（机械制造及其自动化专业论文）mfd405旋转机械状态监测系统的研制.pdf

东南大学硕士学位论文 m f d 4 0 5 旋转机械状态监测系统的研制+ 摘要 现代工业生产过程中，以计算机为中心的设备状态监测与故障诊断系统在保障设备安 全运行，预防事故发生以及实现设备维修制度的变革等方面起到了关键性的指导作用，取 得了显著的经济效益和社会效盘。但是，目前已经开发的大多数状态监测系统，其稳定性、 灵活性以及功能上还存在不足。本论文针对目前监测系统软件存在的局限对状态监测系统 开发中的几个关键问题进行了研究。 ( 1 ) 数据采集硬件驱动程序的开发。为了提高系统的组态化程度，克服系统运行平台的限制， 本文讨论了w i n d o w s 2 0 0 0 环境下应用k e m e r d d v e r 软件开发数据采集硬件驱动程序的方法， 并给出了m f d 4 0 5 系统信号调理卡和数据采集卡的硬件w m d o w sw d m 设备驱动程序的具 体实现。 ( 2 ) 状态监测系统与d c s 间的数据共享。为了解决状态监测系统的“信息孤岛”问题，本 文研究了状态监测系统与d c s 系统间通讯的方法，并应用m o d b u s 通讯协议实现了m f d 4 0 5 状态监测系统与t d c 一3 0 0 0d c s 系统间的信息通讯。 ( 3 ) 旋转机械动平衡软件的研制。以旋转机械动平衡计算中常用的影响系数法为基础，应用 最小二乘法求解动平衡方程，并利用m a t c o m 与v c 混合编程的方法给出了其软件实现。 ( 4 ) 以齿轮箱为对象，利用本系统对其进行了诊断分析，并讨论了数字积分和谱平均技术在 数据处理与信号分析中的应用。 关键词：状态监测，设备驱动程序，m o d b u s ，动平衡，数字积分 + 国家高技术研究发展计划资助( n o 2 0 0 1 a a 4 2 3 2 4 0 国家自然科学基金资助( n o5 9 9 0 5 0 0 5 ) 查堕查兰堡主兰垡丝苎 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm f d 4 0 5c o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mf o rr o t a t i n gm a c h i n e r y 4 a b s 拓a c t i nm o d e mi n d u s t r y , c o n d i t i o nm 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 mw i t hc e n t e ru p o n c o m p u t e r sp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si na c c i d e n tp r e v e n t i o na n ds a f e l ym a c h i n el q j na s w e l la sr e n o v a t i o no fm a i n t e n a n c e a n di ti sg e e i n gs t r i k i n ge c o n o m i c a la n ds o c i a ib e n e f i t h o w e v e r , t h em a j o r i t yo fc u r r e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m sh a sd e f i c i e n c yi nf u n c t i o n s ， s t a b i l i z a t i o n ，o p e n i n ga n dr o b u s t n e s s t os o l v et h ed e f i c i e n c yo f t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ， s o m ek e yt o p i c si ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ( 1 ) d e v e l o p m e n to f d a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r ed e v i c ed r i v e r f o ri m p r o v i n gt h ec o n f i g u r a t i o no f s y s t e ma n da v o i d i n gt h el i m i t a t i o ni no p e r a t i o ns y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n tm e t h o do fh a r d w a r e d e v i c ed r i v e rw i t hk e r n e l d r i v e rs o f t w a r eu n d e rt h ew i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i o ns y s t e mj sd i s c u s s e d a sae x a m p l e ，t h ep r i m a r yr e a l i z a t i o nm e t h o do fw d md e v i c ed r i v e rf o rt h es i g n a lc o n d i t i o n i n g c a r da n da da c q u i s i t i o nc a r du s e db yt h em f d 4 0 5s y s t e mi si n t r o d u c e d ， ( 2 ) d a t as h a r eb e t w e e nc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma n dd c ss y s t e m t os o l v et h ep r o b l e mo f i n f o r m a t i o ni s o l a t i o n o fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h em e t h o do fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma n dd c ss y s t e mi sd i s c u s s e d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm f d 4 0 5 a n dt d c 一3 0 0 0d c ss y s t e mb ym o d b u sp r o t o c o li sr e a l i z e d ( 3 ) d e v e l o p m e n to fr o t a t i n gm a c h i n e r yd y n a m i eb a l a n c es o f t w a r e b a s i n g o bi n f l u e n c e c o e f f i c i e n tm e t h o dw h i c hi so f t e nu s e di nr o t a t i n gm a c h i n e r y , t h el e a s ts q u a r em e t h o di sa p p l i e dt o s o l v et h eb a l a n c ee q u a t i o ni nt h ep a p e r t h er e a l i z a t i o no fs o f t w a r ei sg i v e nb yu s i n gm a t c o ma n d v cc o m b i n e dp r o g r a m m i n g ( 4 ) a sap r a c t i c a le x a m p l e ，c o n d i t i o na n a l y s i sf o rag e a rc a s ei sg i v e nb yt h ed e v e l o p e ds y s t e m ， a n da p p l i c a t i o no fd i g i t a li n t e g r a la n ds p e c t r u ma v e r a g et od a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i si s d i s c u s s e d k e y w o r d g ：c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，d e v i c ed r i v e r , m o d b u s ，d y n a m i cb a l a n c e ，d i g i t a l i n t e g r a l + s u p p o s e db yn a t i o n a lh i - t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n ( n o 2 0 0 1 a a 4 2 3 2 4 0 ) w s u p p o r t e db yn a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o5 9 9 0 5 0 0 5 ) i i 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 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 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使j ； j 过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 、 签名 二、关于学位论文使用授权的说 鸳孟强日期：地型：纠 i 明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人屯子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名 东南大学硕士学位论文 1 1 课题意义 第一章绪论 现代工业生产系统，如电力、化工、石化、冶金及柔性制造等系统，由于设备群体广泛 耦合，规模越来越大，各生产环节的联系也日益密切，形成了具有整体关联的生产链，并 不断向高效、高速、大容量、高强度、系统化、自动化方向发展。与之相应，关键设备故 障频繁停工损失及维修费用也大幅度上升。因而，提高设备运行的安全性、可靠性、连续 性，减少维护费用和生产费用成为工业过程关注的焦点。 目前对重点设备大多采用的是定期维修方式，这种定期维修方式会造成两种情形：( 1 ) 过剩维修，即在设备工作状态完好的情况下维修，造成不必要的浪费；( 2 ) 失修，即未到 维修时间而设备已经发生故障，从而影响生产过程正常进行，甚至造成更大的损失。这要 求新的设备维护维修体制预测维修方式的出现，而其前提是对设备物理过程及状态的 准确监测及评价，即工况监测与故障诊断。近3 0 年来，现代机械监测诊断技术已取得令人 瞩目的发展，在现代生产中，对很多关键设备都进行重点监测与工况分析，这些工作对于 保障机器设各的安全运行，预防事故发生以及实现设备维修制度由定期预防维修向基于设 备运行状态的预知维修的变革等方面起到了关键性的指导作用，取得了显著的经济效益和 社会效益。 近年来，由于计算机技术、网络技术和通讯技术的迅速发展，使得以计算机为中心的 现代设备监测与故障诊断系统成为诊断理论和技术应用于生产实际的桥梁，即工况监测与 诊断任务是由监测诊断系统来具体实现的，一切监测诊断技术最终都要落实到实用的状态 监控与故障诊断系统中去，并且基于网络的在线监测与诊断技术也在不断地运用于现代生 产中这些都是故障诊断技术发展的必然趋势“。 目前，国内外监控系统类型很多，其功能和适应性不尽相同。在系统兼容性、容错性、 稳定性、灵活性、和可扩展性等方面还存在着很多局限。例如很多在线监测系统还是只能 运行于w i n d o w s9 8 操作系统下。其稳定性和安全性都不高，系统的可扩展性以及本系统与 其它问信息交互都存在问题，使得一个在线监测系统成为一个信息孤岛，造成资源的很大 浪费，另外，在功能方面，很多系统还比较单一，很多功能都还需要加以扩展和完善。 因此，本文将以旋转机械作为应用背景，在分析以前在线监测系统的优点和缺点后， 着力提高其稳定性、安全性、可扩展性和信息共享的能力，在对系统的功能上也加以提高。 经过改进后的系统，与以前相比，其结构上更加灵活，对丁 新的监测对象只要在经过较小 的改动后就可以应用到实际中去，这对于提高系统的应用性将具有很大的现实意义。另外， 在工业监控行业中，系统运行的稳定性决定了系统在实际r t 程中的推广和应用，所以提高 系统的稳定性和安全性也十分重要。 东南大学硕士学位论文 1 2 状态监测与诊断系统的研制现状 1 2 1 状态监测与诊断系统的发展 故障诊断装置的开发始于七十年代末，电子测量技术和频谱分析技术的应用使状态监 测与故障诊断技术进入了实用阶段。八十年代中期，由于传感器技术与信号分析技术的飞 速发展，形成了以传感器、信号分析和计算机技术为中心的现代设备故障诊断和监测系统。 八十年代后期，计算机技术及人工智能技术的发展使对设备进行在线监视分析和智能化自 动诊断成为可能。1 9 6 7 年，美国在宇航局的倡导下，成立了机械故障预防小组，并自8 0 年 代以来开发了一系列故障诊断系统。目前国外最新开发的一些系统有美国b e l l y 公司的 s y s t e m1 。d a t am a n a g e r 。2 0 0 0 ，t r e n d m a n e r 口2 0 0 0 系列产品、s c i e n t i f i c a l t l a n t a 公司的 m 6 0 0 0 c h a m m p 系统、e n t e c k 公司的p m 系统、b r e t e c h 公司的t o t a lp l a n t m a i n t m n e n c e ， s e r v i c ec o n t r a c tp r o g r a m 系统、c o o p e r e n e r g y 的r e m o t ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs e r v i c e ( r c m s ) 系统。其它国家如德国、日本、意大利等在状态监测及故障诊断的应用方面都各具优势。 尽管这些软件藩向最终用户。且功能比较完善，但其价格昂贵，存在界面汉化的问题，剐 工厂的工人丽言，不易于操作”。 我国自八十年代以来，也开始自行研制状态监测与故障诊断系统，如华中理工大学开 发的2 0 0 m w 汽轮发电机组的寿命管理和故障诊断专家系统，可以诊断机组各类典型故障， 如转子不平衡、轴系不对中、油膜振荡、转子碰磨、轴承故障、轴承松动、叶轮松动等故 障：近几年来，华中理工大学的组态式风机设备故障诊断专家系统与精轧f 2 网络化设备状 态监测诊断系在上海宝纲设备检测公司都得到很好的应用；还有西安交通大学智能仪器与 诊断研究所研制的“大型回转机械状态监测与故障诊断在线离线两用系统( r o t v i e w 6o ) ”， r o t v i e w 6 0 系统软件以其独创的全息谱技术为核心，全面利用了振动信号的幅频相信息， 大大提高了监测诊断的信息量；南京汽轮发电机厂开发的多功能振动分析系统，西安热工 研究院研制的汽轮机组振动监测和故障诊断系统，北京电力科学研究院、清华大学与陡河 电厂联合开发了大型汽轮发电机组振动监测与辅机诊断系统，哈尔滨工业大学研制的“微 计算机化机组状态监视与故障诊断装置m m m d ”、重庆大学研制的c c d d s i 信号处理软件 系统等。东南大学白1 9 9 0 年以来研制了m f d 系列工况监视与故障诊断系统系统，包含 振动监测、稳态分析、瞬态分析、振动数据采集及管理、趋势分析等部分，已在国内多家 石化、电力、冶金企业使用，取得了较好的经济效益和社会效益。 随着计算机和网络技术的发展，远程监测与诊断技术成为状态监测与诊断学科的热点。 远程监测与诊断可以充分利用最新的研究成果，为工业现场提供技术支持，实现诊断知识 和诊断数据的共享，通过专家异地协同会诊，提高诊断的准确性和可靠性。同时可为研究 机构提供宝贵的现场数据和资料，以充实理论和技术研究。1 9 9 7 年1 月，斯坦福大学和麻 省理工学院联合主办了首届基于因特网的工业远程诊断研讨会，会议主要讨论了远程诊断 系统连接开放式体系、诊断信息规程、传输协议，以及对用户的合法限制，并对未来技术 发展作了展望。斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于因特网的下一代远程诊断示范系 统，并建立了一个限于合作者间的远程诊断示范体系t e s t b e d 。t e s t b e d 采用嵌入式w e b 组 网，用实时j a v a 和b a y e s i a n n e t 实现远程信息交换和诊断推理；不过目前，系统离实用还 有很大距离，许多研究内容也还只是一个提法”。 另外，许多大公司在他们的产品中也加入了因特网功能，如b e n t l y 公司的计算机在线 设备运行状态监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向 远程终端发送设备运行状态；德国的远程服务技术已经应用在电梯上，通过i n t e r n e t 可实现 2 东南大学硕士学位论文 对电梯的启动、故障容错、远程诊断维修的支持；德国的f l e n d e r 服务状态监测公司，已经 开发出基于现代远程故障诊断技术的面向状态的维修技术；n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚 拟仪器产品l a b v i e w 中新增了因特网模块，可以通过w w w 、e m a i l 、f t p 方式发送测试数 据”1 。 目前，国内华中理工大学、东南大学、西安交通大学、北京科技大学和哈尔滨工业大 学都已开始从事工业领域的远程诊断研究工作。如华中理工大学开发的基于w e b 的远程设 备故障监测诊断系统就包含有远程信号采集、远程信号分析以及远程设备故障诊断功能； 同济大学正在研制上海大众汽车公司冲压生产线的远程服务系统；东南大学设备与故障诊 断研究所已经研制出了基于w e b 的远程网络监控与诊断系统：m f d 8 0 2 型工况监视与故障 分析系统；山东电力诊断技术研究中心开发了大型火电机组性能与振动远程在线监测及诊 断系统。 1 2 _ 2 状态监测与诊断系统的一般构成 图1 1 监测与诊断系统的一般结构 设备诊断的流程可分为信号采集，信号处理和故障诊断三个阶段。监测诊断系统即按 此流程组织。 信号采集是故障诊断的前提。故障诊断必须从设备症状，即从机器运行时产生的各种 状态信号入手进行分析，而只有采集到反映设各实际状态的信号，后续的分析诊断工作才 有意义。信号分析和处理方法的研究是设备诊断技术的关键，也是理论研究的热点之一。 状态监测系统，其核心功能可分为三部分：数据采集，状态分析和监控决策。状态监 东南大学硕士学位论文 测系统可控制信号采集系统的数据采集及实时处理，并可显示、存储当前数据，保存突发 性故障信息，为分析故障提供依据。监视系统主要面向操作工及运行管理工程师，有较强 的数据管理及人机交互功能。同时向诊断系统传送现场数据。需要时可启动诊断推理系统， 结合专家知识和机组既往资料对机组运行问题进行分析和辅助决策。在上述结构中，状态 监测是故障诊断的前提和基础。 对于基于w e b 的设备故障远程诊断系统，它采用了i n t e r n e t 和i n t r a n e t 技术，f 位机将 采集的数据存放于服务器的数据库中，用户可以通过网络即可查看当前监测机组的运行状 态，完成分析诊断功能，当然用户在对服务器进行访问时必须拥有一定的权限才可以进行。 将计算机网络技术应用于设备的状态监测与故障诊断，可以实现各个局部现场的资源共享、 协同合作、分散监测和集中操作、管理，这必将极大的提高设备维修人员的工作效率。与 单独一台计算机专门监测特定的机组相比，节约了监测系统的成本。 1 2 3 已有的状态监测与渗断系统存在的问题 目前，状态监测系统在企业中的应用已经非常广泛系统类型也很多，其功能和适应 性不尽相同。但现有系统的兼容性、容错性、灵活性和功能完善方面还存在着许多局限。 绝大多数监测系统结构封闭，使得系统功能扩充、升级比较困难，且缺少可移植性和通用 性：监测系统的开发周期长，成本高，可靠性不够好。由于缺乏统一、标准、开放的接口， 监测系统与生产过程管理及全厂运行调度决策管理等信息管理系统的集成，以及与其它监 测和诊断系统的交流也都也较困难。 而作为设备科学维护和全厂生产管理的基础，监测系统的设计应当考虑如下几点： 可扩展性：为用户提供在不改变原有系统的晴况下，增加系统新功能的能力。接入子 系统或设备能即插即用：系统规模或功能的变化不影响系统的正常工作；子系统或设备之 间能协同工作，充分利用系统资源。这种增加的功能可以来自软件开发者、用户或第三方。 开放性：随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及，需要现场的大量数据做流 程分析和过程控制，以实现生产优化。随着生产决策对信息需求的增加，可以预见，监测 系统与管理信息系统的集成必将更加紧密。在系统设计时，不仅仅要实现检测功能，而且 要考虑与管理决策等系统的互联，实现信息的双向共享和自动化系统集成。 标准化：要实现诊断知识、理论和技术的共享，必须有一套通用的标准，包括测试数 据标准、诊断分析方法标准等，以改变监测系统的信息孤岛状态。标准的概念正在发生变 化。如一些专家所指出，标准工作由“历史的记录，技术的终结”而变为“创新的标志， 技术的先导”，其主要作用由产品的互换性扩展为可移植性、可重用性和互操作性。信息领 域的标准化成果将更多地渗透到监控领域来。 对i n t e r n e t 的支持：大型企业要求能综合监测全厂，包括位置比较分散的分厂或车问中 全部生产过程中一次设备的状态，实现遥测、遥信、遥调、遥控，以及历史记录、报表、 事故分析、顺序故障记录、故障录波等。这些都对分布式或者远程监测系统的应用提出了 迫切要求。跨地域远程协作诊断的特点是测试数据、分析方法和诊断知识的网络共享，因 此必须使传统诊断技术的核心部分：信号采集、信号分析和诊断专家系统，能够在网络上 远程运行。 1 2 4m f d 4 0 3 系统的特点及存在的问题 m f d 4 0 3 系统是针对某厂的多台压缩机组进行在线监测与诊断，该系统可以同时对多 4 东南大学硕二t 学位论文 台机组进行监测，与以前一套系统只能监测一台机组相比其性能有了很大的提高，避免了 资源的浪费，它集采样、监视、分析与一体，是一个功能相对比较完全的状态监测与诊断 系统。m f d 4 0 3 系统的主要特点有： 1 系统具有灵活的监视方式。在对多台机组进行监视时，系统可以根据用户自己定义的 时间间隔进行自动切换，利用网络电缆可以实现远程监视，另外，可以同时对机组的任意 一个测点的信号或同时对多路测点信号进行任意方式的监视，并且具有较强的数据分析、 存贮与管理功能、报表及图形打印功能等。 2 系统功能比较独立。由于状态监测与诊断系统的结构功能比较复杂。为了减少各模块 间的相互依赖性，提高系统的可维护性，m f d 4 0 3 将系统分在很多功能相对独立的部分， 这些对代码的可重用性以及系统的可维护性都有一定的提高。 3 有好的人机界面。i v l f d 4 0 3 监视软件提供了丰富的工具栏，汉化下拉菜单操作，使得 用户能很快地学会对软件使用。通过点击按钮，可以实现振动总貌、一蝠视图、二幅视图、 四幅视图、棒图的监视。在振动总貌图中，可以看到各测点当前振动的有效值以及机组是 否处于正常运行状态下。 当然m f d 4 0 3 系统也还存在很多的不足，例如软件的组态化程度还不高，当需要监测 一个新的对象时，程序还需要很大改动才能应用于实际中：m f d 4 0 3 的f 位机软件只能运 行于w i n 9 x 操作系统下，其稳定- 注和安全性都不高；在与其它系统进行信息共享方面， m f d 4 0 3 也没有这一功能，在线监测系统中丰富的数据并不能与其它系统实现共享，当然 系统自身也不能获取其它系统的信息：在一些高速旋转机械检修前后都需要重新进行找平 衡，为了帮助工程人员更快地找到平衡块的安装位置，需要加入动平衔功能。本文正是针 对以上问题展开研究的。 1 3 本论文的研究内容 本论文是以状态监测与工况分析技术为基础，着重于状态监测与工况分析软件系统的 开发与应用。本实验室一商致力于旋转机械的状态监测与故障诊断技术的研究，在理论上 取得一系列的成果，并自主开发了m f d 系列产品，它们已经应用在多家大型企业中且发挥 着重要的作用，如南昌发电厂的“1 2 5 w m 汽轮发电机组状态监测与故障诊断系统”，金陵 石化总公司化工一厂的“m f d 3 0 1 状态监测与故障诊断系统”，仪征化纤公司化工厂的 “m f d 3 0 2 汽轮压缩机组状态监测与故障诊断系统”，以及武汉钢铁公司“高炉顶齿轮箱状 态监测与故障诊断系统”，南京钢铁公司供气公司“m f d 4 0 3 状态监测与故障诊断系统“等。 尽管这些系统已经在实际中得到了应用，但它们还是存在一些不足。对特定的监测对象还 不能完全满足客户提出的要求，在借鉴和继承它们的长处后，改善这些系统的不足，本课 题将主要集中研究以下四个方面的问题： ( 1 ) 数据采集驱动程序的研制。数据采集是状态监测与故障诊断系统的最前端部分，机组 的所有缓变信号和快变信号都是通过数据采集系统来获取的，数据采集的准确性以及采样 的速度等对系统的性能以及后期分析诊断都起着重要的作用。在以前的系统中数据采集这 部分软件是由一个动态链接库提供一组函数通过读写端口来对硬件进行操作，这样做存在 以下缺陷：第一，由于以前的系统一直运行于w i n 9 x 操作系统的环境下，w i n 9 x 允许在r i n 9 3 层直接对硬件操作，这样做给编程带来一定的方便，但在系统的稳定性和安全性上就很难 得到保证了，由于硬件操作的错误很容易引起系统的崩溃。另外，w j n 9 x 操作系统本身的 安全性和稳定性也有一定的局限，这就希望状态监测与故障诊断系统能够运行于 w i n d o w s 2 0 0 0 环境下，而w i n d o w s 2 0 0 0 下并不允许应用层直接访问硬件，为此考虑通过设 各驱动程序来完成数据采集功能；第二，由于在系统本身存在有很多对硬件的调用，如果 东南人学硕士学位论空 果采集硬件一旦有改变，在系统内部的源程序就需要更改，对于不熟悉源程序的人来说， 这也是一件很困难的事。在编写了设备驱动程序后，我们只需要修改设备驱动中对应的部 分即可，这样可以提高系统模块之间的相互独立性，对程序的绢态化有一定促进作用。 ( 2 ) 目前在工业控制领域存在各种监测与控制系统，它们都有一个共同的问题就是各工控 软件之间缺乏一个公共接口，这样各系统就形成一个信息孤岛，自己采集的数据不能提供 给别人使用，同时由于数据格式的不同自己也不能使用别人数据，这就造成资源的浪费。 m f d 系列也存在以上的缺点，它采集了丰富的快变信号和缓变信号，却不能将数据提供给 别的系统使用。为此，这里就提出了状态监测与故障诊断与其它监控系统通讯的问题。为 了解决这一问题，本论文着重研究状态监测与故障诊断系统与h o n e y w e l l 的d c s 进行通讯 问题，从而使状态监测与故障诊断系统获取的数据可以发往d c s 上，从而可以使信息共享。 ( 3 ) 作为旋转机械的状态监测与故障诊断，平衡是一个非常关键的问题，在造成旋转机械 异常工况的各种原因中，失衡所t 引 勺比例是最大的，约占3 0 左右，而高速旋转机械所占 的比重更大。因为对于大型旋转机械在检修后都需要重新对机组进行动平衡试验，在以前 的状态监测与故障诊断系统中并没这方面的内容，本论文的另一个部分就是着重研究如何 快速校正机组的平衡问题。 ( 4 ) 本文的另一部分研究了在数据采集过程中由于硬件积分饱和的情况下，如何运用软件 来处理的问题，另外还研究了谱平均的方法在齿轮箱频谱分析的运用。 第二章主要介绍了w d m 设备驱动模型、驱动程序开发工具选择以及驱动程序的开发 过程。 第三章在讨论了分散型控制系统( d c s ) 及串1 5 1 通讯原理和m o d b u s 通讯协议后，结合某 化工厂的实际需求，讨论了状态监测系统与故障诊断系统与d c s 系统通讯软件的开发。 第四章论述了动平衡软件中用到的算法以及其动平衡软件的开发及其应用。 第五章讨论了数字积分及谱平均技术，并结合某厂的r 0 5 齿轮箱运剧 ：况分析软件进 行频谱分析并与其它软件的分析结果相比较。 第六章为全文总结，对本课题和论文进行了全面概括，并对今后的工作提供了一些建 议。 6 东南大学硕士学位论文 第二章数据采集系统硬件驱动的设计 w i n d o w s2 0 0 0 以其安全、稳定及界面友好等特性逐渐成为t 业控制领域的前台操作系 统。面对工业控制中大量采用的串并口通信及总线控制等技术，当用户不断开发出满足自 身需要的硬件设备同时，必须能够使应用程序与这些硬件设备进行通信，以便发送控制命 令，读取状态信息等等。与w i n d o w s 9 8 不同的是，由于w i n d o w s2 0 0 0 出于安全性、稳定一陛 等考虑，不允许用户在应用程序中对物理硬件进行直接访问，这就需要使用设备驱动程序 跨越操作系统边界对物理硬件进行操作，并向上提供客户应用程序控制接口以供调用。因 此，对自己设计的硬件开发相应的驱动程序也就显得非常必要。 数据采集部分是在线监测与工况分析系统的一个重要组成部分，机组的所有振动信号 和非振动信号都是通过数据采集系统来获取的，它的功能包括数据的采集、信号交直流分 离、通道的增益以及对信号滤波等前处理工作。由于以前的软件系统运行于w i n d o w s 9 8 操 作环境下，对数据采集硬件的访问都是直接通过读写端口来实现的，这些对程序的稳定性 以及可维护性都有一定影响，因为一旦硬件部分有很小改动，都需要去修改源程序，使程 序的模态化程度降低；另一方面，由于在w i n d o w s2 0 0 0 操作系统中不允许在应用层直接访 问硬件，所以当前的状态监测与诊断系统无法运行于w i n d o w s 2 0 0 0 下，这将不利于提高系 统的安全性和稳定性。 为解决以上这些问题，本文提出研制数据采集系统的设备驱动程序，这样状态监测与 工况分析系统的下位机既可以运行于w i n d o w s 2 0 0 0 下，增加其运行的稳定性和安全性，又 对程序的可维护性和组态化有进一步的提高。 2 1w i n d o w s 设备驱动简介 2 i i w i n d o w s 2 0 0 0 内核组件工作模式 在现代操作系统中，应用程序和操作系统本身是分开的操作系统代码运行在核心态 并有权访问系统数据和硬件：应用程序运行在用户态，能够使用的接口和访问系统数据的 权限都受到限制。当用户程序调用系统服务时，处理器捕获该调用，然后把调 j 的线程切 换到核心态。当系统服务完成后，操作系统将线程描述表切换回用户态，允许调用者继续 运行。系统核心态部分的设计是丰富多样的。较典型的有以下几种口”： 1 传统的单片式操作系统。系统被设计为一个单一的、庞大的软件系统，在内部组之间有 许多关联。这种软件系统依赖于许多系统组件，这种相互关联意味着要扩展系统，就需要 剥全部代码库进行大量修改，同时在单片式操作系统中大量的操作系统代码运行于同一内 存空间，这就意味着任何操作系统组件都可能损坏正在被其它组件使用数据。 2 分片式的操作系统。它是将操作系统发分为不同层次中的模块，每个模块提供一组功能 函数供其它模块调用，在某一层次上的代码只能调用较低层次上的代码。分层操作系统结 东南大学硕士学位论文 构的优点是，由于每层代码只能访问较低层的接口( 和数据结构) 因此限制了使用无限权 利的代码数量，这种结构也允许在最底层开始调试操作系统，然后一层一层的往上调试， 直到整个操作系统工作正常。层次化结构也使增强操作系统更容易，因为修改或替代单独 的一层，不影响系统的其它部分。 3 客户服务器微内核模型。其思想是把操作系统分成若干个服务器进程，每个服务器进程 完成一种服务，如内存管理服务、进程创建服务和处理器调度服务。每个“服务器”运行 在用户态，等待客户提出服务请求。“客户”可以是另一个操作系统的组件，也可以是应用 程序，它通过发送一个消息给服务器来请求服务。运行在核心态的操作系统的微内核把该 消息传递给服务器，该服务器执行操作，内核用另一种消息把结果返回用户。 w i n d o w s 2 0 0 0 融合了分层操作系统和客户服务器微内核操作系统的特点，对性能影响 很大的操作系统组件在核心态f 运行。在核心态下，组件可以和硬件交互，也可以在组件 之间交互，并且不会引起描述表切换和模式转变，例如，内存管理器、高速缓存管理器、 对象及安全性管理器网络协议、文件系统( 包括网络服务器和重定向程序) 、所有线程和进 程管理都运行的核心态。当然，所有这些组件都应该受到保护，以避免给其它的应用程序 侵扰，应用程序不能直接访问操作系统特性部分的代码和数据( 尽管他们可以快速调用其 它的内核服务) ，这种保护使得w i n d o w s 2 0 0 0 成为既坚固又稳定的应用程序服务器的原因之 一。而且从核心操作系统服务的角度，如虚拟内存管理、文件操作、复合文件及打印共享 来看，w i n d o w s 2 0 0 0 作为工作站平台仍是迅速和敏捷的。 2 1 2w d m 驱动模型简介 1 7 - - 2 1 】 在微软公司推出w i n d o w s2 0 0 0 操作系统以前，微软公司最先使用的是虚拟设备驱动 ( v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ) 技术，简称v x d 技术。驱动程序通过创建虚拟设备，以支持在w i n d o w s 9 x 系统下对硬件的操作；同时微软公司为w i n d o w sn t 提供了n t 式驱动程序技术，采用 了一种特有的分层的内核模式驱动程序体系结构，以实现驱动程序的灵活性和健壮性。虽 然以上两种驱动程序能够很好地工作但存在着诸多的缺点：v x d 和n t 式驱动程序不支 持即插即用、电源管理、w i n d o w sm a n a g e m e n ti n s t r u m e n t a t i o n ( w i n d o w s 管理诊断，w m i ) 等功能，且没有跨平台兼容能力。因此，微软公司在w i n d o w s n t 基础上，提山了一个新的 设备驱动程序体系：w i n d o w sd r i v e rm o d e i ( w d m ) 。 w d m 驱动模型包括两个方面：描述设备驱动程序标准结构的核心w d m 模型和以微软 为常见类型的设备提供一系列的总线驱动程序和类驱动程序。核心w d m 模型描述了设备 驱动程序的原理、结构、运行机制及如何安装和启动、如何为用户请求服务和与硬件打交 道。微软提供的系统驱动程序具有为标准类型设备所需的所有基本功能。总线驱动程序支 持不同类型的总线，如p c i 总线、通用串行总线( u s b ) 、i e e e l 3 9 4 ( f i r e w i r e ) 和音频端 口设备等；其它类驱动程序实现标准的w i n d o w s 功能，如人工输入设备( h i d ) 和内核流 功能等。 在w i n d o w s 2 0 0 0 中，出于安全性的考虑，系统一般不允许用户程序直接与硬件打交道， 而是通过系统中内核中i o 管理器调用驱动程序进行硬件操作。i o 管理器控制硬件驱动 程序的启动、运行和关闭，并把用户程序对硬件的操作转变成相应的i o 请求包( i r p ) ， 内核通常就通过发送i o 请求包来运行驱动程序中的代码。w d m 驱动程序模型定义了一 个设备驱动程序的标准结构：一个初始化例程和其他的功能回调例程。通过一个主要的初 始化入口点：例程d r i v e r e n t r y 把处理i o 请求包的回调( c a l l b a c k ) 例程的名称送入内核， 以供内核调用。这些回调例程也可称为分发例程，包括“创建”、“读”、“写”、“关闭”、i o c t r l 等。通过这些分发例程来完成驱动程序的工作：初始化、刨建和删除设备、处理w i n 3 2 打 东南大学硕士学位论文 开和关闭文件句柄的请求、处理w i n 3 2 输入，输出( 1 1 0 ) 请求、串行化对设备的访问、访问 硬件、调用其他驱动程序、即插即用( p n p ) 处理、w m i 和n t 事件报告等j r 作。分发例程 i r p 是驱动程序实现功能的基本程序结构，所有的分发例程有相同的函数原型，且w d m 模 型提供了i r p 结构和i o 栈单元，方便1 r p 的处理。 w d m 模型继承了n t 模式驱动程序的分层结构，并重新定义了分层，以适应即插即用 系统。这种结构也有利于系统的设计和扩展、驱动程序的开发。根据分层结构，w d m 模型 区分了驱动程序的类型，分为总线驱动程序( b u sd r i v e r ) 、功能驱动程序( f u n c t i o nd r i v e r ) 和过滤驱动程序( f i l t e r d r i v e r ) 。总线驱动程序控制对总线上的所有设备的访问，负责枚举 其总线，并为新的设备创建一个描述设备与物理总线的关系的物理设备对象( p h y s i c a l d e v i c eo b j e c t ，p d o ) 。功能驱动程序负责实现设备的功能，其创建一个描述设备的逻辑功 能的功能设备对象( f u n c t i o nd e v i c eo b j e c t ，f d o ) ，且通过总线驱动程序访问硬件。过滤驱 动程序拦截对具体设备、类设备、总线的请求做相应的处理，以改变设备的行为或添加新 的功能。每个硬件设备至少有一个功能驱动程序和一个总线驱动程序。还可能有过滤驱动 程序，用来变更标准设备驱动程序的行为。这些服务于同一个设备的驱动程序组成了一个 链表，称为设备程序栈( 如图2 1 所示) 。在w d m 模型中，i r p 首先从最上层进入，经上 层过滤驱动程序处理后依次往下传送。在每一层，驱动程序自行决 图2 1设备驱动程序的调用 定对i r p 的处理，可阻处理i r p 后继续将i r p 向下传递；可以不做任何事情，将i r p 向下 传递；也可完全接管i r p ，不再把它向下传递。这取决于驱动程序的功能和i r p 的含义。i r p 在到达最低层驱动程序并处理后，开始向上传递，各层驱动程序可根据i r p 在下层的处理 进行进一步的处理，i r p 最后到达最上层返回用户程序。 9 东南大学硕士学位论文 2 2 驱动程序开发工具的选择 2 21d d k 、d r i v e r s t u d i o 、w i n d r i v e r 及k e r n e r l d r i v e r 的比较 设各驱动程序常常被认为是开发糟英们涉足的领域，如今已成为技术刨新中的一个严重 的瓶颈。由于它难于编写，运行失败时又会产生灾难性的后果，所以微软公司将设备驱动 程序视为造成视窗系统稳定性问题的首要原因，所以如何选择一个合适的开发工具是开发 驱动程序第一步。 目前设备驱动程序的工发工具种类繁多，常用的有m i c r o s o f t 公司的d d k ( d r i v e r d e v e l o p m e n tk i t s ) ，n u m u g a 公司的d r i v e r s t d i o ，它提供了一整套驱动开发的套件，包括一 系列开发工具包、系统调试和优化工具，k r f t e c h s 公司的w i n d r i v e r 和k e m e l d r i v e r 也是一 个被广泛使用的驱动开发工具。下面就对这几种开发工具进行一个比较，以便选择一个比 较合适的工具作为数据采集驱动程序的开发工具。 m i c r o s o f t 公司的驱动程序开发工具包提供了一个开发w d m 驱动程序的开发环境，它 定义了一系列编泽驱动程序时必要的头文件、源文件以及库文件，在开发驱动程序过程， 可以使用s d k 中提供的函数。 d d k 作为一个优秀的驱动程序开发工具，它可以完全由开发者来控制对硬件的细节性 操作，因而可以最大限度地发挥硬件的作用，并且在资源的利用率以及实时性上也是其它 开发工具所不能比拟的。尽管d d k 开发驱动有如此多的好处，但是由于其使用的复杂性， 所有的工作必须由开发者从底层来完成。这样其开发周期般都相当长，所以除非对非常 复杂硬件驱动由专门驱动开发人员采用d d k 来开发，而一般简单的硬件，如数据采集等i s a 总线接口的硬件都不采用d d k 作为开发工具。 d r i v e r s t u d i o 是由n u m e g a 公司提供的个驱动程序开发工具包，它包括久经考验的工 具s o f l l c e 、d r i v e r w o r k s 、v t o o l s d 和d r i v e r a g e n t ，以及基于应用层技术( 这种技术曾用于 b o u n d