汽轮机组远程诊断系统中的关键技术研究.pdf

长沙理工大学 硕士学位论文 汽轮机组远程诊断系统中的关键技术研究 姓名：祁立君 申请学位级别：硕士 专业：动力机械及工程 指导教师：李录平 20070401 摘要 本文研究火电厂汽轮机组远程监测与诊断系统中的关键技术，结合当今高速 发展的玎技术，设计出了基于W e b 的汽轮机组远程监测与诊断系统的总体结构。 该系统把内部I n t r a n e tC S 模式的本地采集监测系统和I n t e r n e tB S 模式的远程监 测服务中心有机地结合起来，形成合理的多层系统结构。在厂级数据采集层，利 用高效率V B 语言在高速采集器上进行二次开发，采用多缓冲技术保证高速数据 不丢失，并在本地监测端对实时信号进行分析与处理，最后将实时数据及分析数 据暂存数据库。在数据存储模块中利用优化存储过程实现。一次编译，多次执行” 提高数据存储效率，缓解服务器压力，确保远程客户浏览数据的实时性。在远程 客户端，采用A S P N E T 、A D O N E T 、S Q L 数据库等技术。将最新的A j a x 技术融 入其中，结合浏览器端画图组件V M L ，将W e b 页面分为动静两部分，在不下载 任何额外控件的前提下，实现快变信号在W e b 上的无刷新图形绘制，改变了传统 W e b 页面的数据传输方式改善了客户浏览的视觉效果，提高了页面的响应速度 及系统的安全性另外，在远程服务中心网站的设计中，对远程专家在线讨论、 协作诊断的实施机制及其软件实现方法进行了探索。在对远程监测诊断系统的关 键技术问题研究的基础上，本文开发出了一套远程监测与诊断原型系统，成功地 将A j a x 技术应用于远程监测系统的W e b 页面图形用户界面上，为开发基于W e b 远程监铡系统提出一条新的解决方案。 关键字：汽轮机组；状态监测；远程诊断；O S 结构；A J A X A BS T R A C T T h ek e yt e c h n i q u ei 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 ss y s t e mf o rs t e a m t u r b o s e ti sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s I nc o m b i n a t i o nw i t ht h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n t o fI Tt e c h n o l o g y , t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fW e bb a s e ds y s t e mo fr 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 so ns t e a mt u r b i n ei sd e s i g n e d T h ei n t e r n a lI n t r a n e tC Sm o d e lo f t h el o c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h eI n t e r n e tB Sm o d e lo fr e m o t em o n i t o r i n g s e r v i c ec e n t e ra r ec o m b i n e do r g a n i c a l l yt of o r mar a t i o n a ls y s t e mw i t hm u l t i l a y e r s t r u c t u r e M u l t i - b u f f e rt e c h n o l o g yi su s e di nt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt oe n s u r e t h a th i g hs p e e dd a t ai sn o tl o s t ，s c i e n t i f i ca n a l y s e sl i k eF F Ta r ed o n ef o rt h e r e a l t i m ed a t at h e n ，a tl a s t 。t h ed a t ai sd i s p l a y e da n dp u ti n t od a t a b a s ew i t ht h e o p t i m i z e ds t o r a g ep r o c e s s t oi m p r o v ed a t as t o r a g ee f f i c i e n c yS Ot h a tt h ec u s t o m e r sa t t h er e m o t et e r m i n a lc a ng e tt h ei n f o r m a t i o ni nt i m e A tr e m o t ec l i e n t 。A j a x ，A s p n e t ， A d o n e t 。S Q LD a t a b a s et e c h n o l o g ya n dt h eV M Lc o m p o n e n ti nb r o w s e r a r eu s e di n t h es y s t e m ；t h er a p i dc h a n g e ds i g n a li sd i s p l a y e dw i t hn o n - r e f r e s hi nt h eW e ba n d w i t h o u t d o w n l o a d i n ga n y a d d i t i o n a lc o n t r o l s T h et r a d i t i o n a l w a yo f d a t a t r a n s m i s s i o ni sc h a n g e d ；t h ev i s i o ne f f e c ta n dt h es a f e t yo ft h es y s t e ma r ei m p r o v e d I na d d i t i o n ，t h es y s t e mw i l la l s op r o v i d eo n l i n ed i s c u s s i o n ，c o o p e r a t i o nd i a g n o s i s s y s t e m a n dh e l ps y s t e mf o r t h eN o n p r o f e s s i o n a lw o r k e r s Ap r o t o t y p er e m o t e d i a g n o s i ss y s t e mi sd e v e l o p e do nt h e b a s i so ft h es t u d yo nt h ek e yt e c h n i c a li nt h e r e m o t em o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e m ，t h eA j a xt e c h n o l o g yi ss u c c e s s f u l l yu s e di n g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eo f i n d u s t r i a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dan e ws o l u t i o ni s p r o p o s e df o rt h ed e v e l o p m e n to fW e b b a s e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m K e yw o r d s sS t e a mt u r b o s e t ；C o n d i t i o nm o n i t o r i n g ；R e m o t ed i a g n o s i sB S s t r u c t u r e ；A J A X 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者魏牟f 互考 日期：一7 年厂月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 五篪日期：细7 年广月日 日期。垆- - 月z 参日 a r 3 P H _ I却墨 名 名 签 签 者 师 作 导 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着大型汽轮机组朝着高参数、大容量、自动化方向发展，整个系统变得越 来越复杂，设备出现故障的频率也越来越高，故障的危害性也越来越大。近几十 年来，国内外已发生了多起汽轮机组整机毁坏的事故，因设备故障而导致重大经 济损失和人员伤亡的事件也时有发生，如日本关西电力公司南海电厂3 号6 0 0 M W 汽轮机组的断轴毁机事故、我国大同电厂和秦岭电厂2 0 0 M w 汽轮机组的断轴毁 机事故因此保证汽轮机组的安全运行具有十分重要的意义。 状态监测与故障诊断技术是状态检修的支撑技术。为了在火电厂实施状态检 修，其先决条件是对机组实行在线监测与诊断。测量技术、传感器技术、信号分 析技术和计算机技术的发展为实现在线监测与故障诊断提供了可能。采用计算机 对这些设备实旌在线状态监测与故障诊断，不仅能及时了解设备当前的工作状 况，进行报警监测，还可将设备在各种工作状态下的数据、信息进行存储、管理 和分析，实现故障预报和早期诊断，并视情况指导和安排维修计划，变定期预防 维修为预测维修，提高设备利用率，增加产值，减少人力物力的浪费，在故障时 还能高速瞬时地保存大量异常信息以便进行事故追忆与分析 然而，无论是国内的还是国外的故障诊断系统，其实都不具备真正的“自主” 诊断功能。这些系统在诊断过程中需要一定的人工干预，因此从本质上讲，这些 系统只能算是故障诊断的辅助工具，真正进行故障诊断的还是诊断工程师和领域 专家。由于在线监测与诊断系统是安装在现场的，而任何一个电厂不可能拥有大 量的专家，再加上故障发生的随机性，因此在故障发生时现场往往不可能有很多 的诊断技术人员，这种依赖专家的系统所发挥的作用也就大打折扣为改变这种 现状，可以从两方面加以改进：一方面进一步增强系统的。自主”诊断能力使 系统能够在完全“自主”或者极少干预的情况下完成征兆的提取和故障诊断；另 一方面开发出基于互联网的汽轮机组远程监测分析和故障诊断系统，使得远程系 统可以在需要的情况下申请外地专家对设备故障进行异地会诊，从而提高了诊断 的正确性和实时性，同时还有利于诊断资源的共享和技术的推广。由此可见，研 究开发一套基于互联网的、具有高度。自主”诊断能力的汽轮发组远程状态监测 分析与故障诊断系统还是非常有必要的。 1 2 汽轮机组监测诊断技术的发展与现状 设备故障诊断技术的历史，可以追溯到1 9 世纪产业革命时期，早期的诊断 技术主要依赖于个体专家单纯依靠感官获取设备的状态信息。凭个体专家的经验 做出的直接判断，这是最原始、最简单的诊断技术。2 0 世纪初，可靠性理论的 产生和运用，使人们可以依赖事前对材料寿命的分析和评估及设备运行中对材料 性能的部分检测来完成对设备的诊断。到了2 0 世纪中叶，真正意义上的诊断技 术才逐渐开始，各种类型和性能的传感器和钡j 振仪相继研制成功，并开始应用于 科学研究和工程实践。六七十年代，数字电路、电子计算机技术的发展、信号数 字分析处理技术的提出，推动了振动检测技术在机械设备上的应用。7 0 年代至 8 0 年代，随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术 与故障诊断技术等现代科学技术发展，设备的监测和故障诊断研究跨入系统化的 阶段，并把实验室的研究成果逐步推广到核能设备、动力设备以及其它各种大型 的成套机械设备中去，进入了蓬勃发展的阶段“1 8 0 年代后，人工智能和专家系 统、神经网络等开始发展，并在工程实践中得到运用，使设备维修技术达到智能 化高度“1 。此时，状态监测系统把体现机械动态特性的振动、噪声作为主要监测 和分析的内容，但由于振动、噪声是快速随机性信号，不仅对测试系统要求高， 而且在分析中要进行大量的数据处理，国内外在8 0 年代用小型计算机或专用数 字信号处理机作为主机完成机械动态特性的数据处理，该类主机不仅价格昂贵而 且对工作环境要求苛刻，因而通常采用离线监测与分析诊断的方式 9 0 年代以来，高档微机不断更新且价格迅速下降，适合数字信号处理的计算 方法不断优化，使数据处理速度大为提高，为在工业现场直接应用状态监测技术 创造了条件。美国西屋公司从1 9 7 6 年开始电站在线计算机诊断工作，1 9 8 0 年投入 了一个小型的电机诊断系统，1 9 8 1 年进行基于人工智能的电站故障诊断专家系统 的研究，1 9 8 4 年应用于现场，后来发展成大型电站在线监测诊断系统( A I D ) ，并 建立了沃伦多故障运行中心( D O C ) ，通过D O C 中心可以看到分布在全美2 0 多个电 厂的数据信息( 其中包括2 个核电站) 。B e n t l y 公司在转子动力学、振动监测、旋 转机械的故障机理方面有比较深入的研究，尽管在故障诊断方面起步较晚，但该 公司开发的旋转机械故障诊断系统( A D R E ) 在国内电站得到了较为广泛的应用。 而I R D 公司在故障预防性维修技术方面处于国际领先地位，近年来实现了M p u l s c 联网机械状态监测系统，P m P o w c r 旋转机械振动诊断系统，在美国1 0 多个电站( 包 括核电站) 得到了应用。 在欧洲和日本也有许多公司从事故障诊断技术的研究、产品的开发及应用。 瑞士A B B 公司于1 9 7 1 年由B B C 公司引入第一个计算机辅助数据采集系统 ( C A D A ) ，其后大力发展以计算机为前终端核心的“人机联系”( M M C ) 振动观 2 察( V i b r oV i e w ) 系统，并使用诊断软件精确诊断机器故障。日本三菱重工首先研 制成了机械状态监测系统( M H M S ，M a c h i n e r y H e a l t h M o n i t o r i n g ) 在多台核电站和 商业热电站使用，后来又发展成带诊断规则描述。以及采用模糊逻辑分析确定置 信因素功能的振动诊断专家系统”1 。 我国在工业部门中开展状态监测和故障诊断技术研究的工作起步于上世纪 8 0 年代，在此之前从国外引进的大型机组，一般都购置了监测系统，而在自行 研制的国产设备上，若选用国外的监测系统，由于价格异常昂贵而难以接受。8 0 年代中后期以来。我国有关研究院所、高等院校和企业开始自行或合作研究旋转 机械状态监测和设备故障诊断技术，并取得了很多新成果。从理论到应用都有了 迅速的发展，至今已发展成为集数学、物理、力学、化学、电子技术、计算机技 术、信息处理、人工智能等各种现代科学技术于一体的新兴交叉学科，并开发出 相应的旋转机械状态监测和故障诊断系统。 设备状态监测与故障诊断技术，已经从单凭直觉的耳听、眼看、手摸，发展 到采用现代测量技术、计算机技术和信号分析技术的先进的监测技术，诸如超声、 声发射、红外测温等，层出不穷人工智能、专家系统、模糊数学等新兴学科在 机械状态监测技术中也找到用武之地。在机械动态信号分析方法和应用技术上， 新近的发展有：采用空间域滤波的预处理、采用V o i d K a l m a n 滤波的多阶比信号 分析技术、适于非平稳信号的基于W i g n e r V i l l e 分布分析，小波( W a v e l e t ) 变换方 法、混沌分析方法、智能传感与检测技术、以及与v X I 总线仪器平台相关的技 术等。 现今，国内外较典型的状态监测方式主要有3 种“1 。 1 离线定期监测方式。测试人员定期到现场用一个传感器依次对各测点进行 测试，并用磁带机记录信号，数据处理在专用计算机上完成，或是直接在便携式 内置微机的仪器上完成，这是当前利用进口监测仪器普遍采用的方式采用该方 式。测试系统较简单，但是测试工作较烦锁，需要专门的测试人员。由于是离线 定期监测，不能及时避免突发性故障 2 在线检测离线分析的监测方式。亦称主从机监测方式在设备上的多个测 点均安装传感器，由现场微处理器从机系统进行各测点的数据采集和处理，在主 机系统上由专业人员进行分析和判断。这种方式是近年在大型旋转机械上采用的 方式。相对第一种方式，该方式免去了更换测点的麻烦，并能在线进行检测和报 警，但是该方式需要离线进行数据分析和判断，而且分析和判断需要专业技术人 员参与。 3 自动在线监测方式。该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作状态，及 时进行故障预报，而且能实现在线地进行数据处理和分析判断。由于能根据专家 经验和有关准则进行智能化的比较和判断中等文化水平的值班工作人员经过短 期培训后就能使用。该方式技术最先进，不需要人为更换测点也不需要专门的 测试人员，而且不需要专业技术人员参与分析和判断，但是软硬件的研制工作量 很大。 然而，当机械设备发生故障时，不仅物质财富遭到破坏，服务被迫中断，甚 至人员的生命也会受到威胁。在工业发展史上，机械设备故障造成的灾难和环境 事故频频发生。例如，美国阿莫科卡迪斯号油轮原油泄漏事故，前苏联的切尔 诺贝利核电站事故等等，了解这些事故发生的过程以及如何加以防范。成为要考 虑的重要问题，尤其这些故障大都是由于人为干预和不当措施所造成的，因而减 少维护次数和提高维护的科学性是预防恶性事故发生的重要方面。近年来丹麦、 美国、德国、日本等发达国家的专家学者迸一步提出了预知维护的基本概念 设备预知维护是通过对机械设备运行状态做监测及预测来取代定期检修方 式，其原则是：只有当监测、分析和预测结果表明有必要维修时才进行维修。这 种现代化维护方式能监测和预报设备的故障，在发现故障前兆时能及时停机，甚 至能按判别出的故障的性质和部位，有目的地进行检修。 因此，若能在线实时监测并以人工智能来分析机械设备经历及当前的状态， 并预测随后的发展，则可以实时、科学、有效地揭示机械设备当前的工作状态， 并预测今后多长时间设备状态将达到不可接受的程度而应当停机维修，从传统的 预防维护上升到预知维护。若对旋转机械设备施行预知维护，需要在旋转机械状 态监测和故障分析的基础上，进一步通过对设备状态进行频域、时域的综合分析 判断以及状态的趋势预测来实现。 国际上有代表性的预测系统是美国E n t e kS c i e n t i f i cC o r p o r a t i o n 的预测维修 系统( p r e v e n t i v em a i n t e n a n c es y s t e m ) ，其主要功能有：幅值趋势图显示：时域波 形显示，频谱显示；六段频频谱自动报警，窄带频谱自动报警；两频谱幅值比显 示，两频谱幅值差显示；三维谱图显示；旋转机械故障诊断专家系统进行离线故 障诊断；支持铁谱分析：支持局域网。该预测系统，对频谱进行自动比较，能识 别由于旋转机械转速变化所引起的频率漂移，并提供报警信号。 在诊断技术方面，近3 0 年来其研究内容主要反映在以下几个方面： 1 故障机理的研究 该项研究的目的是为了掌握故障形成和发展过程，了解设备故障内在本质及 其特征，建立合理的故障模式。其研究方法是依赖于相关的基础科学，建立相应 的物理或数学模型，进行计算机仿真计算，它是设备状态监测与故障诊断的基础。 在旋转机械方面，美国S o h r e J s 于1 9 6 8 年发表的论文。高速涡轮机运 行问题的起因和治理”对旋转机械的典型故障征兆和原因进行了全面的描叙和归 纳。他将典型故障归纳为9 类3 7 种。我国在故障机理研究方面也做了大量的工 作，如高金吉博士在他的博士论文中结合多年的实际经验，对高速旋转机械的故 4 障及识别特征进行研究，提出了一次原因及主导频率的科学分类方法，归纳、总 结了诊断l O 类5 8 种故障的识别特性 2 故障信息处理技术的研究 故障信息处理技术对正确诊断故障有十分重要作用。故障信息处理技术包括 故障信号的检测和分析处理两部分。检测的信号通常有振动、噪声、温度、压力、 流量、电压等，分析处理就是对这些信号进行加工、变换、提取出对诊断有用的 征兆以快速傅里叶变换( F P T ) 为核心的经典信号处理分析方法在设备状态检 测和故障诊断中发挥了巨大作用，它包括：频谱分析、相关分析、相干分析、传 递函数分析、细化谱分析、时间序列分析，倒频谱分析、包络分析等。 当设备出现故障或负荷、转速发生变化时，必须从时间和频率两方面进行分 析。常用频率分析方法有：W i g n e r - V i l l e 分布、短时傅氏变换、小波变换，全息 谱分析 3 人工智能专家系统与神经网络的研究 人工智能主要研究如何利用计算机模拟人的智能，它的且的是使计算机去做 只有人才能做的智能任务，如推理、理解、决策、学习等。专家系统是人工智能 的一个分支，它是一个智能计算机程序，它利用知识和推理过程来解决那些需要 大量人类专家知识才能解决的复杂问题。振动故障诊断专家系统知识的范围应包 括以下5 个方面，而这5 个方面可作为今后建立机组振动故障自动诊断系统的基 本框架“4 ”。 ( 1 ) 振动信号数据处理； ( 2 ) 故障部位的判定； ( 3 ) 振动的变化特性； ( 4 ) 振动与相关量的关系； ( 5 ) 机组的结构分析。 4 故障诊断系统的开发与研究 设备故障诊断离不开实际的手段。目前在这方面的发展主要在以下两个方向 进行，即便携式的振动监测、诊断仪及在线监测与诊断系统。 1 3 本文的主要研究内容 尽管基于网络的汽轮机组远程振动监测诊断系统的研究，在理论研究和应用 系统开发等方面都己取得一定的进展，但仍然难以满足现场要求。存在一些理论 与应用问题需要进一步研究，如系统可靠性、网络安全，高速数据采集存储、远 程数据实时传输、动态图形信号显示等。 机，服务器( C l i e n t S e v e r ，简称C $ ) 目前，在系统总体结构上大多采用客户 模式。有些虽然采用浏览器服务器 ( B r o w s e r S e r v e r ，简称B S ) 模式，但方法一般都是将系统主要功能封装于各 个A c t i v e X 控件中，并将其嵌入到W e b 页面中，实现振动监测分析图形的显示 和刷新。在远程诊断方面，投入使用的情况和效果也不理想，主要还停留在数据 存储管理和一般分析功能上，不能为运行和生产管理人员提供有效的诊断帮助。 因此，开展汽轮机组远程监测与故障诊断的研究，开发出真正能满足生产现场实 际需要的系统，是当前机组远程监测诊断研究领域的重要课题之一。 为此，本文以汽轮机组振动监测与故障诊断系统为研究重点，研究利用互联 网络技术实现远程机组监测诊断技术，开发基于B S 模式的机组监测诊断系统。 主要研究内容包括以下几个方面： 1 研究学习汽轮机组状态监测与故障诊断技术基本理论。 Z 进行基于B S 模式的汽轮机组远程诊断系统的功能设计和结构设计。 3 整套系统采用C S 和B S 相结合的模式构造，即数据采集程序采用C S 模 式，而远程监测诊断系统部分采用B S 模式，使用户可以通过系统自带的W e b 浏览器运行程序。 4 开发基于C S 模式汽轮机组远程诊断系统的数据采集分析系统与数据库 系统、基于B S 模式的机组远程监铡诊断系统。系统采用F r o n t P a g e 和A S P N E T 开发振动图形采用A j a x 结合V M L 实现无刷性页面显示。 5 设计建立远程监测诊断中心网站系统，包括实时监测、实时交流、诊断帮 助等子系统。 6 第二章基于互联网的汽轮机组远程监测诊断系统总体 设计 根据前面介绍的背景内容和对实际应用需求的分析，针对电厂汽轮机组自身 复杂性的特点，本章设计了汽轮机组远程监测诊断系统的总体结构，并对其主要 功能和不足进行了分析，指出了实现本系统的关键技术。 2 1 系统总体设计 2 1 1 汽轮机组远程监测诊断系统结构 汽轮机组远程监测与诊断系统的结构见图2 1 。远程诊断系统的基础是集中 式在线监测系统和分布式在线监测系统，采用若干台中心计算机作为诊断服务 器，在关键设备上设立状态监测点通过在监测点上安装的传感器拾取机械设备 的运行信息，经过信号预处理、A D 转化后输入现场监测计算机，然后对信号进 行单位变换，实现连续实时地采集设备状态数据在技术力量较强的科研院所或 大学建立远程分析诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障。通过网络将监测 点连接成一个复杂的监测网，任何一个监测系统都可以提出申请服务的请求，在 异地的诊断服务中心接到请求服务的信息后，可以提供各种服务，并返回诊断结 果。同时远程服务中心也可以从网上直接获取目前某个监测点的设备运行状态信 号和历史数据，从而形成一个完整的监测系统”一旦重要设备出现隐患和故 障，可以在短时问内调动互联网内的所有诊断资源，实现对设备故障的早期诊断 和及时维修，使企业能及时调整生产过程，达到安全、高效生产的目的远程故 障诊断的系统框架主要从现场采集数据端和一般客户端两个方面考虑。现场采集 的数据先经过数据分析工作站简单处理和分析，把数据传输到数据库服务器。一 般的用户则直接通过W e b 请求，传送需要诊断的故障数据到诊断中心，由诊断系 统分析和处理再写入数据库，诊断系统运用专家知识库，进行基于规则的推理， 自动推断故障类型，给出解决问题的有效方法。 汽轮机组远程监测诊断系统按照所分布的地域来划分，可以分为现场工作 站、企业监测诊断中心和远程监测诊断服务中心。现场工作站位于汽轮机组现场， 企业监测中心一般位于企业机房或者数据中心，现场工作站和企业监测中心通过 企业局域网相连，企业监测中心通过互联网和远程监测诊断服务中心相连。现场 工作站的主要功能是数据采集、信号预处理、临时数据保存等。企业监测中心一 7 般包括数据库服务器、监测诊断服务器、管理服务器和W e b 服务器等负责现场数 据分析、初级故障诊断和结果报告的输出( 棒图分析、趋势分析、时域分析等) 。 图2 1 汽轮机组远程监铡诊断系统总体框架结构 1 现场数据采集系统。采用标准工控机作为主机，将现场的各种信号如振动 信号、各种工艺信号( 温度、压力、流量等) ，经传感器采集、模数转换、预处理 后存入数据库服务器的数据库中。 2 数据库服务器。负责保存系统的配置数据：如工厂、机组、通道等基本参 数；设备运行数据：如实时监测数据、历史数据、报警数据、各种分析诊断结果 等，此类数据要求存储时间长，数据量较大。远程在线状态监测与故障诊断系统 应满足实时性好、响应速度块、能处理并发请求等要求，因此。对数据库服务器 性能要求较高 3 w 曲服务器。负责对监测、分析诊断各个功能模块的统一管理。是客户端 和数据库之间的桥梁，为I n t e r n e t 或I n t r a n e t 上各用户查看机组状态提供接口。从 数据流量分布和负载均衡性的原则出发，应将数据库服务器和W e b 服务器分别布 置在不同的计算机上，但在实际应用中，在满足性能要求的情况下，从经济因素 的角度出发，常将二者安装在一台计算机上。 4 状态监测与故障诊断工作站和各浏览器。从本质上讲它们都是系统的客户 端，状态监测与故障诊断工作站一般运行在I n t r a n e t 内，实现机组状态显示、报 表打印、报警控制、系统参数修改等。系统也可以通过网关接入I n t e r n e t ，实现 数据在I n t e r n e t 上的共享。 2 1 2 远程监测诊断系统软件体系结构 目前，状态监测与故障诊断系统软件的体系结构按照逻辑划分，可以分为二 层结构和三层结构两种，其中三层B S 结构如图2 z 所示。 图2 2 B S 模式结构图 以下就B S 结构模式与C s 结构模式进行分析比较，以便于在软件系统设计过 程中对软件结构做出合理的选择。 商用计算模式从最初的集中式计算，经过了C l i e n t S e r v e r 阶段，已发展到目 前最流行的B r o w s e r S e r v e r 计算模式，B S 结构模式与C S 结构模式的分析比较如 下 1 ，集中式计算模式 第一代计算模式是集中式计算即主机模式，由大型机和多个与之相连的哑终 端组成。这种计算模式的主要优点是：安全性好：可靠性高；计算能力和数据存 储能力强；系统维护和管理的费用较低。但是它也存在着一些明显的缺点，如： 硬件的初始投资高；可移植性差；资源利用率低；网络负载大。该模式仍是一些 特定应用场合下重要的计算处理方式。如金融领域等。尽管其它的计算模式在计 算能力和伸缩性方面己经向大型机逼近，但支持大量用户和数据时。大型机自顶 向下的维护和管理方式仍显示着集中式处理的优越性。 2 C l i e n t S e r v e r 模式 随着P C 机的诞生与应用，计算模式从集中式( 数据和应用逻辑在一台主机 上) 转向了分布式( 数据和逻辑跨越多个节点机) ，尤为典型的是C l i e n t S e r v e r 结构， 它的发展经历了两个阶段：从两层结构到三层结构。 ( 1 ) 两层结构 由两部分构成：前端是客户机，通常是P C 。主要完成用户界面显示，接受 数据输入，校验数据有效性，向后台数据库发请求，接受返回结果，处理应用逻 辑；后端是服务器，运行D B M S ，提供数据库的查询和管理。应用逻辑主要在前 端，如在后端则是存储过程的形式，这种结构在八十年代及九十年代初得到了大 量应用，最直接的原因是可视化开发工具的应用随着应用规模的扩大，人们逐 渐发现了两层C S 结构的许多不足： A 首先是系统的可伸缩性差，用户数一旦大起来，通常会出现通讯堵塞、 数据库响应慢等各种问题。 B 几乎所有的应用逻辑都在客户端进行，导致应用的可扩展性差，而且很 9 难和其它系统进行互操作。 C 当系统需要涉及多个数据库时，依赖于数据库本身的互联能力，难以支 持多个异构数据库。 D 客户端程序和服务器端D B M S 交互频繁，网络通讯量大。 E 客户端的应用程序越来越复杂，对安全性和业务变化的管理能力差，所 有客户机都需要安装、配置数据库客户端软件，同时要维护如此“肥”且节点众 多的客户机更是一件十分庞杂的工作。 ( 2 ) 三层结构 三层应用结构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 将应用程序分为表示层、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。基于三层结构的 应用系统不但具备了大型机系统稳定、安全和处理能力高等特性，同时拥有开放 系统成本低，可扩展性强、开发周期短等优点。而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 务器间的联接和通讯；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。 。 三层结构与传统的两层C S 结构相比维护升级十分方便：系统的可扩充性 良好；系统管理简单，可支持异种数据库有很高的可用性：可以进行严密的安 全管理。 3 B r o w s e r S e r v e r 模式 客户端浏览器通过H T T P 协议向应用服务器发送请求，W e b 层生成网页用来 完成表示层逻辑，它们的主要作用是接受并检验用户输入，调用后端的业务逻辑 层，并把业务逻辑层处理的结果返回给用户。W e b 层运行在应用服务器端，业务 逻辑层访问D B M S 或遗留系统 处于第一层的是客户端，与C S 结构中的客户端不同，B r o w s e r S e r v e r 结构的 客户层仅保留一个W e b 浏览器( 如I E 或N a v i g a t o r 等) ，不存放任何应用程序，在C S 模式下，用户在使用之前，必须在C l i e n t 端安装此应用程序，提供关于S e r v e r 的 信息，配置C l i e n t 端的参数。用户需要参与C l i e n t 端软件的维护，例如升级C l i e n t 端等。如果用户工作在不同的平台上，那还得根据不同的平台专门为其开发相应 的C l i e n t 端。 处于第二层的是应用服务层，由一台或多台服务器组成，W e b 服务器也位于 这一层，应用服务器处理应用中的业务逻辑，该层具有良好的可扩充性，可以随 着应用的需要增加服务器的数目，由于管理工作主要针对服务器进行，相对于 C S 结构而言无论是工作的复杂性还是工作量都大大减少了 处于第三层的是数据层，由数据库系统和遗留系统组成。 B S 结构模式与C S 结构模式相比。本质区别在于B S 结构模式是基于标准的 平台。传统的C l i e n t S e r v e r 程序将应用逻辑和中间件混在一起，应用开发者不得 不关心很多事情：保持服务器端的对象的永久性，在网络上找到对象，保障对象 的安全，杜绝对象共享冲突，避免对象调用失败，管理对象的生命周期以及确保 对象的粒度和可用性等。这使应用的维护、移植和互操作变得复杂。而应用服务 器将企业的应用逻辑和中间件分开，应用的开发可以独立于底层的中间件，开发 者只需要关心他们的业务逻辑，其余的由服务器与容器来负责应用服务器隐藏了 这些复杂性，使开发者能集中精力于业务逻辑本身。 经以上分析比较，B S 结构的突出优势为作为远程监测分析系统的逻辑结构 奠定了基础，这也是本文选择该结构的根本原因。 2 1 3 系统功能模块设计 远程故障监测诊断系统结构按照功能来划分，系统还可以分为如下几个模 块：网络管理，数据库管理，分析诊断模块，采集通讯模块。 远程诊断系统的安全防护除了安装防火墙外，通过对用户的登录限制、密码 校验，防止非法用户进入本系统。数据分析前要确定诊断的对象( 如：诊断类型、 诊断部位等) ，数据分析负责对故障数据进行简单地处理，如时频转换等。并给 出相应的频谱分析图，当然故障数据要符合系统规定的数据类型格式“”远程诊 断是系统的核心。在系统后台，应用服务器主要运行诊断程序，通过A D O N E T 对象访问数据库，对远程用户的数据首先进行数据信号的处理，根据知识库和故 障判断规则自动给出诊断结论、诊断解释、故障处理意见这里着重研究基于 B S 的设备远程监测和故障诊断系统。设备远程监测和故障诊断系统是一个开放 的分布式系统，主要有监测设备、传输设备、传输通道、信息处理系统、网络管 理系统和诊断系统构成，系统主要功能模块如图2 3 所示。 2 2 系统实现的关键技术 1 W e b 数据库连接技术 实现基于W e b 的远程监测系统的关键问题是解决W e b 服务器与数据库服务 器之间的连接，即W e b 对数据库的访问技术。”目前比较流行的数据访问技术有 通用网关接口C G I 、W e b 服务器专用A P I 、J D B C 、A S P 和A S E N E T 。C G I 出现比较 早，技术成熟，但存在的问题是W e b 服务器对每个用户的请求都必须创建一个单 独的网关进程，所以C G I 执行程序时资源的开销较大。另外，C G I 编写繁琐， 维护困难，缺少访问控制，对数据库难以设置安全访问控制。服务器A P I 是经过 扩充的C G I I 具，用A P I 编写的用户应用程序被编译为动态链接库D L L 文件，以 w 曲服务器线程方式运行，省去了进程间的通信开销。服务器专用A P I 的缺点是 互相不兼容，开发A P I 程序比C G I 程序更加困难，对它的调试也比较困难。 A S P N E T 是在A S P 的基础上，微软公司推出的W e b 应用程序开发技术，其特点是 无需编译、独立于浏览器、与任俩J A c t i v e XS c r i p t i 吾言兼容、安全性好，故监测 系统采用A S P N E T 方式来完成监测中心W e b 数据库连接的实现。 远 程 故 障 诊 断 系 统 设置层次结构数据库。对数据库用户权限、数据信息 进行配置和添加、修改、删除等维护工作 为网络用户提供在线交流，数据查询，故障案例分析 等功能 完成数据采集，初步处理分析、数据上传至数据库等 提供各种时域、频域、趋势信号分析。以图形显示当 前状态和变化趋势，对数据进行诊断 图2 3 故障诊断系统功能框图 2 直接使用A D O N E T 与S Q L 连接 A D O 数据库访问技术曾经让人们欣喜若狂，它是严格的基于C O M 的，也因 此能够在微软的平台下利用纪录集灵活的操作数据：从表示层( U I ) 到业务逻 辑层( A D O ) ，再到数据层( D a t aB a s e ) 。但也是因为其严格的基于C O M ，所以 只能在一种系统平台下使用w i n d o w s 。当目前的分布式访问模式越来越多的 时候一一比如涉及到大型机或是U N I X 平台下的异构类节点，A D O 显然已经力不 从心。目前的W e b 时代是个倾向兼容的时代一一倾向平台的兼容性，要求程序能 够访问不同平台下的数据，能够使用不同平台下的数据操作的编程接口，因此， A D O 技术向A D O N E T 改进是技术的必然。A D O N E T 相对于A D O 的最大优势在于 对于数据的更新修改可以在与数据源完全断开连接的情况下进行，然后再把数据 更新情况传回到数据源。这样大大减少了连接过多对于数据库服务器资源的占 用。A D O N E T 解决方案以X M L 格式表示内存数据( 数据集) ，然后将X M L 发送 给另一个组件。X M L 格式是最为彻底的数据交换格式，可以被多种操作数据接 口所接受，能穿透公司防火墙，也因此A D O N E T 具有了跨平台性和良好的交互 性。 3 W e bS e r v i c e 在W e b 服务的编程中，采用I I S 5 O ( I n t e r n e tI n f o r m a t i o nS e r v i c e ) 搭建W e b 服务 器，并运用A S P N E T 技术编程。所谓A S P ( A c t i v eS e r v e r P a g e s ) 是M i c r o s o f t 公司开 发的一套基于服务器端的脚本环境，而A S P N E T 不仅是A S P 的下一个版本，它还 提供了一个统一的W e b 开发模型，其中包括开发人员生成企业级W e b 应用程序所 需的各种服务。A S P N E T 的语法在很大程度上与A S P 兼容，同时它还提供一种 新的编程模型和结构，可生成伸缩性和稳定性更好的应用程序，并提供更好的安 全保护。A S P N E T 的优点在于所有的程序都将在W e b 服务器端运行，当程序执 行完毕后，将结果返回给客户浏览器，这样就可以减轻客户端浏览器的工作负荷， 从而大大提高了交互速度。通过A S E N E T 结合H T M L 网页和脚本语言建立动态、 高效且交互的W e b 服务器应用程序在W e b 数据接口技术上，软件采用了 A D O N E T ( A c f i v e XD a t aO b j e c t s ) 数据接口，方便地连接到O D B C ( O p e nD a t a b a s e C o n n e c t i v i t y ) 兼容的数据库和O L E D B 兼容的数据源 4 实时数据传输及图形刷新 系统中大量采样数据的实时传输是一个难题为解决这个问题，系统利用 H T T P 网络协议，构成基于B S 的数据传输模式，并采用V i s u a lB a s i c N E T 作为开 发语言，结合A j a x 技术，利用X M L H T T P 组件实现无刷新定时提取数据库数据， 并利用矢量标记语言( V M L ) 实时在客户端浏览器绘制各种信号图像，如实时 波形、频谱等 2 3 本章小结 本章对有待解决的技术难点进行了探讨，并且针对现有汽轮机组远程故障诊 断系统的优点和不足，设计了一种基于互联网的汽轮机组远程故障诊断模型，该 模型可以有效的解决信息资源共享、跨地域诊断等目前故障诊断系统所面临的难 题。 第三章汽轮机组本地监测诊断系统的设计与实现 汽轮机组本地监测诊断系统由本地数据采集模块、厂级监测分析模块及数据 存储模块组成。本章分别就各模块设计及实现进行介绍。 3 1 本地监测诊断系统总体结构 本地监测诊断系统中数采模块的任务是利用现有的硬件系统，如传感器、信 号前处理器、采集设备及计算机组成。数据采集系统把符合要求的设备信息采集 并送入计算机，经由数据分析模块处理并以各种直观的表现形式展现给工作人 员，如数字形式、信号灯形式、图形形式等等。经过分析处理之后的数据不但要 实时显示在监视屏幕上，而且为了后期诊断分析，要将各类数据进行合理归类并 存储，形成历史数据库。系统结构图如图3 1 。 图3 1 系统结构图 3 2 数据采集 3 2 1 数据采集基本原理 所谓数据采集，就是先将模拟信号分成一系列间隔为f 的时间离散信号并 加以采集，此即采样过程：然后将这些时间离散信号的幅值修改为某些规定的量 级此即量化过程；最后再将这些时间和幅值均不连续的离散信号编码成一定长 度的二进制序列，