轧机液压设备远程监测与故障诊断系统研究.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 8卷 第9期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 9 ． 0 4 2 轧机液压设备远程监测与故障诊断系统研究 王学孔，陈章位 ，陈家焱 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江杭州3 1 0 0 2 7 摘要探讨轧机液压设备远程监测与故障诊断技术，并对监测与诊断系统的结构以及实现过程中的 B ／ S 模式、网络诊 断技术等关键技术进行详细的分析。此基于网络的轧机液压设备远程监测与故障诊断系统，可以在最短的时间内，集中该 领域专家和专门技术人员提供技术支持进行设备故障诊断，从而避免由于液压系统故障而造成巨大的经济损失。 关键词远程监测；计算机网络；故障诊断；轧机液压系统 中图分类号T P 2 7 7 ；T P 3 9 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 91 3 5 4 Re s e a r c h o n Re mo t e M o n i t o r i n g a n d F a u l t Di a g n o s i s S y s t e m o f Hy d r a u l i c Eq u i p me n t s o f Ro l l i n g M i l l WANG Xu e k o n g ， C HE N Z h a n g w e i ，C HEN J i a y a n T h e S t a t e K e y L a b o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 7 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e t e c h n i q u e o f r e mo t e mo n i t o ri n g a n d f a u l t d i a g n o s i s wa s d i s c u s s e d ．T h e s t r u c t u r e o f mo n i t o ri n g and f a ult d i a g n o s i s s y s t e m W a S i n t r o d u c e d , S o me k e y t e c h n i q u e s i n t h e s y s t e m i mp l e me n t a t i o n we re a n a l y z e d wh i c h i n c l u d ed t h e B ／ S s t r u c t u re，w e b dia g n o s t i c t e c h niqu e a n d S O o n ．Us i n g t h i s r e mo t e mo n i t o rin g and f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m，d o ma i n e x p e r t s and p r o f e s s i o n al s k i l l pe r s o n n e l C a l l b e s u nn n o n e d t o d i a g n o s e f a u l t s o f e qu i p me n t s b a s e d o n we b mo d e l ，a n d h u g e e c o n o mi c l o s s e s c a u s e d b y f a u l ts o f h y d r a u l i c e qu i p me n t s C an be a v o i d e d ． Ke y wo r d s Re mo t e mo n i t o ri n g ；N e t w o r k；F a u l t d i a g n o s i s ；Hy d r a u l i c s y s t e m of rol l i n g mi l l 液压伺服系统具有功率大、响应快、精度高的特 点，已广泛应用于冶金机械领域。在热轧轧机上以 A G C 自动辊缝控制和 C V C 可变凸度控制为 代表，结合精确的数学模型和计算机控制理论的应 用，使产品质量稳步提高。轧机液压系统是一个结构 复杂且精度高的机、电、液综合系统 ，其结构和工作 原理均比较复杂，其可能的故障源既有结构性的又有 参数性的。系统具有机电液耦合、时变性和非线性等 特性。除了饱和、死区、滞环、变增益、摩擦、游隙 等典型非线性外，还有控制阀的流量压力特性这种高 度非线性因素，同时液压系统受温度与负载等因素的 影响，工作点会发生漂移 。这些状况给轧机液压系 统故障诊断增加了很多困难。轧机液压伺服系统对整 个轧钢系统来说作用是显而易见的，一旦发生重大故 障将会造成巨大的损失。如何在最短的时间内，集中 该领域专家和技术人员提供技术支持进行设备故障诊 断是一个重大的问题。 设备远程状态监测与故障诊断是解决这个问题的 一 项关键技术。随着网络技术的迅速发展 ，为实现设 备远程状态监测与故障诊断提供了有力的技术支 持 。远程监测与故障诊断技术可以克服传统故障诊 断的一些不足，利用网络进行状态监测与故障诊断不 受人力、技术和地域的限制 ，在时间和空间上做到及 时到位，同时它能够实现资源信息的最大程度共享。 构造于网络之上的故障诊断系统知识库中的知识来源 广泛，并且可以得到不断充实，知识库的丰富将进一 步增强其诊断能力 。基于网络的设备状态监测与故 障诊断系统将管理部门、监测现场、诊断专家、设备 厂商联系起来 ，形成一个真正开放的系统。基于网络 的设备状态监测与故障诊断系统是时代发展的必由之 路 ，它将进一步提高企业设备管理和维护水平 ，对提 高企业效益和国际竞争力具有巨大作用 一 J 。该课题 以某钢厂的热轧轧机液压系统为对象，建立一个基于 网络的分布式多层次监测与故障诊断系统，并对其体 系结构及关键技术的实现进行介绍。 1 系统功能与总体结构 1 ． 1 系统功 能 基于网络的轧机液压设备远程监测与故障诊断系 统主要由数据采集部分、数据处理部分、远程监测与 故障诊断分析部分、状态监测与故障诊断的结果输出 收稿 日期2 0 0 9 0 51 2 作者简介王学孔 1 9 8 2 一 ，男 ，硕士生，主要研究方向为数据采集与故障诊断。电话 0 5 7 1 8 7 9 5 3 9 3 3 ，E ma i l w a n g x u e k o n g 1 2 6 ． c o m o 机床与液压 第 3 8卷 部分组成 。 数据采集部分完成传感器信号的实时采集与预处 理，具有采集控制功能，可设定采样通道、采样频 率、采样样本等数据采集参量，选择合适的数据滤波 方法进行降噪处理，采集的数据保存在数据库中，以 便今后的分析处理，在进行数据采集过程中，可实时 显示原始波形与滤波后的波形，以便了解现场状况。 数据处理部分实现了多种信号分析算法，经傅氏 变换处理可进行幅值谱、功率谱、倒频谱、细化谱 、 相关分析、包络分析、共振解调等多种频谱分析。 远程监测与故障诊断分析部分可进行稳态分析、 暂态分析和趋势分析 ，并利用人工神经网络、信息融 合技术、主成分分析、支持向量机等智能信息处理技 术 ，对设备故障进行诊断分析。 根据状态监测与故障诊断的结果将设备工作状态 分为三类 正常状态、报警状态和紧急停机状态。在 正常状态下 ，所采集的监测数据作为日常数据保存； 当被监测的参量值超过预先设定的报警阈值时，进入 超限报警状态 ，所采集的监测数据作为报警数据保 存；而被监测参量值超过预先设定的紧急停机阈值或 诊断出设备有严重故障必须立即停机时，系统进入紧 急停机监测状态，发出停机指令，并记录停机过程中 的监测数据，用于分析故障原因。 1 ． 2 系统 结构 系统采用基于标准T C P ／ I P协议的3层 B ／ S 模式。 3层结构体系包括用户服务、业务服务和数据服务， 分别对应客户服务器、We b服务器和数据服务器。 在 3 层结构的 We b技术中，We b浏览器是 3层结构 中的第一层次，利用 We b浏览器作为客户端，使用 户面对一个统一的应用界面。We b服务器既充 当客 户浏览器的 “ 代理” ，又是数据服务器的客户机，它 将不同来源、不同格式的信息汇集成统一界面，提供 给客户端浏览器 。 轧机液压设备远程状态监测与故障诊断系统主要 由现场监测 站 L o c a l Mo n i t o r i n g U n i t ，L M U、现场 监测中心 L o c a l M o n i t o r i n g C e n t e r ，L M C以及远程 诊断中心 R e m o t e D i a g n o s i s C e n t e r ，R D C 组成。其 中，远程诊断中心有一个 ，现场监测站和现场监测中 心可以扩展 多个。现场监测站 由网络化的、基 于 C A N总线和 D S P 处理器的高性能数据采集器所构成 ， 主要负责对轧机液压设备进行数据采集、预处理、数 据传输以及实时报警监控等；现场监测中心主要负责 对现场监测站的控制及管理，同时负责对传送至服务 器的采集数据进行汇总分类、加工处理、分析处理、 特征提取以及常规故障诊断等 ，主要包括轧机液压设 备状态监测、轧机液压设备管理、用户管理等子系 统；远程诊断中心在高性能服务器的支撑下担负整个 系统的控制协调任务，并负责专家会诊环境管理、数 据库管理、诊断专家系统管理与维护以及信息发布等 工作 ，主要包括用户管理、知识库管理、方法库管 理、专家会诊平台管理等子系统。从数据传输角度 看，这 3大部分通过数据库桥梁紧密相连，构成一个 有机整体。系统结构示意图如图 1 。 C A N 总 线 总线 图 1 系统结构不意图 2系统实现 2 ． 1 构建硬件 系统 在这个液压设备状态监测与故障诊断系统中，现 场监测站是起点，且其和现场监测中心处于同一个局 域网内，他们之间的数据传输是通过 C A N总线来实 现的，两者通过 I n t e r n e t 与远程诊断中心相联。现场 监测站负责轧机液压设备状态信息的采集、处理与上 传，因此要配备检测轧机液压设备状态传感器 如 压力传感器、流量传感器、温度传感器、振动传感器 等 、数据采集仪器、主控机、报警器等。为了能详 细记录轧机液压设备运行的每个细节，保证对轧机液 压设备 的实时监测 ，保证整个系统运行正常 ，采集 系 统必须做到高速、高精度、实时性和稳定性。考虑以 上几点要求，现场的数据采集子系统由基于 C AN 总 线的受D S P 器件支撑的多通道数据采集、预处理装 置和高性能管理控制工作站组成，如图2 所示。多通 道数据采集与预处理装置可以实现快变 振动信 号 1 通道至 l 0通道灵活组织采样 ，慢变 温度、压 力、流量信号 1 1 通道至 3 O通道的灵活组织采样。 快变 振动信号 1 0个通道完全同步采样，采样频 率最高达 1 2 8 k H z 。由于现场监测中心和远程诊断中 心要进行大量数据分析处理、数据库管理以及网络发 布，所以要配备高性能计算服务器、数据库服务器和 网络服务器，有时甚至可能要配备高性能图形服务 第9 期 王学孔 等轧机液压设备远程监测与故障诊断系统研究 器。为了使现场监测站、现场监测 中心以及远程诊 断中心3大子系统有机地连接成一个整体，在硬件上 还需要传输介质。现场监测站和现场监测中心数据传 输的硬件载体是交换机、电缆或光纤，现场监测站、 现场监测中心与远程诊断中心则借用 I n t e r n e t 网来实 现数据交换。 图2 数据采样子系统 2 ． 2 软件技 术应 用 2 ． 2 ． 1 A S P技术 A S P A t i v e S e r v e r P a g e ，即 活 动 服务 器 网 页 ， 是继微软公司在 I I S 2 ． 0中推出 I D C之后的新一代动 态网页开 发方 案。它是 H T M L文 件 和描 述语 言 的结 合，是与程序语言无关的某种语言执行的环境。A S P 是当前设计交互式动态网页的强有力工具 ，具有以下 几个优点 1 与浏览器无关 ； 2 不需要编译、 连接生成可执行文件 ； 3 程序代码与 H T M L整合； 4 保护程序的源代码。 2 ． 2 ． 2 网络数据库技术 该系统各模块间通讯主要靠后台的数据库服务 器。该数据库采用 S Q L 2 0 0 0技术创建，数据库的访 问采用 A D O A c t i v e X D a t a O b j e c t s 技术。A D O是微 软提供的站点数据库访问技术 ，是基于 O L E D B的访 问接口。A D O继承了 O L E D B的技术优点，并且 A D O 对 O L E D B的接口作了封装 ，定义了A D O对象，使开 发程序得以简化。 2 ． 2 ． 3 A D O技术 A S P中与数据库打交道的是组件 A D O，A D O是 一 个用于存取数据源的 C O M组件。它提供了编程语 言和统一数据访问方式 O L E D B的一个中间层，允许 开发人员编写访问数据的代码而不用关心数据库是如 何实现的，只关心与数据库的连接。其主要优点是易 用、高速、占用内存和磁盘空间少，所以非常适用于 作为服务器端的数据库访问技术 。 2 ． 3 软件功能实现 2 ． 3 ． 1 监测站和监测中心实时数据传输 由于基于 C A N总线的数据通信具有突出的可靠 性、实时性和灵活性，所以轧机液压设备远程状态监 测与故障诊断系统的现场监测站和现场监测中心之间 的数据传输使用了 C A N总线技术。基于 D S P芯片的 采集器带有标准的 C A N控制器，可以很方便地组成 现场级设备 网。采集器上的 C A N控制器完全支持 C A N 2 ． 0 B协议，其数据帧有标准帧和扩展帧两种不 同的帧格式，前者为 l 1 位标识符，后者有 2 9位标识 符。由于在实际控制中 D S P控制器的上传数据仅为 3 2位数据 包括控制器标志符等信息 ，因此该系统 数据格式采用标准帧格式。在实际调试中发现下层的 控制器向上位机传递的数据量远大于上位机下传的数 据量 ，在数据编码时将控制信息、采样数据编号信息 和控制量、采集量均加载在数据字节里。由此 C A N 总线通信协议的形式为“ I D号 数据 校验” ，其 中，I D号为各 D S P采集器编号，采用 1 1位标识符的 前 4位。为了保证通信的可靠性 ，在数据接受后，都 由一个返回帧来表示确认 ，其校验位 占一个字节 为发送端的固定代码。 C A N通信系统软件设计 中，对于接受采用 中断 的方式，要求系统对于接受到的数据必须马上处理， 以提高系统的实时响应特性。D S P上传实时采集数据 采用定时查询的方式，查询 A D C采样是否结束并且 进行了相应的数据处理后，立即将数据通过 C A N控 制器装载并发送到 C A N总线上，借此传送到现场监 测中心。 2 ． 3 ． 2 监测中心与远程故障诊断中心的数据传输 要实现轧机液压设备远程故障诊断，现场故障监 测中心或远程故障诊断中心的专家必须能够通过 I n t e r n e t 或 I n t r a n e t 获得系统的故障和状态信息，同 时也能够让故障诊断中心的专家通过 I n t e me t 或 I n t r a n e t 查询数据库中的数据。 在该系统中采用 了 B ／ S 模式的方式实现远程诊 断。当用户通过 I n t e me t 浏览器访 问该专家系统主页 时，输入故障特征等信息 ，提交请求 A S P主页时， We b 服务器响应调用 A S P引擎来执行 A S P文件，并 解释其中的脚本语言，通过 A D O连接数据库，由数 据库访问组件 A D O完成数据库操作，然后专家系统 的后台程序就开始以一种推理方式在故障特征知识库 中搜索与用户请求的故障 特征信息相符合的故障原 因以及专家的意见和建 议 ，最 后 由 A S P生 成 包 含有数据查询结果的 H T ． M L主 页返 回用 户端 显 示，从而实现远程诊断。 其诊断过程如图3所示。 现场监测中心或现场监测站 输入故 日 骨 查看故 障特征 日障原因 浏 览器 请 求 骨 返回 Ⅱ 1 wE B 服务器 专家系统 查 询 骨 结 果 l 故障特征知识库 图3 诊断流程图 码 系统的推理机是 由专家系统的后台程序来完成 的，其对故障查询的正向推理过程见图4所示。后台 程序采用 A S P编写，当用户使用浏览器请求 ASP主 页时，We b服务器响应调用 A S P引擎来执行 A S P文 件 ，并解释其中的脚本语言，通过 A D O连接数据库， 1 3 8 机床与液压 第3 8 卷 采用一种推理机制搜索故障特征数据库，由数据库访 问组件 A D O完成数据库操作，最后 A S P生成包含有 数据查询结果的 H T ML主页返回用户端显示。 握据液压系统出现的故 障确定发生故障的部件 在故障特征知识库中检 索该部件的故障集合 妙 查雄瞳集合中确定故 障进行判断和推理 再次检索到具体 的故 障原 因和专家意见 图4 故障查询推理过程 2 ． 4 系统应 用 在上述的研究基础上 ，作者开发了基于网络的轧 机液压状态监测与故障诊断系统。 该系统采用 I I s A S P实现网站发布，利用V C开 发 C O M ／ D C O M及 A c t i v e X控件，并利用 S Q L S e e r 作为数据库管理和服务工具。 该系统实现后，首先在液压试验台上进行模拟在 线监测及故障诊断试运行。结果显示 ，系统运行稳 定，并且成功地对系统过热、噪声过大、系统压力不 足等常见的液压系统故障进行了诊断。另外 ，该系统 在某钢厂的轧机液压系统上进行了实际运行测试，效 果良好。 3结论 基于实时数据采集、C A N总线、数据库服务和 I n t e r n e t 网解决了轧机液压系统实时监控及故障诊断 问题。该系统由现场监测站，现场监测中心和远程诊 断中心3部分组成，基于 B ／ S模式实现，采用 C O M ／ D c O M ／ A t i v A s P技术完成监测 、分析、诊断及管 理等系统各部分功能开发。此结构提高了远程故障诊 断的准确性，并最终达到提高企业效率的目的。随着 网络通讯技术和现场设备 自动化应用的深入，以及成 熟可靠的专家系统的逐渐出现，远程故障诊断也必将 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e s i gn e n g i n e e r i n g t e c h n i c a l c o n f e r e n c e a n d I nf． i n E n g ． C o nfe ren c e ， 2 O O 4 1 0 9 1 2 4． 【 7 】C a r o n e M J ， R a s B ． A n a p p l i c a t i o n o f n o n s t rn c t u r a l t h e o r y i o n t h e m u l t i - o b j e c t i v e d e s i gn o f p r o d u c t p l a tf o r m s [ c] ／ ／ P r o c e e d i n g o f t h e A S ME d e s i gn e n gi n e e ri n g t e c h nic a l o． ,0 n - f e r e n c e ， 2 0 0 3 ． 【 8 】 Wi l l i am s C B ， T e r p e n n y J P ． D e s i g n i n g p l a tf o r m s f o r C U S - t o mi z a b l e p r o d u c t s i n ma r k e t s w i t h n o n - u n i f o rm d e ma n d [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f the A S ME d e s i g n e n gi n e e r i n g t e e h n i - c a l c o nfe r e n c e， S a l t L a k e C i t y ， U T， U S A， 2 0 0 4 ． 【 9 】 J o s i a s C ， T e r p e n n y J P ， M c L e an K J ． C o m p o n e n t o b s o l e s c e n c e r i s k a s s e s s me n t [ c ] ／ ／P r o c e e d i n g s o f 1 3 t h Ind u s t r i al En g i n 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