一種基于網(wǎng)絡的設備在線故障診斷系統(tǒng)研究

咸龍新，田楓

（1.青島科技大學 自動化與電子工程學院，山東 青島266042；2.青島軟控檢測系統(tǒng)有限公司 檢測系統(tǒng)研究所，山東 青島266042）

現(xiàn)代生產(chǎn)過程中存在大量高度相關的過程變量，這些變量在每一時刻的采樣值都蘊含著生產(chǎn)過程是否正常、產(chǎn)品質(zhì)量是否合格等信息［1］。設備的診斷模式經(jīng)歷了由單機監(jiān)測診斷系統(tǒng)到分布式監(jiān)測診斷系統(tǒng)的過程［2］。隨著網(wǎng)絡技術與通信技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)測診斷系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代化大規(guī)模、高質(zhì)量的生產(chǎn)要求，基于網(wǎng)絡的遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)得到廣泛的認可。

隨著學術界和企業(yè)界對遠程設備故障診斷意義認識的不斷深入，國外眾多研究者聯(lián)合企業(yè)對遠程故障診斷系統(tǒng)的技術架構、開發(fā)模式以及關鍵技術等做了較為深入的研究［3］。如密執(zhí)安大學展開針對機械加工過程的遠程診斷和制造系統(tǒng)的研究工作，并在Internet上設立了1個宣傳站點；Bently公司的計算機在線設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)Data Manager 2000可以通過網(wǎng)絡動態(tài)資料交換的方式向遠程終端發(fā)送設備運行狀態(tài)；National Instruments公司在其虛擬儀器產(chǎn)品LabView中增加了Internet模塊，可以通過 WWW，E－mail，F(xiàn)TP等方式發(fā)送測試資料；國內(nèi)陜西鼓風機（集團）有限公司目前建立了遠程監(jiān)測及故障診斷中心，為用戶24h免費提供在線技術支持和故障診斷。

應用組態(tài)軟件與仿真軟件搭建的基于客戶端／瀏覽器／服務器（Client／Browser／Server）結(jié)構的遠程故障診斷平臺，可以解決現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題。該平臺通過監(jiān)測生產(chǎn)過程中設備的關鍵參數(shù)，由本地服務器進行采集，遠程服務器進行診斷。同時，該平臺可以通過遠程客戶端對遠程設備數(shù)據(jù)處理方法進行修改。通過對數(shù)據(jù)分析服務器故障診斷策略的提升，不但可以解決設備的常規(guī)故障，而且提高了設備的性能，降低了維護的人工成本。

1 遠程故障診斷系統(tǒng)結(jié)構

基于網(wǎng)絡的遠程故障診斷系統(tǒng)是一個開放的分布式系統(tǒng)，主要包括遠程監(jiān)測、遠程診斷和協(xié)同診斷部分。設備的遠程檢測與故障診斷系統(tǒng)基于監(jiān)測設備、計算機網(wǎng)絡及軟件，實現(xiàn)監(jiān)測信息的處理、傳輸、存儲，顯示和交互?，F(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)是系統(tǒng)的起點，完成對設備的實時監(jiān)測和監(jiān)測信息的采集、存儲和處理，變換后通過網(wǎng)絡傳輸?shù)男问絺鬟f到遠程診斷中心進行分析，通過遠程下載參數(shù)方法對故障進行排查，或反饋到現(xiàn)場指導解決問題［4］。

客戶端／服務器（C／S）結(jié)構，是隨著網(wǎng)絡技術和數(shù)據(jù)庫技術而發(fā)展起來的網(wǎng)絡軟件運行的一種形式。通常的C／S模式的系統(tǒng)，有一臺或多臺服務器及大量的客戶機。服務器配備大容量存儲器并安裝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)的存放和檢索；客戶機負責數(shù)據(jù)的輸入、運算和輸出。瀏覽器／服務器（B／S）結(jié)構，是隨著Internet技術的興起，對 C／S結(jié)構的一種變化或者改進的結(jié)構。在這種結(jié)構下，用戶界面完全通過網(wǎng)絡瀏覽器實現(xiàn)，一部分事務邏輯在前端實現(xiàn)，另一部分主要的事務邏輯在服務器端實現(xiàn)，形成所謂的3－Tier System（三層結(jié)構：客戶層、應用層、數(shù)據(jù)層）結(jié)構。B／S結(jié)構主要利用了網(wǎng)絡瀏覽器技術，結(jié)合瀏覽器的多種腳本語言和ActiveX技術，用通用瀏覽器實現(xiàn)了原來需要復雜的專用軟件才能實現(xiàn)的功能，同時節(jié)約了開發(fā)成本，是一種新的軟件系統(tǒng)構造技術。根據(jù)以上提出的物理結(jié)構及體系結(jié)構，給出一個系統(tǒng)的整體結(jié)構。如圖1所示，該結(jié)構將各層功能及數(shù)據(jù)以集成方式統(tǒng)一體現(xiàn)出來。

圖1 故障診斷平臺集成架構

a）常規(guī)控制層。主要完成對工業(yè)對象的常規(guī)控制，使設備能夠正常運行，同時對其進行操作時不影響其他設備的正常工作。

b）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要完成對設備的監(jiān)視功能，在不影響系統(tǒng)正常工作的同時，完成對數(shù)據(jù)的采集，并提供數(shù)據(jù)采集的關鍵信息。該層可對數(shù)據(jù)進行濾波等其他簡單處理。同時，在不影響系統(tǒng)工作的的同時完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲。當然，屬于這一層的計算機在物理結(jié)構上可能不止一臺。

c）監(jiān)測控制與診斷層。有兩部分功能：完成系統(tǒng)的各層控制器參數(shù)的優(yōu)化；根據(jù)采集的多變量數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)的信息，完成系統(tǒng)趨勢診斷分析。它與數(shù)據(jù)采集層的通信方式有快速及慢速兩種接口。

系統(tǒng)的關鍵模塊是在傳統(tǒng)C／S結(jié)構中間加上一層，把原來客戶機所負責的功能交給中間層Web服務層來實現(xiàn)。這樣，客戶端就不負責原來的數(shù)據(jù)存取，只需在客戶機安裝瀏覽器即可。Web服務器的作用為對數(shù)據(jù)庫進行訪問，并通過Internet／Intranet網(wǎng)絡傳遞給瀏覽器。這樣，Web服務器既是瀏覽器的服務器，又是數(shù)據(jù)庫服務器的瀏覽器。在這種模式下，客戶機就變成一個簡單的瀏覽器。實時數(shù)據(jù)庫服務器從I／O服務器獲取數(shù)據(jù)，客戶通過瀏覽器向Web服務器提出請求，Web服務器處理后，到數(shù)據(jù)庫服務器上進行查詢，查詢結(jié)果送回到Web服務器后，以HTML頁面的形式返回到瀏覽器。

2 遠程在線故障系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)工作環(huán)境及結(jié)構

遠程故障診斷系統(tǒng)的設計主要包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)三個重點部分。筆者重點設計數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)與診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)的研究對象主要包括兩部分：

a）仿真系統(tǒng)對象。仿真對象主要是模擬復雜工業(yè)過程，減少前期研發(fā)成本，主要面向診斷系統(tǒng)的研究，相比于直接應用數(shù)據(jù)進行仿真研究，可以進一步驗證數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性，對降低將來系統(tǒng)的維護成本起到重要的作用。

b）實際對象模擬電路。由于仿真系統(tǒng)不能模擬系統(tǒng)實際運行中所具有的干擾特性，為此，在平臺的研究過程中為實際過程控制層添加了接口和部分功能，這樣通過模擬實際工業(yè)現(xiàn)場可以驗證診斷系統(tǒng)的有效性。

系統(tǒng)硬件結(jié)構如圖2所示，仿真對象用1臺計算機進行模擬，采用OPC Server方式定時向外發(fā)送數(shù)據(jù)，所發(fā)送的數(shù)據(jù)即是TE過程的仿真數(shù)據(jù)。實際對象為模擬電路板，通過改變阻值方式來改變對象特性。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構

2.2 系統(tǒng)功能

由于遠程過程監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)本質(zhì)上屬于MES層的下半部分，即數(shù)據(jù)采集、性能分析及質(zhì)量管理部分。根據(jù)該層基本功能及各具體模塊之間的相互關系給出系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)分為以下幾個部分：

a）常規(guī)控制層。通過上位機切換可選擇不同的控制設備及控制方式進行檢測及控制等監(jiān)控功能，例如可以選擇多種控制器（如儀表、板卡、PLC等）對同一對象進行控制，可測試不通過控制器的控制能力等試驗。

b）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集的數(shù)據(jù)包括：仿真對象的監(jiān)控變量數(shù)據(jù)；模擬電路監(jiān)測部分數(shù)據(jù)；通信連接測試功能，可以排除簡單通信原因產(chǎn)生的故障。

c）人機界面部分。包括設置管理員對各設備的監(jiān)控級別及管理權限，查詢數(shù)據(jù)及閱讀歷史記錄；數(shù)據(jù)歸檔；數(shù)據(jù)查詢。

d）監(jiān)測控制與診斷層。故障檢測分析——用于設計檢測算法，對過程數(shù)據(jù)進行全面的檢測分析，并且可以進行在線及離線計算、快速分析等；故障診斷算法——通過高級分類算法對故障進行診斷，判定故障的來源，返回診斷信息，并將結(jié)果存儲至服務器。

3 實驗研究

3.1 對 象

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)選用力控監(jiān)控組態(tài)軟件，對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集與控制，其最大的特點是以組態(tài)的方式進行系統(tǒng)集成，而不是編程方式。故障仿真設備采用Matlab開發(fā)；模擬電路采集采用PCI板卡進行采集，應用LabView進行系統(tǒng)開發(fā)。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫存儲并經(jīng)由Web遠傳至遠程診斷系統(tǒng)，經(jīng)后臺分析計算機進行分析后將結(jié)果返回至現(xiàn)場，由人工進行維護或調(diào)整。

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，系統(tǒng)的人機界面包含服務器人機界面和后臺分析計算人機界面。文中的仿真研究對象為TE過程。

a）TE過程是由美國伊斯曼公司過程控制小組的J J Downs和E F Vogel提出的一個化工生產(chǎn)過程。該過程包括5個主要單元：反應器、冷凝器、壓縮機、汽／液分離器、汽提塔。整個系統(tǒng)各部分之間耦合程度高，高度非線性［5］。

b）硬件電路為25kHz Sallen－Key帶通濾波器［6－11］。

3.2 實驗及結(jié)果分析

a）測試樣本集的仿真時間是48h，采樣時間間隔是3min，故障在8h后引入。對TE過程在正常工況下的16個監(jiān)控變量，采用主元分析法、多變量統(tǒng)計方法進行遠程診斷，將結(jié)果返回至服務器實現(xiàn)本地與遠程的訪問。圖3是其中一個監(jiān)控變量T2統(tǒng)計圖。

b）帶通濾波器采用改變可調(diào)電阻阻值的方式設計故障，用Monte Carlo方法仿真帶通濾波器的效果，如圖4所示。遠程診斷系統(tǒng)采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡（PNN）進行分類，將結(jié)果返回至服務器實現(xiàn)本地與遠程的訪問。

圖3 故障5的T2統(tǒng)計曲線

圖4 帶通濾波器仿真效果

4 結(jié)束語

筆者提出了基于網(wǎng)絡的遠程故障診斷系統(tǒng)結(jié)構，通過仿真對該結(jié)構進行了驗證，結(jié)果表明該結(jié)構能夠適用于過程控制與運動控制系統(tǒng)中關鍵設備的監(jiān)控與故障診斷。

［1］MACGREGOR J F，MARLIN T E，KRESTA J V，et al.Multivariate Statistical Methods in Process Analysis and Control［C］／／AIChE Symposium Proceedings of the 4th International Conferenceon Chemical Process Control.New York：American Institute of Chemical Engineers，1991：67，79.

［2］李紅軍，秦永勝，徐用懋.化工過程中的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)及顯著誤差檢測［J］.化工自動化及儀表，1997，24（02）：25－32.

［3］杜必強.振動故障遠程診斷中的分形壓縮及分形診斷技術研究［D］.北京：華北電力大學，2009：1－15.

［4］田楓.基于核的故障診斷方法及應用研究［D］.沈陽：沈陽理工大學，2011：36－37.

［5］DOWNS J，VOGEL E F.A Plant－wide Industrial Process Control Problem［J］.Computers and Chemical Engineering，1993（20）：245－255.

［6］WANG CH，CHEN G J，XIE Y L.Applying Wavelet Transform and Neural Networks to Fault Diagnosis in Analog Circuits［J］.Journal of System Simulation，2005，17（08）：1936－1983.

［7］MACGREGOR J F， KOURTI T.Statistical Process Control of Multivariate Processes［J］.Control Eng Pract，1995，3（03）：403.

［8］劉強，柴天佑，秦泗釗，等.基于數(shù)據(jù)和知識的工業(yè)過程監(jiān)視及故障診斷綜述［J］.控制與決策，2010，25（06）：801－806.

［9］金瑜，陳光（踽），劉紅.基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡的模擬電路故障診斷［J］.儀器儀表學報，2007，28（09）：1600－1604.

［10］唐靜遠，師奕兵，張偉.基于支持向量機集成的模擬電路故障診斷［J］.儀器儀表學報，2008，29（06）：1216－1220.

［11］孫永奎，陳光（踽），李輝.基于自適應小波分解和模擬電路故障診斷［J］.儀器儀表學報，2008，29（10）：1205－1209.