矿山数字化下的风机状态监测及故障诊断.pdf

分类号T D 5 6 2 U D C ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 工学硕士学位论文 密 级公五 单位代码1 0 0 7 6 矿山数字化下的风机状态监测及故障诊断 作者姓名陈尉 指导教师潘越副教授 申请学位级别工学硕士 学科专业机械设计及理论 所在单位机电工程学院 授予学位单位河北工程大学 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o r t h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g C o a lm i n ev e n t i l a t o rm o n i t o r i n gs y s t e ma n d f a u l t d i a g n o s i su n d e r t h ed i g i t a lm i n e C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t C h e n W e P a n Y u e M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c a ld e s i g na n dT h e o r y C o l l e g e o fM e c h a n i c a l ＆ e l e c t r i c aI H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g M a y , 2 0 1 3 工学硕士学位论文 矿山数字化下的风机状态监测及故障诊断 河北工程大学 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名障屠寺签字日期加1 5 年箩月z 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦兰堡盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权塑 垦兰堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名崩诵十 签字同期 列’多年歹月2 歹同 导师签名签字同期卯f ；年了月- y S 摘要 摘要 煤矿通风机是保证煤矿安全生产的重要机电设备之一，所以针对其故障特点 建立诊断系统显得十分必要。针对目前矿用风机的常见故障可收集故障征兆及类 型，可以利用风机的状态监测系统采集故障样本数据，并利用M A T L A B 软件训练 人工神经网络，由神经网络确定输出向量，对风机常见故障进行诊断。 工业以太网作为矿山数字化的重要组成部分，是矿山关键设备监测监控的基 础。本首先介绍了工业以太网的相关内容，根据风机房实际状况确定了监测系统 硬件配置，由系统功能通过组态软件进行了系统界面设计，并通过对常见数据库 特点的分析选择出合适的数据库，建立了符合设计要求的风机监测系统。最后介 绍了M A T L A B 软件，通过软件编程对数据库中故障诊断参数进行提取并利用软件 自身的神经网络工具箱训练神经网络，通过一个具体的诊断实例，可以说明神经 网络对煤矿风机故障诊断的准确性及可行性。 本文所建立的风机故障诊断系统可对不同故障发生时各参数的情况进行准 确识别，是在现有监测系统功能上的扩充和延伸，对煤矿关键设备的安全运行具 有重要意义。 关键词风机工业以太网状态监测故障诊断 A b s t l “ 8 C t A b s t r a c t C o a lm i n ev e n t i l a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n tf o rc o a lm i n es a f e t y p r o d u c t i o n ，S Ot h ef a u l tf e a t u r e so ft h ee s t a b l i s h m e n to fd i a g n o s t i cs y s t e mi sv e r y n e c e s s a r y ．A c c o r d i n gt ot h ec o m m o nf a u l to ft h em i n ev e n t i l a t o rc a nc o l l e c tf a u l t s y m p t o ma n dt y p e ，C a nu s et h ea c q u i s i t i o no ff a ns t a t u sm o n i t o r i n gs y s t e mo ff a u l t s a m p l ed a t a ，a n du s et h eM A T L A Bs o f t w a r et ot r a i nt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ， d e t e r m i n et h eo u t p u tv e c t o rb yt h en e u r a ln e t w o r k ，t h ed i a g n o s i so fc o m m o nf a u l to f f a n ．T h es t u d yC a nb eu s e da st h ee x p a n s i o na n de x t e n s i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e f u n c t i o n ，m a k ei tb e t t e rf o rm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i so ft h ek e ye q u i p m e n ti nc o a l m i n e ． T h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to fi n d u s t r i a lE t h e m e t ，i n d u s t r i a lE t h e r n e t b a s e do nS i e m e n si n s t r u c t i o n s ，w h i c hl a y st h et h e o r e t i c a 】f o u n d a t i o nf o rt h es t a t e m o n i t o r i n gs y s t e m ．T h e nt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no fm o n i t o r i n g s y s t e mi s d e t e r m i n e da c c o r d i n gt Ot h ea c t u a lc o n d i t i o no ff a n ，t od e s i g nt h em o n i t o r i n gs y s t e m p i c t u r eu s i n gt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o nd a t a b a s es e l e c tt h ea p p r o p r i a t ed a t a b a s e ，e s t a b l i s h e di n a c c o r d a n c ew i t ht h ef a n m o n i t o r i n g s y s t e m d e s i g nr e q u i r e m e n t s ． T h i s p a p e rf i n a l l y i n t r o d u c e st h eM A T L A Bs o f t w a r e ，t h r o u g hs o f t w a r e p r o g r a m m i n gt oe x t r a c tf a u l td i a g n o s i sp a r a m e t e rd a t a b a s ea n du s i n gt h en e u r a l n e t w o r kt o o l b o xf o rt r a i n i n gt h en e u r a ln e t w o r ks o f t w a r ei t s e l f , t h r o u g has p e c i f i c e x a m p l e j c a n e x p l a i nt h ea c c u r a c ya n df e a s i b i l i t yo ft h e n e u r a ln e t w o r kf a u l t d i a g n o s i s ． K e y w o r d s F a nI n d u s t r i a lE t h e r n e t S t a t em o n i t o r i n gF a u l td i a g n o s i s 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．．．⋯．⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 国内外发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 课题研究的背景、目的、意义和研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．3 课题研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 第2 章工业以太网⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 ．1 工业以太网概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 ．2 工业以太网现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．3 西门子工业以太网P R O F I N E T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 2 ．3 ．1P R O F I N E T 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．3 ．2P R O F I N E T 通信⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．3 ．3P R O F I N E TI O ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．3 ．4P R O F I N E T 组态过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 第3 章风机监测系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．1 本质安全的概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 3 ．2 通J x L 机房现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 3 通风机系统功能设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．4 风机监测系统配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．4 ．1 配置不问断电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．4 ．2 配置P L C 柜及操作台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．4 ．3 P L C 冗余组成方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．4 ．4P L C 系统防雷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．4 ．5P L C 系统安装与布线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．5 系统O P C 配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．5 ．1O P C 技术简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2l 3 ．5 ．2O P C 技术下C O M ／D C O M 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．5 ．3 系统D C O M 配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 l 目录 3 ．6S 7 ．4 0 0 h 冗余配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．6 ．1S 7 ．4 0 0 H 硬件组态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．6 ．2S T E P7 组态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．6 ．3 配置E T 2 0 0 M 站⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．6 ．4c p u 中的o b 块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．7 组态软件与 7 4 0 0 的通讯方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 第4 章监测系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 组态软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 设计图形监测画面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 ．1 创建组态画面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．2 ．2I ／O 设备管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．3 定义按钮操作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．2 ．4 风机主要性能参数的测取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 4 ．3 数据库⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．1 几种常见的数据库⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．3 - 2 数据库的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 4 ．3 ．3O D B C 数据源与A c c e s s 数据库的关联⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．4 定义组态王表格模板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．5 向数据库插入数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．6 数据查询⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．7 曲线绘制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．8 系统报警⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．9 报警数掘存储⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 第5 章故障诊断⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．1 故障诊断简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 】 5 ．2M A T L A B 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．3 论文中使用的数据库函数简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．4 故障诊断参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 人工神经网络原理及其算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．6 训练样本的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．7 神经网络的洲练⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．7 ．1 训练数据导入数据库表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 日录 5 ．7 ．2 神经网络的快速建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 5 ．8 实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～6 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 第1 章绪论 第1 章绪论 随着工业和技术的不断发展以及设备自动化程度的显著提高，机械设备正朝 着大型化、连续化、高速化、自动化、集中化的方向不断发展。由于实际使用过 程中各种难以预测因素的影响，机械设备难免会出现一些故障现象，即失去或降 低一部分功能而设备一旦出现故障，很有可能会引起连锁反应，导致整个生产 过程无法继续，造成巨大的经济损失，严重时还会引起灾难性伤亡事故。因此， 发展和研究先进的故障诊断技术，保证关键设备的高效安全运行，避免灾难性事 故发生，将为企业和国家经济创造巨大财富，是当前工业发展的迫切需求。 研究并应用先进的状态监测与故障诊断技术不仅可以早起发现故障，避免恶 性事故发生，还可以解决目前设备定期维修中维修不足和维修过剩的问题。在日 本，应用设备故障诊断技术可减少2 5 ％’5 0 ％的维修费用，同时大幅减少故障维修费 用；在美国，1 9 9 0 年的工业设备维修费用占当年国内税收的3 3 ％，专家估计其中 约1 0 ％为维修过剩的费用。我国的鞍钢每年维修费用占到设备投资的1 0 ％，占总产 值的6 ％、7 ％。据估计，若我国电力部门全面采用设备诊断技术，仅维修费用一项， 每年可节约3 ．5 亿，同时，采用故障诊断技术还可以大大减少生产停顿所造成的 经济损失。对于矿山关键设备如通风机械，其可靠性直接关系到整个矿井的生产 安全，因此对风机的故障诊断研究具有重要意义。 1 ．1 国内外发展状况 现代设备故障诊断技术最早在2 0 世纪6 0 年代由美困发展起来的，由于1 9 6 ] 年阿波罗计划开始执行后所出现的一系列严重设备故障，促使美国国家宇航局成 立机械故障预防小组，开展对诊断技术的研究与开发。6 0 到7 0 年代，同本及英国 其他工业发达国家也相继开展了故障诊断研究工作，并将其推广到冶金、化工、 能源等各个领域，而我国故障诊断研究起步于8 0 年代初。故障诊断有两个方面的 含义，一是要查明故障的发生原因，二是要弄清发生了什么故障。故障诊断技术 大体上经历了常规渗断、智能诊断和基于神经网络的故障诊断技术⋯。 常规诊断研究始于6 0 年代，美圈的s o h r e 和闩本的的自万博以传感器和信号 处理手段对故障诊断工作进行研究，为以后的研究工作奠定了基础。诊断方法上， 主要采用振动分析法、温度分析法、油液分析法等。 2 0 世纪8 0 年代，随着人工智能技术的发展，尤其在实际渗断中采用专家系统， 河北工程大学硕士论文 使故障诊断迎来了以专家系统为特征的第二发展阶段。专家系统诊断可以理解为 一种常规诊断技术f 的扩展，即应用人工智能为基础的智能诊断技术。典型的代 表是美国W H E C 公司从1 9 8 2 年开始研制，1 9 8 4 年推出，以后又多次扩成的基于汽 轮发电机组人工只能大型诊断联网系统。1 9 8 7 年，W h i t e 等在先前的工作基础利 用C F 模型建立了透平机故障诊断专家系统国内上海交通大学、浙江大学、哈尔 滨工业大学、东南大学、西北工业大学也先后开展了此类系统的研制，其中一些 系统已经投入运行。然而从当前已运行的或正在研制的专家系统仍缺乏可靠的系 统，多数系统处于丌发阶段，同时其自身存在包括诊断方面和技术方面仍面临着 很多问题“。 ’ 由于专家系统本身存在的诸多问题严重制约专家系统技术的推广和应用，人 工神经网络技术使得故障的智能化诊断成为可能。神经网络己越来越广泛地应用 于故障诊断领域，用以解决故障模式识别等问题口1 。神经网络在实际应用中具有知 识表示分帮陆、推理过程并行性等特点，具有较强的自适应和学习能力，非常适 合用来建立智能性的故障识别模型3 。 1 ．2 课题研究的背景、目的、意义和研究的主要内容 课题研究的背景、目的、意义 本课研究题紧密结合“峰峰集团梧桐庄矿数字化矿山系统”的实际建设进行。 信息化为我国实现跨越式发展提供了可能，信息化、数字化的全面推进，是 我国实现工业化、现代化以及国民经济结构调整的关键环节；是实现第三步战略 目标的重要保障；是促进先进生产力发展，提高人民生活水平的重要途径b 3 。 国家提出要大力推动国民经济与社会信息化，提高信息技术在传统产业领域 应用的广度和深度，首当其冲是煤炭这样的行业，只有加速企业信息化建设，提 高自动化、信息化管理水平，才能面对同益加剧的国际和国内市场竞争，实现企 业的可持续发展1 。 峰峰集团梧桐庄矿数字化矿山系统完成了矿井提升、通风机房、压风机房、 储装运、井下皮带、井下泵房等多处监控子系统，并建设了覆盖全矿干兆工业以 太环网，实现了对矿山的数字化监测监控。煤矿综合自动化系统平台，使用数字 化、集成化、网络化、自动化的生产和管理设备，采用现代信息技术、计算机技 术、通汛技术、自动控制技术，将集散型测控系统进行一体化集成设计，实现企 业管理、生产的高度自动化。综合自动化平台可以实现对各个了系统的控制、显 示、报警。 第l 章绪论 1 ．3 课题研究的主要内容 本课题通过建立风机在线监测系统，实现对各项监测数据的采集，通过工业 以网来实现对风机数据的监测和采集，提出建立风机故障神经网络模型对风机故 障模式进行识别，最后使用M a t l a b 软件编程实现对风机的远程故障诊断。 首先介绍了工业以太网的基本原理和工业应用现状，重点介绍了西门子工业 以太网P R O F I N E T ，然后针对当前通风机房现状设计通风机状态监测系统，介绍监 测系统配置，接口配置以及冗余配置实现系统硬件配置；通过对监测系统组态界 面的创建和定义完成监测系统画面设计；通过对数据库的讨论与选择，建立组态 软件与数据库的连接。最后编写m a t l a b 程序，从数据库中调取故障监测数据，使 用m a t l a b 软件完成神经网络的训练，并通过具体实例说明故障诊断效果。 本章小结 全面介绍了故障诊断技术发展状况和研究必要性，阐述了状态监测下故障诊 断的方法，即通过工业以太网及应用组念软件建立监测系统，利用M A T L A B 对所采 集数据进行分析诊断，并说明了本课题研究的目的、意义，以及研究的具体内容。 河北工程大学硕．1 论文 2 ．1 工业以太网概述 第2 章工业以太网 所谓工业以太网，就是基于以太网技术和T C P ／I P 技术开发出来的一种工业通 信网络。 首先，经过十几年制定现场总线国际标准的探索，I E C 6 11 5 8 标准仍是一个妥 协的产物，多标准局面就像4 ’2 0 m A 标准诞生以前测量仪表的信号标准一样，这给 当今的现场总线技术的推广和发展带来了非常不利的影响。虽然对于现场总线的 技术来说，其本身是开放的，其互换性、操作性都很优秀，但大多数情况则是不 同现场总线技术之间虽然可以通过网关进行连通，但此时设备和装置之间的互换 性和互操作性都已基本丧失，且现场总线数据吞吐能力偏低。对于一一些实时性要 求很高的应用场合，现场总线技术的局限性就暴露无遗。因此，功能更强大、技 术更普及、标准更统一的工业网络成为业界共同的追求”1 。 以太网技术经过多年发展，特别是在因特网中的广泛应用，使得他得技术变 的更加成熟和完善。以太网和T C P ／I P 的结合已成为I T 行业中事实上的标准，并 得到了广大产品制造商和用户的广泛认可m 3 。所有这些使得庞大的用户群体了解并 掌握以太网及T C P ／I P 技术。另一方面，由于大量软硬件产品的支持，使得其产品 质优价廉。随着以太网技术的飞速发展，主流以太网已变为l O O M bJt ／s ，1 0 0 0 M b i t ／s ， 及1 0 G M b i t ／s ，其数据传输速度满足了实时控制的要求和高层信息化的要求，使得 整个工业控制网络的结构变得越来越简单。 由于工业控制应用领域有其自身的特点，所以不可能把以太网技术和T C P ／I P 直接照搬，应用在工业自动化领域，其必须解决好以下一系列的问题 1 ．通信的实时性问题 作为一种非确定性网络，以太网的C S M A ／C D 载波监听多路访问／冲突检测 介质访问控制方式本质上是非实时性的，平等竞争的介质访问方式无法满足工业 控制领域对实时性的要求。因此，不确定性和非实时性是制约以太网在工业控制 领域中使用的最大障碍。 2 ．对环境的适应和可靠性问题 以太网是依照办公环境来设计的，丽工业现场环境在温度、湿度、振动、电 磁干扰等现场环境方而都要比办公环境恶劣很多，因此必须对以太网的安装方式 以及设备等进行技术改进阳’。 笫2 章工业以太网 3 ．总线供电问题 采用总线供电方式可以减少网络电缆的使用，降低系统的安装的费用和复杂 程度，使系统和网络的维护更加便捷。对于环境恶劣和危险的工业场合，总线供 电方式更能显示出其必要性和重要性，目前以太网还不能做到这点“⋯。 2 ．2 工业以太网现状 针对以太网在工业现场应用时的诸多制约因素，已经出现了很多解决方案。 如对以太网数据链路层进行改进来满足工业现场对实时性和确定性的要求，当然 对其也只是进行间接性的改进，而不动摇C S M A ／C D 介质访问方式，采用能够满足 T 业现场要求的连接方式来达到现场设备对可靠性要求⋯’。 为了抢得工业以太网的先机，国际上很多大的公司都提出了工业以太网实现 方案，并且都陆续推出了自己的产品。比较有影响的如F F 的高速以太网H S E 、 R o c k w e l l 公司的以太网工业协议E t h e r n e t ／I P 、S I E M E N S 公司的P R O F I N E I 、、 S c h n e i d e r 公司的M O D B U S ／T C P 以及I D A 集团的分布式自动化接口 I D A ，I n t e r f a c e f o rD i s t r i b u t e dA u t o m a t i o n 等。M O D B U S ／T C P 是有M o d i c o n 公司推出的，其基 本思想是把M o d b u s 帧嵌入T C P 帧中传输；I D A 采用P u b l i s h e r ／S u b s c r i b e r 模式， 提供强大的应用服务，另一个特点是基于W e b 的设备管理，所有现场设备均有本 身的W e b 页面，页面中包括组态、操作和诊断参数，另外其基于X M L 的设备描述 简化了系统的组态，并支持设备互换性及互操作性。 2 ．3 西门子工业以太网P R O F IN E T 2 ．3 ．1P R O FIN E T 概述 伴随着工业以太网技术的深入开发和研究，随之而来的竞争也异常激烈。在 1 9 9 9 年P R O F I B U S 国际组织P I 丌始组织力量研发自己的工业以太网技术 P R O F I N E T ，由于其背后强大的自动化设备制造商的支持及P R O F I B U S 的成功运行， 2 0 0 0 年底，P R O F I N E T 作为第1 0 种现场总线被列入I E C 6 I1 5 8 标准中”“。2 0 0 2 年， 发布了初始的P R O F I N E T 标准和第1 个为现场设备丌发的软件包。现在，P R O F I N E T 已可以在分布式控制系统和运动系统中使用，各种和工业自动化技术有关的需求 也在不断的集成到P R O F I N E T 中。 P R O F I N E T 是自动化领域开放的工业以太网标准，它基于工业以太网技术，使 用T C P ／I P 和I T 标准，以一种实时以太网技术无缝集成现有的现场总线系统，从 河北工程大学硕上论文 而使先前的总线技术投资得到保护。P R O F I N E T 是为所有制造业和过程自动化领域 而设计的集成的、综合的工业以太网标准“3 1 。在P R O F I N E T 中还集成了工业安全性 s a f e t y 和网络安全性 s e c u r i t y 功能。P R O F I N E T 可以覆盖自动化工程的所 有需求，为基于I T 技术的工业通信网络系统提供各种各样的解决方案，各种自动 化工程有关的技术都可以集成到P R O F ] N E T 中。 2 ．3 ．2P R O FIN E T 通信 P R O F I N E T 物理层采用了快速以太网的物理层，数据链路层采用的也是 I E E E S 0 2 ．3 的标准，但采取了不少改进措施；网络层和传输层采用了I P ／T C P ／U D P ， 0 S I 中的第5 层、第6 层未用，根据分布式系统中P R O F I N E T 控制对象的不同，应 用层分为无连接和有连接的两种，如图2 1 所示 I S O ／O S l 7 b 7 a 6 5 d 3 2 1 P R O F I N E T1 0 设备 P R O F I N E TC B A P R O F I N E T1 0 协议 根据I E C 6 1 1 5 8 类型1 0 I E C 6 1 1 5 8 和6 1 7 8 4 准备 无连接R P C D C O M 适应R P C 的连接 U D P R F C 7 6 8 T C P R F C 7 9 3 I P R F C 7 9 1 根据I E C 6 1 7 8 4 2 的实时增强犁 I E E E 8 0 2 ．3 全烈hI E E E 8 0 2 ．1 q 优先标识 l E E E 8 0 2 ．31 0 0 B A S E T X ，1 0 0 B A S E F X 阁2 - iP R O F I N E T 通信系统模型雨IO S I 模犁比较 F i g ．2 1P R O F I N E Tc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d e la n dO S Im o d e lc o m p a r i s o n P R O F I N E T 通信 1 ．P R O F I N E T 的通信等级 工业控制领域中，针对不用的应用对象，其实时性要求也不同。如一些过程参 数设定值、报警上下线设定就没有特别的实时性要求；对于一些实际过程参数采 样值和控制值，除对其进行循环更新，还必须满足一定得实时性 一般小于1 0 m s 要求；而对⋯些运动控制系统来说，系统不仅对实时性要求更为严格，而且对抖 动时问也有要求，这种情况下，系统必须采用等时同步控制方式才能解决问题。 P R O F I N E T 采用基于以太网的通信标准，并将其改造成为可以进行缩放的模型， 剥‘不同的应用需求可以采取不同的通信方案，巧妙的解决了在同一个系统中满足 第2 章工业以太网 所有不同级别的实时通信要求。P R O F I N E T 的三种通信等级，采用的技术和具体应 用场合是 使用T I C ／U D P 和I P ，解决非苛求时间的数据通信，如组态和参数赋值 使用软实时 S R F 技术，解决苛求时问的数据通信，如自动化领域的实时 数据 使用等时同步 I R T 技术，解决对时间要求严格同步的数据通信，如运动 控制。 2 ．P R O F I N E T 的通信通道模型 P R O F I N E T 中的通信主要采用提供者 P r o v i d e r 和消费者 C o n s u m e r 方式， 数据提供者 传感器，如温度、压力、振动等 把信号传送给消费者 如P L C 主 站 ，然后消费者根据控制程序对数据进行处理，然后把输出数据返传给现场的消 费者 执行器件如电磁继电器、接触器、伺服电机等 。由各个环节的存在，数据 循环周期会受到各方面因素的影响，制约其响应速度㈨。制约因素如图2 - 2 所示 数据传送 幽2 2P R O F I N E T 中数据更新的过程及影响冈素 F i g ．2 2T h ep r o c e s sa n de f f e c tf a c t o r so fd a t au p d a t ei nP R O F I N E T 如图所示，是数据在提供者处监测采集和在消费者处进行处理的时间，属于 循环时问范围，但这段时问与通信协议无关；是数据通过数据提供者一端的通信 堆栈进行编码以及消费者一端通信堆栈进行解码所需时问；是数据在介质上传输 所需要的时间，一般来说，对于1 0 0 M b i t ／s 的以太网，这段时问几乎可以忽略1 i 计。由此可以看出，解决工业以太网实时性的关键技术就是减少数据通过通信堆 栈所占用时问的问题。 T C P ／U D P 或U D P ／I P 都不能满足过程数据循环更新时间小于lO r e s 的要求，对以 太网中影响实时性和确定性的因素也不许改进才能满足工业自动化领域的要求。 标准I T 应用层协议可用于P R O F I N E T 和M E S 、E R P 等高层网络数据交换，丌放的 T C P ／U D P ／I P 通道可用于设备的参数化、诊断数据读取等。 3 ．P R O F I N E T 实时通信的机理 河北工程大学硕一{ 论文 提高通信的实时性主要应该从优化通信堆栈来实现。P R O F I N E T 是通过软件方 式来实现实时通道功能的。其采取的主要措施是，去除一些协议层，减少文本长 度；提高通信双方传输数据的确定性，将数据传输准备就绪时间减少到最小；采 用I E E E 8 0 2 ．1 q 标准，增加对数据流传输优先级处理环节。P R O F I N E T 把实现R T 功 能的标志嵌入到了以太网的帧结构中。在R T 帧中有两个最为重要的协议元素，一 个是以太网类型 E t h e r T y p e ，P R O F I N E T 使用以太网类型 E t h e r T y p e 的0 x 8 8 9 2 表示该帧是R T 帧，该类型是由I E E E 指定的区别于其他协议的唯一标准另外一 个是帧I D 码 F r a m e D ，它用来编址两个设备问的特殊的通信通道。所