（机械电子工程专业论文）基于can总线的摊铺机远程在线监测系统的研究.pdf

磅十学伊论丈摘耍 摘要 随着工程机械朗着智能化方向发展，对设备的状态i | ：测和故障诊 断提出了更高要求，而基于英特网的故障诊断技术又是该领域里的一 个新的发展方向。国内，对该项技术的研究仍处于起步阶段。而一些 太型设备的制造厂商，又急需利用这一技术创新来完善其对产品的售 后服务，提高产品的国际竞争力，提升企业的知名度和信誉度。本课 题结合了三一重工股份有限公司研制的l t u 9 0 a 沥青摊铺机，采用 了新兴的浏览器朋务器( b s ) 模式，构建了摊铺机远程故障诊断系 统。本文主要进行了基于c a n 总线的摊铺机远程在线监测系统的研 究。 本文首先论证了在摊铺机内利用c a n 总线进行数据传输的可行 性，利用集成了c a n 总线通讯模块的e p e c 控制器对摊铺机液压系 统拟订的各监测点进行了现场数据采集，同时将所采集到的数据通过 r s 2 3 2 串口和p c i 总线传递给计算机；并利用多层次分布式应用系 统开发了远程在线监测系统。另外，考虑到不同用户的需要，又开发 了本地在线监测系统，使得用户可以根据自身需要选择性地将数据保 存到本地数据库或远程数据库里。 远程在线监测系统从硬件设计到软件设计，在数据传输的可靠性 和安全性上都进行了周密的考虑，确保了系统具有实时性强，系统可 移植性好的特点，可以为进一步的远程故障诊断提供可靠的底层数据 来源。 关键词c a n 总线，摊铺机，远程在线监测，多层次分布式应用 系统 硕十学停论文a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ep r o j e c tm a c h i n e sd e v e l o p i n gt ot h ei n t e l l i g e n c e ，t h e r ea r e m o r er e q u i r e m e n t sf o rt h ec o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ， e s p e c i a l l yw h i c hi sb a s e do ni n t e r n e t i no u rc o u n t r y , t h er e s e a r c ho n t h i s t e c h n o l o g y i sj u s tab e g i n n i n g h o w e v e r , t h en u m b e ro fl a r g e m a n u f a c t u r i n gc o m p a n y i sl o o k i n gf o r w a r dt ou s i n gs u c hn e wt e c h n o l o g y t o i m p r o v e i t sa f t e r - s e r v i c e w h i c hc a ne n h a n c et h e i ri n t e m a t i o n a l p r o d u c t i o nc o m p e t i t i o n ，a n dm a k et h ec o m p a n yb e t t e rk n o w na n dc r e d i t s t a n d i n g u s i n gt h ea d v a n c e db r o w s e r s e r v e rm o d e l ，t h i sp r o j e c t i s c o m b i n e dw i t ht h el t u 9 0 ap i t c hp a v e r , w h i c hi sp r o d u c e db ys a n y i h e a v yi n d u s t r ys t o c kc o m p a n y , a n db u i l d su par e m o t ef a u l td i a g n o s i s s y s t e mb a s e do ni n t e r n e t t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so i lt h er e m o t e o n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m f i r s t l y , p a p e ra n a l y s e st h ep o s s i b i l i t yf o ru s i n gc a nb u st ot r a n s f e r t h ed a t aa m o n gp a v e r , a n du s e se p e cc o n t r o l l e r st h a ti n t e g r a t et h ec a n b u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l et oc o l l e c tt h ed a t aw h i c hc y c l ei nt h ep a v e r s h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m t h e nt r a n s f e rt h e s ed a t at op e r s o n a lc o m p u t e r t h r o u g ht h er s 一2 3 2i n t e r f a c ea n dp c ib u s f i n a l l y , i tb u i l d st h er e m o t e o n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m w i t hm u l t i - t i e rd i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o n s e r v i c e s m e a n w h i l e ，i no r d e rt om e e tt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so fu s e r s id e s i g nl o c a lo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m , w h i c hc o u l d h e l pu s e r st oc a t c h t h e i rd i f f e r e n tg o a l s c o n s i d e r i n gt h er e l i a b i l i t ya n dt h es a f e t yo ft h ed a t at r a n s f e rf r o m h a r d w a r ed e s i g nt os o f t w a r ed e s i g n ，t h i sr e m o t eo n l i n e m o n i t o r i n g s y s t e mh a sb e e nm a d ec e r t a i no fh o l d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g h r e a l - t i m ea n dg o o dt r a n s p l a n t a b l e ，w h i c hc o u l dp r o v i d et h er e l i a b l e r e s o u r c ed a t af o rt h er e m o t ef a u l td i a g n o s i s k e yw o r d sc a n b u s ，p a v e r , r e m o t eo n - l i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g ， m u l t i t i e rd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o ns e r v i c e s n 硕t 中伊论文 碌创什声明干l i 授权说明 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特j ；, j t j h 以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 埔工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：割堡e l 期： 2 q q 垒年卫月j 2 一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：割亚导师期：2 0 0 4 年j 互月j 三日 硕十学f l 论文第一章绪论 第一章绪论 在以信息技术为核心的新技术革命浪潮的冲击下，传统制造业丌始不断吸 收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理方面的新技术成果，将其应用于 制造领域的全过程，形成了一个以先进制造概念为依据，以先进制造技术 ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 为支撑，顺应全球化趋势的现代制造系 统( m o d e mm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。而作为从事制造业特别足复杂设备生产的 企业，其经营和生产战略应面向全球，充分合理地利用先进制造技术，以满足 客户的不同需求为己任，建立和实现基于分布式网络化体系结构的组织、生产 和管理模式，快速、灵活地组织和利用各种分布和异构的制造资源，谋求企业 间的相互合作，共同寻求市场机遇，在激烈的市场竞争中谋求生存和发展。而 对于其产品即复杂设备来说，如何通过信息系统来提高总体性能，充分发挥出 设备的最佳效能，在合理成本范围内，提高设备的可靠性、可用性和可维修性， 实现设备的实时监测与快速诊断维修是当前需要解决的重大问题。就目i ； 国内 外对这一问题的研究情况来看，基于i n t e m e t 的远程在线监测与故障诊断是大势 所趋。 1 1 远程状态监测与故障诊断的研究现状和发展趋势 1 1 1 设备的状态监测与故障诊断面临的新问题 设备的状态监测和故障诊断从产生开始就是密不可分的两个概念：通过状 态监测系统所获取的设备的工作信息将为故障诊断提供底层的数据来源。可见， 状态监测不仅方便用户了解设备的工作状况，同时也直接为故障诊断服务。 随着世界经济全球化和企业全球化的日益加强，企业的客户遍布世界各地。 顾客的全球化一方面提高着企业的知名度，给企业带来巨大的市场和丰厚的利 润，另一方面又给企业的售后服务带来了极大的挑战。为了使售出的设备i f 常 工作，提高异地客户对设备的满意度和信赖度，供应商应该为客户提供灵活、 即时的售后服务，而进行故障诊断和提出维修方案又是售后服务罩永恒不变的 重点。然而在实际中，当客户遇到难以凭自身力量解决的问题时，往往很难即 时获得设备供应商及其分布在各地的维修中心强有力的技术支持。同时，随着 大型设备系统结构的复杂性及成本的不断提高，其故障诊断难度也日益加大， 客户难以胜任，而分布在各地的维修人员的任务也相当繁重。 硕十学付论文第一章绍论 在新的制造模式下，如何实现复杂设笛的故障诊断和快速维修成为了急需 解决的重要问题。而解决这一问题的思路就在于如何在复杂设备的全生命周期 罩，通过先进的信息系统，提高复杂设备的总体性能，充分发挥复杂设备的最 佳效能，在合理的成本范围内，提高设备的可靠性、可用性和可维修性。这就 给设备的状态监测和故障诊断提出了新的研究方向。 作为现代先进制造技术与系统的一个重要环节，设备的状念监测与故障诊 断技术历经了近半个多世纪的发展，在不同的工业生产时期，随着生产设备性 能、结构和规模的变化，该技术不断地推陈出新，同时，一些新技术也被引入 并与其融合，如信息论、控制论、计算机和人工智能等技术，不断地丰富和完 善着状态监测和故障诊断技术。从上世纪6 0 年代初诞生以来，状态监测和故障 诊断技术先后出现了以下几种系统模型i l 2 j ： 1 ) 人工离线监测与诊断系统 有经验的设备维护人员或工程技术人员利用常规监测仪表或者较复杂的分 析仪器对设备进行人工巡检，根据自己的经验对设备的状态以及发展趋势等做 出判断。这种监测方式只能对设备作一些简单的诊断，监测仪器只作为辅助工 具，监测人员的经验和责任心对诊断结果的准确性影响很大。 2 ) 单机集中式在线监测与诊断系统 该监测系统主要针对某一特定的被监测机器而设定，由一台计算机和一块 或多块功能模板构成，完成数据的采集、信号处理、特征处理和故障识别。其 中“数据采集”和“人机界面”是其主要功能模块。数据采集主要应用输入传 感器、数据采集板或者可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 对现场设备进行间接采样：人机界面则是当现场设备的监测数据到达上位计算 机时，通过软件实现各种人机交互界面，这些画面不但能够模拟“指示灯”、 “数字仪表”等显示效果，还能用变化的“文字”提示设备的作业状态，甚至 用各种生动的画面束显示监测对象的运行姿态。这类系统集主要功能于一体， 维护方便且投资较少。但山于采用单台微机，因此系统所能监测的测点数目有 限，巡捡周期长，信息的交换与处理仅限于监测与诊断系统内部，是一种封闭 式的监测系统。 3 ) 分伟式在线监测与诊断系统 这类系统综合了单机系统的优点，通过工业局域网把分白于各个局部现场 并独立完成特定功能的本地汁算机互联起来，形成一个完整的诊断网络，以实 现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理与诊断。下位机主要用丁二 数掼i ：采集和信号的预处理，上位机负责信号的精密分析和数据管理，上位机、 硕十学忙论文第一章绪论 下位机各司其职，提高系统的功能。闪采用分白式技术，系统相对复杂，技术 难度大，且投资高。监控信息在局域嘲内部进行，足一种相对丌放的监测系统。 4 ) 远程分却式在线监测弓诊断系统 这类系统采用i n t e m e t i n t r a n e t 技术，以若干台中心计算机作为服务器，在 企业的重要设备上建立状态监测点，采集设备的状念数据；在技术力量较强的 科研机构建立远程诊断分析中心，为企业提供远程技术支持。企业的生产设备 一旦出现异常，其状态监测服务器即向远程诊断中心服务器申请在线技术支持， 在短时间罩调动入网的所有资源，实现对设备故障的及时诊断和维修。实施异 地远程诊断，能充分利用更多的技术支持和数据共享，大大地提高了系统诊断 的命中率。 目前，这种基于i n t e r n e t 的远程状态监测与故障诊断技术是一个研究重点， 它是在i n t e r n e t 的迅速发展及w w w 成为成熟的关键技术后而发展起来的。它将 w w w 信息检索技术、数据库技术和实际工程应用的故障诊断技术结合了起来， 并且综合了设备制造商和用户双方面的力量来完成对设备的故障诊断和维修， 保证设备的正常运行。同时也兼顾了点对点远程诊断的优点，借助于现有的教 学科研网、企业内部网和i n t e m e t 的资源，其低成本、高效率是显而易见的。良 好的开放性，较高的性价比，以及提供多用户并行诊断，决定了基于i n t e m e t 的 远程状态监测与故障诊断是解决制造业目l j i 所面临的问题的绝好途径。 1 1 2 基于i n t e m e t 的远程在线监测系统的研究现状 i n t e m e t 作为一个全球性的计算机网络，已成为各种信息的载体，其开放式 体系结构具有难以匹敌的优点，基于i n t e m e t 的应用已成为许多系统发展的必然 趋势，下一代的状态监测系统必须和i n t e m e t 相结合，并且采用开放式的体系结 构，才能有效解决故障诊断技术所面临的诸多问题。这样，诊断技术才具有强 大的生命力和广阔的应用前景。因此，基于i n t e m e t 的远程诊断技术，不仅仅是 定位于狭义的远程诊断概念，而是作为代表新的诊断思想、方法和先进技术集 成与融合的下一代故障诊断技术。目前，该技术已经成为了当今设备诊断技术 的一个研究热点，引起了国内外学者的广泛关注和重视，并投入了大量的人力、 物力进行研究。 在国外，对远程监测和诊断系统的研究已经屡见不鲜了。最具影响力的当 属以下几个：美国斯坦福大学和麻省理工学院合作刀= 展“基于i n t e m e t 的下一代 远程诊断示范系统”的研究1 3 i ，该项工作得到了b o e i n g 、f o r d 等l o 多家大公司 的支持和合作，很快建立了一个面向半导体制造设备的基于i n t e r n e t 的远程诊断 原型系统。并在1 9 9 7 年1 月，两所大学联合主办了首届基于i n t e r n e t 的工业远 硕十学位论文第一章绪论 程诊断研讨会，讨论了远程诊断系统连接丌放式体系、诊断信息规程、传输协 议，以及对用户的合法限制，并对未来技术作了展望；关因密歇根大学丌展了 针对机械加工的远程诊断和制造系统的研究工作 4 1 ，并在i n t e r n e t 上设立宣传站 点；美围西屋公司在其诊断操作中心可以在远程在线监测全荚2 0 多个电厂的运 行情况：澳大利哑联邦科技与工业研究组织( c s 取o ) 将远程诊断纳入“智能制 造系统设计面向2 l 世纪的全球制造”项目的重要研究内容之一1 1 , 2 j ，其应用 对象直接面向c n c 平板切割机床。 紧跟国际步伐，我国在8 0 年代丌始研究状态监测与故障诊断技术，1 9 8 6 年 成立了中国振动工程学会故障诊断学会；国家也将该技术列入“七五”和“八 五”攻关项目1 3 l 。国内的一些科研单位积极丌展了相关技术的研究工作【5 1 ，总 体而占，所丌发系统的特点多以微机为基础，以软件开发为中心，功能多、灵 活性大、适用面广、价格低。其中，较早的应用范例是上海长江口航标群自动 监控系统，每组航标各选择9 类近4 0 个参数，进行无线信息传输并对航杯设备 状态做远程监测，通过控制中心监控海上航标的工作状态；同济大学以上海大 众汽车冲压生产线为研究对象，初步实现了一个面向制造企业的工业现场远程 监控诊断系统；东南大学也在着手开展远程分布式智能诊断网络理论、方法与 系统的研究；华中科技大学也研制了汽轮发电机组状态远程监测，已在因特网 上建立了一个远程诊断宣传站，以技术示范的形式向用户提供初步的远程故障 技术服务；山东电力诊断技术研究中心开发了大型火电机组性能和振动远程在 线监测及诊断系统；另外，北京理工大学、南京航空航天大学等也在开展基于 i n t e r n e t 的f m s 远程故障诊断系统的研究。国内研究虽然获得了不少阶段性成果， 但与国外的研究工作相比，总体上仍处于起步阶段，而真正能把研究成果直接 服务于企业，转化成生产力的案例更是少之又少。 而在目i ；i ，我固的机械制造业经过几十年的发展，尤其是8 0 年代末以来， 随着计算机产业的迅猛发展和普及应用，以及国家8 6 3 高技术发展计划的推动， 许多大型设备制造企业进行了以信息技术为基础的改造，已经具备了实现远程 状态监测和故障诊断的硬件基础。而在软件丌发方面，却显得势单力薄，严重 与硬件的发展脱节。由此看来，要想提高我国为数众多的制造企业的圆际竞争 力，捉高其自动化水平，对远程状态监测与故障诊断的研究迫在眉睫。 1 1 - 3 基于i n t e r n e t 远程状态监测与故障诊断系统研究的重要性 基于i n t e m e t 远程状念监测与故障诊断系统研究的重要性在于： 1 ) 将故障诊断系统架构于i n t e r n e t 计算环境中，可从根本上改变现有构造 诊断系统的状况，从整体上改善系统性能，增强系统功能； 4 硕卜学付论文第一章绪论 2 ) 实现远稃渗断后，可组织网上的所自领域专家和相关系统在异地进行状 态监测和评估，进行故障会诊和咨询，实现“移动的足数据而不足人”，因而 可以集成所有可能的诊断方法与资源应用于某一特定的设备或系统，大大提高 诊断质量： 3 ) 远程诊断可实现大范围内的诊断知识库与诊断数据库共享，这样研究机 构、设备供应商、用户可以密切合作。学术界可以不断地研究改进来提供先进 的诊断理论和技术手段，企业界则提供宝贵的现场经验和故障样本数据； 4 ) 采用w e b 型开发结构，新入网对象可共享网上诊断资源，不仅诊断系统 性能高，而且可以大大降低单机系统成本，非常有利于技术的推广，具有显著 的经济效益： 5 ) 远程诊断将有助于实现设备和系统从研制、安装到运行的全寿命管理， 有利于信息在各个环节之间的反馈传递，从而改善设备和系统的性能； 6 ) 对设备提供商而言，可改变传统的现场维护和电话支持服务方式，实现 每星期2 4 h x 7 d 模式的连续产品维护支持，从而改变企业形象，提高竞争力。 可见，构建远程状态监测和故障诊断系统不仅是设备生产厂商的迫切需要， 同时，对于客户而言，也急需提高原有及新建诊断系统的性能，这就使得该系 统具有了极强的竞争力。 1 1 4 基于i n t e r n e t 远程状态监测与故障诊断的发展趋势 预测状态监测和故障诊断技术的发展趋势有f 5 8 】： 1 ) 系统结构方面：由分布式替代集中式监测方式，数据采集和状态监测由 智能前端装置实现，故障诊断由中央计算机完成，从而使系统结构分布化、监 测方式层次化： 2 ) 计算机硬件平台方面：功能强大的工作站、服务器、超级微机及网络综 合在一起形成工作组，从而使先进的硬件技术得以应用，如局部总线技术、大 容量高速硬盘技术、高速图形显示技术以及多媒体技术等； 3 ) 计算机软件平台方面：高性能的w i n d o w sn t 实时多任务中文操作系统、 优良的图形用户接口、动态数掘交换、网络通讯、实时数据库、面向对象的编 程语言等先进软件系统及技术将得以应用，为故障诊断系统软件的开发及运行 提供一个前所未有的开放的优良环境； 4 ) 系统软件功能方面：将向人机自然语言接口、实时多任务全过程在线监 测、诊断过程自动组态等方向发展。 而对于远程状态监测与故障诊断系统也将延续上述的发展趋势，朝着信息 化、实时化、智能化的方向发展。 硕十学伊论文第一章绍论 从状态监测与故障诊断的现状和发展趋势町以看出，其应用领域已经从单 纯的机械设备诊断，发展到了航空航天、海洋船舶、汽车、水利和电力等系统， 以及生产过稃的监测和控制；应用对象更是层出不穷，如工业装备、车辆、飞 机、电站装备、医疗疾病等：而且故障诊断系统的规模也从原来的单机监测发 展到了现在的远程分白式监控，使计算机的监测范围扩大到了整个企业。目i i 国内外在冶金、石化、电力等领域已经有许多企业采用了设备远程在线监测系 统，并取得了显著的成效。 1 2 论文的研究背景及系统模型 1 2 1 论文的研究背景 在我国，对设备的状态监测和故障诊断主要还是传统模式，存在着资源分 散、响应迟缓、成本高昂、效果不佳等弊端。虽然许多大型的设备制造企业完 成了以信息技术为基础的改造，建成了诸如管理信息系统( m a n a g e m e n t i n f o r r n a t i o ns y s t e m ，简称m i s ) 、柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， 简称f m s ) 、计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， 简称c “s ) ，具备了建立在线监测与故障诊断的硬件基础，但是，研究并建立 一个技术相对成熟、性能相对稳定的远程在线监测与故障诊断系统还处于起步 阶段，这就使得开发任务变得艰巨和迫在眉睫。 本文的研究课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 重大项目“基 于转运车的机群智能化工程机械及信息化工程”之子课题“智能化机群的故障 诊断与远程维护”。 结合课题要求，针对三一重工股份有限公司开发的u u 9 0 a 沥青摊铺机， 搭建了远程在线监测和故障诊断系统。本文主要负责对远程在线监测系统进行 研究。为了满足所开发的远程在线监测系统在其他工程机械如转运车、压路机 等路面施工机械上都能使用，在课题研究时尽量考虑了系统的广泛实用性。 1 2 2 摊铺机远程在线监测与故障诊断系统的结构 远程在线监测与故障诊断系统需实现：工作在异地的现场设备发生事故时， 通过数据采集和在线监测系统，把现场设备的运行参数通过网络传输给远程故 障诊断中心，由故障诊断模块( 包括数掘库、记录专家知识的知识库及推理机 制) 和领域号家合作完成故障诊断。对于一些常见的多发故障，通过故障诊断 模块直接诊断，无须专家介入：而对于那些大型事故或疑难故障，复杂性较高， 需要各方而专家共同诊断。 6 硕十学仲论文第一节绪论 一个完整的远程状态监洲与故障诊断系统总体上是运用i n t e m e t 技术，将分 白在不同地域的设备、j l ：i 控系统、诊断系统、诊断专家和设备使用者联系起来， 在系统、人之间进行设备状况信息、诊断决策信息等的快速传递，动态形成对 设备的诊断服务网络平台。其系统结构如图1 1 所示： 图1 1基于i n t e m e t 远程状态监测与故障诊断系统结构图 根据图1 1 中所示各部分的功能以及地理位置的不同，系统可以大致分为现 场设备数据采集与监测层、数据通信网络层、远程诊断中心、位于异地的领域 专家四个部分。 、 现场设备数据采集与监测层由运行于各工业现场的设备、数据采集模块、 计算机和相应的软件组成，其核心任务是通过数据采集模块将设备运行的状态 参数采集后，保存到计算机咀，对数据做初步的处理和运算，达到对现场设备 的运行状况进行了解的目的。 数据通讯网落层负责将采集并经过处理后的数据和请求诊断报告经过企业 局域网和因特网传送给远程诊断中心。 远程诊断中心主要由远程故障诊断服务器和所开发的远程诊断软件构成， 其主要功能包括： 1 ) 在线获取设备运行的状态数据，对设备故障进行远程在线诊断； 硕t 学侍论文第章绪论 2 ) 对异地传输来的监测信息进行处理、分析，并综合各专家意见，得出诊 断结果并给出对策； 3 ) 保存现场设备当前或历史状态的相关数据，供诊断维护决策之用； 领域号家在远程咨询诊断中，除了利用从现场设备采集到的数据，还可以 通过视频和音频搜集更多的设备信息，并根掘自己的知识和经验进行诊断。 从图1 - 1 中可以看到，监测信息的流向为：数据采集与现场监测系统企 业局域网i n t e m e t 远程诊断中心异地专家，而诊断结果的流向则相 反。远程故障诊断按照点对点或一点对多点的方式进行，使得诊断模式出现了 单一专家诊断和多个专家会诊两种。 1 2 3b s 模式构建下的摊铺机远程故障诊断系统 在远程故障诊断为时不长的发展过程中，先后出现了两种模式：客户n 务 器( c s ) 和浏览器朋艮务器( b s ) 模式1 9 i l 】。在比较了c s 模式和b s 模式各 自的优缺点并结合l t u 9 0 a 沥青摊铺机的实际情况后，最终确定采用b s 模式 来构建摊铺机远程故障诊断系统。 基于b s 模式构建的摊铺机的远程状态监测和故障诊断结构如图1 2 所示： 图1 2 基于b s 模式的摊铺机远程故障诊断系统结构图 端 从图1 2 可看出，系统大致分为三部分：客户端、数拆：传输端、服务器端。 8 硕十- 学付论文第一章绪论 1 ) 客户端 客户端系统包括现场设备层和本地监控系统。现场设备就足我们所要进行 远程故障诊断的l t u 9 0 a 沥青摊铺机。此机型通过一种新兴的现场总线控 制局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，简称c a n ) 进行控制和数据传输。当摊铺 机出现故障时，位于本地监控中心的工程师直接通过浏览器访问摊铺机生产厂 家所提供的远程故障诊断主页进行诊断。 2 ) 网络传输端 在数据传输问题上，采用i n t e r n e t 的t c p i p 协议( 传输控制协议网问协议) 进行通信【1 2 】，其原因在于： 首先，i n t e m e t 是且丽世界上影响最大的国际性计算机网络。它采用t c p i p 网络协议将各种不同类型、不同舰模、位于不同地理位置的物理网络联接成一 个整体，换占之，采用t c p i p 协议能够与联入i n t e m e t 中的任何一台主机进行 通信。同时i n t e r n e t 是一个国际性的通信网络集合体，融合了现代通信技术和现 代计算机技术，集各个部门、领域的各种信息资源为一体，构成了网上用户共 享的信息资源网。它的出现是世界由工业化走向信息化的必然和标志。同时， i n t e r n e t 采用了目前分布式网络最为流行的客户机月日务器方式，大大增强了网络 信息服务的灵活性； 其次，从国内i n t e r n e t 的发展现状来说，虽然起步时间相对国外较晚，但是 却以惊人的速度发展着。在发展过程中，本地化、中文化成为企业界追求的目 标。网上的中文站点不断涌现，信息资源日益丰富。为此，邮政电信部门纷纷 建立了公用的数据通信网1 1 3 】，增设各类数据通信服务项目。使用这些现成的公 用数据通信设施，一来建网时可不必考虑通信线路问题，减少了投资并降低了 通信费用；二来由于采用基本趋向国际标准化的通信接口设备，易于将各种新 型计算机的各类终端设备接入网络； 最后，从信息传输的质量指标有效性、可靠性、适应性、经济性来看， 采用i n t e m e t 进行数据传输部是最佳的选择。 3 ) 服务器端 服务器端搭建于远程诊断中心【1 4 1 ，远程诊断中心可以说是状态监测和故障 诊断系统的核心所在，它由三部分组成：w 曲服务器、数据库服务器、诊断专 家系统。 ( i ) w 西服务器：即诊断服务器，一方面负责实现与摊铺机液压系统的远 程连接，接受诊断服务请求，接收监测信息，并通过程序中的控制模块对请求 指令和监测信息进行内部译码：另一方面调用诊断专家系统进行分析诊断，并 9 硕十学付论文第一章绪论 将诊断结论和维修意见返回到舱测现场。w e b 服务器中的应用程序即远程诊断 网站，多采用动念的超文本标已语言d h t m l ( d y n a m i ch y p e r t e x tm a r k e d l a n g u a g e ) 进行编程1 1 5 , 1 6 1 。在比较了目前流行的几种动念网页的制作方式后，结 合远程故障诊断实例，选择了a s p 来制作远程故障诊断网页。利用a s p 这一服 务器端的脚本环境，在站点的w e b 服务器上解释脚本，可产生并执行动念的、 交互式的、高效率的站点服务器应用程序。并且a s p 可以胜任基于微软w e b 服 务器的各种动态数据发布。 ( i i ) 数据库服务器：数据库服务器的主要功能足数据存放、数据管理、执 行各种数据库操作、提供数据库检索和查询服务等。数据库需要有高效的数掘 发布、检索和维护能力。 在目前比较常用的数掘库开发应用程序中，如a c c e s s ，f o x p r o 等，已经很 难满足网络应用领域的需求了。而s q ls e r v e r 却以其良好的数据库设计、管理 和网络功能，特别是在网络应用领域，如w e b 数据的发布与收集、分布式数据 库管理及联机处理支持等方面，占尽了优势，越来越受到用户青睐。具有许多 独有的特点【lq ：如与i n t e m e t 的紧密结合、较强的可扩展性和可用性、企业级的 数据库管理、简单和友好的操作方式、数据仓库支持等。可见，使用s q ls e r v e r 建立数据库服务器足最佳的选择。 ( i i i ) 诊断专家系统：远程诊断专家系统需要运用推理机和系统自带的故障 诊断知识库解决数据采集单元和实时监测单元所不能处理的故障，这就与一般 的诊断专家系统有了本质的区别1 1 8 , 1 9 1 。 一般意义上的诊断专家系统的知识库足封闭或半封闭的，其诊断知识库的 构造和诊断知识的输入与修改均由软件程序设计者来完成。而远程诊断专家系 统的知识库必须是基于w e b 数据库开放式的体系结构，专家系统的设计者只要 完成一个简单实用的专家系统框架，不必完全填充专家系统的知识库，知识库 的填充和完善足根据实际情况，由系统的维护者和授权的远程诊断专家在系统 运行过程中进行的。因为知识是从诊断的成功经验中获取的。另外，远程诊断 专家系统具有更强的自学能力，随着知识库知识的不断丰富、监测现场的机电 设备的性能状态的信息反馈、诊断专家的经验和水平的不断提高，故障诊断、 诊断算法、诊断机理的不断改进，从而使诊断精度、维修措施的确切适用性有 很大的提高。 在比较了多种故障诊断机理后，我们最终选择了基于b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 算法的人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) 的智能故障渗断 技术作为摊铺机液压系统的诊断方法1 1 9 i 。a n n 模仿生物神经元细胞来进行信息 0 硕十学伊论文第一章绪论 传送，它由大量的人工神经元以某种网络结构并联、互联形成。通过采用一定 的学习算法和一定的学习样本，对神经网络进行训练，使神经网络具有所需要 的行为特征。基于神经网络的诊断系统具有诊断知识分夼表示性、高度的并行 推理能力、较强的学习能力和健壮性，因而较好地解决了传统诊断专家系统知 识表示能力弱、推理效率低、知识获取困难、自学习能力和自适应性差等本质 问题，已成为极具竞争力的重要发展方向。另外，神经网络模型具有学习与运 行过程可分离和易于知识共享等特性，便于在诊断系统中应用。而且神经网络 系统的知识获取有更高的时b j 效率，并能保证更好的质量。 以上三部分就构成了诊断服务中心的核心部分，它们之间相互协调，共同 完成着远程故障诊断的主要任务。 1 2 4 摊铺机远程故障诊断的运行流程 综合各功能模块，为了提高远程故障诊断系统的效率，采用了用户直接上 网诊断和专家会诊两种模式相结合的方法，互为依托，及时、迅速地进行故障 诊断，排除隐患。 系统的整个运行流程是：当用户遇到凭自身力量和能力解决不了的问题时， 首先登录我们提供的远程故障诊断网站，按照相关的说明和操作指南，输入摊 铺机出现的故障现象，然后系统会开始运行自身的推理机，查询知识库，找到 现象对应的所有可能的故障原因，然后经过基于b p 的人工神经网络的计算，找 出最有可能的故障原因并在友好界面里显示，同时告诉用户维修方案。然而， 当友好界面晕显示“对不起，我们尚不能为您诊断。请寻求专家帮助! ”的提 示语时，说明此次故障是新的故障，这时就只有进行专家会诊了。用户首先登 录网站上的“专家会诊”模块，填写好相关内容，等待远程诊断中心的回复。 远程诊断中心受理用户请求，安排好相关事宜，及时通知要参与会诊的各相关 人员，如用户、领域专家、控制中心相关人员等。在约定的时间，各相关人员 各司其职，开始进行诊断。用户连接上硬件设备，开始启动远程数据采集和在 线监测系统，将来自摊铺机各监测点的相关参数通过i n t o n e t 传送到位于远程控 制中心的w 曲数掘库，进行保存。位于异地的领域专家也在舰定的时日j 罩浏览 远程故障诊断中心网站，查看从客户端采集来的实时数据，并在网站上登录“专 家会诊聊天室”，与用户和其他领域专家通过视频或音频进行现场交流，详细 了解当前摊铺机液压系统的工作状况，共同寻找故障原因所在，直到故障被排 除。这样，专家会诊就算圆满完成了任务。 但是，领域专家的工作还没有最终完成。当这种新的故障和故障原因在被 实践证明了其存在的可能和它们之日j 的必然联系后，领域专家需要对故障知识 硕十学仃论文第一章绪论 库进行重构，修改知识库，添加这种新的故障和故障对应的原囚和维修方案， 不断完善诊断功能。 1 3 论文研究的主要内容 针对l t u 9 0 a 沥青摊铺机，本文进行了远程故障诊断系统黾基于c a n 总线 的远程在线监测系统的研究。主要的研究内容为： 1 ) 构造现场数据采集模块。采用芬兰e p e co y 公司丌发的第三代c a n 总 线控制器e p e c 2 0 2 3 、e p e c 2 0 2 4 对摊铺机进行了现场数据采集； 2 ) 建立数据传输模块。主要任务是实现数掘在c a n 总线与p c 机的r s 一2 3 2 接口和p c i 总线之间进行传输，将现场数据采集模块采集到的摊铺机的运行状 态参数保存到p c 机上： 3 ) 建立远程数据通讯模块。主要任务是将采集的数据通过i n t e r n e t 实时地 传送到远程的诊断中心进行保存，并在客户端应用程序界面上进行显示。 论文共分为七章，各章的主要内容简介如下： 第一章为绪论，介绍了国内外基于i n t e r n e t 的状态监测和故障诊断系统的发 展历程和研究现状，对该领域的发展趋势做了预测；并阐明了采用b s 模式开 发摊铺机远程故障诊断系统的整体架构； 第二章为远程在线监测系统的总体设计，采用可控的集中接入方式，通过 c a n 总线进行数据传递，实现p c 机对摊铺机的在线监测； 第三章针对l t u 9 0 a 沥青摊铺机的液压系统构建了现场数掘采集模块，采 用带有c a n 通讯模块的e p e c 2 0 2 3 、e p e c 2 0 2 4 控制器对八路监测点的数据进 行采集，实现了数据在c a n 总线上的传递和收集工作； 第四章是c a n 总线与p c 机的通讯模块。分别采用p c 机的r s 2 3 2 串口和 p c i 总线与c a n 进行通讯，并对两种通讯方式从多方面进行了比较； 第五章是本文的重点章节，根据实际需求，构造了本地和远程两个在线监 测系统。远程在线监测系统是丌发难点：采用了m i d a s 多层应用系统，并融合 了数掘库技术； 第六章砖基于c a n 总线的远程在线监测系统的数掘传输的可靠性和数据的 安全性做了详细的分析，并通过实验对系统进行了测评； 第七章是全文总结。 硕士学仃论文第一：章摊铺帆远拌a 线豁删系统的总体殴计 第二章摊铺机远程在线监测系统的总体设计 随着诸如摊铺机、转运牟、压路机等大型路面设备朝着智能化、全球化的 方向发展，对其进行状态监测和故障诊断也提出了许多新的要求。本章将要讨 论的摊铺机在线监测系统也需要满足这一发展趋势，试图使搭建的系统满足实 时性强、通用性高、安全性好、管理性强、可移植性好的要求。 2 1 摊铺机远程在线监测系统的构造思路 2 1 1 远程在线监测技术的发展现状 近年来，随着计算机、通信技术和传感技术的发展，状态监测越来越施以 新兴的技术手段，从离线试验发展到带电监测，直到当l i 被普遍使用的在线监 测。在线监测系统目前存在两种主流形式1 2 0 , 2 1 1 ： 1 ) 分散的直接接入形式 这种形式是随着嵌入式技术的发展而发展起来的。嵌入式i n t e r n e t 技术使得 工程机械具备直接接入i n t e m e t 的能力。目l ； 国内外使用最多的是利用直接镶嵌 了具有上网功能的可编程控制器( p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 对 工程机械进行自动控制，使其具有了i n t e m e t 接入功能。具备该功能的p l c 举不 胜举，如西门予公司的s 7 4 0 0 系列，以及其后开发的多个系列都具有i n t e r n e t 接口。这类技术的结构图如2 1 所示： 图2 i基于嵌入式i n t e r n e t 技术的远程在线监测系统结构图 硕十中竹论文第二章摊铺机远拌住线监洲系统的总体设计 对于分敞式直接接入系统，其优点在于结构年 j 对简单，工作可靠性较好， 易于实现远程控制。但是它的缺点也不容忽视，如：功能丌放程度比较低，很 难利用其数掘组成集中控制系统；而且存储容量有限，通常情况下无法容纳数 掘库，这样就可能在监测过程中造成数据管理的混乱，很难容入更高级的i n t e m e t 应用技术之中，特别是当现场规模大、需要监测的设备数量多的情况下，会大 大增加设备成本。可见，这种系统适合于监测设备类型少、规模小、重要性相 对低的场合。 2 ) 可控的集中接入形式 可控的集中式接入系统借助专用的串行通信网络( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 接口 协议) 和现场总线等技术建立多点数据采集模块，再利用计算机将数据处理后 存储起来，以方便现场人员和远程故障诊断人员使用。其系统结构如图2 - 2 所示： 图2 2 基于i n t e r a c t 技术的集中式远程在线监测系统结构图 集中接入方式虽然结构复杂，但是包含的信息量大，功能歼放性较好。转 换模块一般使用国际通用的技术标准和通信协议，如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等国际标 准通讯协议，使得系统的扩展相对简单。现场多采用计算机作为数掘处理单元， 依靠在计算机上建立数据库可方便地管理和存储数据，同时计算机也成为引入 i n t e m e t 的基础。 2 1 2 摊铺机集中接入式的远程在线监测系统 摊铺机的远程在线监测系统实际上是一个客户端软件，它直接面向客户一 一使用摊铺机的用户。该系统的主要功能足进行数据采集和在线的实时监测， 把采集到的数据和经过处理后的数掘保存到本地数据库，或者通过i n t e r n e t 及其 协议传送到位于远程诊断中心的数掘库服务器上。 4 硕十一学伊论文 第一：章摊铺机远f ! 1 1 1 午线监测系统的总体设计 以故障原因复杂著称的摊铺机，在使用过程中一旦出现故障，一般很难作 出准确诊断，而且其监测点数也相对