[科普中国]-远程监测诊断系统

简介

目前,大多数设备的监测及诊断系统都是基于现场的或基于局域网的分布式系统,此种体系结构相对封闭,故障诊断与维修都会受到人力、技术和地域的限制,故障诊断的时效性也受到一定的影响。因此,将设备故障诊断技术与计算机网络技术相结合,建立一种开放式的远程监测诊断系统,己经成为趋势所在。1

远程监测技术传统对生产或设备运行的监测,一般都是工作人员借助仪器仪表来就近监视作业情况,凭直观作出决策判断。但如果现场设备运行环境比较恶劣或者生产过程分布的广,相距遥远,如核动力、电力、水利、铁路、采矿、石油利远程教育等。这些部门要对相距遥远的生产过程进行监视和控制,如果沿用就近监视的办法,则在技术上和经济上都是不足取的。为了适应这种客观需要,逐步发展了远程监控技术,就是应用网络通信技术对远方的运行设备进行监视,以实现远程测量,远程信号,和远程调节等各项功能。

远程监测技术是随着计算机技术,通信技术,传感技术的发展而逐渐兴起的设备状态监测技术。远程监控的监测点与控制中心分别位于两地,打破了地域的界限,方便通过网络来连接传递信息。它采用多元的信息传输、监测,管理和一体化的集成技术,实现信息,资源和任务的共享,达到了监测的实时、快速和有效,并能够同其它的计算机网络系统互连,向人们提供了一个更高效、更全面、更安全,更快捷的服务模式,改变了传统的监测模式。

目前远程监测技术的主流是应用Internet技术,在TCP/IP协议和WWW规范支持下,合理组织软件结构,使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取权限下的所有信息并及时做出响应。未来,嵌入式系统的发展会越来越迅速,越来越成热,将这项新技术加以研究用于远程监控系统上,是监控系统未来发展方向之一。嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理,改善服务性能。可以使每一个设备具备网络与服务功能,每一个设备都可以独立进行服务,从而大大提高监控的质量和范围。

故障诊断技术故障诊断作为一门新兴的综合性学科和领域,经过近几十年发展,已初步形成了完整的学科体系。目前故障诊断理论和方法分类归纳起来为类基于非模型的故障诊断理论和方法,如信号空间特征、模态和信息处理方法的诊断理论与方法基于知识推理、人工智能、专家系统的诊断方法基于模式识别和神经网络的诊断方法基于系统数学模型和现代控制理论、方法的故障诊断理论和方法,也包括相互间的结合和集成。就其技术手段而言,己逐步形成了以振动诊断,油样分析,温度检测和无损检测探伤为主,其他技术为辅的局面。这其中又以振动信号诊断涉及的领域最广,理论基础最为雄厚。随着高新技术的发展,各种高精度,多功能的信号采集,信号分析仪器种类越来越多,从少通道,低采样频率,较低精度,只有简单分析功能的低价位分析仪器到多通道通道,超高速,超高精度,超大容量的大型高性能分析仪应有尽有。

在诊断方法模式上,除了单一参数,单一故障的技术诊断外,目前多参量、多故障的综合诊断技术已经兴起。在20世纪80年代,随着人工智能技术的迅速发展,特别是知识工程、专家系统和人工神经网络在诊断领域中的进一步应用,迫使人们对智能故障诊断技术进行更加深入与系统地研究。这是因为,一方面故障智能诊断具有传统诊断方法无可比拟的优点,另一方面,复杂设备的故障诊断在很大程度上需要依赖专家的经验知识。因此国内外专家学者陆续开发了一大批基于知识的故障诊断系统,各种诊断方法和技术也在诊断系统中得到了应用。2

实现功能目前基于网络的监测诊断系统多采用叫C/S模式, C/S模式是一种典型的双层结构,它的特点是系统的服务器程序和客户端的应用程序分开,分别在不同计算机上。当随着应用程序的功能日益复杂, C/S模式暴露出问题担当事务处理和显示逻辑的客户端越来越庞大,成为了一种“胖客户机瘦服务器”这样客户端的管理和维护将会越来越困难,而且如果系统要升级,就必须对所有客户端一一升级,这直接造成了维护成本的高昂。而B/S模式则具有良好的跨平台特性,而且由于它把复杂的应用程序移到了服务器上,使得“胖”客户瑞转化为“瘦”客户端,实现了开发环境与应用环境的分离和独立,对于实时监测系统来说,这种B/S模式有更大的灵活性、可维护、可扩展性和高效性。

基于B/S模式的远程监测是以作为通信平台的监测系统,其优点在于客户端只需通过浏览器就可以监测浏览生产过程和设备的运行情况所有的开发,维护都在服务器端,维护升级方便采用组件技术或超文本协议可实现静态,动态,文字图像的传输。其结构如下图。

数据采集要实现设备监测第一步就是采集数据,该部分是与现场联系最紧密的部分。数据采集模块的功能是将现场的数据传输到监测中心。现在大型的工业工程一般采用PLC来采集数据并进行初步的处理,将模拟信号则经过A/D转换为数字信号.PLC与PC机的通信方式可以是串口、现场总线、以太网和调制解调器等,各自有不问的应用领域,可以根据实际的情况来选择。也可以直接采用数据采集卡来实现。

数据实时传输一般来讲,实时性是控制系统强调的首要条件。远程监测的对象是现场的控制系统,用户的操作都会影响到实际的生产过程,保证实时性,即要求在限定的时间内正确地完成数据的传输、处理显的尤为重要。如果在实时性要求很高的情况下采用将数据写入数据库,由web服务器从数据库中取出数据,再将数据发送给客户计算机的方法,显然是不行的,它不仅使磁盘因频繁地读写数据而易于损坏,还会因为系统繁忙,无法使信息保持与现场同步。

数据的实时传输,其实是应用程序之间实时数据传输,传统的磁盘数据库的操作由于其时间延时及其不确定性不能达到实时性的要求。这就需要内存数据库的支持,将常用的实时的数据放入内存,由不同的应用程序共享,要达到内存的共享现在有两种常用的方法DDE动态数据交换和DLL动态链接库还可以通过网络编程,在服务器和客户机之间建立套接字的连接,以达到网络两端数据的交换。

web服务端web服务器是远程监测的核心部分,它的作用是接受客户的请求,然后针对客户的要求对数据进行一定的处理,最后将处理过的数据实时、动态的发送到客户端。当然,空的服务器并没有什么作用,要加入一些静态或动态的网页在其中。在web网页制作方面,现在的网页制作语言发展很快很多, 当前实现web访问的主要技术可分为两大类：一类是基于Server端扩展的web数据库技术,这类技术实质上是扩展了B/S模式的Server端的功能。

故障特征信息的获取要对设备故障进行诊断,第一步就需要获取有关故障特征信号。一个良好的诊断系统模块首先应该能正确,全面地获取诊断所必需的信息。设备监测中采集的信号有振动,油压,压力,温度等,其中振动信号最常用。如何提取采集信号中的故障信息将是进一步的故障诊断需解决的首要问题。

近年来随着信号分析技术的发展,采用先进的信号分析技术来提取故障信息的方式成为故障信息获取的主要手段。借助于时域,频域分析,非平稳信号的短时傅立叶变换,Wigner分布和小波分析技术等先进的信号分析手段,可以方便准确对故障信息进行深层次的获取,进而找到故障的关键信号特征和征兆,作为进一步的诊断的重要分析依据。

故障诊断技术由于设备故障的复杂性和故障与征兆之间关系的多样性,使设备故障诊断形成了一种探索性的过程。传统的故障诊断方法首先是利用各种物理的和化学的原理手段,通过伴随故障出现的各种物理和化学现象,直接检测故障其次是利用信号分析提取的故障对应的征兆来诊断。由于故障与各种征兆间并不存在简单的一一对应的关系,因此利用征兆进行故障诊断往往是一个反复探索和求解的过程。在传统诊断方法基础上,将人工智能应用于故障诊断,发展智能化的诊断方法,是故障诊断的一条全新路径。目前基于专家系统的故障诊断模式正得到广泛的引用,成为今后设备故障诊断的一个重要方向。2

系统层次由于设备的复杂度不断提高,诊断维护难度不断加大,而设备分布在很广的范围,许多情况下需要设备制造商提供必要的技术支持,但由于技术人员有限,因而难以满足实际的需要。针对这种情况,远程监测诊断服务系统充分利用网络信息技术的优势,以现有的诊断资源和专家为基础,建立远程诊断服务中心,实现诊断服务的有效性、敏捷性和经济性。

整个远程诊断系统由诊断服务中心和多个设备现场监测工作站组成。系统的核心是远程诊断服务中心,它可向多个设备提供诊断服务。现场工作站对本地设备进行监测,在设备故障时,现场工作站将采集到的实时信号传输到远程诊断中心,远程诊断中心对现场设备进行故障诊断。诊断服务中心和现场工作站共同构成一个分布式诊断系统。

现场监测工作站现场监测工作站是诊断系统的基础。在设备日常运行时,其主要功能是采集和记录设备运行过程的状态信息如从传感器,控制器获取的信号,这些信号经过按预定义的格式处理,将得到结构化的数据存储在本地数据库。当设备出现故障时,远程诊断中心提供诊断服务,现场监测工作站接收诊断服务器发出的指令,协助其进行诊断。现场工作站对设备进行实时监控和故障预报,并具有一定的诊断分析能力,能够处理一些简单的故障问题。

诊断服务中心当设备出现严重的故障时,设备现场监测系统不能做出正确的处理,本地系统将请求远程诊断服务。在本地与远程诊断系统建立连接以后,远程诊断软件系统通过人机界面与诊断专家相交互,诊断专家可以根据需要获取本地设备的实时信息或历史信息,通过分析推理后将故障判断反馈给本地系统。1