基于DataSocket技术的设备状态监测与故障诊断系统

刘志华，吴 韬，曹瑞明（.中国人民解放军理工大学，江苏 南京 0000；.63796部队，海南 海口 57000）

基于DataSocket技术的设备状态监测与故障诊断系统

刘志华1，吴 韬1，曹瑞明2
（1.中国人民解放军理工大学，江苏 南京 210000；2.63796部队，海南 海口 570100）

基于DataSocket的虚拟仪器技术是计算机技术、网络通信技术和仪器仪表技术相结合的产物。阐述了虚拟仪器和LabVIEW的一些概念，针对现阶段基层部队装备型号多样、分布广泛等特点而导致的维修保障难度增大的现状，提出了基于DataSocket的虚拟仪器技术在设备远程状态监测与故障诊断中的应用，对DataSocket的性能、结构和工作原理进行了分析。通过开发一套设备远程状态监测与故障诊断系统，验证了使用该技术可以实现实时数据的现场监控和故障排除。

虚拟仪器；DataSocket；状态监测；故障诊断

0 引言

近年来，随着科学技术的进步以及国防信息化建设步伐的加快，装备基层部队的新装备越来越多，并具备型号多样、分布广泛、科技含量高等特点。新的特点给装备的状态监测和故障诊断带来新的挑战，由于受空间和时间的限制，仅依靠经验丰富的专家亲临现场进行指导维修是不现实的。而基于网络的远程故障诊断技术可以提供显著的技术支持，通过建立在现场设备上的状态监测点，可以监测和采集设备状态的信息数据，并发送到远端专家诊断平台，继而对设备运行的状态进行监控并对故障及时诊断。数据采集、传输和分析是远程诊断的重要组成部分，基于 DataSocket的虚拟仪器技术不仅改变了传统仪器在数据采集、处理、显示和存储方面的旧有观念，而且还为设备的远程监控和故障诊断提供了丰富的现场资源，给故障的远程诊断提供了新途径［1］。

1 虚拟仪器与La b V IEW

1.1 虚拟仪器技术

由于计算机技术和微电子技术渗透到测量与控制技术领域，信号在被采集并被转换成数字形式后，更多的信号分析与处理工作都在计算机中完成，仪器与计算机之间的界限日渐模糊。虚拟仪器便是通过编写程序软件将通用计算机与仪器功能硬件结合起来，将传统仪器的数据采集与控制、数据分析与处理和结果的输出显示三大功能集成到计算机软件当中，使整个测试过程自动进行。用户通过友好的图形界面来操作计算机，如同操作自己设计的仪器一样，就能完成所有数据的采集、分析和显示存储工作。“软件就是仪器”的口号提出便反映了虚拟仪器技术的本质特征，虚拟仪器结构图如图1所示。

图1 虚拟仪器结构图

1.2 LabVIEW

虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力相结合，这样的结合通过虚拟仪器开发软件LabVIEW实现。它是美国国家仪器NI公司开发的一种图形化编程工具，使用图形化的编程语言编写程序，即使不熟悉计算机语言的用户也可以方便地“画”出自己的程序，使编程更加简洁和直观。借助LabVIEW功能强大的函数库，用户都可以直接调用现成函数，包括基本的功能函数到高级分析库，基本涵盖了一起设计的所需要的全部函数。同时，用户也可以按自己需要定制虚拟仪器的面板界面，通过将仪器的控制操作和数据结果显示在前面板上，可模拟传统仪器仪表的操作方式以实现多种测试功能。目前，LabVIEW的开发环境已经在数据采集、仪器控制和自动测试领域得到广泛的应用。

2 Da t aSocke t技术

测试数据的网络发布与实时共享是设备远程监控和故障诊断系统开发的关键技术之一，现有的 TCP/IP 和DDE等技术常因为编程的复杂性使用不便，在实时传输大量现场数据时，无法满足实际需要。同时，日益广泛和复杂的网络应用也给网络编程开发人员带来极大的工作负担。为此，NI公司便针对现实需求开发了一种面向测量和网络数据实时交换的新技术——DataSocket。

2.1 DataSocket简介

DataSocket是建立在TCP/IP协议基础上的网络实时传输技术，其对网络底层协议进行了高度封装，隐藏了数据传输细节，网络编程人员不需要进行底层复杂的TCP编程，也避免了为不同的数据格式和通信协议编写程序代码，只需通过统一的API编程接口，就可以实现网络原始数据的传输。DataSocket技术通过资源定位符（URL）定位数据源，URL的前缀表示写入数据的类型和使用的传输协议，例如 file是本地文件，ftp是文件传输协议，用于读取文件中数据；http为超文本协议，用于提供数据的网页链接；opc表示过程过程控制的OLE，专门用于共享实时生产数据，该协议在运行OPC服务器时使用；dstp则表示来自 DataSocket服务器的实时数据。DataSocket技术通过使用与协议无关、与语言无关、与操作系统无关的API接口，因而具有很强的通用性，它基于URL，可以使用在任何编程环境中，也可与分布于任何地方的客户终端进行通信［2］。其体系结构如图2所示。

图2 DataSocket体系结构

2.2 DataSocket结构组成

DataSocket由 DataSocket Server Manager、DataSocket Server和 DataSocket API 3部分组成，同时包括了 Dstp（DataSocket Transfer Protocol传输协议）、通用资源定位符（URL）和文件格式等规程。其中，DataSocket Server Manager是一个独立运行的程序，可以设置 DataSocket Server可连接的客户程序的最大数目和可创建的数据项的最大数目，并可创建用户组和用户，设置用户创建数据项和读写数据项的权限；而 DataSocket Server也是一个独立运行的程序，它负责监督DataSocket Server Manager中所设定的各种权限和客户程序之间的数据交换［2］。在网络通信时，必须同时运行在服务器和客户端；DataSocket API是一个与协议无关、与语言无关、与操作系统无关的最底层的通信接口，可将现场采集的数据变成数据流，在多种编程环境下与多种数据类型通信，进行数据发布和共享。DataSokcet API包含4个动作：Open、Read、Write和Close，通过这些节点就可以完成DataSocket通信［3］。

2.3 DataSocket工作原理

DataSocket通过 DataSocket函数库实现网络通信，DataSocket发布数据需要 Publisher（发布器）、DataSocket Server和Subscriber（订阅器）3个要素。发布数据时，发布器利用 DataSocket API接口将数据写到 DataSocket Server中，接收数据时，客户端再通过订阅器利用 API接口从DataSocket Server读取数据。通信过程如图 3所示［4］。

图3 DataSocket通信过程

DataSocket技术实现数据传输有面板控件直接相连和编写基于DataSocket协议程序两种方式。通过面板控件直接相连方式实现数据的实时通信只需要设置数据显示控件的 DataSocket Connection对话框，在本地和异地的数据显示控件的DataSocketConnection对话框上填写相同的URL即可，本地控件的数据便可实时地传输到相同URL的异地控件中，无需编程，简单实用［5］。

而需要透明的数据传输并可对数据进行处理时，就需要编写 DataSocket协议程序，DataSocket函数库的Write和 Read动作直接表明了对数据的写入和读取操作，数据可以是单个字符或字符串、布尔量或数据量都行，数据接收端可以对接收的数据进行处理和分析。

3 远程状态监测与故障诊断系统

3.1 系统构成

远程监控与故障诊断系统结构上由现场测试系统、服务器和远程故障诊断客户端3部分组成。

现场测试系统位于最前端，是对设备的直接执行体，由现场仪表、控制设备和硬件接口等组成，它主要负责对现场数据采集和执行功能的控制。现场智能传感器拾取原始信息，通过信号调理电路调理后将采集信号提供给数据采集卡，计算机则选择PXI、USB、GPIB等总线方式与外置数据采集设备和仪器功能硬件连接，实现数据采集和仪器的控制［6］。

服务器端在整个平台中处于核心地位，服务器端采用高性能的工控机。作为现场与远程故障诊断端口的通信纽带，一方面它为虚拟仪器软件提供特定的运行环境，完成对现场数据的采集、仪器的控制与管理；另一方面又要向远程故障诊断中心提供数据和网络服务，并接受远端发出的控制指令完成对现场设备相应的控制操作。通过安装在工控机上的仪器硬件接口，服务器上由LabVIEW 开发的虚拟仪器软件就可以控制数据采集卡DAQ采集原始信号，实现现场设备模拟量输入输出、数字I/O和定时计数。同时，利用DataSocket技术，服务器端控制设备采集数据后，将原始数据传输到远程诊断客户端［7］。

远程故障诊断客户端提供监控与诊断的人机窗口，利用DataSocket读取现场数据，再利用 LabVIEW自带的信号分析模块完成信号处理。信号处理的最终目的是清晰显示出特征信号曲线，提取出特征信息，并结合专家多年的诊断维修经验，完成故障诊断。系统结构如图4所示。

图4 系统结构图

3.2 系统实例

为进一步验证DataSocket技术在远程监测与故障诊断中的应用，以在服务器端采集混有白噪声的正弦波为例。电源故障是设备常见的故障之一，设备的电机也通常由交流电供电，针对交流电源故障的诊断问题，通过远程诊断客户端对混有白噪声的正弦交流信号进行检测和分析诊断，从而判断为何种故障。

服务器端使用LabVIEW编写虚拟仪器程序，通过自带的DAQ等功能板卡驱动程序，控制设备采集待测信号，并保存至计算机内的数据库中。在服务器的Lab-VIEW程序面板上的 URL上输入 DataSocket Server所在的计算机地址，服务器端默认地址为 localhost，通过DateSocket Writer节点写入数据，如图5和图 6所示，将混有白噪声的正弦信号写入并显示在示波器仪表中。

图5 服务器端故障信号图

图6 服务器端故障信号程序图

客户端通过 DateSocket Reader节点将数据从 URL指定的位置读出，实时显示在客户端示波器上，如图7所示。

图7 客户端接收监测信号

为分析接收的数据，先通过LabVIEW提供的信号分析子模块，对接收信号进行频谱分析，可以得到正弦信号的特征频率，再通过滤波器（这里使用反-切必雪夫滤波器）滤除白噪声，去伪存真，对滤波后的图可以通过时域分析，得到频率和幅值。通过对接收信号的分析操作，再对比已经建立的故障特征曲线数据库，便可以实现对设备状态的监测和故障诊断，如图8、图9所示。

图8 故障信号频谱分析

图9 故障信号滤波

4 结论

综上所述，基于网络的虚拟仪器技术充分利用了自身的软硬件优势，针对基层部队的设备状态监测和故障诊断现状，提供了一种经济、有效的设备保障手段。使用DataSocket网络传输方式，克服了旧有方式在底层网络编程效率低、数据传输实时性差等缺点，真正实现了网络编程的简单快捷和测试数据的实时传输。通过传输混有白噪声的正弦波的实例表明，专家不用亲临现场就可在远端实时地监测现场设备状态，并可对现场传输的故障信号进行分析处理，继而达到故障诊断的目的。

［1］李风保，李凌，王晓东.基于虚拟仪器的网络化测控系统［J］.仪器仪表学报，2004，25（4）：295-297.

［2］陈国顺，于涵伟.测试工程及 LabVIEW应用［M］.北京：清华大学出版社，2013.

［3］莫慧芳，饶明辉.基于 DataSocket技术的电机声频远程故障诊断系统［J］.自动化与仪器仪表，2013（3）：175-176.

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［5］蒋薇，张晓波，赖青贵.基于 LabVIEW 的仪器通信技术研究［J］.计算机测量与控制，2013，21（4）：1030-1032.

［6］王吉平，赵哲，田克纯，等.基于 LabVIEW的通信测量技术研究［J］.自动化与仪表，2011，26（1）：29-31.

［7］王亚凡，张秉仁，闫立东.基于 LabVIEW 的多功能虚拟频谱分析仪的设计［J］.电子技术应用，2014，40（12）：100-102.

图7 分组平均时延

4 结论

本文提出了一种新的车队自组网的信道接入机制，该机制将竞争时隙与业务时隙分离，使周期性的广播信息集中于竞争时隙内，使车队在运行过程中的正常通信业务不受干扰，提高了车队自组网的传输性能。在相同的环境下，网络的整体性能较RR-ALOHA机制有所提高，特别是在组网过程中的网络稳定性方面。但在周期性广播信息的可靠性方面还有待进一步的改进提高。

参考文献

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［5］薛津，叶少珍.GPS车辆监控系统服务器性能优化与实现［J］.微型机与应用，2013，32（24）：59-62.

（收稿日期：2015-08-28）

作者简介：

潘金满（1984-），男，硕士研究生，主要研究方向：交通信息工程及控制。

Equipment condition monitoring and fault diagnosis system based on DataSocket technology

Liu Zhihua1，Wu Tao1，Cao Ruiming2
（1.Science and Technology University of PLA，NanJing 210000，China；2.Troop 63796，HaiKou 570100，China）

Virtual instrument technology based on DataSocket is the product combined with computer technology，network communication technology and instrumentation technology.The paper described some concepts about virtual instrument and LabVIEW.Concerning the characteristic of equipments in grassroots units that equipments have diverse models and could be widespread distributed，and it could cause increasing difficulty of repair and maintenance about equipments，the paper proposed virtual instrument technology based on DataSocket and its application in equipment remote condition monitoring and fault diagnosis.DataSocket′s properties，structure and working principle were analyzed at the same time.By developing a set of equipment remote status monitoring and fault diagnosis system，the paper has tried to verify that the use of this technology can monitor real-time data and fault diagnosis.

virtual instrument；DataSocket；condition monitoring；fault diagnosis

TN915.03

A

1674-7720（2015）24-0084-04

刘志华，吴韬，曹瑞明.基于 DataSocket技术的设备状态监测与故障诊断系统［J］.微型机与应用，2015，34（24）：84-87.

2015-08-26）

吴韬（1991-），通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：气象水文装备故障诊断。E-mail：617851537@qq.com。

刘志华（1963-），男，本科，副教授，主要研究方向：装备技术保障车。

曹瑞明（1989-），男，硕士，工程师，主要研究方向：测试计量与仪器。