（机械电子工程专业论文）煤矿通风机的远程安全监测系统开发.pdf

摘要 摘要 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，大型设备的结构越来越复杂， 功能越来越复杂，越来越完善，自动化程度也越来越高，同时人们对设备安全、 稳定、长周期、满负荷运行的要求也越来越迫切。 在当今信息时代，因特网和局域网技术的迅速发展及其良好的应用背景， 使之成为各种信息的传输介质。基于i n t e m e t i n t r a n e t 远程网络的状态监测与故 障诊断系统将在线监测技术应用于设备运行状态监测、诊断与维护，实现定时 维修向预测维修转变，该方法作为新型合作方式备受学术界和工业界的重视。 课题中应用组态王实现了多种信号实时在线监测、远程监测集中管理和w e b 网站实现技术等研究，针对传统监测系统采用的c i s 模式系统开发、维护困难 的缺点，构建了b s 模式的远程在线监测系统。客户端只需安装浏览器，通过 u r l 浏览网页就可以及时掌握现场设备工况，实现远程系统维护、远程数据浏 览及远程会诊。历史数据通过报表和历史趋势曲线两种方式来查询，不同的用 户可以被赋予相应的权限通过浏览器对系统进行访问，加强了系统的安全性与 可靠性。 论文研究了风机在线监测的发展现状，基于远程网络的风机监测与故障诊 断系统实现方案和发展前景。着重阐述了基于i n t e m e t i n t r a n e t 的风机远程安全 监测系统硬件设计、软件开发与实现技术，实现了风机状态的远程实时监测、 信号处理及风机性能曲线拟合的功能。 基于i n t e r n e t i n t r a n e t 远程网络的风机安全监测的提出克服了时间和地点上 的差异，在一定程度上既可解决企业内专业人员相对较少的问题又有利于研究 机构充实技术的理论研究，因此具有明显的社会效益和经济价值。 关键字：通风机；远程网络；组态王；状态监测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r ea n dt h ea d v a n c e m e n to f t e c h n o l o g y , t h es 臼c t i l r ea n df u n c t i o no fl a r g ee q u i p m e n ta r em o r ea n dm o r ec o m p l e x a n dp e r f e c t , t h ea u t o m a t i z a t i o nd e g r e ei sm o r ea n dm o r eh ig h ，w h a t sm o r e ，p e o p l e a r em o r ec a r ea b o u tt h es a f e t y , s t a b i l i z a t i o n ，l o n gc y c l ea n df u l lb u r t h e nf u n c t i o no f t h ee q u i p m e n t s a n dm a n yk i n d so fn e wf a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d sa r e e m e r g e dc o n s t a n t l y i nt h i si n f o r m a t i o ne p o c h ，t h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t o fi n t e r n e ta n dl a nt e c h n o l o g ym a k e si tac a r r i e rt ob ev a r i o u so fi n f o r l n a t i o n r e m o t ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sb a s e d o ni n t e r n e t i n t r a n e tm a k e so n - l i n e m o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i st e c h n o l o g y i sa p p l i e dt ot h ee q u i p m e n ti np r o d u c t i o n p r o c e s sa n dt r a n s f o r m e df r o mt i m i n gs e r v i c ei n t op r e d i c t i v em a i n t e n a n c e t h i s m e t h o di sr e c o g n i z e db ya c a d e m ea n di n d u s t r i e sa san e wk i n do fc o m b i n a t i o nm o d e t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo fr e a lt i m eo n - l i n em o n i t o r i n go fm u l t i p l e s i g n a l sa n dc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n to fl o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n ga sw e l la sw e b s i t e s a g a i n s tt h ed i f f i c u l t yi nd e v e l o p i n ga n dm a i n t a i n i n g ，d e f e c t so ft r a d i t i o n a lm o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nc sm o d e ，b sm o d ei su s e dt o e s t a b l i s ha 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 c l i e n to n l yn e e d st oi n s t a l lt h ei n t e r n e te x p l o r e r a n dc a nm a s t e rt h es p o ts t a t u si nt i m et h r o u g ht h eu r l ，w h i c hr e a l i z e dt r u l yt h i n c l i e n t ，t h e nr e a l i z i n gr e m o t es y s t e mm a i n t e n a n c e ，r e m o t ed a t ab r o w s ea n dr e m o t er e a l t i m em u l t i c o n s u l t a t i o n h i s t o r yd a t ac a nb ed e m a n d e db yr e p o r tf o r m sa n dt r e n d c u r v e ，d i f f e r e n tu s e r sc a n v i s i tt h es y s t e mt h r o u g hb r o w s e rb ya u t h o r i z a t i o n ，t h r o u g h w h i c ht h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma r eg u a r a n t e e d t h ep a p e rr e s e a r c h e st h eh i s t o r yo fo n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s t e c h n i q u e d i s c u s s e sa b o u tt h er e a l i z a t i o n s c h e m eo fr e a lt i m eo n - l i n em o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i sb a s e do ni n t e m e t i n t r a n e t ，a sw e l la sa n a l y s e si t st r e n d t h ep a p e r e m p h a t i c a l l ys e tf o r t ht h eh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t o fr e m o t er e a lt i m e o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h eb l o w e rf a nb a s e do ni n t e m e t i n t r a n e ta sw e l la st h e r e a l i z a t i o no ft h es y s t e m f i n a l l yt h eb l o w e r sr e m o t ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，s i g n a l i i p r o c e s s i n ga n dp e r f o r m a n c e c b r v ef i t t i n ga r er e a l i z e d t h ea d v a n c eo ft h et e c h n o l o g i e so ft h ei n t e m e t - b a s e df a nr e m o t ec o n d i t i o n m o l l i t o m g m a l 【e sa c a d e m ea n de n t e r p r i s e so v e r c o m et h ed i f f e r e n c e so ft h et i m e 雒d 也ep l a c e s ，s o l v e st h ed i f f i c u l t yo fl a c ks p e c i a l i z e dp e r s o n n e l ，e n r i c h e st h e r e s e a r c h “ t h et h e o r y , a n dh a st h er e m a r k a b l es o c i a la n de c o n o m i c r e s u l t s k e yw o r d s ：f a r m e r , r e m o t en e t w o r k , k i n g v i e w , c o n d i t i o nm o n i t o r i n g i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：圻南& 谛莎年f 月曙日 ( 注：非保密论文无需签字) 一 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名：坼蔬。友， 年月 日。桶年月y 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 风机远程状态监测与故障诊断的研究历史及现状 i i 1 风机状态监测和故障诊断研究的必要性 目前现代设备正向大型化、自动化、快速化等方向发展，设备管理的重要 性越来越明显，而计算机辅助设备管理已经被企业普遍采用并取得了较好的效 果。从最初的单机的对设备静态资料的简单管理到后来的基于维修流程的动态 管理，设备管理信息系统经历了两个阶段。但随着设备管理业务的日益复杂， 连续生产对设备健康运行要求的提高以及决策系统对大量有效信息的需求，企 业对c m m s ( 计算机化的设备管理系统) 提出了更高的要求。针对实际需求研究 c m m s 新的开发方法，拓展系统功能对于进一步提高现代设备管理的水平具有重 大意义。 风机是电力、冶金、石油、化工、机械、煤炭等国民经济支柱产业中的重 要设备。它是一类将原动机的机械能转化为被输送气体压力能和动能的流体机 械。风机的种类很多，如鼓风机、通风机、送风机、引风机和一次风机等。风 机通常是作为重要的辅助设备，除了要适应机组容量不断扩大的需求外，对风 机的要求也应该提高到一个新的高度：风机的安全性、可靠性、经济性与主机 同等重要。 矿井主通风机是保证矿井安全生产的核心设备，也是矿井的主要设备之一， 其运行状态与管理工作是企业安全管理的重要工作之一。目前，主通风机的日 常运行状态检测与管理工作一般是根据人工记录的有关数据报表和资料，呈报 给矿区和矿务局安全管理职能部门。尽管目前有的矿井采用了实时监控系统， 但仍然局限于局部的监控和管理，对主通风机进行实时的，全面的监控与管理 的矿井还不多，而对主通风机进行实时的，全面的监控与管理又有一定的困难， 因为在矿井设计时，往往把矿井主通风机分别布置在相距甚远的，开采煤层走 向东西翼或南北翼的不同地点，交通不方便，信息不流畅。而正是由于上述原 因，导致了人工观测和汇报间隔时间长、难度大、误差多，在汇报、记录和统 计的过程中人为错误多，时间也有滞后，达不到实时、合理调度和管理的目的， 第1 章绪论 给安全管理人员带来极大不便，甚至导致判断失误，影响安全生产。因此研究 开发矿井主通风机远程监控系统是十分必要的。 1 1 2 风机状态监测和故障诊断研究的可行性 系统的可行性是进行系统设计的前提。随着各种新技术的发展和完善，各 种技术的综合应用，为现场机电设备远程故障诊断系统的理论和技术方面奠定 了坚实的基础。 1 网络技术的发展 网络技术包括网络的组建、维护、数据加密、数据传输协议、数据纠错标 准、数据安全等领域，近十年来，这些技术得到了迅速的发展，i n t e r n e t 的飞 速发展和网络协议的不断完善促使网络技术日益成熟。 2 电子技术的发展 随着生产需要的日益提高，超大规模集成电路技术的不断完善，微电子技 术的发展也突飞猛进，表现在微处理器领域，如单片机在数据计算、处理方面 的速度和集成规模有了突破性的进展，同时各个系统外围芯片在功能、集成方 面也随之发展，使得微电子技术在各个领域的应用越来越广泛，同时也促进了 其本身的成熟，为系统的二次开发提供了硬件基础。 3 计算机技术的发展 计算机技术包括软件和硬件两个方面，在它的发展过程中也是沿着这两条 路线发展的，表现在硬件方面，计算机的接口定义标准化，如r s - 2 3 2 接口标准， p c i 接口标准，i s a 接口标准等，使得硬件在兼容性方面有了质的改变，方便了 各种系统和设备的组合和叠加。相对于硬件技术的发展，软件技术更新周期短 得多，各种软件技术层出不穷，尤其是在2 0 世纪9 0 年代中期兴起的面向对象 技术使得技术人员的编程环境有了极大的改观，提高了编程速度，降低了难度， 同时也提高了程序的执行效率。数据库技术起步较早，也有了数据库编程方面 的标准，例如s q l 语言标准等。 4 故障诊断技术及其实现方法的日益成熟 根据现场设备的结构特点与工作特点，从理论上分析导致常见故障的各种 原因，并结合现场专家的直觉经验，建立故障知识库。专家系统、神经网络、 小波变换和模糊理论等研究方法的应用使得故障诊断进入一个智能化发展阶 2 第1 章绪论 段。 从以上资料的分析来看，这些技术的发展和成熟从根本上解决了机电设备 远程故障诊断系统关键技术的实现，不论是从理论、技术还是应用等方面来讲， 该研究都是可行的。 状态监测是了解和掌握设备是否处于正常和故障状态。具体是用各种检测、 监视、分析和判断方法，结合设备的历史和现状，考虑环境的因素，对设备的 运行状态进行评估，判断其是否处于正常、异常和故障状态，并对状态进行显 示和记录，对异常状态做出报警等，以便及时处理，为设备的故障提供信息， 如果是处于故障状态，则进行故障诊断。 故障诊断是根据状态监测所获得的信息，结合己知的结构特征和参数，以 及环境条件和该设备的历史记录，对设备可能发生或己经发生的故障进行预报 和分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位，指出故障发生和 发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、治理 的对策措施，并最终实施，使设备恢复到正常状态。 状态监测与故障诊断的任务是实时的监测设备的运行状态，对采集的数据， 判断风机是否正常运行，指导设备的运行、维修与管理诊断设备的故障并能及 时消除故障。 1 1 3 国内外设备远程监测与故障诊断的历史和发展状况【l 】【2 】【3 】 2 6 】 故障诊断和状态监测技术是由于航天、军工的需要而发展起来的，以后逐 渐推广到核能设备、动力设备和其他一些大型成套设备中，它的历史和人类对 设备的维修方式紧密相连，在工业革命后的相对长时间内，由于当时的生产规 模、设备技术水平的复杂程度都很低，设备的利用率和维修费用问题都没有引 起重视，人类对设备的维修方式基本上属于事后维修，即设备出现故障之后进 行设备故障维护，没有故障的提前预知预测。 上世纪5 0 年代以前，人们通常采用原始的监测手段，凭经验处理设备的振 动问题，人们常讲的“望( 眼看) ”、“闻( 耳听) ”、“切( 手摸) 方式。5 0 年代 后期，由于非接触式传感器及其它传感器技术的发展，人们开始了各种机器监 测方法及仪器的研究。 6 0 年代后期机械设备诊断技术趋于成熟，与当时两个背景分不开的。第一 第1 章绪论 个背景是：航天、航空、核工业等部门对于现代化设备提出高安全性和高可靠 性的要求；2 0 世纪6 0 年代后期首先在美国出现，对航空、核能、军事装备进行 早期异常监测，以便对机器设备的故障在事先发觉并采取预防，从而减少事故 的发生及由此导致的人员伤亡、环境污染、公害等。第二个背景是：2 0 世纪6 0 年代后计算机和电子技术的迅速发展，促进了生产技术的现代化，生产设备的 大型化、高速化、连续化和自动化使生产力不断提高，同时对设备的精度、 功能、性能要求也越来越高。这些设备的维护工作量大，检查项目多，要求严 格，许多故障系统很难依据传统方法凭人的感官和经验检查出来，必须采用先 进的仪器和科学的方法来监视和诊断。 到了7 0 年代，已开始采用各种固定安装的监视仪和便携式一起对设备运行 状况进行监测和分析，并开始实现了对设备零部件的诊断。7 0 年代后期，多参 数量综合监测与故障诊断系统的研制已达到工程应用阶段，计算机技术也开始 直接应用在离线分析和长期连续监视及故障诊断中。 8 0 年代后，计算机技术在机械设备诊断领域的应用进一步向深度和广度发 展，已出现集监测工艺、操作、数据采集和打印、存储、显示等功能于一体的 系统软件，使机械设备诊断线实现了全自动化，这样不仅可避免人为的判断错 误，提高监测准确性，而且可以把机械设备诊断状况储存在计算机中，即可作 为下次机械设备诊断参考。目前，几乎所有重要的大型复杂设备配备了振动监 测分析与诊断装置，而且产品正在不断更新发展。 9 0 年代至今，随着i n t e r n e t 技术，特别是w e b 技术的迅速发展，使得基于 i n t e r n e t 的远程应用系统成为监测与诊断系统新的发展方向。不过基于 i n t e r n e t i n t r a n e t 的远程监测与故障诊断研究工作最先是从医学领域开始 的，1 9 8 8 年开放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 远程医疗系统应包括远程诊断、专家会诊、信息服务、在线监测和远程学习几 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远程医疗系 统投入使用；国内上海医科大学也在上海地区建立了一个类似的远程医疗系统。 这些年来，国内外都有了实用化的旋转机械状态监测系统如：美国b e n t l y n e v a d ac o r p o r a t i o n 的系列产品、w e s t i n g h o u s e 公司的p d s 系统、i r d 与e n t e k 公司联合开发的5 9 1 l 系统、s c i e n t i f i ca l a n t a 公司的m 6 0 0 0 系统以及日本三 菱公司的m h m 系统、菲利浦p r 3 0 0 0 状态监测系统；申克v i b r o c o m 4 0 0 0 、 4 第1 章绪论 v i b r o c o m 5 0 0 0 计算机化的状态监测系统，c s l 3 1 3 0 ，i r d 公司6 6 0 0 机器保护和 诊断系统，b & k c o m p a s s 系统等。其中美国开发得最早，技术也最先进。国内近 年在这一领域的发展也同样迅速而广泛，一是对理论方法的研究；二是实际技 术和系统的开发。其技术水平一直居于国际领先水平。国内的科研单位、高等 院校也研制、开发了一些旋转机械在线监测与故障诊断系统并投入现场运行。 例如郑州大学工学院的d s 2 0 0 0 系统、北京英华达公司的e n 8 0 0 0 系统、深圳 创为实的$ 8 0 0 0 系统、西北工业大学的m d 3 9 0 5 系统、西安交通大学的r m d s 系 统在化工行业应用较多，西北工业大学的m d 3 9 0 5 系统在石油化工行业应用较多， 英华达公司的e n 8 0 0 0 系统在电力行业应用较为广泛。 ， 按照产生时间、所采用技术以及功能大小的不同，这些监测分析与诊断系 统大致分为五种类型： 1 便携式测振仪 这类仪器外接惯性式速度或加速度传感器，主要用于机壳的振动幅值测量， 精度较低。根据检波电路不同，读数可分为峰峰值、峰值和有效值。它已从传 统模拟式发展到数字式，有些还配备有选频网络，可手动频率分析，测定振动 中主要频率的幅值。它主要用于一般设备的振动状态手工监测，根据振动幅值 大小对故障诊断做出初步分析。产品有英华达公司的e n 一5 0 0 便携式旋转机械 振动监测故障诊断仪；美国s c i e n t i f i ca l a n t a 公司的m 7 4 4 、b e n t l yn e v a d a 公司的t k 8 1 、德国s c h e n c k 公司的v i b r o m e t e r 2 0 和2 5 等。 2 含微处理器的移动式数据采集器 它是一种具有计算机接口的智能仪器，它和传感器、计算机、三者组成一 个新型的监测系统。在现场使用时，可选定测点、设置组态，逐点巡回测量， 记录异常信息，在面板上显示振动信号的幅值和相位，并可作简便的信号分析； 内置r a m 所存储的现场原始数据，可经接口电路输入计算机，由计算机对其进 行深入的计算和分析，并可由外设输出振动值报表、测点轴心轨迹图、振动时 域图、频谱图和趋势图等等。根据这些图标可以掌握机组运行的工作状态，及 早对故障性质、程度、发生部位和原因做出诊断。这类产品有s c i e n t i f i ca l a n t a 公司的d a t a t r a p 、b e n t l yn e v a d a 公司的s n a p s h o tt r e n d m a s t e r 、s c h e n c k 公 司的v i b r o s t o r e 4 1 等。 3 智能化在线监测系统 这类监测系统能够对机组的运行进行连续在线监测，实时地进行故障诊断， 第l 章绪论 充分体现了微机系统的自动数据采集、分析、计算机等功能。当被监测的信号 越限或有异常情况出现时，系统能做声光报警。它不仅可监测机组振动，还可 监测其它信号，并可根据监测参数的信号也可接入计算机系统，进行数据分析、 管理、扩展系统功能。已有的产品有s c i e n t i f i ca l a n t a 公司的m 7 0 0 、m 7 4 6 ； b e n t l yn e v a d a 公司的7 0 0 0 、9 0 0 0 、3 3 0 0 系列；s c h e n c k 公司的v i b r o c o n t r o l l 0 0 0 及2 0 0 0 系列；荷兰p h i l i p s 公司的r m s 7 0 0 系列等。 4 计算机化的在线监测与诊断系统 这类系统集数据采集、信号分析、数据管理为一体，是一个多信息处理系 统。它能够实时在线对机组状态进行监测、分析和诊断。系统可由多台计算机 组成网络每台计算机负责不同的监测处理工作，各台计算机之间互相通信。由 于计算机、各种智能装置及外设技术的迅猛发展，这种系统越来越得到重视和 欢迎，就其结构上看大体可分为两类： ( 1 ) 以软件为主体来实现主要的数据采集和分析功能。因而，除了计算机 和必要的外围设备外，仅需少量的硬件。这类系统结构简单，价格比较便宜， 软件丰富而且根据所需功能易做更改，但分析速度慢，实时性差。如b e n t l y n e v a d a 公司的p d m 2 d d m 2 。 ( 2 ) 以硬件为骨架来实现主要数据采集和分析功能。主机主要作用是协调 各仪器的工作，进行数据和文件管理。数据采集和分析功能由专门硬件来实现。 这类系统采集和分析速度快，单价格昂贵，且不宜改动，灵活性差。如s c i e n t i f i c a l a n t a 公司的m 6 0 0 0 。 5 基于i n t e r n e t 的远程监测与诊断系统 这种系统就是把原来的在线监测系统与故障诊断系统架构于i n t e r n e t 计算 机环境中，以若干台中心计算机作为服务器，在企业的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所建立分析诊断中心，为 企业提供远程诊断中心申请在线技术援助，同时向专家提出会诊请求，在短时 间内调动入网的所有诊断资源，实现对设备的故障的早期诊断和及时维修，为 现场运行人员和技术管理人员提供了直观有效的分析指导性信息，从而保证整 个机组的安全、稳定高效运行。目前的产品有b e n t l yn e v a d a 公司的d a t am a n a g e r 2 0 0 0 、i n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w 以及山东诊断技术研究所中心的“大型火电 机组性能与振动远程在线监测与诊断系统”等。 6 第1 章绪论 1 1 4 设备监测与故障诊断的发展趋势 随着计算机网络化的飞速发展，人们共享资源和远程交换数据成为可能。 利用光纤光缆、微波、无线通信及计算机网络等通信方式，将故障诊断系统与 数字信号系统结合起来组成网络，从而实现对多台机组的有效管理，减少监测 设备的投资，提高系统的利用率，因而网络化将是发展趋势之一。 随着知识经济的来临，世界经济的全球化和一体化，人类对环境的要求越 来越高。这对机械设备状态监测和故障诊断技术的要求也越来越高，不仅要满 足实现诊断性能的要求，还要满足有利于保护环境、节约能源、节省资源、使 用简单可靠的要求。这使得机械设备状态监测和故障诊断技术将朝着与环境相 协调的方向发展。 随着我国改革开放的深入，国民经济和科学技术的发展，我国机械设备状 态监测和故障诊断技术将会不断完善，一定会在不久的将来步入世界先进行列。 1 2 本课题研究目的和意义 设备运行状态监测与故障诊断技术是目前保证大型机组安全运行，防止恶 性事故的有效手段。它可以及时发现机组的运行故障先兆，诊断产生故障的原 因，为生产和维修提供决策依据，同时也避免了定期检修引起的生产停顿。近 年来，计算机及网络技术的迅猛发展，为实时在线监测与故障诊断提供了良好 的条件。将计算机网络技术用于实时状态监测，实现关键设备运行状态的集中 管理、集中分析，必将极大的提高设备维修人员的工作效率。同时为企业的正 常生产提供了可靠的保证并避免了一些不必要的损失。 采取远程状态监测这种经济、简便的方法可以实现“移动的是数据而不是 人”，通过计算机把现场数据及时送到专家手中，就可以像专家在现场一样准确、 及时地做出判断，采取有效措施解决问题h 1 。 建立风机远程安全监测系统，使我们可以通过现有的网络对该设备进行实 时监测和诊断，利用计算机诊断网络有利于数据积累、资源共享。并且对监测 者和分析者的计算机无需安装分析软件，这便为实现多方专家对议论设备进行 同时监测和会诊提供可能，从而使故障诊断更及时、更可靠。 7 第1 章绪论 1 3 课题的主要内容和待解决的关键问题 本课题来源于国家自然科学基金资助项目“大型旋转机电系统非平稳状态 的故障趋势智能预示技术研究”和北京市自然科学基金资助项目“有关天然气 动力设备安全的智能预知维护及敏感特征研究”。 1 3 1 课题的主要内容 课题研究了煤矿通风机的远程安全监测技术的理论与实验验证方面的问 题。系统主要完成数据处理、存储、查询及状态显示等工作，并与上层网络及 i n t e r n e t 联网，实现设备远程状态监测、信号分析于一体的设备综合管理系统。 本文主要研究的工作有： 1 搭建风机状态监测的数据采集硬件系统。 2 利用组态软件k i n g v i e w6 5 1 开发了风机实时状态监测系统，实现了各 监测参数的实时显示、故障报警及报表的打印，查询和保存。 3 根据b s 网络结构模式，实现风机远程状态监测和异地数据下载，为故 障诊断提供依据。 4 信号分析系统的开发及绘制风机性能参数曲线。 1 3 2 课题主要解决的关键问题 1 实时在线监测系统和信号采集系统的开发。 2 实时数据显示、报警和历史数据的存储。 3 远程实时显示风机各监测参数及报表打印和保存。 4 信号分析和绘制风机性能参数曲线。 5 系统安全问题。 第2 章风机远程安全监测的技术实现 第2 章风机远程安全监测的技术实现 2 1 风机远程安全监测系统的总体结构 主通风机监控系统的开发要根据煤矿企业的实际，应本着技术可靠、经济 实用和使用方便的原则，不能盲目追求高成本、高档次。风机远程安全监测系 统以集中式和分布式在线监测为基础，基于标准协议的三层浏览器服务器 ( b s ) 模型，建立三级系统：下层是现场数据采集端，由传感器组、数据采集 调理模块和r s 一4 8 5 现场总线组成网络化采集系统系统、中层为数据服务与企业 监测层，由数据库服务器、w e b 服务器、应用服务器和企业内部监控系统组成、 上层为远程客户端，由基于i n t e r n e t 和b s 技术的浏览器完成对系统的远程监 测和数据下载。其结构图如图2 1 所示： 酬嬲鬻绷虢擘捌撼错捌鳃嚣 山垅嬲，雠施 一 _i1 澎f 穗 照燃固q ?乏 图2 1 系统的体系结构 其各部分的主要功能如下。 2 1 1 数据采集端 基于r s 一4 8 5 总线的智能化数据采集系统位于整个监测系统的底层，主要由 9 第2 章风机远程安全监测的技术实现 根据监测的目的配置的传感器组、网络化数据采集器和r s - 4 8 5 总线组成。基本 功能是根据上层监测目地的需要，运行数据采集软件采集传感器信号并进行特 征量的提取，然后由网络数据采集器通过r s - 4 8 5 总线将数据传输到应用服务器。 2 1 2 数据服务与企业监测层 数据服务与企业监测层是底层数据采集端的上层，同时又是远程用户服务 器的下层。它是整个远程监测系统数据存储中心和企业级数据处理和分析中心。 其中w e b 服务器实现动态网页的设计和对数据库的访问，进行风机的各种监测 信息的对外发布。数据库服务器用来存储和管理由数据采集端传来的风机的基 本信息和其他辅助信息。应用服务器通过以太网卡和r s - 4 8 5 串行接口，分别处 理与用户浏览器端和数据采集端的通信，负责处理从各数据采集端发送过来的 采样数据，通过运行服务程序将数据分类存储或发送到数据库服务器或w e b 服 务器中。企业内部监测系统可对风机的各种数据进行分析和诊断。 2 1 3 远程客户端 远程客户端由浏览器实现，是远程监测用户直接与其交互的部分，它接受 用户的输入，通过w e b 服务器从数据库服务器或应用服务器处获取监测数据并 在浏览器上显示。 系统中b s 模型模式采用前面所述的三层结构模式。主要负责将系统的信 息转换成h t m l 文件形式发布到客户端。i n t e r n e t 上任一被授权的用户，使用普 通浏览器( 如i e 、n e t s c a p e 等) ，通过i n t e r n e t 向w e b 服务器提交监视、控制 等请求进行处理，在经过身份验证、安全检查、数据处理及判断等服务后，将 合法请求发送给数据库服务器上的数据库管理系统，数据库对请求做出响应并 将结果返回给w e bs e r v e r ，再由w e bs e r v e r 对返回的结果进行相应处理，例如 历史曲线显示、运行参数的实时刷新等，最后将结果送给i n t e r n e t 。 远程监测诊断中心对要进行状态监测的设备进行在线监测，在线监测可以 在局域网内也可以应用到广域网中，监测手段包括监测设备的振动信号、压力 信号等。接着，对设备的状态进行一定的分析和预测，以得出设备状态的变化 趋势，作为制定设备合理维修周期的一个依据。如果设备出现突发故障，或由 状态监测发现设备故障，则就马上对故障进行诊断，诊断可以在企业内部进行。 1 0 第2 章风机远程安全监测的技术实现 如果解决不了问题可以借助于远程诊断中心进行专家会诊或智能诊断，最终得 出诊断结果。 系统总体结构与组成如图2 2 。 囤 圈溷kl 翻 图2 2 系统总体结构与组成 2 2 风机远程安全监测系统体系结构的选择3 】【5 】【6 】【2 4 】【2 7 】 通常的网络远程监控系统按照运行模式主要分为c s 模型和b s 模式。下面 分别介绍两种模式。 2 2 1c s 模型概述 客户机服务器模式( c s ) 是2 0 世纪9 0 年代局域网络互联的一个重要标 志。这种模式下，监测系统一般由客户机和服务器组成。客户机是面向业务用 户的微机，运行用户请求服务程序，并将这些请求传送给服务器，它实现各种 人机接口的服务。 服务器是面向任务的微机，负责管理数据资源，并将采集到的数据、图像 等信息发送给客户，进行自己的数据库处理；服务器被程序化，可接受并响应 同时来自被连接客户机的许多请求，这些请求被排队，按次序的等待服务，实 现共享数据的管理功能，满足客户机的需求，向客户机提供服务。在工业企业 u = 为 紫 辨辔 囤 谨黟琴 毒砑 第2 章风机远程安全监测的技术实现 中客户机与服务器通过局域网( 如e t h e r n e t ) 相连接。客户机可以分布在各个 部门，服务器设置在控制中心。二者实现资源的共享。基于c s 模式的系统具 有性价比高，开放型好，易于扩充，灵活性大以及客户机、服务器各自相对独 立的特点，充分发挥了管理业务与独立处理密切合作直接参与的作用；但c s 模式占用客户端资源多，该模式的应用程序必须在每台客户机上安装，其系统 配置也必须在每台客户机上进行，维护工作量大，而且造成在不同局域网内、 具有相似监控对象的单位监控软件的重复开发问题。 2 2 2b s 模型概述 随着i n t e r n e t 技术的日益发展，w e b 应用也正由传统的c s 模式演化为基 于标准协议的浏览器n 务器( b s ) 模式，以满足企业级用户对数据库动态操 作的需求。b s 模式改善了原来c s 模式的那种“肥 客户机，“瘦 服务器方 式，客户端仅需装上浏览器作为平台，而所有应用软件都集中在服务器端，形 成了一种“瘦”客户方式。b s 模式的优点在于可充分利用企业内部的设备和信 息资源，而且系统升级时只需修改服务器端软件，不必更新所有的客户端软件， 节省开支，提高企业信息发布的及时性和广泛性；但b s 模式难以实现复杂、 特殊的功能，且由于w e b 的开放性，使得其安全性难以保障。b s 模式监测系统 一般由浏览器、应用服务器和数据服务器三部分组成。浏览器提供用户界面， 通过网络请求应用服务器的复杂计算和数据服务，应用服务器则完成分析计算 等功能或向数据库服务器发送s o l 语句完成数据操作并最终返回给客户端。整 个监测系统的功能都是在应用服务器和数据库服务器上实现的。前端的浏览器 只是与用户交互的一个手段。三层结构的8 s 模式如图2 3 。 服务请求 s q l 请求 广- 1 广 r _ 。1 i 浏览器( b r o w e r ) 巨二= = 二爿 w e b 服务器 - -；i 数据服务层 l 1 ji j - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一j h 3 v i l 文档 处理结果 图2 3 三层结构的b s 模式 2 2 3c s 与b s 模型比较 c s 和b s 是当今世界开发模式技术架构的两大主流技术。c s 是美国 1 2 第2 章风机远程安全监测的技术实现 b o r l a n d 公司最早研发，b s 是美国微软公司研发。目前，这两项技术以被世界 各国所掌握，国内公司以c s 和b s 技术开发出产品也很多。这两种技术都有 自己一定的市场份额和客户群，各家企业都说自己的管理软件架构技术功能强 大、先进、方便，都能举出各自的客户群体，可谓仁者见仁，智者见智。 1 c s 模式的优势与劣势 ( 1 ) 应用服务器运行数据负荷较轻。最简单的c s 体系结构的数据库应用 由两部分组成，即客户应用程序和数据库服务器程序。二者可分别称为前台程 序与后台程序。运行数据库服务器程序的机器，也称为应用服务器。一旦服务 器程序被启动，就随时等待响应客户程序发来的请求；客户应用程序运行在用 户自己的电脑上，对应于数据库服务器，可称为客户电脑，当需要对数据库中 的数据进行任何操作时，客户程序就自动地寻找服务器程序，并向其发出请求， 服务器程序根据预定的规则做出应答，送回结果，应用服务器运行数据负荷较 轻。 ( 2 ) 数据的储存管理功能较为透明。在数据库应用中，数据的储存管理功 能，是由服务器程序和客户应用程序分别独立进行的，前台应用可以违反的规 则，并且通常把那些不同的( 不管是已知还是未知的) 运行数据，在服务器程序 中不集中实现，例如访问者的权限，编号可以重复、必须有客户才能建立定单 这样的规则。所有这些，对于工作在前台程序上的最终用户，是“透明”的， 他们无须过问( 通常也无法干涉) 背后的过程，就可以完成自己的一切工作。在 客户服务器架构的应用中，前台程序不是非常“瘦小，麻烦的事情都交给了服 务器和网络。在c s 体系的下，数据库不能真正成为公共、专业化的仓库，它 受到独立的专门管理。 ( 3 ) c s 模式的劣势是高昂的维护成本且投资大。首先，采用c s 模式， 要选择适当的数据库平台来实现数据库数据的真正“统一，使分布于两地的数 据同步完全交由数据库系统去管理，但逻辑上两地的操作者要直接访问同一个 数据库才能有效实现，有这样一些问题，如果需要建立“实时 的数据同步， 就必须在两地间建立实时的通讯连接，保持两地的数据库服务器在线运行，网 络管理工作人员既要对服务器维护管理，又要对客户端维护和管理，这需要高 昂的投资和复杂的技术支持，维护成本很高，维护任务量大。其次，传统的c s 结构的软件需要针对不同的操作系统系统开发不同版本的软件，由于产品的更 新换代十分快，代价高和低效率已经不适应工作需要。在j a v a 这样的跨平台语 第2 章风机远程安全监测的技术实现 言出现之后，b s 架构更是猛烈冲击c s ，并对其形成威胁和挑战。 2 b s 模式的优势与劣势 ( 1 ) 维护和升级方式简单。目前，软件系统的改进和升级越来越频繁，b s 架构的产品明显体现着更为方便的特性。对一个稍微大单位来说，系统管理人 员如果需要在几百甚至上千部电脑之间来回奔跑，效率和工作量是可想而知的， 但b s 架构的软件只需要管理服务器就行了，所有的客户端只是浏览器，根本 不需要做任何的维护。无论用户的规模有多大，有多少分支机构都不会增加任 何维护升级的工作量，所有的操作只需要针对服务器进行；如果是异地，只需 要把服务器连接专网即可，实现远程维护、升级和共享。所以客户机越来越“瘦”， 而服务器越