（机械制造及其自动化专业论文）在线监控与故障诊断系统网络化实施研究.pdf

a b s t r a c ti nl a r g e s c a l ei m p o r t a n ti n d u s t r i a le n v i r o n m e n t ，t h er e l i a b i l i t ya n dt h ea v a i l a b i l i t ya r ev e r yi m p o r t a n tt ot h er u a n i n gs y s t e m f a u l to c c u r r i n gi na n ys t a g ea n dt h ed e l a yi nr e p a i r i n gm a yr e s u l ti nt r e m e n d o u sc a s u a l t y i nt h i sp a p e r , t h em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i si ss t u d i e d t h eo n - l i n ef a u l td i a g n o s t i cm o d e lb a s e do nr e a l t i m es t a t u si sp r e s e n t e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，e q u i p m e n tm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sn e t w o r kt e c h n i q u eb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti ne q u i p m e n tm a n a g e m e n ti nm o d e me n t e r p r i s e s t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h es t u d yo fi n t e g r a t i o no ff a u l td i a g n o s i s ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dr e m o t em o n i t o r i n g & d i a g n o s i ss y s t e m ，c o m b i n e dc l o s e l yw i t ht h ep r a c t i c eo fe q u i p m e n tm a n a g e m e n ta n dp r e d i c t i v em a i n t e n a n c e n e t w o r km o n i t o r i n g & d i a g n o s i ss t r u c t u r eo fi n f r a n e t - i n t r a n e t i n t e r n e ti sp u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e w ed e s i g nao n - l i n em o n i t o r i n g & f a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nc l i e n t s e r v e ra n db r o w s e s e r v e ra n dd i s c u s sc o m p o s i t i o no ft h i ss y s t e m t h es l a t ea n dd e v e l o p m e n ti ns t u d i e so fi n t e m e tb a s e dr e m o t ec o o p e r a t i v ed i a g n o s t i c sf o rm a c h i n ef a u l t sa r eb r i e f l yd e s c r i b e di nt h i sp a p e r i n t e m e tb a s e dr e m o t ec o o p e r a t i v ed i a g n o s t i c sf o rm a c h i n ef a u l t si sa p p l i e dt os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nt h a tt h e r ea r em a n yf a c i l i t i e st h a tn e e dt ob ed i a g n o s e d ，a n dt h e r ea r ef e we x p e r t si nt h ef i e l do ff a u l td i a g n o s i s s o m ek e yp r o b l e m sa n ds o l u t i o n sa r ea l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fs t u d y i n gm a j o rt e c h n o l o g i e su s e di nr e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m ，a u t h o rp u t sf o r w a r dan e t w o r ks t r u c t u r ea n dt w ok i n d so fo p e r a t i n gm o d e lo fr e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m i n t h i sp a p e r , w ed e s i g na n dr e a l i z ear e a l t i m ed i s t r i b u t e dd a t a b a s eb a s e do ns q ls e r v e ra n dd i s c u s st h ek e yt e c h n i q u e st or e a l i z et h es y s t e m a tl a s ts e v e r a lk e yp r o b l e m sa n ds o l u t i o n si np r a c t i c eo f s y s t e mn e t w o r ka r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：o n l i n em o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，r e m o t em o n i t o r i n g & d i a g n o s i s ，n e t w o r k d a t a b a s e兀j 铲人。# 坝 ：学位论文第一章绪论1 1 课题的提出及其意义随着现代大生产的发展和科学技术的进步，机械设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。特别是流水线和自动生产线的广泛应用，使得设备之间的联系进一步加强。由于许多无法避免的因素的影响，设备会出现各种各样的故障，以致降低或失去其预定的功能，甚至造成严重的以至灾难性的事故，这对设备的可靠性提出了更高的要求。设备的状念监测和诊断技术是保证设备正常运行的有效手段，在国民经济各个主要领域发挥了巨大作用，特别是在石化、电力、冶金等行业的应用已经相当普及，近几年又渗透到交通、矿山、能源、航空航天、核工业等领域。从目前来看，状态监测与故障诊断技术在机械制造业中的应用研究相对较少。另外，许多大中型企业在建立或规划m i s 时往往会忽略d c s ( 分布式计算机控制系统) 的各类信息，使d c s与m i s 脱节成为一个信息“孤岛”。这必然会导致：1 ) 企业决策时，缺乏准确、及时的原始数据和情况分析：2 ) 企业管理中的信息冗余、准确性差、不畅通；3 ) 企业计划能力差，导致生产不均衡，影响产品的质量和能源的合理利用。因此，企业已不能再满足d c s 的孤立应用，迫切地需要将d c s 和m i s 紧密地结合起来，达到信息集成与决策，以便解决企业中的许多复杂问题。为此，需要设计了一种将d c s与m i s 集成的计算机网络系统，并在工厂应用、实施，这样才能做到信息的融合和流通。对在线监测与故障诊断系统本身而言，由于需要完成采集、监控、报警、信号分析、趋势分析、诊断、数据服务、打印等多项任务，需要多台机器共同完成，而且完成这些任务的地理位置、工作环境可以不同，这就使得在线监控与故障诊断集成化网络系统的研究成为必然。另一方面，在当今信息时代，因特网的迅速发展及其良好的应用前景，使之成为各种信息的载体。基于因特网的远程协作作为2 1 世纪的新型合作方式倍受学术界和工业界重视，因特网模式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。因此未来的设备故障诊断技术必须和因特网相结合、采用开放式体系结构，才会有强大的生命力和广阔的应用前景。从另一角度而言，无论是远程诊断还是现场诊断，诊断者都需要根据设备当时的实际情况、现场的基本参数、使用第一手数据进行分析、判断。但由于目前我国企业内部专业技术人员比较少，设备出现故障时专家又由于地域原因不能及时到位，往往会因为时间的延误造成巨大的经济损失。而采取远程诊断这种经济、简便的方法，通过计算机把现场数据及时送到专家手中，就可以象专家在现场一样准确、及时地作出判断、采取有效措施解决问题。远程监控诊断的另一部分远程监控是指本地计算机通过网络系统( 主要是广域网i n t e m e t ) 实现对远端生产过程、生产设备的监视和控制，这使得相关人员随时随地能了解和控制设备运行。从这些方面而言，设备的远程监控与诊断有着广阔的应用前景。机械设备网络化监测诊断是计算机科学、通信技术、虚拟现实技术与机械故障诊断学相结合的一个新兴科技领域。设备监测诊断服务的对象是工业现场的生产设兀j 铲人。# 坝 ：学位论文第一章绪论1 1 课题的提出及其意义随着现代大生产的发展和科学技术的进步，机械设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。特别是流水线和自动生产线的广泛应用，使得设备之间的联系进一步加强。由于许多无法避免的因素的影响，设备会出现各种各样的故障，以致降低或失去其预定的功能，甚至造成严重的以至灾难性的事故，这对设备的可靠性提出了更高的要求。设备的状念监测和诊断技术是保证设备正常运行的有效手段，在国民经济各个主要领域发挥了巨大作用，特别是在石化、电力、冶金等行业的应用已经相当普及，近几年又渗透到交通、矿山、能源、航空航天、核工业等领域。从目前来看，状态监测与故障诊断技术在机械制造业中的应用研究相对较少。另外，许多大中型企业在建立或规划m i s 时往往会忽略d c s ( 分布式计算机控制系统) 的各类信息，使d c s与m i s 脱节成为一个信息“孤岛”。这必然会导致：1 ) 企业决策时，缺乏准确、及时的原始数据和情况分析：2 ) 企业管理中的信息冗余、准确性差、不畅通；3 ) 企业计划能力差，导致生产不均衡，影响产品的质量和能源的合理利用。因此，企业已不能再满足d c s 的孤立应用，迫切地需要将d c s 和m i s 紧密地结合起来，达到信息集成与决策，以便解决企业中的许多复杂问题。为此，需要设计了一种将d c s与m i s 集成的计算机网络系统，并在工厂应用、实施，这样才能做到信息的融合和流通。对在线监测与故障诊断系统本身而言，由于需要完成采集、监控、报警、信号分析、趋势分析、诊断、数据服务、打印等多项任务，需要多台机器共同完成，而且完成这些任务的地理位置、工作环境可以不同，这就使得在线监控与故障诊断集成化网络系统的研究成为必然。另一方面，在当今信息时代，因特网的迅速发展及其良好的应用前景，使之成为各种信息的载体。基于因特网的远程协作作为2 1 世纪的新型合作方式倍受学术界和工业界重视，因特网模式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。因此未来的设备故障诊断技术必须和因特网相结合、采用开放式体系结构，才会有强大的生命力和广阔的应用前景。从另一角度而言，无论是远程诊断还是现场诊断，诊断者都需要根据设备当时的实际情况、现场的基本参数、使用第一手数据进行分析、判断。但由于目前我国企业内部专业技术人员比较少，设备出现故障时专家又由于地域原因不能及时到位，往往会因为时间的延误造成巨大的经济损失。而采取远程诊断这种经济、简便的方法，通过计算机把现场数据及时送到专家手中，就可以象专家在现场一样准确、及时地作出判断、采取有效措施解决问题。远程监控诊断的另一部分远程监控是指本地计算机通过网络系统( 主要是广域网i n t e m e t ) 实现对远端生产过程、生产设备的监视和控制，这使得相关人员随时随地能了解和控制设备运行。从这些方面而言，设备的远程监控与诊断有着广阔的应用前景。机械设备网络化监测诊断是计算机科学、通信技术、虚拟现实技术与机械故障诊断学相结合的一个新兴科技领域。设备监测诊断服务的对象是工业现场的生产设鹕一审绪论备，网上传输的是设备运行的状态信息、t 艺参数数据等故障诊断所需的信息。机械设备网络化监测与故障诊断的优点在丁：机械设备监测诊断网络沟通了管理部fj一运行现场一诊断专家一制造厂之叫的信息，便于获取多方面的信息，积累和综合各方面的经验、知识，服务于设计、运行、维修，提高故障诊断的准确率；利用现代的信息传输载体网络，可以缩短收集故障信息的时i 口j ，提高故障诊断的效率；利用诊断网络还可以有利于数据积累、资源共享。比如，可以实施对设备的异地协同诊断，使得多个诊断系统服务于同一台设备以及多台设备共享同一诊断系统，以弥补单个诊断系统领域知识的不足，提高故障诊断的可靠性和智能化水平。因此，研究和丌发设备在线监测与诊断网络化系统具有现实意义。本课题是在国家自然科学基金课题“复杂机械制造系统智能动态辨识与状态预测的理论与方法”和几个横向的网络应用项目的支持下完成的，在原有的i d p m 故障诊断软件和在线监控单元的基础上，运用最新的网络集成技术、i n t e m e t 技术、数据库技术、数据通讯技术等，研究设计出一套在线监测与故障诊断网络系统，并完成集网络通信、数据库管理、在线报警、故障诊断、状态监测与预测于一体的，适用于设备在线监测与诊断的网络化软件设计，为机械制造业由基于分御式的在线监测与诊断向基于网络的设备诊断和状态监测模式转换提供有效的技术基础和解决方案。1 2 国内外设备故障诊断系统研究现状及其发展趋势机械设备监测诊断的模式经历了从单机监测诊断系统到分布式监测诊断系统( d m d s ) ，再到基于网络的远程监测诊断系统这样一个发展历程。最早的监测诊断系统是针对某一被监测机器而设计的，它是一种封闭式的系统，信息的交流与处理限于监测系统内部，这就是单机监测诊断系统，可以认为这是第一代的监测诊断系统。接着出现了针对大型机电设备的分布式监测诊断系统，它是针对大型机械设备主机和多辅机功能分布和地域分布的特点，通过工业局域网把分布于各个局部现场、独立完成特定功能的本地计算机互联起来，以达到资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理、诊断目的的工业计算机网络系统，这是基于工业局域网的相对开放系统，监测信息的交流与处理在局域网内部进行，d m d s 是第二代的监测诊断系统。随着信息高速公路的开通，状态监测诊断的网络化成为可能，已经出现了基于i n t e r n e t 的远程故障诊断系统。机械设备的远程监测与故障诊断系统可以实现“移动的是数据而不是人”，从而改变一旦设备发生故障，诊断人员就疲于奢命的被动局面。另外，随着科学技术与生产的发展，生产设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时生产设备日益趋向大型化、复杂化和智能化，各部分的关联更加密切。因此，完全基于数据处理的传统诊断技术远远不能适应这些要求。近年来，为了满足对大型复杂系统的状态监测和故障诊断要求，随着计算机技术的迅速发展，人工智能技术特别是神经网络、专家系统在状态监测和故障诊断中受到高度重视并得到广泛研究和应用。采用人工智能技术，总结专家和技术骨干的丰富经验和知识，开发的设备状态监测和故障诊断网络化专家系统，可以认为是第3 代设备状态监测与故障诊断系统。在国外，在设备监测诊断技术方面，美国开展研究比较早，1 9 6 7 年4 月在美国宇航局的倡导下，成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) 积极从事故障诊断技术鹕一审绪论备，网上传输的是设备运行的状态信息、t 艺参数数据等故障诊断所需的信息。机械设备网络化监测与故障诊断的优点在丁：机械设备监测诊断网络沟通了管理部fj一运行现场一诊断专家一制造厂之叫的信息，便于获取多方面的信息，积累和综合各方面的经验、知识，服务于设计、运行、维修，提高故障诊断的准确率；利用现代的信息传输载体网络，可以缩短收集故障信息的时i 口j ，提高故障诊断的效率；利用诊断网络还可以有利于数据积累、资源共享。比如，可以实施对设备的异地协同诊断，使得多个诊断系统服务于同一台设备以及多台设备共享同一诊断系统，以弥补单个诊断系统领域知识的不足，提高故障诊断的可靠性和智能化水平。因此，研究和丌发设备在线监测与诊断网络化系统具有现实意义。本课题是在国家自然科学基金课题“复杂机械制造系统智能动态辨识与状态预测的理论与方法”和几个横向的网络应用项目的支持下完成的，在原有的i d p m 故障诊断软件和在线监控单元的基础上，运用最新的网络集成技术、i n t e m e t 技术、数据库技术、数据通讯技术等，研究设计出一套在线监测与故障诊断网络系统，并完成集网络通信、数据库管理、在线报警、故障诊断、状态监测与预测于一体的，适用于设备在线监测与诊断的网络化软件设计，为机械制造业由基于分御式的在线监测与诊断向基于网络的设备诊断和状态监测模式转换提供有效的技术基础和解决方案。1 2 国内外设备故障诊断系统研究现状及其发展趋势机械设备监测诊断的模式经历了从单机监测诊断系统到分布式监测诊断系统( d m d s ) ，再到基于网络的远程监测诊断系统这样一个发展历程。最早的监测诊断系统是针对某一被监测机器而设计的，它是一种封闭式的系统，信息的交流与处理限于监测系统内部，这就是单机监测诊断系统，可以认为这是第一代的监测诊断系统。接着出现了针对大型机电设备的分布式监测诊断系统，它是针对大型机械设备主机和多辅机功能分布和地域分布的特点，通过工业局域网把分布于各个局部现场、独立完成特定功能的本地计算机互联起来，以达到资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理、诊断目的的工业计算机网络系统，这是基于工业局域网的相对开放系统，监测信息的交流与处理在局域网内部进行，d m d s 是第二代的监测诊断系统。随着信息高速公路的开通，状态监测诊断的网络化成为可能，已经出现了基于i n t e r n e t 的远程故障诊断系统。机械设备的远程监测与故障诊断系统可以实现“移动的是数据而不是人”，从而改变一旦设备发生故障，诊断人员就疲于奢命的被动局面。另外，随着科学技术与生产的发展，生产设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时生产设备日益趋向大型化、复杂化和智能化，各部分的关联更加密切。因此，完全基于数据处理的传统诊断技术远远不能适应这些要求。近年来，为了满足对大型复杂系统的状态监测和故障诊断要求，随着计算机技术的迅速发展，人工智能技术特别是神经网络、专家系统在状态监测和故障诊断中受到高度重视并得到广泛研究和应用。采用人工智能技术，总结专家和技术骨干的丰富经验和知识，开发的设备状态监测和故障诊断网络化专家系统，可以认为是第3 代设备状态监测与故障诊断系统。在国外，在设备监测诊断技术方面，美国开展研究比较早，1 9 6 7 年4 月在美国宇航局的倡导下，成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) 积极从事故障诊断技术雏章缝逊的研究和j t ：发。炎陶楚在7 0 年代初由英豳机械保健中心丌始，在政府的指导下相继在核发电、钢铁羔业、电力工、监方蔼成立了禚关梳构提供篮测诊断服务和诊断技术的研究推广工 乍。随厝，设备渗峨技术在欧洲的许多国家都褥到了缀大发展，曼在某一方面具有自己的特色，如瑞典s p m 轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术，l 麦的振动和声发射技术等。问本自从1 9 7 t 年开始发展自己的t p m ( 全员生产维修)以来，裁立了多个专f j 磅究梳梅然事敲障视瑾、诊断技术方谣的研究，特别是面j 民用工业如铡铁、化工、铁鼹等部门的应用发展很快。舅瓣审场上已经有多穆囊晶他的状态监测与故障诊断系统，如美国w h c c ( 西屋) 公司是从1 9 7 6 年开始研究，至9 0 年代已靛展戚两络化的汽轮发电视组智能化敌障诊断专家系统，其三套人工智能轶佟共鸯擐粼l 万多条。茏其跫与卡蠢基梅隧大学合作研翻豹基于过程诊断系统( p d s ) 的电厂人工智能诊断系统，自投入运行以柬取季导了巨大蛇经济效薤。美国恩泰克一爱迪公司( e n t e k i r d ) 在其离线、在线振动监测和诊断系统及其检测仪器方面有其特色，现已为国内如宝钢、大亚湾核电站、渤海油田、大连石化等配套了大概维监溅保护系统，e n t e k 公司静诊断系统分为两类，一类楚离线振动益测和诊叛系统，主要有：枧坡故障监测、分捱和诊断系统，旋转极械故障诊颤专家系统，机器运转缺陷振型分析系统；另一类是在线振动监测和诊断系统，主要有：网络化巡检式机械故障懿测分析及诊断系统，实时并行式大机组故障监测分析及诊断系统，大辊维靛测保护系统等。其它毙较有影酾静故障诊新软件还有鲡美函c s i 公司的3 l o o 系绞，f 本三菱公司的h m h 系绞，嚣德s c h e n c k 公司的v i b r o c a m5 0 0 0 ，美国s k f 公司的c m m a 8 0 0 a 等。目前这类系统已向网络化方向发展，应用较为普遍的是由美x e r o x 公司丌发的琶盂太弱( e t h e m e t ) ，其通谲速率为i o m b p s ，可连按为数众多的工作蟊占，这样可构成不嫡嫂摸的网络化款监测与诊叛系统，便予进霉亍集中餐理。其售号传梭可裂蹋惫话线、光缆或无线通讯方式。最早实现监测诊断网络化的是美图西屋公司、q u a n t u m化工公司、b e n t l y 公司等，他们均发展了各自的状态髓测诊断网络。德国的科学家近凡年氇开始着手因特两在梳械领域的应用研究，柏林工盈大学i p k 研究所的j k r u e g e r 媾士等磺剑了“基予网终验极域敖黠诊叛系统”。该系统剥臻瑟囱慰象豹编程语言j a v a 和因特网提供的各种服务，快遥获褥远程机器的冬种数据，及时掌握设备的运行状态，诊断出存在的故障。这样可利用异地专家的经骏，迅速及时地发现并撵除设备故障，消除豫患。这种远程箍测诊断网络系统可以认为是第三代设备状态监测与故障诊凝系统。总之，提拔设备躲耀终佬( 包括远程网络忧) 监测与渗断是计算机科学、通信技术与故障诊断技术檩结合的一种设备故障诊断方式，随羞信息高速公路的发展，设备网络化( 远程) 监测与诊断的研究与应用正在世界范围内兴超。我国政府对基于嬲终黪设诗与割造技术逛非常重褫，把它烈为匿容自然科学鏊金研究项目，认为网络技术是实现设计与制造一体化所必须的理论和技术手段。基于网络的设计和制造技术不仅可显示包括设计与制造在内的憨个过程，达到降低成本、缩短设计与制造周期、快速响应市场的目的，而且可实现故障的异地诊断和产晶戆异遮设计与制造。设计与割造熬全球纯是现 弋截遮业鹣发展趋势，也是社会稻科技发展的必然。在国内，设备诊断技术起步较晚，但发展速度很快，经过十多年的努力，从理论列实践都敬褥了匿大成采。从8 0 年代开始，设备诊断技术开始受到一些大型企业第一 绪论的重视，借助高校的科研力量对故障机理进行了深入的探索和研究并丌发d 卜系列状态监测及故障诊断软件，如由哈尔滨工业人学振动工程研究中心研制丌发的“2 0万干瓦汽论发电机组振动监测与故障诊断系统2 h x 1 0 ”，西安交通大学和兰州炼油jj 1 ：发的“高速旋转机械的状态监测及故障诊断系统r b 2 0 ”，华中理一i ：大学丌发的“汽轮发电机组诊断专家系统”，该系统已在扬子石化热电厂和泰州电厂投入使用，此外还有东南大学研制出的网络化的火电机组振动监测和故障诊断系统，西安交通火学研制的“大型离心式压缩机组在线监测和故障诊断系统”，国防科技大学研制的在远望号远洋科学考察船投入使用的在线监控和故障诊断系统等。在远程控制方面，哈尔滨工业大学对基于i n t e m e t 的电火花铣削c a d c a m 技术进行了研究，利用j a v a语言刀：发了基于i n t e m e t 的电火花铣削自动编程系统，通过网络浏览器可进行远程自动编程。系统具有跨平台特性，有着良好的开放性。随着国内诊断技术的迅速发展，开发研制的计算机诊断系统日益增多，其中旋转机械故障诊断应用最广，研制的系统也最多，目前各种问世系统近百种，大多用于汽轮发电机组、大型风机、压缩机组等大型设备，它们大都采用了各种先进的不同学科领域中的最新理论，引用了各种适用的设计手段，但也存在诸如方便性、稳健性等方面的问题，这些系统在结构的合理性、工程实用性和运行可靠性、可维护性及知识的可扩充性方面还远未达到人们所期望的水平，而国外的诊断系统并不能完全适用于国内企业的实际情况，且报价昂贵，如e n t e k 的预测维修( p m ) 系统，其网络版软件加上专用数据采集器报价是1 2 力美元，一般企业难以承受。所以立足国内，高起点地开发自己的设备监测与诊断系统和配套软件，提高性能价格比，与国外相应的系统和软件竞争，为企业服务，很有其现实意义。综上所述，设备诊断技术发展方向为：1 智能化诊断，如专家系统、神经网络等仍将是今后发展方向。虽然，目前在人工智能故障诊断专家系统及神经网络研究中取得了很大进展，但在机械故障诊断领域中仍存在着不少问题亟待解决，如领域专家缺乏定量的诊断经验，故障与征兆之间的复杂对应关系尚需进一步了解，大量知识的获取尚不能自动进行，如何寻找更有效的学习方法等，这些问题需要在今后的研究工作中逐步得到解决。2 诊断系统将由集中式向分布式发展，从而有利于系统的维护。系统的硬件设计、生产应标准化和专业化，软件设计应规范化和模块化，以缩短系统的开发周期并提高系统的可靠性。另外，提高诊断系统( 硬件和软件) 的可靠性是今后的方向。3 网络化是今后发展方向。利用各种通讯手段将故障诊断系统与在线监测系统结合起来组成网络，有利于对设备的管理，减少设备投资，提高系统利用率，必要时还可与企业的m i s 系统相联结，这将进一步促进企业管理现代化。1 3 本课题的主要研究内容1 在原有的i d p m 故障诊断软件和在线监控单元的基础上，采用计算机科学、通信技术、虚拟现实技术、机械故障诊断学等技术相结合的方法进行在线监控与故障诊断网络化系统的总体规划。并在此基础上完成了i d p m 软件系统网络版的开发。2 以模块化、通用性原则开发出在线监控系统、上位网络诊断系统、远程诊断中心三层之间的通讯软件模块。3 解决系统实现中的关键问题如：多线程程序的实现、实时性设计与数据传输、状第一 绪论的重视，借助高校的科研力量对故障机理进行了深入的探索和研究并丌发d 卜系列状态监测及故障诊断软件，如由哈尔滨工业人学振动工程研究中心研制丌发的“2 0万干瓦汽论发电机组振动监测与故障诊断系统2 h x 1 0 ”，西安交通大学和兰州炼油jj 1 ：发的“高速旋转机械的状态监测及故障诊断系统r b 2 0 ”，华中理一i ：大学丌发的“汽轮发电机组诊断专家系统”，该系统已在扬子石化热电厂和泰州电厂投入使用，此外还有东南大学研制出的网络化的火电机组振动监测和故障诊断系统，西安交通火学研制的“大型离心式压缩机组在线监测和故障诊断系统”，国防科技大学研制的在远望号远洋科学考察船投入使用的在线监控和故障诊断系统等。在远程控制方面，哈尔滨工业大学对基于i n t e m e t 的电火花铣削c a d c a m 技术进行了研究，利用j a v a语言刀：发了基于i n t e m e t 的电火花铣削自动编程系统，通过网络浏览器可进行远程自动编程。系统具有跨平台特性，有着良好的开放性。随着国内诊断技术的迅速发展，开发研制的计算机诊断系统日益增多，其中旋转机械故障诊断应用最广，研制的系统也最多，目前各种问世系统近百种，大多用于汽轮发电机组、大型风机、压缩机组等大型设备，它们大都采用了各种先进的不同学科领域中的最新理论，引用了各种适用的设计手段，但也存在诸如方便性、稳健性等方面的问题，这些系统在结构的合理性、工程实用性和运行可靠性、可维护性及知识的可扩充性方面还远未达到人们所期望的水平，而国外的诊断系统并不能完全适用于国内企业的实际情况，且报价昂贵，如e n t e k 的预测维修( p m ) 系统，其网络版软件加上专用数据采集器报价是1 2 力美元，一般企业难以承受。所以立足国内，高起点地开发自己的设备监测与诊断系统和配套软件，提高性能价格比，与国外相应的系统和软件竞争，为企业服务，很有其现实意义。综上所述，设备诊断技术发展方向为：1 智能化诊断，如专家系统、神经网络等仍将是今后发展方向。虽然，目前在人工智能故障诊断专家系统及神经网络研究中取得了很大进展，但在机械故障诊断领域中仍存在着不少问题亟待解决，如领域专家缺乏定量的诊断经验，故障与征兆之间的复杂对应关系尚需进一步了解，大量知识的获取尚不能自动进行，如何寻找更有效的学习方法等，这些问题需要在今后的研究工作中逐步得到解决。2 诊断系统将由集中式向分布式发展，从而有利于系统的维护。系统的硬件设计、生产应标准化和专业化，软件设计应规范化和模块化，以缩短系统的开发周期并提高系统的可靠性。另外，提高诊断系统( 硬件和软件) 的可靠性是今后的方向。3 网络化是今后发展方向。利用各种通讯手段将故障诊断系统与在线监测系统结合起来组成网络，有利于对设备的管理，减少设备投资，提高系统利用率，必要时还可与企业的m i s 系统相联结，这将进一步促进企业管理现代化。1 3 本课题的主要研究内容1 在原有的i d p m 故障诊断软件和在线监控单元的基础上，采用计算机科学、通信技术、虚拟现实技术、机械故障诊断学等技术相结合的方法进行在线监控与故障诊断网络化系统的总体规划。并在此基础上完成了i d p m 软件系统网络版的开发。2 以模块化、通用性原则开发出在线监控系统、上位网络诊断系统、远程诊断中心三层之间的通讯软件模块。3 解决系统实现中的关键问题如：多线程程序的实现、实时性设计与数据传输、状第一辛结论态监控中实时曲线的实现、基十b s 模式的远程监控的实现。4 设计出系统的数据库结构，包括内存数据库、历史数掘库、知谚 库，充分体现网络条件下控制系统实时性的要求，为数据库技术在存线监控与故障诊断中的应用进行探索。5 进一步对故障诊断及预测维修( i d p m ) 软件系统的完善，增加一些新的功能模块如加密、安全、用户认证等模块。天津人学礁卜学 曩 宅空第二章在线监测与故障诊断网络系统模型框架设计2 1 系统模型2 1 1 状态模型系统的状态模型描述了不断变化的系统中的各种因素。状态模型用来指明和实现系统的控制因素。状念模型以状态图来表示，如图2 1 所示。阔中以结点表示状态，并以数字标谀，馥弧表示国事件触发的状态之闯的交仡，箭头方向表示漆件触发蚋方囱。面向对象的分析假设所有的对象都有一个生命周期，一个生命周期出几个阶段组成。在特定的阶段要指定对象实例行为的自然准则。生命周期包含对象在不同生命时期的不同状态。在本系统中，程序自动运行时的对象，主命周期由以下凡个阶段组戏：采集状态数据：数据紫援分毒厅实对妊测诊翳；写入网络区 渎墩网络采集数据；写入数据库。这是系统一般运行时监测功能的生命周期。另外，由于w i n d o w s 环境下程序是一个多进程、多用户的系统，下列对象可通过垌户界面由用户手动激活或由系统裉掘状态分丰行诊断结集激活：数据瘁查询；事故遗忆；趋势分粝；遴行餐能教簿渗数；躲谈痒管理；诊断始谈鞔器学习：备逶遵动态曲线显示；系统声光拨警：各神图表打e p 输出；人机交互界西。翻2 * l 系统豹状态横堡蹬2 一l 是提攒上述黪分毒厅鼹建立起寒灼大型枧械状态监测与救黪诊龄踺络系统的状态模型。该模趔给出了系统中主要对象的生命周期。图中每个框图表示对象生命周期的一个阶段，而一条带箭头的弧线代表对象发出的一个事件及消息的传递途天津人学礁卜学 曩 宅空第二章在线监测与故障诊断网络系统模型框架设计2 1 系统模型2 1 1 状态模型系统的状态模型描述了不断变化的系统中的各种因素。状态模型用来指明和实现系统的控制因素。状念模型以状态图来表示，如图2 1 所示。阔中以结点表示状态，并以数字标谀，馥弧表示国事件触发的状态之闯的交仡，箭头方向表示漆件触发蚋方囱。面向对象的分析假设所有的对象都有一个生命周期，一个生命周期出几个阶段组成。在特定的阶段要指定对象实例行为的自然准则。生命周期包含对象在不同生命时期的不同状态。在本系统中，程序自动运行时的对象，主命周期由以下凡个阶段组戏：采集状态数据：数据紫援分毒厅实对妊测诊翳；写入网络区 渎墩网络采集数据；写入数据库。这是系统一般运行时监测功能的生命周期。另外，由于w i n d o w s 环境下程序是一个多进程、多用户的系统，下列对象可通过垌户界面由用户手动激活或由系统裉掘状态分丰行诊断结集激活：数据瘁查询；事故遗忆；趋势分粝；遴行餐能教簿渗数；躲谈痒管理；诊断始谈鞔器学习：备逶遵动态曲线显示；系统声光拨警：各神图表打e p 输出；人机交互界西。翻2 * l 系统豹状态横堡蹬2 一l 是提攒上述黪分毒厅鼹建立起寒灼大型枧械状态监测与救黪诊龄踺络系统的状态模型。该模趔给出了系统中主要对象的生命周期。图中每个框图表示对象生命周期的一个阶段，而一条带箭头的弧线代表对象发出的一个事件及消息的传递途棼帮拒线糖测4 j 教簿渗颧辅铸系绣槿型框禁敬瓣径。所泪的事件是当一个对象的一个实例从一个阶段向另一个阶段发展时或向另外一个对象转移时发出的信号。2 1 2 过程模堑系统过程模型爆来说明篷是麴侮诖算静，焉并l ；考虑动佟序列。过鬈模型表嘲了俊之蚓的依赖关系及相关的函数( 功能) 。在面向对象分板建模中可以用数摆渡程图( d f d ) 来表示系统过程模型。数据流程图( d v d ) 是用来说明输出值是怎样从输入德得到的。圈2 2 为本大型在线状态盆测与智能故障诊断系统的数据流程图，提供了系统懿舔八、输出整。掘岢! 、扭始、摊曲、拙始、蚌扳础、擅羟、球振幼、扭矩、鼻菇蠢、欹崽鼍采集h 文鬈粜分析矗忒n 矗数字信号分析丹析渗斯疗i 土结 l芰鼍、状态最、一拳 篓患翘面面i i 广i 暨垄r 盲硝丽一1 7 话勺。r ：作：状态爿攀筏_ t rl翔苏| | 堆嬲、剿对彀il 踪、仕改上l01 对象人机界面整2 - 2 系统熬l 垂芸数据漉鲻2 1 3 系统的工作流程裰据班上的系统模辇，本系统的一般工作流程如下：现场布嚣益溺点稃鬟场工控嬲络系绞，拐始鼗测点镕息并建立设各参数疼；现场监测鲍数掇通避监控工控枧的实时故障报警等一系列处理艏通过通讯予系统上传到上位网络系统，进行动态监视、智能诊断、装入数据库等操作。其中在现场对数据迸行必要的预处理，进行状态簸溺、实辩故障巅掰等，透过报警功能看是否有箍测参数超过报警限、是否有敌障产生，如没鸯则用状态黢测与预测撰块蛇多j 申预测模型对设蚤的状态进l 亍趋势颓测：如有的参数已经超限，则进入故障诊断模块进行精密诊断，以判明故障部位、性质及故障程殿：最后用标准的输出格式给出诊断报表、维修建议。当然上位网络系统也丽入工调用设备运行数猫进行益褫与诊断。2 2 系统集成随着网络技术的不断发展，i n t e r n e t 正把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路。而现场总线技术的兴趣，改交了控制系统的结构，使冀向着网络化的方商发袋，形成了对人类生产、生活有蓬要影确翡翁一类弼络一一控制网络。出于现场总线技术适应了控制系绞自智能化、网络化、分数化的发疑趋势，显示出强大生命力，得到力量迅速发展，成为控制领域的热点技术。随着现场总线控制网络的进一步发展，控制网络与数据网络的结合提上了r 程。控制网络氮叫一蓦t+一扒一一艇排关董罘式歼赤一嘈状态数据采集棼帮拒线糖测4 j 教簿渗颧辅铸系绣槿型框禁敬瓣径。所泪的事件是当一个对象的一个实例从一个阶段向另一个阶段发展时或向另外一个对象转移时发出的信号。2 1 2 过程模堑系统过程模型爆来说明篷是麴侮诖算静，焉并l ；考虑动佟序列。过鬈模型表嘲了俊之蚓的依赖关系及相关的函数( 功能) 。在面向对象分板建模中可以用数摆渡程图( d f d ) 来表示系统过程模型。数据流程图( d v d ) 是用来说明输出值是怎样从输入德得到的。圈2 2 为本大型在线状态盆测与智能故障诊断系统的数据流程图，提供了系统懿舔八、输出整。掘岢! 、扭始、摊曲、拙始、蚌扳础、擅羟、球振幼、扭矩、鼻菇蠢、欹崽鼍采集h 文鬈粜分析矗忒n 矗数字信号分析丹析渗斯疗i 土结 l芰鼍、状态最、一拳 篓患翘面面i i 广i 暨垄r 盲硝丽一1 7 话勺。r ：作：状态爿攀筏_ t rl翔苏| | 堆嬲、剿对彀il 踪、仕改上l01 对象人机界面整2 - 2 系统熬l 垂芸数据漉鲻2 1 3 系统的工作流程裰据班上的系统模辇，本系统的一般工作流程如下：现场布嚣益溺点稃鬟场工控嬲络系绞，拐始鼗测点镕息并建立设各参数疼；现场监测鲍数掇通避监控工控枧的实时故障报警等一系列处理艏通过通讯予系统上传到上位网络系统，进行动态监视、智能诊断、装入数据库等操作。其中在现场对数据迸行必要的预处理，进行状态簸溺、实辩故障巅掰等，透过报警功能看是否有箍测参数超过报警限、是否有敌障产生，如没鸯则用状态黢测与预测撰块蛇多j 申预测模型对设蚤的状态进l 亍趋势颓测：如有的参数已经超限，则进入故障诊断模块进行精密诊断，以判明故障部位、性质及故障程殿：最后用标准的输出格式给出诊断报表、维修建议。当然上位网络系统也丽入工调用设备运行数猫进行益褫与诊断。2 2 系统集成随着网络技术的不断发展，i n t e r n e t 正把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路。而现场总线技术的兴趣，改交了控制系统的结构，使冀向着网络化的方商发袋，形成了对人类生产、生活有蓬要影确翡翁一类弼络一一控制网络。出于现场总线技术适应了控制系绞自智能化、网络化、分数化的发疑趋势，显示出强大生命力，得到力量迅速发展，成为控制领域的热点技术。随着现场总线控制网络的进一步发展，控制网络与数据网络的结合提上了r 程。控制网络氮叫一蓦t+一扒一一艇排关董罘式歼赤一嘈状态数据采集棼帮拒线糖测4 j 教簿渗颧辅铸系绣槿型框禁敬瓣径。所泪的事件是当一个对象的一个实例从一个阶段向另一个阶段发展时或向另外一个对象转移时发出的信号。2 1 2 过程模堑系统过程模型爆来说明篷是麴侮诖算静，焉并l ；考虑动佟序列。过鬈模型表嘲了俊之蚓的依赖关系及相关的函数( 功能) 。在面向对象分板建模中可以用数摆渡程图( d f d ) 来表示系统过程模型。数据流程图( d v d ) 是用来说明输出值是怎样从输入德得到的。圈2 2 为本大型在线状态盆测与智能故障诊断系统的数据流程图，提供了系统懿舔八、输出整。掘岢! 、扭始、摊曲、拙始、蚌扳础、擅羟、球振幼、扭矩、鼻菇蠢、欹崽鼍采集h 文鬈粜分析矗忒n 矗数字信号分析丹析渗斯疗i 土结 l芰鼍、状态最、一拳 篓患翘面面i i 广i 暨垄r 盲硝丽一1 7 话勺。r ：作：状态爿攀筏_ t rl翔苏| | 堆嬲、剿对彀il 踪、仕改上l01 对象人机界面整2 - 2 系统熬l 垂芸数据漉鲻2 1 3 系统的工作流程裰据班上的系统模辇，本系统的一般工作流程如下：现场布嚣益溺点稃鬟场工控嬲络系绞，拐始鼗测点镕息并建立设各参数疼；现场监测鲍数掇通避监控工控枧的实时故障报警等一系列处理艏通过通讯予系统上传到上位网络系统，进行动态监视、智能诊断、装入数据库等操作。其中在现场对数据迸行必要的预处理，进行状态簸溺、实辩故障巅掰等，透过报警功能看是否有箍测参数超过报警限、是否有敌障产生，如没鸯则用状态黢测与预测撰块蛇多j 申预测模型对设蚤的状态进l 亍趋势颓测：如有的参数已经超限，则进入故障诊断模块进行精密诊断，以判明故障部位、性质及故障程殿：最后用标准的输出格式给出诊断报表、维修建议。当然上位网络系统也丽入工调用设备运行数猫进行益褫与诊断。2 2 系统集成随着网络技术的不断发展，i n t e r n e t 正把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路。而现场总线技术的兴趣，改交了控制系统的结构，使冀向着网络化的方商发袋，形成了对人类生产、生活有蓬要影确翡翁一类弼络一一控制网络。出于现场总线技术适应了控制系绞自智能化、网络化、分数化的发疑趋势，显示出强大生命力，得到力量迅速发展，成为控制领域的热点技术。随着现场总线控制网络的进一步发展，控制网络与数据网络的结合提上了r 程。控制网络氮叫一蓦t+一扒一一艇排关董罘式歼赤一嘈状态数据采集船一牵拒线瞧测，故障诊断鲻络系统模型框檠波 i n f r a n e t 与互连嘲i n t e r n e t 、企业内部嘲i n t r a n e t 的连接，使控制网络与数捌网络融为一体，证控铜信怠汇入弼数据潮络。从而进一步拓宽了控翩系统的范围，丰富了网络系统蛇信息内容与应用锈域。埕藤晷外已有缳多公司正在积极磺究、开发l n f r a n e t i n t r a n e t i n t e r n e t 网络连接标准，尽可能地利用现有的w w w 技术，将采集到的数据和控制参数直接放到i 1 m l 文档中，使远程用户可以通过i n t e r n e t 对生产过程进行访闯，或控匍浚备的运行。如闳外某大型石亿企业已鍪本实现在公司总部对分数褒各地的下属单绞，进行运营、生产概援的数据、蝗线毖览，监视】= 厂+ 生产装置的运行状态。这都将为开发开放型、全分布式、智能化的测控网络系统创造了条件。在一定意义上说，i n t e r n e t 的本质在于网络化，现场控制网络( i n f r a n e t )到瀚际互联翻( i n t e r n e t ) 的一体化，就怒要通过i n t e r n