摘 要：本文提出了一套Intranet下旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)方案。整套系統(tǒng)在Visual C++環(huán)境下開發(fā)，集成了DAQ采集、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、多線程技術，實現(xiàn)了高速實時數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場監(jiān)測、信號分析、故障診斷以及網(wǎng)絡通訊等多項功能。本文提出了用Matlab數(shù)學函數(shù)庫接口實現(xiàn)信號處理的方法。實踐證明，將這種方法用于故障診斷系統(tǒng)開發(fā)，能夠使系統(tǒng)開發(fā)更加高效，工作性能更加穩(wěn)定。目前整套系統(tǒng)已在錦州石化旋轉(zhuǎn)機組中投入監(jiān)測運行，具有工程實際應用價值。 關鍵詞：故障診斷;數(shù)據(jù)采集;信號處理;多線程 1前言 　　旋轉(zhuǎn)機械是大型企業(yè)生產(chǎn)的關鍵部件，現(xiàn)代化生產(chǎn)在功率、速度、機械性能、自動化水平、可靠性、安全性等方面對它提出了越來越高的要求。將故障診斷技術應用在旋轉(zhuǎn)機械生產(chǎn)中，將有效的降低生產(chǎn)過程中的故障發(fā)生率，對于故障預防以及故障發(fā)生后的維修具有相當?shù)闹笇б饬x。資料表明：在采用診斷技術后，生產(chǎn)事故率減少了75%，維修費用降低了25%～50%。大大的提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益[1]。 　　旋轉(zhuǎn)機械故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)涉及到傳感器技術、數(shù)據(jù)采集處理與信號分析技術、故障機理的研究、診斷方法的研究等多方面的知識?？梢哉f是一門跨學科，跨領域的綜合系統(tǒng)的開發(fā)。而現(xiàn)在以TCP/IP模型為代表的迅猛發(fā)展的網(wǎng)絡技術，為故障診斷系統(tǒng)注入了新鮮血液同時，也為故障診斷系統(tǒng)的設計者提出了新的要求。網(wǎng)絡的加入使故障診斷系統(tǒng)從總體的工作模式設計，到數(shù)據(jù)的共享傳輸方式的選擇，都產(chǎn)生了革命性的發(fā)展。因此在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet下開發(fā)出一套完善、高效的故障診斷系統(tǒng)對企業(yè)效益的提高具有深遠的意義。 2總體設計 　　故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過了離線、單機版以及分布式診斷的發(fā)展過程。而分布式診斷又分為B/S、C/S兩種工作模式。從靈活性、經(jīng)濟性、針對性、可靠性、安全性、推廣度等等多方面考慮，可以說各種診斷模型都具有各自的特點。在企業(yè)內(nèi)部Intranet下，考慮到系統(tǒng)的復雜功能要求、安全性、可靠性，以及現(xiàn)今國內(nèi)分布式故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)模、發(fā)展程度，本套系統(tǒng)采用了C/S模式的診斷工作模型。機組運行數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)場計算機采集處理之后通過車間監(jiān)控室的網(wǎng)絡交換機接入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，傳給各職能部門。這樣，企業(yè)的管理決策和檢修技術人員在辦公室內(nèi)就可以通過與網(wǎng)絡連接的計算機及時的了解現(xiàn)場機組的運行狀況，做出相應決策。同時通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)關設置，系統(tǒng)也可以將診斷系統(tǒng)延伸到Internet診斷節(jié)點中，這樣既考慮了安全性，又達到了診斷系統(tǒng)的空間擴充。 3功能設計 　　C/S 模式下，易于設計出功能復雜，針對性、可靠性強的診斷、檢測系統(tǒng)。其中服務器端運行于現(xiàn)場計算機，采用多線程技術，主要完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)管理以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務器功能，滿足同時向多個客戶端傳輸數(shù)據(jù)的要求。基本功能模塊包括：數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、趨勢分析、系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡通訊等模塊。客戶端軟件運行于各職能部門的計算機，具有網(wǎng)絡通訊、狀態(tài)監(jiān)測和分析診斷等功能，基本功能模塊包括：數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)監(jiān)測、趨勢分析、信號分析、故障診斷和網(wǎng)絡通訊等。同樣，客戶端也可以同時連接多個服務器，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)狀互連。達到故障監(jiān)測診斷的面式結(jié)構(gòu)。服務器、客戶端具體功能如圖1所示。 　　l 數(shù)據(jù)采集：與服務器的其它功能實現(xiàn)并行操作，完成溫度、轉(zhuǎn)速、振動以及間相數(shù)據(jù)的高速實時采集，并實現(xiàn)采集參數(shù)（如：靈敏度，上下限，衰減系數(shù)）的動態(tài)配置。具體內(nèi)容見下文數(shù)據(jù)采集節(jié)。 　　l 狀態(tài)監(jiān)測：完成實時圖以及峰峰圖的動態(tài)顯示。提供報警提示，以及報警數(shù)據(jù)的自動記錄功能。 　　l 信號處理：利用Matlab C/C++數(shù)學函數(shù)庫實現(xiàn)各種時域、頻域的信號分析，包括：時域波形、FFT頻譜、自功率譜、互功率譜、倒譜、全息譜、自相關分析、互相關分析、相干函數(shù)、時間譜陣、Wigner時頻分布、濾波軸心軌跡和重構(gòu)軸心軌跡、轉(zhuǎn)速譜陣等等信號處理功能。 　　l 趨勢分析：采用自回歸分析方法進行趨勢預測。根據(jù)其歷史數(shù)據(jù)來推斷缺陷的發(fā)展速度與趨勢，其目的是為早期判定故障提供一個有效的手段。 　　l 故障診斷：系統(tǒng)診斷分為自動診斷和人機交互診斷兩種方式。自動診斷利用振動信號的頻譜結(jié)構(gòu)識別故障，將診斷對象振動信號的頻譜與標準故障樣本的頻譜進行比較，根據(jù)之間的相似程度得出診斷結(jié)論。人機交互診斷利用專業(yè)工作人員的經(jīng)驗，根據(jù)信號處理的分析結(jié)果，由人工選擇故障征兆，依據(jù)最優(yōu)診斷規(guī)則識別故障。診斷規(guī)則由實際診斷案例以及專家總結(jié)形成，經(jīng)過基于廣義粗糙集理論的約簡處理產(chǎn)生，其中涵蓋了亞異步、同步和超異步等三大類共32種常見故障。 　　l 網(wǎng)絡通訊：網(wǎng)絡服務器包括實時數(shù)據(jù)服務器，趨勢分析數(shù)據(jù)服務器，歷史文件數(shù)據(jù)服務器?？蛻舳丝梢詣討B(tài)下載服務器文件列表，并顯示在樹控件中。整套通訊系統(tǒng)，在VisualC++環(huán)境下采用多線程技術與Socket編程相結(jié)合開發(fā)。具體內(nèi)容見下文網(wǎng)絡通訊與多線程一節(jié) 　　l 系統(tǒng)管理：此模塊包括數(shù)據(jù)管理、安全管理、服務器管理三項功能。數(shù)據(jù)管理可以完成對歷史數(shù)據(jù)的自動刪除功能，以及實現(xiàn)正常數(shù)據(jù)保存天數(shù)、報警數(shù)據(jù)保存次數(shù)的設置;安全管理包括用戶權(quán)限管理、密碼管理、注冊管理等等功能;服務器管理主要實現(xiàn)服務器IP地址，通訊端口的動態(tài)設置，服務器狀態(tài)的實時管理等幾項功能。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的規(guī)模，以及系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，整個模塊后臺選擇了Microsoft Access數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。由于Access數(shù)據(jù)庫是基于Microsoft Jet引擎建立的，所以在這里又選擇了微軟推出的用于在VisualC++中訪問數(shù)據(jù)庫文件的DAO技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速訪問與存取。 　　l 報表打印及聯(lián)機幫助：系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測模塊可以自動完成報表的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作。同時利用信號分析模塊的分析結(jié)果可產(chǎn)生圖形化的分析報表。整個報表生成過程中大部分由系統(tǒng)自動完成，操作方便，直觀。聯(lián)機幫助系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的RTF格式文件，經(jīng)過Microsoft Help Workshop工具編譯后生成。其中實現(xiàn)了主題查詢、關鍵字索引等功能。幫助文件內(nèi)容包括了系統(tǒng)信息、操作方法以及一些基本技術原理介紹。 　　整個系統(tǒng)采用了友好的用戶界面，操作簡便、直觀，方式多樣。其中集合了數(shù)據(jù)采集技術、多線程技術、Socket網(wǎng)絡編程技術、數(shù)據(jù)庫存取技術、COM技術。具有針對性強、功能完善等特點。下文將以數(shù)據(jù)采集、信號處理、網(wǎng)絡通訊模塊為例，討論具體模塊功能以及模塊實現(xiàn)的技術細節(jié)。 4技術細節(jié) 　　（1）數(shù)據(jù)采集 　　隨著數(shù)字技術快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術已向著并行、高速、大量存儲、實時分析處理、集成化等方向發(fā)展。同時數(shù)據(jù)采集也是整個系統(tǒng)信息元工作的源頭。通過這個部分模塊，系統(tǒng)可以將采得的數(shù)據(jù)進行信號分析、趨勢分析、故障診斷，并作為信息載體在整個Intranet中進行發(fā)布。整個系統(tǒng)采樣硬件部分的具體配置如下： 　　l 傳感器系統(tǒng)：充分利用機組已經(jīng)配備的監(jiān)測儀表和傳感器系統(tǒng)，如Bently電渦流傳感器、轉(zhuǎn)速計和溫度傳感器等。 　　l 采樣系統(tǒng)：本系統(tǒng)采用National Instruments （美國NI儀器公司，簡稱NI公司）的PCI總線E系列多功能DAQ數(shù)據(jù)采集板卡，采集卡型號為6071E。其提供了多達64路單端，32路差分模擬輸入以及12位模擬輸入精度等的優(yōu)異性能。 　　l 現(xiàn)場計算機：采用性能可靠的工業(yè)控制計算機。 　　系統(tǒng)將傳感器測得的轉(zhuǎn)子徑向振動、軸向振動、轉(zhuǎn)速、鍵相和軸瓦溫度等模擬信號，通過現(xiàn)場監(jiān)測儀表的1-5V或4-20mA標準信號接口與現(xiàn)場工業(yè)計算機上的多通道高速A/D采樣卡連接，這中間通過了信號抗干擾，功率縮放等步驟，將采集到的數(shù)據(jù)準確安全的送入現(xiàn)場工控機。采集系統(tǒng)具體硬件布置如圖2所示。 　　工業(yè)生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場條件惡劣，機器運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動、溫度信號受到了四周環(huán)境的影響。因而對故障信息的完全提取需要高的采樣率的保證。只有這樣才能將機器運轉(zhuǎn)的特征如實的反映到監(jiān)測系統(tǒng)中。同時，要做到故障的完全跟蹤，對某一時刻采樣信息的深入提取還是不夠的，這還需要我們在整個時域中對機器運轉(zhuǎn)進行廣度監(jiān)測。因此實時采集也成為了故障信息提取的決定因素之一?，F(xiàn)代采集技術中，觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換有軟件觸發(fā)、定時器同步觸發(fā)及外部觸發(fā)三種方式。而數(shù)據(jù)的傳輸方式有軟件查詢、中斷方式、DMA方式及FIFO方式[2]。以研華PCL1800采樣卡為例，四種數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾时容^如下：軟件查詢（10-20kHz）;中斷方式（10-30KHz）;DMA方式（200KHz）;FIFO方式（330KHz）。高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集的情況下，考慮到整個系統(tǒng)的性價比后，我們利用6071E快速離散式DMA技術將定時器同步觸發(fā)與FIFO數(shù)據(jù)傳輸方式相結(jié)合，使得處理器從DAQ板卡的事件中解放出來。實踐證明，這種方法將大大提高系統(tǒng)的采樣頻率和數(shù)據(jù)的可靠性，同時也改善了WINDOWS環(huán)境下實時數(shù)據(jù)采集中整個系統(tǒng)的性能。 　　采樣部分軟件設計從整個系統(tǒng)的開發(fā)效率以及工作性能出發(fā)，利用NI公司提供的API函數(shù)：NI-DAQ Function，在Visual C++語言中進行高速的信號采集，使整個系統(tǒng)最高采樣達到了1.25M/s的速度，為后續(xù)的開發(fā)分析奠定了基礎。 　?。?）信號處理 　　系統(tǒng)信號處理部分采用C++與MathWorks公司推出的科學計算軟件MATLAB完成。 　　MATLAB是MathWorks公司推出的功能強大的科學計算軟件，具有高速的運算能力以及穩(wěn)定安全的算法庫，目前其在許多學科領域都得到了應用。其開放的軟件體系為Matlab與其它工具語言的協(xié)同工作提供了可能。通過MEX文件，在Matlab環(huán)境中可以調(diào)用C、C++或Fortran語言編寫的程序;MAT文件提供了Matlab與其它應用程序之間數(shù)據(jù)交換的途徑;而Matlab ActiveX技術則實現(xiàn)了Matlab與其它應用程序之間客戶機、服務器的工作模式，利用啟動的Matlab進程，可以將Matlab作為一個計算引擎服務器，在其他程序中直接調(diào)用[3]。但以上三種方法具有一個共同的缺點，那就是他們的工作都脫離不了Matlab軟件環(huán)境，這對于發(fā)布式的應用軟件是一個致命的弱點。為克服這一缺點并提高數(shù)據(jù)處理或程序開發(fā)的效率，本套系統(tǒng)選擇了Matlab 為C/C++語言提供的數(shù)學函數(shù)庫接口。Matlab數(shù)學函數(shù)庫提供了大量高效的數(shù)學函數(shù)，尤其在復雜矩陣計算處理方面更加出色。通過Matlab C/C++數(shù)學函數(shù)庫，在C或C++程序中調(diào)用Matlab C/C++數(shù)學庫函數(shù)。從整體性能上講采用這種方式提高了算法設計速度，縮短程序開發(fā)周期，使開發(fā)方式靈活、獨立，并且顯著的提高了程序性能以及穩(wěn)定性，保證了程序運行的健壯性。下面以一維快速Fourier變換為例，說明在C++環(huán)境中對Matlab C/C++數(shù)學庫函數(shù)的調(diào)用方法。 　　#include "matlab.h" 　　/＊ 　?。?函數(shù)介紹：通過Matlab數(shù)學函數(shù)將輸入數(shù)據(jù)進行傅立葉變換后輸出 　?。?輸入?yún)?shù)：double dDataIn 變換前輸入數(shù)據(jù) 　?。?輸出參數(shù)：double dDataOut 變換后輸出數(shù)據(jù) 　　＊ 返回值 ：無 　?。? 　　void CFuction::FFT（double dDataIn[], double dDataOut[], int iNum） 　?。? 　　mlfEnterNewContext（0,0）;//建立內(nèi)存上下文 　　double ＊fpAbs; 　　mxArray ＊mxpArray=NULL; 　　mxArray ＊mxpFft=NULL; 　　mxArray ＊mxpAbs=NULL; 　　//建立陣列變量 　　mlfAssign（&mxpArray,mlfDoubleMatrix（iNum,1,dDataIn,NULL））;//由輸入數(shù)據(jù)構(gòu)造陣列 　　mlfAssign（&mxpFft,mlfFft（mxpArray,NULL,NULL））;//傅立葉計算 　　mlfAssign（&mxpAbs,mlfAbs（mxpFft））; 　　//得到傅里葉變換后模值 　　fpAbs=mxGetPr（mxpAbs）;//模值實部 　　for（i=0;i 　?。? 　　dDataOut[i]=（＊fpabs）/N; 　　fpAbs++; 　　｝//end of if 　　mlfRestorePreviousContext（0,0）; 　　//導入原內(nèi)存上下文 　　mxDestroyArray（mxpAbs）;//數(shù)組銷毀 　　mxDestroyArray（mxpArray）; //數(shù)組銷毀 　　mxDestroyArray（mxpFft）; //數(shù)組銷毀 　　return; 　?。? 　　圖3為FFT頻譜曲線圖，是現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過Matlab C/C++數(shù)學庫函數(shù)處理后，在診斷系統(tǒng)中自動生成特征曲線圖。 　　可見，采用這種技術對程序運行穩(wěn)定性、結(jié)果正確性都提供了有利的保障。本系統(tǒng)通過C++語言與Matlab C/C++數(shù)學庫函數(shù)的結(jié)合，在信號處理組件部分實現(xiàn)了時域波形、FFT頻譜、自功率譜、互功率譜、倒譜、全息譜、自相關分析、互相關分析、相干函數(shù)、時間譜陣、Wigner時頻分布、濾波軸心軌跡和重構(gòu)軸心軌跡、轉(zhuǎn)速譜陣等等信號處理分析。 　?。?）網(wǎng)絡通訊與多線程 　　在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下，服務器軟件有三種技術可以并發(fā)處理來自多個客戶機的服務請求：多線程、消息驅(qū)動和循環(huán)處理。其中多線程編程最直接，32位的Windows操作系統(tǒng)提供了多任務的管理，這樣，服務器端程序能夠為每個請求服務的客戶機創(chuàng)建一個或多個任務線程，以便同時處理多項任務。消息驅(qū)動和循環(huán)處理只需要一個線程，節(jié)省了多線程間上下文切換的CPU開銷。同時它們也可以解決使用單任務線程同時處理多個客戶機請求的問題。在消息驅(qū)動方式中，請求到來時，系統(tǒng)分發(fā)特定的消息，服務器捕捉到該消息后，觸發(fā)消息響應程序;而在循環(huán)處理方式中，程序主動循環(huán)查詢系統(tǒng)是否收到客戶機的請求，為防止線程阻塞，可以采用異步I/O調(diào)用，以便同時進行其它的處理。但是循環(huán)處理和消息驅(qū)動兩種方式在滿足多任務的前提下，卻破壞了程序執(zhí)行的自然邏輯順序。循環(huán)處理程序，為了及時響應客戶機的請求，代碼使用了異步接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的辦法，把長的傳輸間隔分成小的時間片，并且有人機交互時還要不停的查詢鍵盤、鼠標等輸入設備。這樣就破壞了程序的自然的邏輯順序。而消息驅(qū)動方式也無法預知消息出現(xiàn)的時間，同樣也保證不了程序自然的邏輯結(jié)構(gòu)，很難將代碼實際運行的次序確定下來。根據(jù)故障診斷程序的多任務，大處理器、IO需求的特點，本系統(tǒng)采用并發(fā)式TCP方式作為服務器程序。首先建立各數(shù)據(jù)服務器的監(jiān)聽線程。這樣一個處理客戶機請求的線程在收到完整的請求前能夠一直保持阻塞狀態(tài)，而不必擔心會妨礙對服務器其它模塊運行的處理。同時各線程內(nèi)部采用消息循環(huán)機制，實現(xiàn)用戶請求的消息驅(qū)動。當收到請求后，監(jiān)聽線程立刻創(chuàng)建連接線程，為客戶請求提供服務。同時監(jiān)聽線程阻塞返回，繼續(xù)監(jiān)聽其它客戶請求。連接線程完成客戶服務后，自動關閉連接。這樣就完成了一個用戶請求循環(huán)。 　　在VisualC++環(huán)境中，線程內(nèi)部如果需要提供消息驅(qū)動支持，那么必須啟動用戶界面線程，這里系統(tǒng)為歷史數(shù)據(jù)服務器、實時數(shù)據(jù)服務器以及趨勢分析服務器各建立了一個用戶界面監(jiān)聽線程。建立線程同時將各線程界面隱藏，這樣就實現(xiàn)了各服務器同時阻塞監(jiān)聽，而線程內(nèi)部消息驅(qū)動的設計要求。 　　本系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸部分采用Windows Sockets[4]規(guī)范編寫。首先，客戶機和服務器都創(chuàng)建一個套接字。接著服務器調(diào)用bind（）函數(shù)給套接字分配一個公用的端口。這樣客戶機和服務器就能夠使用同樣的端口來表示服務器套接字。一旦客戶機與服務器建立了連接，就能夠使用send（）函數(shù)向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)、信息。同樣服務器也能夠使用send（）和recv（）函數(shù)來傳遞數(shù)據(jù)，直到完成通訊。最后調(diào)用closesocket（ ）來關閉套接字，完成信息傳遞。 5結(jié)束語 　　故障監(jiān)測、診斷系統(tǒng)開發(fā)涉及到廣闊的學科領域知識。本系統(tǒng)采用了外部程序接口完成了采樣以及分析模塊，并在通訊方面滲透了多線程以及網(wǎng)絡編程技術，從而高效的開發(fā)出了一套功能強大的分布式監(jiān)測、診斷系統(tǒng)。本系統(tǒng)已在石油企業(yè)中長期運行，性能以及穩(wěn)定性都得到了檢驗。今后，可以建立監(jiān)測、診斷系統(tǒng)標準，將各個診斷系統(tǒng)連接起來，最終形成統(tǒng)一的大規(guī)模故障監(jiān)測、診斷網(wǎng)，指導工程生產(chǎn)。 參考文獻 　　1 施圣康. 汽輪發(fā)電機組振動故障診斷技術的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 動力工程,2001,21（4） :1295-1298 　　2 吳道虎,王緒軍. 具有高可靠性的高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集的設計與實施方法[J]. 電子技術應用,2002,6:13-15 　　3 劉志儉,潘獻飛,連軍想. 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