基于Internet的远程机械故障诊断系统的实现

基于Internet的远程机械故障诊断系统的实现
摘要
随着信息时代的到来，计算机网络尤其是Internet几乎渗透到了生产和生活的每一个角落，同时也为机械设备状态监测与故障诊断带来了全新的概念。

首先，企业的信息化和自动化技术已成为提高企业自身竞争力和经济效益的重要手段，是企业参与国际竞争的技术保障:其次，利用基于Internet的远程网络技术，可以有效地实现资源共享和专家异地会诊;再次，基于Intemet的远程故障诊断中心的建立可以方便地实现对企业技术人员的培训和知识传播。

基于Intemet的远程故障诊断系统把通信技术、网络技术、计算机技术和控制技术引入传统的故障诊断领域，从体系机构上改变了传统故障诊断的模式，跨越了以往诊断系统在时间和空间的局限性。

本文的研究方向着重于提出基于Internet的远程故障诊断系统结构，并分析系统各部分的解决方案。

该系统由三部分组成:现场工作站、企业监测中心和远程诊断中心。

现场工作站负责对设备进行数据采集和预处理等工作，采用DSP,VXI和虚拟仪器技术进行开发。

现场工作站通过企业内部网与企业监测中心相连。

企业监测中心负责控制及管理现场工作站，同时负责监测数据汇总、数据分析以及常规故障诊断等工作。

其信号分析功能由LabVIEW,LabWindows/CVI, ComponentWorks开发，后台服务程序由VC开发。

企业监测中心和企业NIS系统结合在一起，减少了重复投资，也使设备状态信息及时反映到企业决策层。

企业监测中心通过Internet与远程故障诊断中心相连。

远程诊断中心负责专家会诊环境管理、诊断专家系统管理与维护以及信息发布等工作沂本文开发了一个具有用户管理、数据分析、结果报告和专家诊断等功能的远程诊断示范系统的ActiveX控件、ActiveX DLL, ASP统开发过程中采用了VB、ActiveX控件通过RDS进行远程数据存取扩ActiveX DLL是ASP的服务器端组件，本文成功地在ActiveX DLL 中输出VB窗体的JPEG图象，并返回给浏览器。

本文还探讨了基于DataSocket的网络测量系统。

DataSocket技术可以通过各种接口传送测量数据，使得通过网络共享测量数据变得非常简单。

本文也探讨了虚拟仪器技术和Web技术的结合，并成功地把LabVIEW应用于CGI中，开发出基于Web的远程数据采集系统。

本文还建立了基于Web的虚拟仪器演示系统。

最后，本文介绍了远程专家会诊系统，并提出采用Microsoft的NetMeeting解决方案tMeeting软件是可用于Intemet上进行实时音、视频和数据通讯套应用程序和网络组件，它提供了应用程序共享、文件传送、白板和交谈等功能。

通过NetMeeting可以使会诊专家尽可能地获取现场知识，更好地作出诊断意见。

本文的创新主要在于把虚拟仪器技术引入故障诊断领域中，极大增强了系统的信号分析功能和网络通讯功能;
提出把企业监测中心和企业MIS系统结合起来，实现数据共享和网络资源共享，减少重复投资出了远程专家会诊系统，为远程故障会诊的开展打下了良好的基础。

关键词:远程诊断，Internet，虚拟仪器，网络测量，远程会诊，VXI
第一章绪论
1.1课题综述
1.1.1设备故障诊断技术的发展
随着科学技术与生产的发展，机械设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时设备更加复杂，各部分的关联愈加密切，从而往往某处微小故障就会爆发连锁反应，导致整个设备乃至与设备有关的环境遭受灾难性的毁坏。

这不仅会造成巨大的经济损失，而且会危及人身安全，后果极为严重。

1973年美国三里岛核电站堆芯事故，1985年美国航天航空飞机“挑战者”号坠毁。

英国Thomas在1984年发表论文认为，对大型汽轮发电机组进行振动监视，其获利和投资的比例为17:1。

由此可见对机械设备，特别是关键设备部件实行状态监控与故障诊断的必要性和迫切性。

美国是开展机械设备故障诊断技术研究最早的国家。

1967年，在美国国家宇航局(NASA)的创导下，由美国海军研究室(ONR)主持召开了美国“机械故障预防小组(MFPG)”的成立大会。

成立大会的代表几乎全部都是军界的研究人员和维修人员，并且以海军和空军居多。

从第二届会议开始逐步有企业界和高校的代表参加，之后，代表的成分越来越广泛。

MFPG一成立便开始了紧张的学术交流活动，其中，在1967年至1969年的三年时间里共召开了九届学术交流会，公开发表论文94篇。

至今，MFPG己召开过40次学术会议，平均每年召开两次。

1971年MFPG正式划归美国国家标准局(NSB)领导，由一个半官半民的组织变成一个官方领导的组织，下设故障机理研究组、监测诊断预测技术组、可靠设计组和材料耐久性评价组。

英国设备诊断技术最初的研究工作和启蒙活动始于60年代末至70年代初，以科拉科特(R.A.Collacot)为首的“英国机器保健中心(U.K.
Monitoring Center)”率先开展研究工作，在宣传、培训、咨询、制定计划、故障分析以及诊断技术开发等多
方面取得了很好的成效。

1982年由曼切斯特大学发起创立了沃福森工业维修公司(WIMU)，主要开展研究和咨询活动。

核电方面。

英国原子能机构下设的一个系统可靠性服务站(SRS)专门从事诊断技术的研究，主要研究范围包括利用噪声对炉体进行监测、锅炉和管道的无损检测以及程序的可靠性评价技术等。

此外，SRS还起到了英国故障数据中心的作用。

欧洲其它国家的设备诊断技术研究也有不同程度的进展，在某些方面占据领先地位，如瑞典的SPM轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦的振动、噪声分析和声发射技术等。

在日本在民用工业(如钢铁、化工和铁路等)部门发展迅速，并占有一定的优势。

新日铁于1971年率先开展了设备故障诊断技术的开发研究工作。

1976年基本上进入了实用阶段，开发完成了商品化的专用诊断仪器。

私有大型企业，如三菱重工、松下电器、日立制作所、东京芝蒲电器等以企业内部运营工作为中心开展了高水平的实用项目研究，并发表了不少高水平的论文。

其中三菱重工的白木万博在旋转机械故障诊断方面开展了卓有成效的工作，该公司推出的“机械保健系统(Machinery Health Monitoring System)”就是一套非常成功的气轮发电机组故障监测与诊断系统。

我国自80年代中期起开始设备故障诊断技术的研究。

从整体上看，尚属于跟随性发展研究，但在一些领域也取得了丰硕的成果，并已形成高校、研究所及工厂的梯队式研究、开发和应用层次。

国内高校每年都有许多以故障诊断为内容的论文发表。

1986年，我国正式成立了中国振动工程学会机械故障诊断分会。

该分会己发起组织了多次全国性的大型故障诊断学术交流会议，为推动设备诊断技术方法的进步和完善开展了大量有意义的工作。

近几年，我国在设备诊断软硬件系统的开发研制方面取得了很大进步，先后研制出了多种类型的在线和离线设备诊断系统。

随着现代系统工程、信息论、控制论、电子技术、计算机技术、通信技术等的发展，故障诊断技术和方法也发展迅速，同时出现提高和普及两种势头。

表现在由单参数测量到多参数测量，由不同步到同步，由静态到动态，由平均值、极值到过渡过程和平稳过程的瞬时值，由离线到在线，由事后分析到预测，由人工诊断到自动诊断等方面。

近年来，国内外从事故障诊断研究的人员不断增多，研究的手段和方法也日新月异，在诊断过程中充分利用了现代测试、监测技术。

各种先进的技术在机械故障诊断中都找到了用武之地，例如，计算机模拟、动态信号处理、机械图象分析、润滑油样分析等，已经形成了各具特色的流派和分支。

从近期看，机械设备故障诊断的原理和方法将会继续在一些对机器故障十分敏感的领域，如飞机发动机、航天、化工机械、船舶发动机等方面得到应用，并逐渐推广到其它一些机械行业。

根据当前的开展状况，下面一些研究方向将会得到迅速发展:
1.在数理统计理论的指导下发展完善判别方法，在一些关键机械设备上推广故障诊断树分析技术，制定合理的诊断程序。

2.从时域和频域两个方面发展波形分析技术和计算机信息处理，特别是机器振动和噪声的分析，提高信噪比，改善对故障诊断的灵敏度和可靠性。

3.机器故障的计算机模拟和模型分析方法。

4.典型机器部件的失效机理及其在二次信息中的反映。

5.发展复杂自动化机械系统的在线监控、预警技术、人工智能和专家系统。

6. 发展和推广先进的诊断方法和手段。

例如，直接在液压系统运行过程中在导管外壁采用测量流量的超声流量计，声发射技术，以及在滚动轴承运行中监视的光纤传感器件等。

7.状态监测与故障诊断系统化和网络化。

特别是随着计算机网络和通讯技术的发展，基于Intemet/Intranet的远程故障诊断方兴未艾。

本文正是在该背景下，探讨基于Intemet的远程故障诊断系统的具体实现方法。

1.2远程故障诊断及其意义
目前，状态监测与故障诊断系统的主要形式有: (1)离线故障监测与诊断;{2)单机在线故障监测与诊断;(3)集中式在线故障监测与诊断;(4)远程分布式在线监测与故障诊断。

离线工况监测与故障诊断通过监测传感器采集设备运行信息，由计算机进行分析和诊断。

其优点是经济、灵活方便。

但由于只是定时监测，故一般不能监测到机组发生故障前后的信号，因而起不到“黑匣子”作用，难以正确判断故障和预报机组的运行趋势。

单机在线故障监测与诊断方式对每一台设备安装一套故障监测诊断系统。

这种方式实时性好，可靠性高，但该方式经济性差、各监测诊断系统之间信息难以共享。

集中式在线故障监测与诊断方式克服了单机方式的经济性差，信息难以共享等缺点，但这种方式由于信号电缆过长，信号易失真、易受干扰。

由于数据采集通道数和存储量的增加导致监测实时性差，且受地域限制，难以进行远程的诊断。

远程分布式在线监测与故障诊断方式综合了单机在线工况监测与故障诊断和集中在线工况监测与故障诊断方式的优点。

该方式对每台机组分别配置一套数采监测系统，多台数采监测系统共享一套诊断系统。

这样，既保证了监测的实时性(即使在诊断时也能保证不中断监测)，又实现了信息的共享，同时还节约了监测诊断系统的成本。

设备的远程监测与故障诊断是计算机科学、通信技术与故障监测诊断技术相结合的一种设备故障诊断方式。

在当今信息时代，Intemet的迅速发展及其良好的应用前景，使之成为各种信息的载体。

基于Intemet的远程协作作为21世纪的新型合作方式倍受学术界和工业界重视;Intemet模式的开放式软硬件体系结构也得到人们的认同，成为各种系统开发的必然趋势[6.’]。

另外，无论是远程监测诊断还是现场监测诊断，诊断者都需要根据设备当时的实际
情况、现场的基本参数、使用第一手数据进行分析和判断。

但由于目前我国企业内部专业技术人员比较少，设备出现故障时专家又由于地域原因不能及时到位，往往会因为时间的延误造成巨大的经济损失。

而采取远程诊断这种经济、简便的方法通过计算机把现场数据及时送到专家手中，就可以象专家在现场一样准确、及时的作出判断、采取有效措施解决问题基于Internet的远程故障诊断系统以Intemet为桥梁，跨越企业和研究机构在时间和空间上的距离，学术界可利用网上诊断分析服务器设立技术讲座，对企业技术人员进行理论辅导和技术培训，同时发表自己的最新研究成果供企业使用;而企业界则可利用监测服务器为研究机构提供宝贵的现场经验和数据。

双方取长补短，广泛合作，共同发展，这样既解决了生产企业技术力量不足和理论提高的问题，又有利于研究机构更准确、有效地得到企业内设备运行的第一手资料，充实理论和技术研究。

因此，基于Internet的远程故障诊断技术。

有着强大的生命力和广阔的应用前景。

远程诊断具有重要的理论和实际意义:
1. 实现远程诊断后，可利用诊断协作网对企业技术人员进行培训，提高其理论水平；
2，企业可申请协作网专家在异地对设备故障进行会诊，提高诊断的准确性和可靠性；
3.远程诊断可实现全国范围内的诊断知识与诊断数据共享；
4 远程诊断能切实加强科研院所和生产企业的技术合作；
5 远程诊断能实现对远洋船舶、海洋钻井平台等特殊设各的远程监控和管理，为设备的安全运行提供可靠的技术保障;
1.3远程故障诊断研究现状
远程故障诊断系统在近几十年得到了很大的发展，国外有美国西屋公司的大型电站在线监测诊断系统、法国电力部门的监测和诊断支援工作站、斯坦福大学和麻省理工学院的基于Intemet的下一代远程诊断示范系统、密西根大学和UVVM 的智能维修(IMS)中心等，国内有山东电力科学研究院和清华大学共同开发的大型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与诊断网络系统、华中理工大学机械学院的设备故障远程诊断中心、西安交通大学轴承所的网上远程诊断与处理支持中心、哈尔滨工业大学动力工程控制与仿真研究所的远程监测与诊断中心等。

国外远程诊断系统中，IMS中心具有代表性。

IMS中心在智能诊断方面见长，并开发了智能预警软件、基于Intemet 的智能维修和事务决策支持系统等。

但是从IMS中心开放的网站来看，IMS目前还不具备很好的开放性和可操作性，缺乏远程故障诊断中心的技术示范功能。

华中理工大学设备故障远程诊断中心用Java开发了一些信号分析的小程序，并发布在远程诊断中心的网站上。

它在与企业的实际合作项目中应用Java技术和虚拟仪器技术进行状态监测和故障诊断。

总的来说，该中心具有一定的技术示范作用。

但是在远程诊断方面，缺乏与企业的进一步合作，很多理论构架只是一个提法，离一个实际的远程故障中心仍有一定距离。

西安交通大学网上远程诊断与处理支持中心在工程实际应用中取得不少经验，并且在信号分析和智能诊断方面取得不少成果，然而该中心的信号分析和诊断仍然是演示性质的，无用户管理功能，也不能开展实际的故障诊断工作。

哈尔滨工业大学动力工程控制与仿真研究所与一些电厂合作，实现了对电厂发电机组的远程监测与诊断，同时在Intemet上建立了远程故障诊断中心。

但是该中心的诊断系统目前只限于对合作电厂的机组进行诊断，普通用户只能浏览系统，不利于诊断技术的推广应用，不能实现一个开放的远程诊断中心应有的功能。

从已有的远程故障诊断系统来看，普遍存在着可操作性差、开放性和可扩展性不够灵活等缺点。

1.2本文主要研究内容
本文在远程故障诊断不断发展、应用逐渐广泛的背景下，针对现有各远程故障诊断系统的不足，较为深入的探讨了远程故障诊断系统结构以及各部分的具体实现技术，并依托本文开发建设的远程故障诊断中心对基于Intemet 的远程故障诊断系统进行分析。

为了合理利用现有资源，减少重复建设，本文提出由现场工作站、企业监测中心、远程故障诊断中心构成的远程诊断系统结构。

该结构具有很好的开放性和可扩展性，一个远程诊断中心可以为多个企业监测中心提供服务。

本文将在探讨远程故障诊断系统的浏览Ul服务器(BIS)三层结构模型及Web技术的基础上，为远程诊断中心开发多级用户管理系统、数据维护系统和功能强大的数据分析系统。

基于BIS模型的远程诊断系统将大大提高系统的安全性、可操作性和可维护性。

目前，计算机状态监测和故障诊断系统不能完全自动实现精确的诊断，不能取代工程师，只起着支持或辅助的作用，特别是疑难故障的诊断决策，仍然需要诊断专家来分析决定。

为此，本文提出远程专家会诊系统，并介绍专家会诊环境的建设。

为了提高系统的开发效率，增强系统的功能，本文把虚拟仪器及其开发环境引入远程诊断系统中，并发布虚拟仪器演示系统，增强远程诊断中心的技术示范性。

为了加强系统的网络测量功能，本文同时引入DataSocket技术。

本文各部分内容如下
第一章绪论，回顾故障诊断的发展概况和发展趋势，说明基于Intemet故障诊断系统的重要意义，分析远程故障诊断系统的研究现状，明确本文的主要研究内容。

第二章远程故障诊断系统的构架，在详细介绍远程故障诊断系统国内外发展状况的基础上，提出基于Intemet
的远程故障诊断系统结构模型。

第三章现场工作站和企业监测中心，详细论述建立现场工作站和企业监测中心的一般方法和开发工具。

同时也介绍网络测量和MIS系统在企业诊断系统中的应用。

第四章远程故障诊断中心的建设，介绍Intemet技术和分布式计算模型，并利用相应技术开发远程故障诊断示范系统，同时提出专家会诊环境的建设，探讨远程诊断中心应该具备的其它功能，如资料发布、技术论坛和虚拟仪器演示系统等。

第四章是对振动冲击噪声实验室远程故障诊断中心建设的经验总结。

第五章总结和展望，总结本文的研究工作和成果，并对远程故障诊断系统的进一步开发作展望。

第二章远程故障诊断系统的构架
保障石化、冶金等流程工业中大型关键设备安全可靠并处于优良运行状态，一直是机械设备状态监测和故障诊断领域的重点研究方向。

在多年来监测与诊断系统研究和开发的基础上，国内外已先后推出了很多离线和在线的单机、主从机到分布式和网络化的机械设备状态监测与故障诊断系统。

在相当的程度上为石化、冶金等流程工业的安全可靠生产起到了保驾护航作用，解决了不少生产中的关键问题。

随着信息时代的到来，计算机网络尤其是Internet几乎渗透到了生产和生活的每一个角落，同时也为机械设备状态监测与故障诊断带来了全新的概念。

首先，企业的信息化和自动化技术已成为提高企业自身竟争力和经济效益的重要手段，成为企业参与国际竞争的技术保障;其次，利用基于Internet的远程网络技术，可以有效地实现资源共享、专家异地会诊和最优分析;再次，基于Internet的远程故障诊断中心的建立可以方便地实现对企业技术人员的培训和知识传播。

因此。

在企业逐步推广应用网络化Ivus系统、设备管理系统取得成功的基础上，对发展网络化的设备远程监测与故障诊断系统提出了需求。

2.1远程故障诊断发展概况
基于Internet的远程协作诊断研究工作最先是从医学领域开始的，1988年开放式远程医疗系统的概念在美国提出，人们普遍认为一个开放式远程医疗系统应包括远程诊断、专家会诊、信息服务、在线检测和远程学习几部分。

1994年9月Sys Optics公司在美国国会山庄向克林顿总统演示了一个基于Internet的全国保健试验示范系统:1995年1月美国俄克拉荷马州的远程医疗系统投入使用，它把54家乡村医院与州中心医院联系在一起，并通过计算机网络将CT, X光片等病人临床检验结果送到州中心医院诊断，这样病人在入网的任何一家乡村小医院就诊都能得到专家级的诊断;国内上海医科大学在上海地区也建立了一个类似的远程诊疗系统比。

设备故障诊断与人类的疾病诊断是相似的，从技术上说能实现远程医疗诊断也就能实现远程设备诊断。

远程医疗诊断采用的系统体系结构、信息传输方法和异地专家会诊组织、实现形式等都可为远程设备诊断所采用和借鉴.
2.1.1国外远程故障诊断发展概况
美国西屋公司从1976年就开始了电站在线计算机诊断工作1，一1，1，1980年投入了一个小型的电机诊断系统，1981年进行电站人工智能专家故障诊断系统的研究，1984年应用于现场，后来发展成大型电站在线监测诊断系统(AID)，并建立了Orlando故障运行中心）。

故障运行中心通过专门的电话线与各电厂的数据中心相连，提供了对发电机组全天候的实时监测和诊断。

该诊断系统包括三个于系统：TurinAID、GCllHID和ChelnAID、三个子系统有各自的诊断规则，但是共享一个数据库。

电厂数据中心接收传感器传来的数据，计算出所需各种参数，供上层的诊断专家系统分析。

TurbhaID用于诊断处理涡轮机的热动力参数和机械振动参数；GenAID监测并分析发电机的定子线圈和励磁系统的参数；ChehaID用于实时监测发电系统的化学成分含量并作出相应调整。

通过DOC中心，可以看到分布在全美20多个电厂的数据信息淇中有2个核电站。

法国电力部门（EDF从 1978年起就在透平发电机上安装离线振动监测系统，到90年代初又提出了监测和诊断支援工作站则Onitorillg and DigusiS Aid Statioul的设想。

90年代中期，其专家系统PSAD及其DIVA子系统在透平发电机组和反应堆冷却泵的自动诊断上得到了应用l”、”］。

丹麦的B＆K公司在90年代推出了新一代状态监测与故障诊断系统一一一B＆K3450型COMPASS系统。

日本三菱重工首先研制出机械状态监测系统（MHMS），并在多台核电站和商业热电站使用，后来又发展成带诊断规则描述，以及采用模糊逻辑分析确定置信因素功能的振动诊断专家系统。

1997年1月，首届基于Interne的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自30个公司和研究机构的50多位代表到会。

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。

会上确定由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发Internet的下一代远程诊断示范系统,该项工作得到了制造业、计算机业和仪表业的Boeing、Ford、Segate、InM、SUN、ttP等12家大公司的支持和通力合作，并很快建立了一个限于合作者间的远程诊断示范体系Testbed。

Testbed采用嵌入式Web组网，用实时JAVA和Bayesian Net实现远程信息交换和诊断推理。

从该项目对开放内容和项目组1997年底的研究总结报告来看，系统离实用还有很大距离。

美国密西根大学(University of Michigan at Ann Arbor)也在积极开展针对机械加工的远程诊断和制造系统的。