d a 的 无线网络连接。一般热点支持半径1 0 0 多米的有效范围，可以根据车间的大小布 置适当的热点数量，以满足技术员站在任意一台目标设备前面都可以通过无线网 络访问到该设备的现场实时运行状态信数据的要求。 设置车闻在线监测站是针对重要车间的一种实对髓铡方式。一些重要车间， 需要有人现场2 4 小时实时监控，因而需要在车间一级设置固定的在线监测站。 浙江大学硕士学位论文 一般在线监测站是一台运行u p n p 控制端软件的工控机，负责对本车间所有设备 的实时运行状态进行显示、监测和诊断。 系统可有多台数据备份服务器( 即本文中的数据中心) ，设备运行数据可以 按设备类型和车间类型分别存储在服务器的相关数据库中。数据中心上同时运行 u p n p 控制点端软件和设各端软件。数据中心上的控制点端软件负责发起对网络 所有目标设备的数据访问，定时采集每个设备的实时运行数据，并以设备类型、 设备号、数据产生时间作为索引存入数据库中。数据中心上的设备端软件负责一 切数据库访问的权限审核以及访问内容的预检索，然后返回给用户当前数据库的 访问网络路径以及预检索结果。通过数据备份服务器，用户可以随时访问任意设 备任意历史时刻已保存的历史数据，并可以将某台目标设备的历史数据与当前的 运行数据进行实时比较，也可以对比两台同种类型设备的运行参数，以作为当前 目标设备运行工况的判断依据。 带无线网卡的p d a 作为技术员车间巡检、专家现场诊断时的数据访问工具， 有着非常高的灵活性。当它进入工业现场车间环境时，它会发现所有u p n p 设备， 包括车间的故障监测点和数据备份服务器。这些设备会按类型显示在p d a 液晶 屏的树型目录上，用户可以点击需要查询的设备和数据库进行数据访问，显示某 台目标设备的当前运行状态，并可以发送命令对故障监测点的运行进行实时控 制。 ， 监测中心、总工办公室、相关技术部门办公室以及总经理办公室的p c 也和 p d a 一样具备访问任意设备监测点和数据备份数据库的能力。由于p c 的性能比 p d a 高，p d a 上只能运行监测软件和简单的诊断软件，而在p c 上则可以运行 复杂的专家系统，利用数据库的历史记录和现场各个被监测设备的运行状态数据 来预测故障的发生。 由于系统是基于t c p i p 协议栈的，所以可以和i n t e m e t 无缝连接，专家可 以通过i n t e m e t 对现场设备进行远程实时诊断分析。另外，设备生产厂家可以通 过远程访问自己已出售的设备的实时运行状态和历史数据，给用户提供及时的建 议。 浙江大学硕士学位论文 图i - 2 基于u p n p 架构的设备故障监测诊断系统现场网络架构示意图 1 4 2系统对类流媒体数据穿越冈n a t 访问的支持 目前由于因特网面临着网络安全和i p 地址匮乏等问题，许多的企业采用私 有i p 地址，并通过f w n a t ( f i r e w a l e m o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n 防火墙地址转换1 设备连入因特网。防火墙通过设置相应的包过滤规则对进入私网的报文进行过 滤，以实现对私网的保护。n a t 的作用是实现私网地址和公网地址的双向转换， 以节约公网的i p 地址。 f w n a t 设备对网页浏览等基本的因特网应用有很好的支持，但对于多媒体 t ( 音频和视频) 应用，f w n a t 的支持却不尽人意。其原因如下： 1 、 多媒体控制协议( h 3 2 3 或s i p 等) 一般使用主机的i p 地址来发起 呼叫，而私网主机的i p 地址是私有地址，无法在公网中路由。 2 、多媒体控制协议通过应用报文的交互来协商双方使用的i p 地址和端 口号，f w n a t 因无法对应用层报文内部的信息进行处理，而将私 网地址通知给对方。 3 、 双方进行多媒体通信使用的r t p r t c p 端口是呼叫建立时双方动态 协商的，而f w n a t 中的报文过滤规则一般是静态配置好的。使用 2 浙江大学硕士学位论文 动态端口的多媒体报文根本无法穿越f w n a t 设备。 故障诊断信息中最重要的运行参数是实时振动信号，一般一根关键的轴都有 多路振动信号，每一路振动信号以k h z 级的采样频率进行采样，其数据流量和 音视频相当。但基于w e b 架构的故障诊断系统，如果使用i p v 4 就很难穿越 f w n a t ，所以只能远程访问一些缓变的状态量，如振动的最值，温度等。而基 于u p n p 的设备故障监测诊断系统却能很容易的解决这个问题。 u p n p 论坛中专门有针对因特网网关设备的工作组，在u p n p 体系结构的基 础上制定网关的设备控制协议( d e v i c ec o n t r o lp r o t o c o l ，d c p ) ，通过建立静态端 口映射来实现流媒体数据的穿越f w 肘a t 访问。具体的穿越原理和实现方法可 f 1 1 参阅附录中列出的参考文献。 1 4 3基于u p n p 的设备故障监测诊断系统优点 与前几代故障诊断仪器比较，基于u p n p 的设备故障监测诊断系统的主要优 点归纳如下： 1 、支持网络架构的动态变化，完成数据采集端和控制端的移入移出的自动 配置。 由于网络中间件的支持，系统简化了因网络拓扑结构的变化而带来的注 册、配置等工作，节约了设备运行成本。比如，某车间临时增加一台水泵或 搬走一台鼓风机，本来不仅需要在每台客户端主机上注册或注销相应目标设 备的相关信息，数据库中也需要增加或删减相应的记录项；而基于u p n p 的 设备故障监测诊断系统可以免去任何人为操作，自动完成配置。另外，所有 的网络节点的加入或删除马上会反映到巡检员手中的p d a 和监控中心的p c 上，数据中心也可以智能的搜索所有当前网络中存在的设备监测点，访问并 存储相关的实时数据。 2 、支持设备故障诊断参数的网络动态配置。( 该功能尚在研发阶段) 通常工业现场设备的种类繁多，功能各异，需要监测的内容和部位也不 尽相同。比如，关键的汽轮机可能需要几十甚至上百路传感器同时对它的快 变缓变和开关量信号进行采集，而普通的给水泵只用几路就可以了。设备之 间的配置差异直接导致诊断数据包格式的不同。系统为了解析这些不同格式 的数据包引入了系统参数配置表( p c t ) 的概念。一份系统参数配置表和一 种格式的故障诊断数据包相对应，系统根据这份参数配置表来解析这一类数 据包。系统提供一种参数配置表动态传输机制，使得任何需要解析数据包的 节点都可以事先获得该数据包的正确配置，而无需手动为每一个节点进行设 詈。 浙江大学硕士学位论文 另外，用户也可以通过网络对目标设备的参数配置表进行实时设置。 3 、利用u p n p 的事件订阅机制，实现设备关键运行参数的及时公告。 可以将设备的一些关键参数的异常变化设计为u p n p 的事件，比如主动 轴的径向振动超出警戒值、轴瓦的温度超出警戒值等。不同的控制端可以订 阅自己关心的设备运行参数，一旦目标设备中的某个参数超出警戒值( 即事 件触发) ，控制端对应的报警函数( 即事件处理函数) 将立刻被调用，提醒 用户采取相应的故障处理措施，从而提供了故障快速处理的有力手段。 4 、通过网络可以对目标设备进行远程控制。 系统允许控制端访问数据采集端数据的同时也提供对数据采集端的控 制，也就是说用户可以通过p d a 或监控中心的p c 甚至因特网的某个接入 点对现场的目标设备进行远程操控。用户可以通过网络设置目标设备上的故 障数据采集模式、系统参数配置表，甚至可以控制目标设备的启停。 5 、利用无线网络，方便技术员巡检以及专家现场会诊。 使用带无线网卡的p d a 结合u p n p 的自动发现功能，用户可以很方便 的通过p d a 查看任意一台设备的当前运行状态；并且用户还能现场随时访 问数据库，调用相关设备的历史数据进行对比分析。由于p d a 可以访问任 意一台设备的运行状态，就没有必要为每一台目标设备都配备故障诊断人机 交互模块，从而大大节约了故障诊断系统的投资成本。 6 、软件构件化管理，提高了系统配曼灵活性，减少了系统升级代价。 系统的控制端和数据采集端的软件由不同的功能模块组成，用户可以根 据具体的现场要求选择适合的构件组装系统。另外，这些功能模块有很强的 独立性，互相的接口都有专门的协议进行规范，可以在不影响其他模块的情 况下单独对某个模块进行升级。 7 、具有肴很强的数据采集分析综合能力。 由于系统的负责数据采集和数据前期预处理的数据采集端的硬件直接 安装在目标设备上，而数据的运算和分析绝大部分在分布式的控制端进行， 即p d a 或p c 上进行，从而合理的分离了工作量，提升了系统整体数据采 集和分析能力，节约了系统整体成本。 - 8 、提供数据采集端实时数据显示的软硬件构件，可以很方便的加装人机接 口。 对于一些重要的需要目标设备，往往需要现场实时监测，由于u p n p 中 间件是基于以太网t c p i p 协议的，在网络拥挤的时候可能会影响到系统的 实时性，这时可以在数据采集端上加装实时数据显示软硬件构件，从而实现 设备运行实时数据的现场显示。 9 、数据采集端实行目前流行的上下位机结构，提高其数据采集处理性能。 浙江人学硕士学位论文 数据采集端的下位机采用高性能的m c u 或d s p 来处理多路通道信号实 时的采集和前期运算，上位机采用嵌入式系统，对下位机传上来的数据包进 行进一步的计算和处理。上位机同时运行u p n p 的d e v i c e 端程序，服务所有 c o n t r o lp o i n t 端对其发出的访问请求。 1 0 、 可以使用无线数据采集端对特殊设备进行监控。 某些特殊设备可能有较强的移动特性，可以使用带无线局域网功能的数 据采集端对其进行监控，提高系统的灵活性。 1 5本文的组织结构 本文在对国内外数据采集处理技术与设备的调研和分析的基础上，针对“面 向大型机电设备状态监测与故障诊断智能仪器开发”这一国家8 6 3 课题二期支持 的要求，结合网络中间件技术、嵌入式技术以及信号采集技术，提出了基于u p n p 的设备故障监测诊断系统概念，并详细论述了系统架构、软硬件设计方法和具体 实现过程。 第一章阐述了大型机电设备的故障诊断监测技术的发展现状以及趋势，并介 绍了基于u p n p 的设备故障监测诊断系统的主要特点。 第三章主要研究分析了网络中间件技术及目前比较流行的几种网络中间件， 并着重介绍了u p n p 技术的实现机制和特点。 第三章阐述了系统整体结构和功能，以及其模块的划分。另外系统的组成构 件也将在本章做分类介绍。本章后面部分着重介绍了系统两个重要的协议：设备 故障诊断数据传输协议和设备故障诊断系统配置协议。 第四章介绍了系统控制端的实现原理，以及其内部的通讯机制。另外对控制端访问 数据采集端以及数据中心的实现也做了详细的描述。 第五章将系统数据采集端分为上下位机，并分别介绍其工作机制和实现原 理。上位机部分着重介绍了几个关键构件，下位机部分主要以m s p 4 3 0 平台为例， 介绍其软硬件实现。 第六章介绍了系统数据中心的总体实现原理，并对其两个主要构件的工作机 制进行了描述。 第七章总结了论文工作的内容并对未来的研究作了展望。 最后是参考文献和致谢。 浙江大学硕士学位论文 第2 章u p n p 网络中间件技术介绍 由于当今计算机和网络技术的迅猛发展以及网络环境的异构性，网络管理 正变得越来越复杂和具有挑战性。网络服务的提供和配置就是其中重要的一项管 理任务。众多的网络中间件技术正是在这种需求下应运而生。本章将主要介绍基 于u p n p 的设备故障监测诊断系统所采用的网络中间件u p i l p 有关的背景技术。 作为对比，对另外两种较流行的中间件技术j i n i 、s a l u t a t i o n 也作了简单的介绍。 最后对三种中间件的运行机制和性能特点进行了分析，并对选择u p n p 作为系统 的网络中间件的原因作了简单的阐述。 2 1通用即插即用技术( u p n p ) 介绍 u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 实际上是扩展了传统单机的设备和计算机 系统的概念，将p n p 功能扩展到网络环境，使得设备和服务一旦接入网络， 立即就可以使用。u p n p 模型设计可以支持大量的设备制造商的不同设备的“零 配置”、自主联网、自动发现等。通过u p n p ，设备可以动态的加入网络，获得 i p 地址，发现网络上的其他设备以及其提供的服务这一切均是自动完成。 运用u p n p ，一个设备可以动态的加入网络，自动获得i p 地址，自动宣布 自己的名称，根据需要提供功能，自动获知网上还存在哪些其他设备、它们各自 的功能以及它们当前所处的状态，设备间能直接进行通信和互操作，并且可以平 滑地、不留下任何不必要的信息地离开网络。 u p n p 的“通用性”体现在它是建立在t c p i p 和w e b 技术之上提供设备端 到端连接的开放的、分布式的网络体系结构，能无缝地接入现有网络。它独立于 任何网络传输介质、任何编程语言、任何操作系统，它没有定义a p i ，允许操作 系统开发商定义他们自己的a p i 。它使用浏览器或设备用户接口来进行设备控 制，允许设备开发商在遵循基本设备类控制协议的基础上，扩展自己的设备控制 协议。它支持广泛的设备类型：智能设备、无线设备、各种形式的p c 等，同时也 支持广泛的网络类型：低速的控制网络、中速的数据网络、高速的多媒体网络， 2 1 1u p n p 网络的组成及核心概念 一个u p n p 网络通常由设备( d e v i c e ) 服务( s e r v i c e ) 、控制点( c o n t r o lp o i n t ) 这 三个基础部分组成它们之间的关系如图2 - 1 所示。5 1 1 6 浙江大学硕士学位论文 图2 一lu p n p 控制点、设备及服务关系示意图 u p n p 最基本的概念模型是设备模型。一个u p r r p 设备可以看成一个包含服 务并嵌套了常规设备的“容器”。例如，一个录像机( v c r ) 设备可能包括磁带传 送服务、调谐服务和时钟服务。设备可以是物理的设备，比如数码相机，也可以 是逻辑的设备，比如运行于计算机上的软件所模拟的录像机设备。就是说，u p r t p 之下的设备不能仅仅理解为硬件意义上的设备，而应当包括服务功能。另外，设 备也可以包括其他子设备形成嵌套，比如一个v c d 游戏机中又包括游戏机。不 同类型的u p n p 设备关联不同类型的服务和嵌入设备，例如打印机和v c r 属于 不同用途的设备，它们的服务就不可能一样。u p l l p 论坛不同工作委员会就负责 不同类型设备服务的标准化。个设备由用x m l 写的设备描述文档来表示，设 备描述文档的内容包括一个或多个服务和设备的属性( 如设备名、设备图标1 。 设备执行用户请求的控制过程，可划分成一个个很小的阶段或单位，每个 单位就称为一个服务。每一个服务，对外都表现为具体的行为和模式，而行为和 浙江大学硕士学位论文 模式又可以用状态和变量值进行描述。例如模仿一个时钟，它只有一个工作模式， 该模式就是模拟并显示当前的时间，它有一个的状态变量，当前时间c u r r e n t t i m e ， 和两种行为( 也只有两种) ：设置时间s e t t i m e ；得到时间g e t - t i m e 。同设备描述一 样，服务也是用x m l 写的服务描述文档来表示的，u p i l p 论坛负责对这些服务 进行标准化。在设备描述文档中包含有一个指向服务描述文档的指针( u r l ) 。一 个设备可以定义多个服务。在u p n p 设备中服务由状态表( s t a t e t a b l e ) 、控制服务 器( c o n t r o ls e r v e o 和事件服务器( e v e n ts e r v e r ) 组成。状态表通过状态变量描述服 务状态，当状态变化时更新状态变量。控制服务器接收并执行动作请求( 例如 s e t t i m e ) ，更新状态表，然后给出响应。事件服务器负责向对此事件感兴趣的设备 公布所发生的状态改变。例如在火警警报服务中，当传感器感应到烟雾信号后一， 事件服务器就向火灾报警器发布这个事件，导致报警器动作产生报警信号。 在u p n p 网络中，用户请求设备执行的控制是通过控制点实现的，控制点首 先是一个有能力控制别的设备的控制者，还要具有在网络中“发现”控制目标的 能力。在发现( 控制目标) 之后，控制点应当进行以下动作：取得设备的描述信 息并得到所关联的服务列表。取得相关服务的描述。调用控制服务行为。 确定服务的事件“源”，不论何时，只要服务状态发生改变。事件服务器会立即 向控制点发送一个事件信息。控制点软件通常运行在具各用户界面的设备上，比 如p c 、手机、p d a 等，通常至少包括发现客户程序( d i s c o v e r yc l i e n t ) 、描述客 户程序( d e s c r i p t i o n c l i e n t ) 和命令转换器( r e h y d r a t o r ) ，还可以包含可视化导航程 序、事件订阅客户程序、浏览器以及应用程序执行环境等。一个控制点可以同时 控制多个受控设备，控制点所在的设备也可以同时是受控设备。受控设备软件至 少包括发现服务器( d i s c o v e r ys e r v e r ) 、描述服务器( d e s c r i p t i o ns e r v e r ) 、控制服务 器( c o n t r o ls e r v e r ) 以及表征服务器、事件订阅服务器、事件源等。非u p n p 兼容 的设备亦可通过专用的u p n p 桥设备表现为u p n p 兼容设备，因此也称为桥后设 名- ( b r i d g e dd e v i c e s l 。6 1 2 1 2u p n p 协议栈 u p n p 采用了许多现存的、标准的协议以获得最广泛的设备支持。采用i p 协 议来保证u p n p 独立与网络传输的物理介质，s o a p 协议来保证u p n p 设备具有 互操作能力，x m l 来对设备和服务进行统一的描述，h t t p 协议来进行u p n p 设备的信息交互。采用这些现存的、广泛应用的协议能减少开发u p n p 设备的工 作量，使u p n p 设备更好地融入现有网络。u p n p 协议栈如图2 2 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 2u p n p 协议栈 u p n p 协议的最终目的是建立一个可用的设备模型，它是一个多层协议构成 的框架体系，每一层都以相邻的下层为基础，同时又是相邻上层的基础。直至 达到应用层为止。最下两层是i p 和t c p 、u d p 层，这两层主要负责设备的口 地址。第三层是h n eh t t p