LabVIEW機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的Web實(shí)現(xiàn)

熊波 王卓

華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系 湖北 430074

0 引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和自動化水平的提高，工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)械設(shè)備越來越復(fù)雜，其維修方式由事后維修、定期維修發(fā)展成為狀態(tài)維修。要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修，必須對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況。目前故障診斷的方法主要有三種：溫度分析法、油樣分析法和振動分析法。振動分析方法應(yīng)用廣泛，能對早期故障進(jìn)行有效診斷，信號測試方便，分析簡單，直觀，診斷結(jié)果可信度高，在工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域受到了高度重視。要對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行振動分析，必須將設(shè)備的振動信號傳遞給工程技術(shù)人員，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測。

Labview提供了大量用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲的工具與函數(shù)，同時(shí)它還提供了大量常用于自動化測試測量領(lǐng)域的圖形控件與多種編程語言和應(yīng)用程序的接口，可以根據(jù)需要擴(kuò)展其應(yīng)用。正是由于這些特點(diǎn)，LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試領(lǐng)域中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢并應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)介紹了LabVIEW環(huán)境下利用串口通訊、測量分析和數(shù)據(jù)顯示功能模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控的一個(gè)實(shí)例。文獻(xiàn)[5]介紹了LabVIEW在變壓器故障診斷中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、信息融合、數(shù)據(jù)庫管理和故障診斷的實(shí)例。因此，通過LabVIEW來獲取機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)振動數(shù)據(jù)是一種比較理想的方案。

LabVIEW圖形化的基于數(shù)據(jù)流的編程方式簡便直觀，但LabVIEW只能單機(jī)運(yùn)行，不易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備的故障診斷。而基于Web的瘦客戶端模式能使數(shù)據(jù)最大范圍的共享，且瀏覽方便。因此，將兩者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使得工程人員通過瀏覽器就能遠(yuǎn)程查看機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)振動數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，這是非常理想的一種解決方案，也是本文研究的主要內(nèi)容。

1 總體方案

在本系統(tǒng)中，需要傳遞的數(shù)據(jù)有波形、頻譜、RMS(振動有效值)和峭度指標(biāo)等。這些數(shù)據(jù)可以分為兩種類型：實(shí)時(shí)波形和特征參數(shù)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)和工作原理如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)和工作原理圖

2 Web Service設(shè)計(jì)

當(dāng)客戶端發(fā)送URL請求Web Service時(shí)，Web Service獲取對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)共享變量數(shù)據(jù)并進(jìn)行頻譜分析，以XML文件的方式返回給客戶端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)共享。

2.1 網(wǎng)絡(luò)共享變量

LabVIEW8.0在工程的基礎(chǔ)上引入了網(wǎng)絡(luò)共享變量(Net-Published Variable)的概念，網(wǎng)絡(luò)共享變量為同一工程下不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換提供了很好的方式，用戶不需要關(guān)心其底層實(shí)現(xiàn)，也不需要編程，只需要像訪問同一設(shè)備中的全局變量一樣進(jìn)行讀寫操作。LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序?qū)C(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)振動數(shù)據(jù)采集上來，然后將這些實(shí)時(shí)振動數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)共享變量的形式發(fā)布。這樣，只要該LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序處于運(yùn)行狀態(tài)，這些網(wǎng)絡(luò)共享變量就能被其他LabVIEW程序訪問了。

2.2 LabVIEW Web Service程序設(shè)計(jì)

LabVIEW Web Service模塊在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳播中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，其主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)功能：

(1) 網(wǎng)絡(luò)共享變量的定位和讀??；

(2) 將網(wǎng)絡(luò)共享變量轉(zhuǎn)化為XML文件；

(3) 生成和發(fā)布Web服務(wù)。

另外，針對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的不同，處理實(shí)時(shí)波形和實(shí)時(shí)特征參數(shù)的LabVIEW Web Service程序也不完全一樣，處理實(shí)時(shí)波形的LabVIEW Web Service程序除了上述三種功能外，還有波形變換的功能。

從工業(yè)現(xiàn)場采上來的機(jī)械振動實(shí)時(shí)波形是加速度波形，然而，從加速度波形中能獲得的信息有限，因此，有必要對加速度波形進(jìn)行相應(yīng)的變換，以獲得更多對故障診斷有幫助的信息。

對采集上來的原始波形進(jìn)行變換有兩種方案：

(1) LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序從工業(yè)現(xiàn)場采集到波形數(shù)據(jù)后，進(jìn)行變換，然后將變換后的波形以網(wǎng)絡(luò)共享變量的形式發(fā)布，供LabVIEW Web Service程序讀取。

(2) LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序?qū)⒉杉降脑疾ㄐ螖?shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)共享變量的形式發(fā)布，LabVIEW Web Service程序從網(wǎng)絡(luò)共享變量中讀取波形數(shù)據(jù)后，根據(jù)用戶請求進(jìn)行相應(yīng)的變換。

通過對比，發(fā)現(xiàn)第一種方案用到的網(wǎng)絡(luò)共享變量比第二種多得多。從節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，控制網(wǎng)絡(luò)流量的角度出發(fā)，第二種變換方案更優(yōu)，應(yīng)成為首選方案。

處理波形數(shù)據(jù)的LabVIEW Web Service程序如圖2。

處理波形數(shù)據(jù)的LabVIEW Web Service程序主要分為4個(gè)部分：

第1部分主要是根據(jù)3個(gè)端口信息對共享變量進(jìn)行定位。第2部分主要是讀取共享變量，添加時(shí)間信息，對讀取過程進(jìn)行容錯(cuò)處理。第3部分主要根據(jù)端口type的信息對實(shí)時(shí)波形進(jìn)行相應(yīng)的變換。第4部分主要將最終的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為XML文件。

圖2 處理實(shí)時(shí)波形的LabVIEW Web Service程序

處理實(shí)時(shí)特征參數(shù)的LabVIEW Web Service程序和圖2所示程序大同小異，只是沒有對波形進(jìn)行變換的部分。

2.3 Web Service端口設(shè)置

Web服務(wù)生成時(shí)，會形成相應(yīng)的URL映射，URL映射會生成一些端口，這些端口包含了Web服務(wù)的所有信息?？蛻舳送ㄟ^URL請求Web服務(wù)時(shí)，Web服務(wù)根據(jù)URL提供的端口信息為客戶端提供服務(wù)。

處理實(shí)時(shí)波形的Web服務(wù)的URL映射如下所示：/read/：hostname/：LibraryName/：VariableName/：type

上面的URL映射包含了4個(gè)端口，各端口的含義為：

(1) hostname：網(wǎng)絡(luò)共享變量所在計(jì)算機(jī)的主機(jī)名；

(2) LibraryName：網(wǎng)絡(luò)共享變量所在變量庫的庫名；

(3) ariableName：網(wǎng)絡(luò)共享變量名；

(4) type：波形變換的類型，有效取值為0,1,2,3,4,5，分別對應(yīng)的變換類型為位移波形，速度波形，加速度波形，幅值譜，相位譜，功率譜。

由于特征參數(shù)是浮點(diǎn)型的數(shù)字，因此處理實(shí)時(shí)特征參數(shù)的Web服務(wù)的URL映射和處理實(shí)時(shí)波形的Web服務(wù)的URL映射相比，沒有type端口，其他端口及端口的含義相同。

2.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為XML文件

XML(Extensible Markup Language)被普遍認(rèn)為是World Wide Web發(fā)展的重要里程碑，現(xiàn)已成為Web上數(shù)據(jù)表示與交換的標(biāo)準(zhǔn)。XML具有良好的擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)靈活，使用日趨廣泛。XML可以將各種信息如文本、表格，甚至圖形等以原始數(shù)據(jù)的方式儲存。正是利用XML的這些特點(diǎn)，在LabVIEW Web Service程序中，實(shí)時(shí)波形和實(shí)時(shí)特征參數(shù)均轉(zhuǎn)化為XML文件的形式，然后再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，用戶得到數(shù)據(jù)之后，再在Web中對XML做相應(yīng)處理，將其還原。在整個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的流向及存在形式如圖3。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向及存在形式圖

3 客戶端設(shè)計(jì)及故障診斷

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有很多種，這些數(shù)據(jù)分為兩種類型：實(shí)時(shí)波形和實(shí)時(shí)特征參數(shù)，客戶端請求Web服務(wù)之后，這兩種數(shù)據(jù)都是以XML文件的形式返回給客戶端，客戶端的工作主要是對XML文件進(jìn)行相應(yīng)的處理，將數(shù)據(jù)從XML中還原出來，并顯示在Web頁面上。

3.1 實(shí)時(shí)特征參數(shù)的客戶端實(shí)現(xiàn)

由于實(shí)時(shí)特征參數(shù)比較簡單，只是一個(gè)單一的浮點(diǎn)數(shù)，因此其Web實(shí)現(xiàn)也比較簡單：Structs得到返回的XML文件后，相應(yīng)的處理類把特征參數(shù)從XML中解析出來，并保存到該類的靜態(tài)變量中，Web頁面以一定周期從此靜態(tài)變量中讀取值，并顯示在頁面上。這樣就實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)特征參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和更新。

3.2 實(shí)時(shí)波形的客戶端實(shí)現(xiàn)

(1) 原理與方案

LabVIEW Web Service將實(shí)時(shí)波形轉(zhuǎn)化為XML文件時(shí)，是將所有點(diǎn)的幅值按順序保存的，由于在頁面中顯示的實(shí)時(shí)波形是要隨時(shí)間不斷變化的，因此，在Web頁面中嵌入靜態(tài)圖片的方案顯然行不通。本系統(tǒng)采用的方案是在頁面中嵌入Flex以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波形的顯示和更新。

Flex技術(shù)所開發(fā)的程序運(yùn)行于Flash Player中，因此可以在幾乎所有電腦中運(yùn)行，對于大部分瀏覽者而言并不需要安裝額外的客戶端，瘦客戶端的特點(diǎn)是Flex技術(shù)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。Flex中有一種數(shù)據(jù)類型為ArrayCollection，若控件的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)類型為ArrayCollection，則當(dāng)數(shù)據(jù)源發(fā)生變化時(shí)，控件也要相應(yīng)地發(fā)生變化，因此，可以把獲得的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)作為控件的數(shù)據(jù)源，類型設(shè)置為ArrayCollection，這樣，每當(dāng)實(shí)時(shí)波形發(fā)生變化時(shí)，控件也要相應(yīng)地發(fā)生變化。實(shí)時(shí)波形在頁面中的實(shí)時(shí)更新也就能夠?qū)崿F(xiàn)了。

(2) 通用Flex模塊設(shè)計(jì)及與Web的交互

為減小程序設(shè)計(jì)的工作量，按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，應(yīng)該將Flex模塊設(shè)計(jì)成一個(gè)通用的模塊，實(shí)現(xiàn)最基本的功能。Web頁面根據(jù)需要，選擇一定數(shù)量和類型的通用Flex模塊嵌入其中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波形的顯示和更新。

通用Flex模塊最重要的功能就是請求Web服務(wù)，獲取實(shí)時(shí)波形并顯示。其工作過程如圖4。

圖4 通用Flex模塊工作過程及與Web的交互

通用Flex模塊接收Web頁面?zhèn)鬟^來的URL，F(xiàn)lex的HTTPService通過該URL請求Web服務(wù)并獲得Web服務(wù)返回的XML文件，提取XML文件中的波形振幅數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型設(shè)定為ArrayCollection，并作為波形顯示控件的數(shù)據(jù)源。這樣，控件中的實(shí)時(shí)波形就能實(shí)時(shí)顯示和更新了。

此外，為了使波形顯示更加美觀和合理，通用Flex模塊還有一些優(yōu)化模塊，這些優(yōu)化模塊具有波形初始顯示時(shí)的自適應(yīng)顯示，波形顏色設(shè)置，波形大小調(diào)整，時(shí)間信息的顯示等一些功能。

關(guān)于波形顯示控件的選擇，對于位移波形，速度波形和加速度波形，由于變換為XML文件時(shí)，橫軸信息沒有發(fā)生變化，用LineChart就能夠正確的顯示實(shí)時(shí)波形了。而對于幅值譜，相位譜和功率譜，由于變換為XML文件時(shí)，橫軸信息發(fā)生了變化，為了能正確顯示頻譜數(shù)據(jù)，需要加上頻譜數(shù)據(jù)的橫軸信息，因此，采用PlotChart作為頻譜數(shù)據(jù)的顯示控件。

由于Flex模塊的通用性，F(xiàn)lex模塊用來請求Web服務(wù)的URL必須由外界提供。在本系統(tǒng)中就是由Web頁面程序提供。Web和Flex的交互，就是要在Web頁面程序中實(shí)現(xiàn)對Flex程序的調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)URL從Web頁面到Flex的傳遞。

Flex提供了與外部程序交互的功能，通過ExternalInterface將被外部程序調(diào)用的函數(shù)聲明為回調(diào)函數(shù)，這樣，外部程序就能夠訪問被聲明為回調(diào)函數(shù)的函數(shù)了。

在Web頁面中，首先需要嵌入通用Flex模塊，給每一個(gè)嵌入的Flex模塊一個(gè)ID，通過ID號就能調(diào)用對應(yīng)Flex模塊中的回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)URL的傳遞。

3.3 故障診斷策略

對于機(jī)械設(shè)備的故障診斷，可以采用初步診斷和詳細(xì)診斷相結(jié)合的方式。

機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)振動特征參數(shù)，如振動有效值，波形指標(biāo)，峭度指標(biāo)等能反映設(shè)備的整體運(yùn)行情況。因此，可以通過監(jiān)測實(shí)時(shí)特征參數(shù)來對設(shè)備是否存在故障進(jìn)行初步的診斷。當(dāng)實(shí)時(shí)特征參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，說明機(jī)械設(shè)備存在故障，這時(shí)，就需要查出故障的產(chǎn)生部位和類型，因此，需要對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的診斷。

對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)診斷，比較經(jīng)典的方法是對實(shí)時(shí)波形進(jìn)行頻譜分析，很多故障都存在對應(yīng)的特征頻率，當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，表現(xiàn)在功率譜上就是特征頻率出現(xiàn)異常(峰值、劇增，邊頻等)，此時(shí)根據(jù)特征頻率就能診斷出機(jī)械設(shè)備的故障部位和故障類型。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)顯示的效果如圖5。

圖5 實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)顯示效果圖

運(yùn)行結(jié)果表明，LabVIEW采集的實(shí)時(shí)波形信號和實(shí)時(shí)特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程傳輸，在網(wǎng)頁上能正確顯示。當(dāng)連續(xù)獲取實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)波形時(shí)，系統(tǒng)也能及時(shí)響應(yīng)，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)延小。

5 結(jié)語

工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)振動數(shù)據(jù)，對于分析設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況有著極其重要的作用。本系統(tǒng)通過LabVIEW Web Service、EJB、Flex和Structs等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)振動數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，將實(shí)時(shí)波形和實(shí)時(shí)特征參數(shù)呈現(xiàn)在網(wǎng)頁上，且系統(tǒng)在運(yùn)行過程中穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、系統(tǒng)時(shí)延小，使用戶能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、直觀的了解工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，為設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)提供有力的支持。

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