基于Internet的便携式旋转机械在线监测系统

夏兴国，汪发亮

（马鞍山职业技术学院 电气工程系，安徽 马鞍山 243031）

0 引言

大型旋转机械是企业的核心设备，受重视程度颇高，关于其故障监测和诊断研究很广泛，如通过运行过程中产生的振动、噪声等信号，对旋转机械的运行状态进行监测，利用监测信号，诊断故障问题及对故障进行预测[1-2]。而各种中小型旋转机械状态监测的研究偏少，实际情况是中小型旋转机械虽然结构相对简单，但其状态监测重要性不容忽视[3]。旋转机械发生故障时往往损失巨大，解决方式大多为两种：定期维修和事后维修。定期维修有过剩维修和维修不足的缺点，事后维修往往造成巨大经济损失甚至灾难性后果。因此，对旋转机械的维护、检修不仅要及时还要适时。旋转机械状态在线监测正是在这种情况下提出的，通过状态监测能够及时地对机组状态作出准确的判断，进而制定合理的检测维修制度，用于预防或消除故障来延长其使用寿命。同时，通过监测、预测故障分析、性能评估等，亦可为设备制造、结构设计、修改、优化等提供数据和信息。

旋转机械状态监测技术正在向多目标、多层次和网络化等方向发展[4]。由于本地监测只能满足本地工作人员的分析需要，当现场监测诊断不便时，需要通过网络把本地监测的数据和方法及时发布到远程用户，在异地进行监测和解决出现的故障。以“软件就是仪器”思想为基础的虚拟仪器技术有其独特的优势，在设计旋转机械远程监测系统中已广泛运用。对故障数据和即时数据进行分析，实现远程即时监测、分析和交互[5-7]。当前中小型旋转机械状态监测系统的研究热点是将旋转机械状态监测和网络技术及数据库技术三者有机融合，方便实现远程设备状态监测[8]。本文以中小型旋转机械为对象，设计了一种基于Internet的便携式在线监测系统。

1 系统设计的关键技术

本系统设计由便携式本地系统和分布式远程系统组成，采用DataSocket技术实现了即时数据、历史数据、整定参数、机器状态的远程共享，可得到实时数据监测、分析和数据追忆功能，方便了远程用户的监测、分析和诊断。硬件平台主要为计算机和I/O接口设备，常用的I/O接口设备有5种：PC-DAQ接口、GPIB接口、串行接口、VXI接口和PXI接口，I/O接口设备与采集卡一起完成被测输入信号的采集和模/数转换[9]。软件开发工具有：C++、VB、LabWindows/CVI和LabVIEW等。

1.1 虚拟仪器软件选取

虚拟仪器软件中，C++和VB功能更强大，集成能力比较强，但编程复杂，可视化功能较弱，尤其在驱动采集卡时需要现场编写驱动程序[10]。而LabVIEW正好弥补了其缺点，优势有：数据处理功能强大，可视化图形及控件丰富，自带驱动程序，方便网络测控系统的开发和设计，支持多线程、多任务开发，强大的帮助系统及查找范例功能，支持多媒体应用、ActiveX等。

1.2 DAQ驱动、数据采集

数据采集的硬件是采集卡，软件是控制采集卡的DAQ驱动，是建立基于步骤的DAQmx API向导，具有交互式图形界面，无需编程就能逐步对采集卡进行测量任务、采集通道、信号自定义换算等配置，且能自动生成LabVIEW代码，能实现DAQmx应用的快速开发[11]。考虑到采集波形需要根据旋转机械转速的变化来设定不同采样频率，当需要更高的采集速度时，DAQ助手会有一定的局限性，这时，可采用DAQmx API函数编写驱动程序。

1.3 数据库技术

市场上数据库主要有Oracle、IBM、SQL Server和MySQL等，其中，SQL Server占的市场份额最大。Microsoft SQL Server 2012是SQL Server的较新产品，提供了处理巨大数量数据和大量查询请求的功能，其易用性、易维护、方便集成等特点满足了网络状态监测系统的需要。

1.4 B/S模式

三层B/S结构为B/S模式在Internet/Intranet网络平台上最流行的运行模式，软件体系结构由客户端、应用服务器和数据库服务器三部分组成。客户端功能为将用户和应用服务器建立交互关系，处理逻辑工作由应用服务器完成，数据库服务器则由应用服务器发送的请求进行操作，并将结果传送给应用服务器[12]。优势有：可通过浏览器访问，不需要在客户端安装应用程序，降低了对用户的培训、安装、维护等费用；可以方便地集成，如BBS、Net Chat等功能。

1.5 Internet和Intranet的网络安全

Internet和Intranet两者互联在远程监测系统，由Intranet接入Internet，安全问题主要在接入边界上。系统采用防火墙技术加强网络的安全，用于加强网络互联时的访问控制，保护内网及其设备，防止外部用户非法使用内网资源而产生机密数据泄漏。由于Intranet的出入口要考虑安全问题，采用缓存技术解决[13]。

2 系统总体设计

2.1 设计目标

本系统由本地和远程系统组成。一台带有无线上网功能的笔记本电脑和一个即插即用的数据采集卡即可构成便携式本地系统，企业内的办公计算机和企业之外的远程用户构成远程系统。本地系统应具有如下基本功能：参数整定、采样设置、运行状态监测、黑匣子功能及历史数据存储、机器运行历史情况追忆、常用信号分析功能。远程用户可以通过安装远程监测系统安装包，实时安全地获得本地监测系统的声警、光警和弹出报警对话框结果，本地监测系统监测的即时数据、历史数据等。远程系统能及时得到被监测机器的状态信息、系统参数设置信息，具有与本地系统同样的数据处理与分析功能，只要互联网通畅，远程用户就可使用该系统。根据用户等级可对远程系统的使用设定一定权限。

2.2 本地状态监测系统

2.2.1 系统硬件组成及选择 本地状态监测系统硬件设备包括传感器、信号调理电路、采集卡和较高性能的便携式计算机1台。硬件组成如图1所示。

图1 本地状态监测系统的硬件组成框图Fig.1 Block diagram of hardware composition of local state monitoring system

2.2.2 软件选择 本系统采用LabVIEW 2013和SQL Server 2012进行设计，安装于高性能的便携式计算机，并在LabVIEW中嵌入解压后的LABSQL Release 1.1文件。软件总体设计结构如图2所示。

图2 软件总体设计结构图Fig.2 General design structure of software

2.3 远程状态监测系统

旋转机械运行过程中或出现故障时，公司领导层、技术人员或者远程的诊断人员需要及时了解旋转机械的工作状态信息，以便进行监测和诊断分析，这样就需要公司各个阶层或者技术中心利用客户机与本地监测系统建立联系。

公司领导层只需了解机器的运转情况和分析报告即可，可以通过LabVIEW的Web页发布技术把本地状态监测系统监测界面实时共享，在Web浏览器上浏览到机组的状态信息，而且能够远程动态监测与控制，并即时发布数据和本地状态监测系统工作人员进行交流，得到本地状态监测系统的所有信息及相关报告。由于采用B/S结构监测机组运行，客户端只需安装LabVIEW软件、Run-Time Engine和联网。对于技术人员，主要任务是对故障进行诊断并给出解决方案，需了解旋转机械状态参量的各种数据，包括即时产生的数据和历史数据。本地监测系统工作人员利用DataSocket技术发布本地数据，包括即时数据、历史数据库数据，公司的高级技术人员可以利用DataSocket技术即时接收数据，并在数据接收以后进行数据分析，分析结果再返回给本地状态监测系统的工作人员，提供相关的信息并给予指导和决定意见；亦可发布给公司领导层，以供他们做出相关的决定和存储报告记录。

3 数据采集与监测

在实际在线监测时，需要做系统参数整定，现场工程师对被监测的机器名称和标号、测点的位置及标号、通道性质、信号类型、传感器类别、传感器灵敏度、峰-峰值黄警限、峰-峰值红警限等参数进行设定，以便在数据采集与监测时进行通道性质的确认，数据监测时进行峰-峰值比较，数据追忆和远程发布时显示相应的信息。参数整定后，启动数据采集程序对旋转机械进行采集监测。由于旋转机械数据具有一定的保密性，需要设定一定的权限，权限的设定方法同参数整定权限界面类似。数据采集监测程序主要包括两个部分：数据采集方法及采集卡驱动和监测报警。

3.1 数据采集程序编写

编写驱动程序，通过数字端口采集键相信号，并测出转速，通过转速控制各个通道采样点数和采样频率。依据各通道信号的采样频率和实际需求，可把采样点数n设定为采样频率的1/m。若取1 s内采样的所有点数，当m=10，采样频率f=10 000 Hz时，驱动程序每次输出为1 000点，在1 s内连续输出10次。这样，在驱动程序外面加一个FOR循环，循环次数设为k，可以取第k个1 000样点进行输出，为后续监测程序和数据库存储程序节省时间。同时，在FOR循环加一个case结构，条件以毫秒标定，当毫秒时间段等于000时，进行一次数据采集，下一个000 ms时，进行第二次采集，这样每隔1 s采集一个数据。实现了1 s对各个通道巡采，采集的数据也是每隔1 s输出。数据采集程序算法流程图如图3所示。

3.2 采集信号的监测

状态监测系统的目的就是监测机组运行情况，需要对非正常运行状态的状态参量进行监测和故障报警，及时提醒工作人员进行故障检查、维修甚至停机，其功能是借助系统监测与控制平台来实现。

监测程序和数据采集程序分属于两个线程，独立运行，可同时对8个通道进行采集和监测。由于系统可以对8个通道进行参数整定，通道性质包括模拟快变、模拟慢变、故障和备用通道，因此，须考虑当某通道发生故障或者备用的时候，对此通道不进行采集和监测，当明确是故障通道时，可以对其监测也可不监测。因此，对系统进行监测之前，需要检查通道状态和故障状态，当通道性质不是故障或者备用通道的时候，且没有故障出现的时候，才进行峰-峰值越限监测。反之，只对数据进行采集而不监测。因此，采集和监测是独立运行的。其中，为了获得通道性质和峰-峰值黄警限、红警限，调用了参数整定全局变量。为了实现某通道产生故障而不进行监测，采用红警和黄警灯局部变量反馈控制故障状态。

4 实验平台

4.1 数据分析

该状态监测系统中，考虑到时域波形是处理后的电压信号，有时需要知道通道信号的非电压原始数据信息，这时须编写时域波形单位转化程序，显示出最原始数据的波形状态。在LabVIEW中放置case结构，放置布尔量控制按钮于前面板并连接控制条件，当控制条件为真时，执行传感器灵敏度处理程序，输出非电压原始时域波形；当控制条件为假时，输出时域电压波形。当然，在数据分析中，由于系统的可扩展性，可以考虑加入各种分析方法，如小波分析、小波包分析等。数据分析控制平台如图4所示。

图4 数据分析控制平台图Fig.4 Platform diagram of data analysis and control

4.2 Internet远程监测

对于使用者来说，必须拥有一定的权限。本地用户只需安装嵌入LABSQL Release1.1解压文件的LabVIEW2013或更高版本及SQL Server2012，并安装本地系统参数整定程序包和本地监测系统程序包即可。远程用户如果不需要分析功能，只需安装Run-Time Engine即可监测本地机组的运行状态；如果需要分析功能只需安装与本地系统的同一版本的LabVIEW软件，并安装远程监测系统程序包即可。Web发布的浏览器接收见图5，为Internet远程监测。

图5 Web发布的浏览器接收图Fig.5 Browser receiving picture published by Web

5 结语

该系统具有很好的可扩展性、可读性和可维护性，已经成功地应用于实验室某实验台上。系统后续研究工作还可以进一步完善，方向为：考虑数字信号及开关量信号的硬件处理和软件采集处理方法；根据实际情况，可加入更多报警限设定；故障数据的永久保存及故障数据库备份；若发生严重警报时，输出信号强制停机等。