（控制理论与控制工程专业论文）大型机械设备远程监测分析系统的设计与研究.pdf

人连理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代机械设备r 益向大型化、自动化和高精度、高效率方向发展，机械设备的 实时监测分析具有了更深的意义和必要性。但是传统的监测仪器仪表已不能满足功能复 杂化、更新快速化、使用便捷化、操作自动化、信息共享化、分析智能化的要求。 为了解决以上问题，本文研究并设计了基于a r m 7 单片机的大型机械设备远程监测 分析系统。将传感器安装在各个待测机组上，通过分布在现场的远程终端单元r t t j ，将 反映机组运行状况的数据就地采样，然后通过网络通讯的方式将数据发送到上位机p c 上，工程技术人员即可对设备状态进行在线观测和分析。 本系统在结构上分为远程终端单元r t u 和上位机l a b v i e w 平台两部分。嵌入式远 程终端单元r t u 基于3 2 位a r m 7 单片机实现，相比传统的8 位或1 6 位单片机可以满 足现阶段复杂的工作要求。在系统中设计了信号调理电路和高速d 电路等来采集传感 器传送来的电气信号，然后将经过处理后的采样数据通过以太网接口发送到上位机 l a b v i e w 平台。同时远程终端单元r t u 还可以通过r s 4 8 5 及r s 2 3 2 接口与现场的其 他设备如p l c 进行串行通讯。远程终端单元r t u 的软件方面以源码公开的m c o s i i 操作系统为软件的底层支持平台，采用多任务的程序设计思想，通过一个主任务和6 个 用户任务完成系统各部分的软件功能。上位机l a b v i e w 平台具有信号发生器、数据采 集、数据文件管理、幅值分析、时域分析、频域分析以及报警功能几大模块，可以对大 型机械设备的工作状态进行在线实时监测与多角度的分析。使用网络芯片与小型t c p i p 协议栈实现上下位机的远程通讯，达到操作自动化、信息共享化，系统软硬件均使用模 块化设计，可实现更新快速化及低成本。 通过对掺杂了代表故障信号的多个正弦波的直流信号的采样分析，系统能够即时的 提取出信号中的各正弦波成分的频率以及幅值，同时当信号超出界限时，指示灯亮报警。 达到了系统设计的预期目的。 关键词：远程终端单元r t u ；a r m 7 ；远程监测；虚拟仪器；l a b v i e w 大连理i ：人学硕十学位论文 a d e s i g na n dr e s e a r c ho fr e m o t em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mf o r l a r g e - s c a l em e c h a n i s m a b s t f a c t m o d e mm e c h a n i c a le q u i p m e n th a sa d v a n c e di nd i r e c t i o n so fl a r g e s c a l e ，a u t o m a t i c ， a c c u r a t ea n de f f i c i e n t ，c o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a le q u i p m e n tr e a l t i m em o n i t o ra n da n a l y s e b e c o m em o r ei m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l e b u tt h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t sc a nn o t c o n t e n tt h er e q u i r e m e n to fc o m p l i c a t e d ，r a p i d ，a u t o m a t i c ，c o m m u n i c a t i o na n di n t e l l i g e n t i no r d e rt os o l v et h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h i sp a p e rd e s i g n sar e m o t em o n i t o r i n g a n da n a l y z i n gs y s t e mf o rl a r g e s c a l em e c h a n i s mb a s e do na r m 7 i ta p p l i e sr t u ( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) l o c a t i n ga r o u n dt h em a c h i n e r yt oc o l l e c td a t aw h i c hr e f l e c tt h es l a t eo ft h e m e c h a n i s mf r o mt h es e n s o r ，a n dt h e ns e n d st h e s ed a t at op ct h r 0 1 i g hae t h e m e tc h i p t h e n t h ec a r e e r m e nc a no b s e r v ea n da n a l y z et h er e a l t i m es t a t eo ft h em e c h a n i s m t h e r ea r et w op a r t sr t ua n dl a b v l e wp l a t f o r mi nt h i ss y s t e mf r a m e w o r k r t ub a s e d o n3 2b i t sa r m 7c o n t e n t sm o d e m c o m p l e xw o r k m o r ee f f i c i e n t l yt h a nt r a d i t i o n a l8o r1 6b i t s m c u ah i g hs p e e da di su s e dt oc o n v e r tt h es i g n a lf r o mt r a n s d u c e ra n dt h e nr t uu p l o a d s t h ed a t u mt ol a b v i e wp l a t f o r mt h r o u g he t h e r n e t t h er t uc o m m u n i c a t e sw i t ho t h e r e q u i p m e n t sa r o u n ds u c ha sp l cb yr s 一4 8 5a n dr s 一2 3 2 i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h i sp a p e r u s e so p e r a t i o ns y s t e mp c o s i i t h e r ei so n em a i nt a s ka n ds i xu s e rt a s k si nt h es o f t w a r e l a b v i e wp l a t f o r mc o n t a i n sm o d u l e so fs i g n a lg e n e r a t i o n ，d a t ac o l l e c t i o n ，f i l em a n a g e m e n t ， s w i n ga n a l y s e ，t i m e - f i e l da n a l y s e ，f r e q u e n c y f i e l da n a l y s ea n da l a r mm o d u l et om o n i t o r a n d a n a l y z em e c h a n i s mt i m e l yo n l i n e e t h e m e tc h i pa n ds m a l lt c p i pa r eu s e dt oc o m m u n i c a t e a u t o m a t i c a l l y t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r em o d u l a r i z e dt om a k er e n o v a t ef a c i l i t ya n d c h e a p l y t h es y s t e mh a sb e e nu s e dt oc o l l e c tad cs i g n a lc o m b i n e dw i t hs i n es i g n a l sa sb l o o e y s i g n a l t h es i n es i g n a l sw e r ea l ls e e k e do u tw i t ht h e i rs w i n ga n df r e q u e n c yd i s p l a y e d i ft h e i r s w i n gi sb e y o n dt h em a r k , t h ea l a r ml i g h ts h i n e s t h i ss y s t e mi sa b l et om e e tr e q u i r e m e n t s e x p e c t e d k e yw o r d s ：r t u ：a r m 7 ；r e m o t em o n i t o r i n g ；v i r t u a li n s t m m e n t ；l a b v i e w 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 翱虢鏊良、 ! 丑年盥丘 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1大型机械设备故障监测的必要性 随着现代机械设备同益向大型化、自动化和高精度、高效率、机电液一体化等方向 发展，其性能与复杂程度不断提高，各部分的关联也越来越多【“。这一方面大大促进了 生产的发展，主要表现在提高了生产率，改善了产品质量，降低了生产成本和改善了工 人劳动条件，同时也节约了能源和精简了人员；另一方面机械设备相应出现了突发性故 障率高、停机损失大、维修费用高、维修周期长等一系列问题，一旦发生故障所造成的 直接、间接损失将是十分严重的。因此为了确保大型施工机械的正常运行并使其发挥最 佳技术性能，必须对其进行定期的状态监测。 机械的状态监测是在机械运行中或基本不拆卸机械结构的情况下对机械技术状态 进行定量测定，通过对所测信号的处理和分析并结合监测对象的历史状况来定量识别机 械设备及其零件、部件的实时技术状态，预测机械的异常及未来技术状态，并对故障部 位、原因进行分析和判断，及时确定必要对策1 2 l 。这项技术的根本宗旨就是运用当代一 切科技的新成就发现设备的隐患，以便对设备事故防患于未然。事实上，如果加强状态 监测工作，有许多事故可以防患于未然，从而减少故障停机率，延长设备检修周期，大 幅度的降低维修费用，缩短维修时间，极大地提高经济效益。掘统计，在采用监测技术 改善设备维修方式的方法后，我国年一年所取得的经济效益就达剑了数百亿元。因此， 设备故障监测技术对于保证设备的安全可靠运行，以及获取巨大的经济效益和社会效益 来说是十分必要的。 大型机械设备一旦发生故障会给生产和人们的生活造成重大的损失。以一台 2 0 0 m w 的汽轮机发电机为例，每停机一天，则少发电4 8 0 万千瓦时，经济损失高达数 百万元。一台万吨的合成氨压缩机，停机- - 4 , 时直接损失高达数十万元。电力、石油化 工、冶金、机械、航空等行业是连续性强、系统复杂、自动化程度高的大型化生产，机 器振动监钡0 技术显得尤为重要。7 0 年代后世界各国逐渐研究和发展状态监测技术，并将 其应用于工程实践，取得了良好的经济效益和社会效益。日本对工业设备总的统计表明， 在采用了振动监测技术后可降低维修费用2 5 2 6 ，减少事故发生率7 5 ；英国对2 0 0 0 个工厂调查表明，采用设备振动监测技术每年节省维修费用3 亿英镑，而用于诊断技术 手段的费用仅为0 5 亿英镑。所以机械振动监测的研究与应用对于避免巨额的经济损失 有着重要意义。 大型机械设备远程监测分析系统的设计与研究 1 ，2 国内外设备状态监测技术研究与发展概况 设备状态监测技术是- - 1 3 多学科交叉的综合性技术学科。由于它充分顺应了社会化 大生产和科技发展进步的需要，因此在短短的三十多年时间里，设备状态监测技术得到 了迅速的发展和应用。在与多学科的交叉、促进和融合过程中，设备状念监测技术正朝 着智能化、网络化、自动化的在线监测方向发展p j 。 设备状态监测的主要任务是获取设备运行的有用信息并对设备运行状态进行监视、 记录、分析与评估，具体工作内容包括数据采集、信号分析处理、参数管理输出等。其 中，数据采集的主要任务是完成信号的获取、转换、调理、传输与记录，信号分析处理 的工作内容是进行a d 转换、数字滤波、时频特征及图谱计算分析、趋势分析，参数管 理输出的具体任务是对设备运行的各种参数进行贮存管理、显示查询、输出打印等。在 数据采集、信号分析处理、参数管理输出等手段和措施的基础上，设备状态监测的技术 研究与应用进一步纵深发展，它可根据设备运行的历史数据和实时数据，综合考虑设备 运行的环境因素、结构因素及使用操作因素等，对设备运行状态进行评估，判断设备是 否处于证常状态，通过设备运行状态的显示和记录，对设备异常做出报警，指导运行操 作入员进行正确的设备操作和设备异常的及时处理，为设备运行监控、故障诊断、性能 评估、合理控制使用和安全工作提供信息平台和数据基础。 设备状态监测从过去的眼看、耳听、畀闻、手摸等人工手段到现代智能化分布式状 态监测，设备状态监测的技术发展不断深入，实际应用也r 趋广泛，并成为众多现代化 设备或系统有机而重要的组成部分。直到今天设备状态监测技术的理论研究与实际应用 涉及传感器技术、数据采集技术、信号分析处理技术、数据通讯技术、测试分析技术、 计算机技术等，它既是一门独立的基础应用性学科又是设备控制技术和诊断技术密不可 分的重要组成部分，在与相关学科相互推动、交叉融合、共同促进过程中，设备状念监 测技术的研究应用更加广泛深入，同时与之密切关联的现代设备控制技术与诊断技术的 研究应用成果也更加显著帆设备状态监测技术发展至今，主要历经了以下五个阶段： 第一阶段，模拟指针式仪器仪表监测。2 0 世纪5 0 年代以前，人们广泛地采用声学、 光学、热力学、电磁学、力学及机械学等原理制作出了各种各样的监测仪器仪表，其中 以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪器仪表得到了迅速发展，并占据了主导地 位。此时监测仪器仪表是设备的有机组成部分，还未形成系统的设备状态监测技术学科。 第二阶段，分立元件式仪器仪表监测。2 0 世纪5 0 6 0 年代，电子管和晶体管相继出 现。由于设备结构和使用性能的提高并同趋系统化、复杂化，对设备的监测要求也在不 断地提高，因此出现了以电子管和晶体管为基础的分立式监测仪器仪表，人们丌始以系 统的观点考虑设备状态监测。 大连理 大学硕十学位论文 第三阶段，数字仪器仪表监测。2 0 世纪7 0 年代，集成电路歼始出现，产生了以集 成电路芯片为基础的数字化监测仪器仪表，同时设备故障诊断技术学科丌始形成，相应 地出现了设备状态监测技术学科。 第四阶段，智能式仪器仪表监测。2 0 世纪8 0 一9 0 年代，出现了以微处理器为核心的 单片机技术，设备状态监测的仪器仪表丌始向智能化方向发展，同时计算机技术的发展 应用，计算机辅助的设备状态监测技术不断深入。 第五阶段，网络化计算机智能监测1 5 。2 0 世纪9 0 年代末至今，由于各方面技术迅 速深入地发展，设备状态监测技术向着自动化、网络化、智能化、虚拟化方向发展，设 备状态监测系统的规模和应用范围不断扩大，形成了高速数据采集、实时在线分析、分 层分布式结构体系和虚拟仪器的网络化计算机智能监测。 现代设备状态监测的构成通常包括传感器子系统、数据采集子系统、信号分析处理 子系统、计算机及网络等，随着设备控制技术和诊断技术的发展，设备状态监测系统的 技术也在不断提高，设备状态监测技术的发展重点将突出表现在以下几个方面。， ( 1 ) 高速数据采集技术1 6 】o 高速数据采集能使测控系统跟上对象状态特性的变化速 度，保证测控系统能更深入、更细微、更精确捕捉对象的特性交化，高速数据采集技术 已广泛应用于雷达、导弹、通信、声纳、遥感、地质勘探、振动工程、无损探伤、激光 多普勒测速、智能仪器、语音处理、光时问域反射测量、物质光谱学与光谱原理、生物 医学工程等众多领域。在设备运行状态龉测中，高速数据采集技术也将成为发展重点。 随着设备运行速度的提高及监测系统通道的增多，稳念工况下设备状态的分析要求也在 不断提高，其中多通道的高次谐波频率成分、啮合频率成分、通过频率成分的分析等势 必要求提高采样频率。同时现代监测技术对设备的瞬态运行状念也日益重视，为快速准 确地测试分析设备瞬态和稳态运行的各种参数，要求监测系统能按需要地进行高速数据 采集。计算机硬件技术和软件技术的发展实现了监测系统的高速数据采集，高速数据采 集技术的发展为设备运行状态的准确可靠监测提供了有力保障1 7 j 。 ( 2 ) 多参数高速数据传输技术。对于现代的大型复杂的机械设备，设备状态监测的 测点成千上万，如大型发电机组测点大约3 0 0 0 个，一条钢铁生产线测点大约2 0 0 0 0 个， 一架飞机测点大约3 6 0 0 个。其中存在有大量的、快变的动态数据需要进行高速数据采 集，多参数的高速数据采集后的数据传输问题随之出现，需要监测系统能实现多参数高 速数据传输，具体实施中采用采样保持技术、存储器缓冲技术、高速网络技术等确保数 据传输的可靠性和准确性。 大型机械设备远程监测分析系统的设计与研究 ( 3 ) 实时在线监测分析技术。实时在线监测分析技术要求数据采集和处理同步进 行，理想的实时在线监测分析系统的数据处理时问应小于采样问隔所花的时删，实际上 不可能实现数据处理快于数据采集，只能尽量缩短数掘采集与数据处理的时差。 ( 4 ) 网络化，智能化，这是状念监测技术的发展趋势【9 , 1 0 】。现代化生产设备的状态 监测应站在全局的高度，一方面要面向具体设备的运行操作人员及时监测该设备的运行 状态，另一方面要面向管理人员及时掌握所有设备的运行状态。网络化，智能化设备状 态监测技术即是为实现这一目标的主要手段。网络化技术可通过局域网或以太网实现各 系统和各设备的局部和总体的运行状念监测，同时可通过i n t c m c t 网络进行远程信息发 布；智能化技术可使设备状念监测更加方便直观，如直接给出设备运行性能和运行状态 结论，设备运行操作的指导性建议，设备运行趋势预估，设备异常报警，事故追忆等。 1 。3 本课题研究的目的与意义 正如前面所提到的，面对开益复杂而高标准的监测要求，传统的大型机械设备监测 系统有着明显的缺陷与不足。一方面，传统的振动测试仪，采用了8 位或1 6 位的m c u 作为其核心，用加速度传感器采集板卡采集振动物理信号，通过模拟调理电路，数字调 理电路将信号量化( 数字化) ，然后利用处理器对数掘进行时域或频域的分析。这类设备 具有m c u 功能弱、数据存储量小、人机交互效果差、体积大、携带不够方便、工作模 式简单、灵活性比较差、上层软件支持少等缺点。而本系统基于s o c 技术的a r m 7 嵌 入式系统可以很好地完善监测设各所需求的各种功能。再一方面，工业现场的客观条件， 会对测试仪表的安装使用造成很大的影响。特别是在一些有防爆要求的场合，一般的测 试仪表已远远不能满足测试的需要。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 形式的状态监测分析 系统j 下是适应了实际生产的需要而产生的面向企业实际的高科技产品。 本文提出的大型机械设备远程监测分析系统是将传统的状念监测技术与计算机网 络技术、嵌入式系统技术、虚拟仪器技术相结合。传统的监测诊断理论基本趋于成熟， 飞速发展的计算机网络技术、嵌入式系统技术、虚拟仪器技术提供了完备的硬件设施和 软件技术支持。 设备状态监测技术是门综合性技术，涉及知识面广，企业的技术人员不一定具备相 当的专业知识，而专门从事这方面研究的专家一般集中在大专院校和科研院所等，这就 造成了人力资源的不合理分布，也使得设备监测技术的推广和应用受到限制。当系统出 现较严重、复杂的故障时，就需要相关专家的帮助才能解决问题，但如果每次出现故障 时都将专家请到现场是不太现实的。这就对大型机械设备的状态检测提出了新的要求， 即如何克服地域和时间的限制，实现远程专家协作的状态监测。基于i n t e m e t 的远程振 大连理工大学硕士学位论文 动监测系统是大势所趋，本文将探讨一种建立在i n t e r n e t 技术基础之上的设备远程监测 系统，并对其体系结构和实现方法作详细的描述。 大型机械设备远程监测分析系统是故障诊断技术与网络通信技术、嵌入式系统技 术、虚拟仪器技术相结合的产物，在保留了传统故障诊断服务方式的优点的基础上，克 服了地域、时间的限制，改善它们的缺陷。它不仅能监测到机械设备的振动信号和电器 信号，通过上位机的虚拟平台能够得到诊断分析，而且能方便地利用设备设计制造部门 的专家在安装、运行、诊断和维修方面的经验与知识，提高监测的专业化水平。现场远 程监测系统通过i n t e r n e t 与远程放障服务中心建立通信连接，将获得的实时数据传上传， 经上位机虚拟仪器的分析、比较、判断得出分析结论后，将分析结论和处理方法发送给 设备现场监测工作站，指导设备用户进行维修处理。较之传统的监测分析方式，本系统 能给设备制造供应商和设备使用者带来很大的实际效益和方便。因此，开发大型机械设 备远程监测分析系统具有积极的意义。 首先，本系统可以迅速进行故障监测分析，提供更及时有效的服务，提高维修服务 工作的效率，从而避免因设备故障而造成的设备停机或缩短因设备故障而造成的设备停 机时问，降低停机所带来的损失。 其次，通过网络使现场监测设备和远程分析中心形成一个完整的系统，有利于实施 多样化协助服务，实现异地专家对设备进行远程实时监控和管理，能及时准确地掌握和 控制设备的状态，为设备的安全运行提供可靠的技术保障，提高分析的准确性和敏捷性。 同时大量减少人员长途出差，降低人员成本。 再次，远程监测系统采用了目的较为先进的嵌入式技术，增强了远程监测系统的功 能。同时远程监测系统实现了模块化设计，包括a r m 7 核心模块、传感器模块、高速数 据采集模块、网络传输模块、信号分析处理模块等，能够大大提高远程监测系统的通用 性和扩展性。 最后，远程分析中心上位机采用虚拟仪器技术，数据采集及处理软件用l a b v i e w 图形化编程语言编写，实现数据采集与控制、数据分析、以及数据表达等功能。在 l a b v i e w 完整版的高级分析库中，提供了丰富的信号分析处理相关程序，包括波形发 生、波形测量，信号监测、信号调理和信号分析库等，有利于实现数据的精确分析。 1 4 本课题的研究工作 本文阐述了大型机械设备状态监测与分析技术的基本原理，说明了大型机械设备监 测系统的必要性，介绍了大型机械设备监测系统的应用现状。以及详细讨论了系统的组 成，研究系统的体系结构以及系统各部分的相互关系。整个系统结合了嵌入式技术、网 大犁机械设备远程监测分析系统的设计与研究 络技术、虚拟仪器技术和状态监测分析技术，将虚拟仪器技术的应用范围拓展到整个互 联网上，利用网络实现了振动信号采集、传输、处理和控制一体化，可以使用户方便对 远程机械设备进行实时监测。远程虚拟系统的优势在于不受地理位置局限，用户自己定 义功能，构建灵活性强。所做的主要工作如下： ( 1 ) 系统总体方案的设计和硬件配置。硬件设计方面包括： 高速a d ：能够采样机械设备的模拟量信号。 丌关量输入和继电器输出电路：能够采集和控制机械设备的电器信号。 以太网接口：通讯协议使用简易t c p i p ，协议栈z l g i p ，通讯速率要求为1 0 m 以太网，接线方式使用a 类双绞屏蔽电缆线( 或同轴电缆) 。 r s 4 8 5 通讯接口和r s 2 3 2 通讯接口：带有r s 一4 8 5 和r s 2 3 2 总线接口各一个。 外扩的s r a m 和f l a s h ：系统外扩5 1 2 k b 大小的s r a m 和8 m b 大小的f l a s h 。 电源：三路电源电压输出，分别为3 3 v ，1 8 v 和5 v 。 ( 2 ) 编写系统的软件功能模块。本大型机械设备监测系统的软件分为两部分，一部 分是远程终端单元r t u 的软件设计，另一部分是监测分析中心上位机l a b v i e w 软件平 台。 远程终端单元r t u 部分的软件设计主要包括：系统启动代码的设计、c o s i i 操作系统移植、t c p 通讯程序、串行通信模块、模拟量信号的采集模块、系统参数下载 模块、数据处理模块、数据打包上传模块，在最为主要的模拟量信号采集模块，提供了 三种采样模式，从而进行模拟量信号的在线实时显示、分析和离线分析。 上位机l a b v i e w 软件平台主要有如下几个功能模块组成：信号发生功能模块、 信号采集功能模块、数据存储功能模块、幅值域分析功能模块、时域分析功能模块、频 域分析功能模块、报警模块。 ( 3 ) 系统功能的实验验证，为了验证系统功能的正确性，本文通过对实际信号的采 集和分析，验证了系统的功能。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统设计方案及应用技术简介 本文设计的大型机械设备远程监测分析系统是将传统的状态监测分析技术与计算 机网络技术、嵌入式系统技术、虚拟仪器技术相结合。传统的状念监测分析技术已在第 一章有所介绍。本章将在介绍系统的整体结构框架的同时，简要介绍应用于嵌入式系统 中的简化版t c p i p 协议栈以及虚拟仪器技术。 2 1系统结构及功能概概述 本文所研究的大型机械设备远程监测分析系统主要由远程终端单元r t u 和上位机 l a b v i e w 软件平台两大部分组成。其系统组成框图如图2 1 所示。 图2 ，1 系统结构框图 f i g 2 1 t h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e m 大型机械设备远程监测分析系统的设计与研究 远程终端单元r t u 组成：远程终端单元包括a r m 7 t d m i 作为核心处理器，模拟 量信号传感器( 可根据需要使用振动、温度或其他传感器) ，信号调理器，高速a d 转换 器，开关量输入电路，丌关量输出继电器，网络接u 电路及其他外围电路。可以实现数 掘的采集及远传。远程终端单元r t u 本身作为服务器。 远程终端单元r t u 的主要功能如下： ( 1 ) 对经过振动加速度传感器及信号调理器转换后的模拟量电信号进行信号采集， 信号处理，数据存储； ( 2 ) 在采集机械设备振动信号的同时，r t u 单元还可以通过开关量采控电路采集设 备的开关量信号以及对机械设备的各种开关进行控制； ( 3 ) 通过串口，与现场的其他设备( 如p l c ) 通信，获取所需数据； ( 4 ) 通过网络与远程上位机通信，将采集到的数据传输到上位机。 通过远程终端单元r t u ，可以获取大型机械设备运行状态的完备参数。 远程上位机l a b v i e w 平台：l a b v i e w 针对数掘采集、仪器控制、信号分析和数据 处理等要求，设计提供了丰富完善的功能图标，用户町直接调用，通过交互式的图形化 面板来控制系统。远程上位机本身作为客户端。 远程上位机l a b v i e w 平台的主要功能如下： ( 1 ) 通过t c p i p 传输模块将远程终端单元r t u 采集到的数据接收到上位机，并显 示信号的波形； ( 2 ) 使用文件管理模块可以对数掘进行存储和读取等文件操作； ( 3 ) 利用幅值域分析模块来显示信号的特征参数及越限报警； ( 4 ) 利用时域分析模块对数据信号进行时域分析，对信号做自相关等分析，判断信 号中是否含有周期信； ( 5 ) 利用频域分析模块对数据信号进行频域分析，对信号做傅立叶变换，以观察分 析信号的频率组成。 系统的工作原理是远程终端单元r t u 的处理器a r m 7 t d m i 对经过传感器及信号 调理器转换后的模拟量电信号进行a d 转换，数据采集，然后将采集到的数据按要求格 式打包处理。远程终端单元r t u 的软件模块采用嵌入式操作系统c o s i l 来实现多任 务实时调度，包括t c p 通讯任务、电器信号的采集任务、模拟量信号的a d 转换任务、 系统参数下载任务、数据处理中断程序、数据打包上传任务和串行通讯任务。上位机平 台通过网络通信模块与远程终端单元r t u 进行通讯，在线实时获取所须的各种机械设 备数据，同时也可以通过网络进行远程采样参数的设置。l a b v i e w 平台对采集到的信 大连理工大学硕士学位论文 号进行显示和分析，如信号超出规定范围，即产生报警信息提示。同时通过时域及频域 分析手段来对信号进一步分析，提取特征信号。 2 2 嵌入式系统的t c p i p 协议 t c p i p 协议栈最早是在u n i x 操作系统中实现的，随后l i n u x ，d o s ，w i n d o w s 等操作系统也实现了各自的t c p f l p 协议栈。随着嵌入式系统越来越重视自己的网络特 性，t c p i p 协议栈又被移植到一些嵌入式系统上，由于系统资源有限以及指令格式不同 的原因，在u n i x ，l i n u x ，d o s ，w i n d o w s 等操作系统上实现的t c p f l p 协议栈不 能在嵌入式系统上直接应用。绝大多数嵌入式设备的内存空间极为有限，可用的片内 r a m 非常少。嵌入式设备的c p u 运算速度也极为有限，与普通的p c 还存在较大差距。 2 2 1嵌入式系统的概念和特点 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，下面是两种比较合理的定义【1 1 - 1 4 ： ( 1 ) 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系统。 ( 2 ) 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算 机系统。这些系统通常是更大系统中的一个完整部分，称为嵌入式系统。 两种定义的出发角度不同，前者是从技术的角度来定义，后者从系统的角度柬定义。 但是两种定义都反映出了嵌入式系统具有的特点： ( 1 ) 嵌入式系统是一个技术密集，不断创新的知识集成系统； ( 2 ) 嵌入式系统是面向用户，面向产品，面向特定应用的，其软硬件各个方面均受 到应用需求的制约； ( 3 ) 嵌入式系统产品具有较长的生命周期； ( 4 ) 嵌入式系统开发必须借助一套开发工具和环境。 2 2 2t o p i p 协议概述 t c p f l p 是t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l 的简写，中文译名为传输控 制协议互联网络协议，是i n t e r n e t 最基本的协议1 1 5 】。它起源于2 0 世纪6 0 年代末美国政 府资助的个分组交换网络研究项目。到2 0 世纪9 0 年代已经发展成为计算机之间最通 常用的通信协议。在i n t e m e t 中，t c p i p 协议分4 层。各层协议相互协同动作，构成一 个有机的整体。如表2 1 所列。 大型机械设备远程监测分析系统的设计与研究 表2 ，1 协议分层 t a b 2 1 l a y e r so fp r o t o c o l 麻川层 传输层 网络层 链路层 t e l n e t 、f t p 、h t t p 、s m t p t c p 、u d p 、( i c m p 、i g m p ) i p 设备驱动( p p p 、以太网、f d d i 等) 、a r p ( 1 ) 链路层：t c p i p 协议栈中最底层的链路层又称为网络接口层。一般在这一层与 t c p ，i p 有关的分为局域网( 队n ) 和广域网( w a n ) 。在嵌入式的t c p i p 应用中，局域网 大多使用以太网的方式，在广域网中大多使用s l i p 和p p p 。常用的a r p 协议属于该层。 ( 2 ) 网络层：口协议是t c p i p 协议的核心。它出现于1 9 8 1 年，至今已有2 0 多年 的历史，仍保持旺盛的生命力。它提供的服务有： 数据传输； 封装多种上层协议； 提供路由及传输信息： 信息报交换技术等等。 ( 3 ) 传输层：传输层也叫运输层，它有两个协议传输数据：传输控制协议t c p 和 用户数据报协议u d p 。t c p 协议是面向连接的一个协议，可靠性高，费用也高；u d p 协议是提供最少服务和费用的传输层协议。 ( 4 ) 应用层：向用户提供一组常用的应用程序，比如本文将涉及到的虚拟仪器终端 以及电子邮件等。严格说起来，应用层协议不能算作t c p i p 协议的一部分。事实上， 用户完全可以在传输层之上建立自己的专用的应用程序。常用的应用层协议有h t t p ( 超 文本传输控制协议) 、t e l n e t ( 远程登录协议) 、f 1 p ( 文件传输协议) 、s m t p ( 简单邮件 传送协议) 、s n m p ( 简单网络管理协议) 等。 各层协议彼此独立，在功能上可将每层协议看成是一个函数库，上层协议通过调用 下层协议提供的函数来实现协议间的通信。 传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 。t c p ) 是传输层的重要协议，提供可靠 的( 没有数据重复或丢失) 、面向连接的、全双工的流传输服务，因此大部分互联网应用 都建立在t c p 的基础之上。t c p 具有以下特点： ( 1 ) 面向连接：t c p 协议规定，在进行数据传输之前2 个节点必须使用t c p 连接 的建立过程，建立连接成功后再进行数据传输。终止连接也要使用t c p 连接中断过程 关闭连接。 l o 大连理： 大学硕士学位论文 ( 2 ) 双向传输：t c p 协议中，每个连接都有2 个逻辑管道，一收一发。数据可以同 时进行收和发，t c p 报头包含传出数据和确认数据的序列号。 ( 3 ) 可靠传输：t c p 协议规定，在传输数掘时要按顺序发送数据，并须得到接收方 的确认，没有得到确认的数掘将重发，接收方接收到的重复包将被丢弃，失序包将被还 原为j f 确的序列。t c p 校验字提供比特级的完整性校验。 ( 4 ) 数据字节流：在t c p 的输入和输出逻辑管道上传输的数据被认为是连续的字 节流，t c p 报头的序列号和确认号都是以字节为单位确定的。t c p 不知道所传输的字节 流的内容是什么，以及在哪里起始，在哪里结束，对字节流数据的分析只能通过应用层 的协议进行分析。 ( 5 ) 流控制：t c p 协议中还规定了数据传输的流量控制，防止堵塞。在数据传输的 双方都有接收缓冲区，如果一方接收缓冲区已满，另一方将不再发送，知道缓冲区有空 余空间。而双方的接收缓冲区都是独立的，永远也不会溢出。 ( 6 ) 应用层数据分段：t c p 建立连接时，双方都交换可接收的最大段，如果接收到 i c m p 的“路径最大传输单位”m t u 消息，就能自动调整t c p 最大段的大小。 ( 7 ) 一对一传输：t c p 协议只能实现一对一。 2 2 3 应用于嵌入式系统的简易t o p i p 协议栈 嵌入式设备接入i n t e m e t 的方案主要有两种：一种是通过专用的w e b 服务器实现 i n t e r a c t 接入。另一种则是通过把标准的网络技术扩展延伸到嵌入式设备，每个嵌入式 设备都可以直接接入i n t e m e t “j 。这种方案是目前最佳的解决方案，也是未来的发展方 向。在这种方案中，考虑到嵌入式系统相对于普通计算机而言资源有限，包括存储资源 和计算资源等的限制，不能实现完整的t c m p 协议栈，只能针对特定的应用实现精简 定制的嵌入式t c p i p 协议栈，满足应用需求。协议栈的简化工作比较灵活，可以按照 用户需求实现很多复杂功能，但是使用这种方式对开发人员的要求比较高。 本系统使用的t c p i p 协议栈是基于操作系统【f c o s i i 的小型t c p i p 协议栈。它使 用c o s i i 实时操作系统的信号机制来实现一个多任务并行并可重入的协议栈，完全由 a n s ic 编写，可以像* c o s i i 那样支持多种c p u 。其特点如下： ( 1 ) s o c k e t 库兼容b s d 标准s o c k e ta p i ，方便用户进行应用层协议的开发。 ( 2 ) 基于# c o s i i 实时多任务操作系统，具有良好的实时性能。 ( 3 ) 所有函数都可以工作在非阻塞方式。 ( 4 ) 支持r f c 标准t c p 。 ( 5 ) 简易的路由协议处理，可以跨越网关收发数据。 大型机械设备远程监测分析系统的设计与研究 ( 6 ) 完全源代码。 ( 7 ) 高移植度。 ( 8 ) 为嵌入式系统做过优化。 ( 9 ) 代码可重入。 ( 1 0 ) t c p 层代码小而且速度快。 ( 1 1 ) 与处理器无关。 ( 1 2 ) 用户可配置和裁减。 ( 1 3 ) 支持网络地址鳃析( n a t ) 。 ( 1 4 ) 支持多网络接口的应用。 ( 1 5 ) 基本完整的t c p 栈支持，t c p 模块处理支持功能：发送确认；数据重传；数 据校验；流模式：连接数目只受内存大小限制。 2 3 虚拟仪器技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的 产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术【。虚拟仪器是计算机硬件资 源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义， 具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统，虚拟仪器的实质是 利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结 果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备 完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者 用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出 现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。 虚拟仪器与传统仪器相比，有以下5 个特点： ( 1 ) 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致 许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比 较复杂的功能【1 8 l 。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板伟置的简 捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件 的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程束实现的，设计者 可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。 ( 2 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 大连理_ i ：大学硕士学位论文 ( 3 ) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的【1 8 1 。 仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。 ( 4 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它外围设备互联。 ( 5 ) 研制周期较传统仪器大为缩短。 大型机械设备远程监测分析系统的设计与研究 3 远程终端单元r t u 的硬件设计 远程终端单元r t u 是大型机械设备远程监测分析系统中重要的组成部分。其硬件 组成主要包括：以a r m 7 为内核的l p c 2 2 9 4 处理器及其外围电路，模拟量信号采集电 路，开关量信号采集电路，继电器输出电路，r s - 2 3 2 和r s 一4 8 5 通讯电路，以太网芯片 及接口电路。远程终端单元r t u 的硬件框图如图3 1 所示。 图3 ，l 硬件框图 f i g 3 1 t h ef r a m e w o r ko ft h eh a r d w a r e l p c 2 2 9 4 处理器及其外围电路：此部分电路包括a r m 7 芯片l p c 2 2 9 4 及其供电系 统，时钟系统，复位及复位配置系统，调试测试接口以及存储器系统。其中调试测试接 口不是必须的，但它在开发工程中发挥的作用极大，所以至少在样品阶段需要设计这部 分电路。 大连理工大学硕士学位论文 模拟量信号采集电路：这部分电路