基于Internet的便攜式旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測系統(tǒng)

夏興國，汪發(fā)亮

（馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031）

0 引言

大型旋轉(zhuǎn)機械是企業(yè)的核心設(shè)備，受重視程度頗高，關(guān)于其故障監(jiān)測和診斷研究很廣泛，如通過運行過程中產(chǎn)生的振動、噪聲等信號，對旋轉(zhuǎn)機械的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，利用監(jiān)測信號，診斷故障問題及對故障進行預(yù)測[1-2]。而各種中小型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測的研究偏少，實際情況是中小型旋轉(zhuǎn)機械雖然結(jié)構(gòu)相對簡單，但其狀態(tài)監(jiān)測重要性不容忽視[3]。旋轉(zhuǎn)機械發(fā)生故障時往往損失巨大，解決方式大多為兩種：定期維修和事后維修。定期維修有過剩維修和維修不足的缺點，事后維修往往造成巨大經(jīng)濟損失甚至災(zāi)難性后果。因此，對旋轉(zhuǎn)機械的維護、檢修不僅要及時還要適時。旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)在線監(jiān)測正是在這種情況下提出的，通過狀態(tài)監(jiān)測能夠及時地對機組狀態(tài)作出準確的判斷，進而制定合理的檢測維修制度，用于預(yù)防或消除故障來延長其使用壽命。同時，通過監(jiān)測、預(yù)測故障分析、性能評估等，亦可為設(shè)備制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計、修改、優(yōu)化等提供數(shù)據(jù)和信息。

旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)正在向多目標、多層次和網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展[4]。由于本地監(jiān)測只能滿足本地工作人員的分析需要，當現(xiàn)場監(jiān)測診斷不便時，需要通過網(wǎng)絡(luò)把本地監(jiān)測的數(shù)據(jù)和方法及時發(fā)布到遠程用戶，在異地進行監(jiān)測和解決出現(xiàn)的故障。以“軟件就是儀器”思想為基礎(chǔ)的虛擬儀器技術(shù)有其獨特的優(yōu)勢，在設(shè)計旋轉(zhuǎn)機械遠程監(jiān)測系統(tǒng)中已廣泛運用。對故障數(shù)據(jù)和即時數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)遠程即時監(jiān)測、分析和交互[5-7]。當前中小型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究熱點是將旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)三者有機融合，方便實現(xiàn)遠程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測[8]。本文以中小型旋轉(zhuǎn)機械為對象，設(shè)計了一種基于Internet的便攜式在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)設(shè)計由便攜式本地系統(tǒng)和分布式遠程系統(tǒng)組成，采用DataSocket技術(shù)實現(xiàn)了即時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、整定參數(shù)、機器狀態(tài)的遠程共享，可得到實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析和數(shù)據(jù)追憶功能，方便了遠程用戶的監(jiān)測、分析和診斷。硬件平臺主要為計算機和I/O接口設(shè)備，常用的I/O接口設(shè)備有5種：PC-DAQ接口、GPIB接口、串行接口、VXI接口和PXI接口，I/O接口設(shè)備與采集卡一起完成被測輸入信號的采集和模/數(shù)轉(zhuǎn)換[9]。軟件開發(fā)工具有：C++、VB、LabWindows/CVI和LabVIEW等。

1.1 虛擬儀器軟件選取

虛擬儀器軟件中，C++和VB功能更強大，集成能力比較強，但編程復(fù)雜，可視化功能較弱，尤其在驅(qū)動采集卡時需要現(xiàn)場編寫驅(qū)動程序[10]。而LabVIEW正好彌補了其缺點，優(yōu)勢有：數(shù)據(jù)處理功能強大，可視化圖形及控件豐富，自帶驅(qū)動程序，方便網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計，支持多線程、多任務(wù)開發(fā)，強大的幫助系統(tǒng)及查找范例功能，支持多媒體應(yīng)用、ActiveX等。

1.2 DAQ驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的硬件是采集卡，軟件是控制采集卡的DAQ驅(qū)動，是建立基于步驟的DAQmx API向?qū)?，具有交互式圖形界面，無需編程就能逐步對采集卡進行測量任務(wù)、采集通道、信號自定義換算等配置，且能自動生成LabVIEW代碼，能實現(xiàn)DAQmx應(yīng)用的快速開發(fā)[11]?？紤]到采集波形需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速的變化來設(shè)定不同采樣頻率，當需要更高的采集速度時，DAQ助手會有一定的局限性，這時，可采用DAQmx API函數(shù)編寫驅(qū)動程序。

1.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

市場上數(shù)據(jù)庫主要有Oracle、IBM、SQL Server和MySQL等，其中，SQL Server占的市場份額最大。Microsoft SQL Server 2012是SQL Server的較新產(chǎn)品，提供了處理巨大數(shù)量數(shù)據(jù)和大量查詢請求的功能，其易用性、易維護、方便集成等特點滿足了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的需要。

1.4 B/S模式

三層B/S結(jié)構(gòu)為B/S模式在Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)平臺上最流行的運行模式，軟件體系結(jié)構(gòu)由客戶端、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三部分組成?？蛻舳斯δ転閷⒂脩艉蛻?yīng)用服務(wù)器建立交互關(guān)系，處理邏輯工作由應(yīng)用服務(wù)器完成，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器則由應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送的請求進行操作，并將結(jié)果傳送給應(yīng)用服務(wù)器[12]。優(yōu)勢有：可通過瀏覽器訪問，不需要在客戶端安裝應(yīng)用程序，降低了對用戶的培訓(xùn)、安裝、維護等費用；可以方便地集成，如BBS、Net Chat等功能。

1.5 Internet和Intranet的網(wǎng)絡(luò)安全

Internet和Intranet兩者互聯(lián)在遠程監(jiān)測系統(tǒng)，由Intranet接入Internet，安全問題主要在接入邊界上。系統(tǒng)采用防火墻技術(shù)加強網(wǎng)絡(luò)的安全，用于加強網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時的訪問控制，保護內(nèi)網(wǎng)及其設(shè)備，防止外部用戶非法使用內(nèi)網(wǎng)資源而產(chǎn)生機密數(shù)據(jù)泄漏。由于Intranet的出入口要考慮安全問題，采用緩存技術(shù)解決[13]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 設(shè)計目標

本系統(tǒng)由本地和遠程系統(tǒng)組成。一臺帶有無線上網(wǎng)功能的筆記本電腦和一個即插即用的數(shù)據(jù)采集卡即可構(gòu)成便攜式本地系統(tǒng)，企業(yè)內(nèi)的辦公計算機和企業(yè)之外的遠程用戶構(gòu)成遠程系統(tǒng)。本地系統(tǒng)應(yīng)具有如下基本功能：參數(shù)整定、采樣設(shè)置、運行狀態(tài)監(jiān)測、黑匣子功能及歷史數(shù)據(jù)存儲、機器運行歷史情況追憶、常用信號分析功能。遠程用戶可以通過安裝遠程監(jiān)測系統(tǒng)安裝包，實時安全地獲得本地監(jiān)測系統(tǒng)的聲警、光警和彈出報警對話框結(jié)果，本地監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的即時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。遠程系統(tǒng)能及時得到被監(jiān)測機器的狀態(tài)信息、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置信息，具有與本地系統(tǒng)同樣的數(shù)據(jù)處理與分析功能，只要互聯(lián)網(wǎng)通暢，遠程用戶就可使用該系統(tǒng)。根據(jù)用戶等級可對遠程系統(tǒng)的使用設(shè)定一定權(quán)限。

2.2 本地狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)硬件組成及選擇 本地狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)備包括傳感器、信號調(diào)理電路、采集卡和較高性能的便攜式計算機1臺。硬件組成如圖1所示。

圖1 本地狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成框圖Fig.1 Block diagram of hardware composition of local state monitoring system

2.2.2 軟件選擇 本系統(tǒng)采用LabVIEW 2013和SQL Server 2012進行設(shè)計，安裝于高性能的便攜式計算機，并在LabVIEW中嵌入解壓后的LABSQL Release 1.1文件。軟件總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 General design structure of software

2.3 遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)機械運行過程中或出現(xiàn)故障時，公司領(lǐng)導(dǎo)層、技術(shù)人員或者遠程的診斷人員需要及時了解旋轉(zhuǎn)機械的工作狀態(tài)信息，以便進行監(jiān)測和診斷分析，這樣就需要公司各個階層或者技術(shù)中心利用客戶機與本地監(jiān)測系統(tǒng)建立聯(lián)系。

公司領(lǐng)導(dǎo)層只需了解機器的運轉(zhuǎn)情況和分析報告即可，可以通過LabVIEW的Web頁發(fā)布技術(shù)把本地狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測界面實時共享，在Web瀏覽器上瀏覽到機組的狀態(tài)信息，而且能夠遠程動態(tài)監(jiān)測與控制，并即時發(fā)布數(shù)據(jù)和本地狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工作人員進行交流，得到本地狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的所有信息及相關(guān)報告。由于采用B/S結(jié)構(gòu)監(jiān)測機組運行，客戶端只需安裝LabVIEW軟件、Run-Time Engine和聯(lián)網(wǎng)。對于技術(shù)人員，主要任務(wù)是對故障進行診斷并給出解決方案，需了解旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)參量的各種數(shù)據(jù)，包括即時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。本地監(jiān)測系統(tǒng)工作人員利用DataSocket技術(shù)發(fā)布本地數(shù)據(jù)，包括即時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，公司的高級技術(shù)人員可以利用DataSocket技術(shù)即時接收數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)接收以后進行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果再返回給本地狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的工作人員，提供相關(guān)的信息并給予指導(dǎo)和決定意見；亦可發(fā)布給公司領(lǐng)導(dǎo)層，以供他們做出相關(guān)的決定和存儲報告記錄。

3 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測

在實際在線監(jiān)測時，需要做系統(tǒng)參數(shù)整定，現(xiàn)場工程師對被監(jiān)測的機器名稱和標號、測點的位置及標號、通道性質(zhì)、信號類型、傳感器類別、傳感器靈敏度、峰-峰值黃警限、峰-峰值紅警限等參數(shù)進行設(shè)定，以便在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測時進行通道性質(zhì)的確認，數(shù)據(jù)監(jiān)測時進行峰-峰值比較，數(shù)據(jù)追憶和遠程發(fā)布時顯示相應(yīng)的信息。參數(shù)整定后，啟動數(shù)據(jù)采集程序?qū)πD(zhuǎn)機械進行采集監(jiān)測。由于旋轉(zhuǎn)機械數(shù)據(jù)具有一定的保密性，需要設(shè)定一定的權(quán)限，權(quán)限的設(shè)定方法同參數(shù)整定權(quán)限界面類似。數(shù)據(jù)采集監(jiān)測程序主要包括兩個部分：數(shù)據(jù)采集方法及采集卡驅(qū)動和監(jiān)測報警。

3.1 數(shù)據(jù)采集程序編寫

編寫驅(qū)動程序，通過數(shù)字端口采集鍵相信號，并測出轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速控制各個通道采樣點數(shù)和采樣頻率。依據(jù)各通道信號的采樣頻率和實際需求，可把采樣點數(shù)n設(shè)定為采樣頻率的1/m。若取1 s內(nèi)采樣的所有點數(shù)，當m=10，采樣頻率f=10 000 Hz時，驅(qū)動程序每次輸出為1 000點，在1 s內(nèi)連續(xù)輸出10次。這樣，在驅(qū)動程序外面加一個FOR循環(huán)，循環(huán)次數(shù)設(shè)為k，可以取第k個1 000樣點進行輸出，為后續(xù)監(jiān)測程序和數(shù)據(jù)庫存儲程序節(jié)省時間。同時，在FOR循環(huán)加一個case結(jié)構(gòu)，條件以毫秒標定，當毫秒時間段等于000時，進行一次數(shù)據(jù)采集，下一個000 ms時，進行第二次采集，這樣每隔1 s采集一個數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了1 s對各個通道巡采，采集的數(shù)據(jù)也是每隔1 s輸出。數(shù)據(jù)采集程序算法流程圖如圖3所示。

3.2 采集信號的監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的目的就是監(jiān)測機組運行情況，需要對非正常運行狀態(tài)的狀態(tài)參量進行監(jiān)測和故障報警，及時提醒工作人員進行故障檢查、維修甚至停機，其功能是借助系統(tǒng)監(jiān)測與控制平臺來實現(xiàn)。

監(jiān)測程序和數(shù)據(jù)采集程序分屬于兩個線程，獨立運行，可同時對8個通道進行采集和監(jiān)測。由于系統(tǒng)可以對8個通道進行參數(shù)整定，通道性質(zhì)包括模擬快變、模擬慢變、故障和備用通道，因此，須考慮當某通道發(fā)生故障或者備用的時候，對此通道不進行采集和監(jiān)測，當明確是故障通道時，可以對其監(jiān)測也可不監(jiān)測。因此，對系統(tǒng)進行監(jiān)測之前，需要檢查通道狀態(tài)和故障狀態(tài)，當通道性質(zhì)不是故障或者備用通道的時候，且沒有故障出現(xiàn)的時候，才進行峰-峰值越限監(jiān)測。反之，只對數(shù)據(jù)進行采集而不監(jiān)測。因此，采集和監(jiān)測是獨立運行的。其中，為了獲得通道性質(zhì)和峰-峰值黃警限、紅警限，調(diào)用了參數(shù)整定全局變量。為了實現(xiàn)某通道產(chǎn)生故障而不進行監(jiān)測，采用紅警和黃警燈局部變量反饋控制故障狀態(tài)。

4 實驗平臺

4.1 數(shù)據(jù)分析

該狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，考慮到時域波形是處理后的電壓信號，有時需要知道通道信號的非電壓原始數(shù)據(jù)信息，這時須編寫時域波形單位轉(zhuǎn)化程序，顯示出最原始數(shù)據(jù)的波形狀態(tài)。在LabVIEW中放置case結(jié)構(gòu)，放置布爾量控制按鈕于前面板并連接控制條件，當控制條件為真時，執(zhí)行傳感器靈敏度處理程序，輸出非電壓原始時域波形；當控制條件為假時，輸出時域電壓波形。當然，在數(shù)據(jù)分析中，由于系統(tǒng)的可擴展性，可以考慮加入各種分析方法，如小波分析、小波包分析等。數(shù)據(jù)分析控制平臺如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析控制平臺圖Fig.4 Platform diagram of data analysis and control

4.2 Internet遠程監(jiān)測

對于使用者來說，必須擁有一定的權(quán)限。本地用戶只需安裝嵌入LABSQL Release1.1解壓文件的LabVIEW2013或更高版本及SQL Server2012，并安裝本地系統(tǒng)參數(shù)整定程序包和本地監(jiān)測系統(tǒng)程序包即可。遠程用戶如果不需要分析功能，只需安裝Run-Time Engine即可監(jiān)測本地機組的運行狀態(tài)；如果需要分析功能只需安裝與本地系統(tǒng)的同一版本的LabVIEW軟件，并安裝遠程監(jiān)測系統(tǒng)程序包即可。Web發(fā)布的瀏覽器接收見圖5，為Internet遠程監(jiān)測。

圖5 Web發(fā)布的瀏覽器接收圖Fig.5 Browser receiving picture published by Web

5 結(jié)語

該系統(tǒng)具有很好的可擴展性、可讀性和可維護性，已經(jīng)成功地應(yīng)用于實驗室某實驗臺上。系統(tǒng)后續(xù)研究工作還可以進一步完善，方向為：考慮數(shù)字信號及開關(guān)量信號的硬件處理和軟件采集處理方法；根據(jù)實際情況，可加入更多報警限設(shè)定；故障數(shù)據(jù)的永久保存及故障數(shù)據(jù)庫備份；若發(fā)生嚴重警報時，輸出信號強制停機等。