咸龍新，田楓

（1.青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島266042；2.青島軟控檢測(cè)系統(tǒng)有限公司 檢測(cè)系統(tǒng)研究所，山東 青島266042）

現(xiàn)代生產(chǎn)過程中存在大量高度相關(guān)的過程變量，這些變量在每一時(shí)刻的采樣值都蘊(yùn)含著生產(chǎn)過程是否正常、產(chǎn)品質(zhì)量是否合格等信息［1］。設(shè)備的診斷模式經(jīng)歷了由單機(jī)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)到分布式監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的過程［2］。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代化大規(guī)模、高質(zhì)量的生產(chǎn)要求，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)得到廣泛的認(rèn)可。

隨著學(xué)術(shù)界和企業(yè)界對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷意義認(rèn)識(shí)的不斷深入，國外眾多研究者聯(lián)合企業(yè)對(duì)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、開發(fā)模式以及關(guān)鍵技術(shù)等做了較為深入的研究［3］。如密執(zhí)安大學(xué)展開針對(duì)機(jī)械加工過程的遠(yuǎn)程診斷和制造系統(tǒng)的研究工作，并在Internet上設(shè)立了1個(gè)宣傳站點(diǎn)；Bently公司的計(jì)算機(jī)在線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Data Manager 2000可以通過網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資料交換的方式向遠(yuǎn)程終端發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；National Instruments公司在其虛擬儀器產(chǎn)品LabView中增加了Internet模塊，可以通過 WWW，E－mail，F(xiàn)TP等方式發(fā)送測(cè)試資料；國內(nèi)陜西鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司目前建立了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及故障診斷中心，為用戶24h免費(fèi)提供在線技術(shù)支持和故障診斷。

應(yīng)用組態(tài)軟件與仿真軟件搭建的基于客戶端／瀏覽器／服務(wù)器（Client／Browser／Server）結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程故障診斷平臺(tái)，可以解決現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題。該平臺(tái)通過監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程中設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，由本地服務(wù)器進(jìn)行采集，遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行診斷。同時(shí)，該平臺(tái)可以通過遠(yuǎn)程客戶端對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行修改。通過對(duì)數(shù)據(jù)分析服務(wù)器故障診斷策略的提升，不但可以解決設(shè)備的常規(guī)故障，而且提高了設(shè)備的性能，降低了維護(hù)的人工成本。

1 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)是一個(gè)開放的分布式系統(tǒng)，主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程診斷和協(xié)同診斷部分。設(shè)備的遠(yuǎn)程檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)基于監(jiān)測(cè)設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的處理、傳輸、存儲(chǔ)，顯示和交互?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是系統(tǒng)的起點(diǎn)，完成對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)信息的采集、存儲(chǔ)和處理，變換后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男问絺鬟f到遠(yuǎn)程診斷中心進(jìn)行分析，通過遠(yuǎn)程下載參數(shù)方法對(duì)故障進(jìn)行排查，或反饋到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)解決問題［4］。

客戶端／服務(wù)器（C／S）結(jié)構(gòu)，是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)而發(fā)展起來的網(wǎng)絡(luò)軟件運(yùn)行的一種形式。通常的C／S模式的系統(tǒng)，有一臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器及大量的客戶機(jī)。服務(wù)器配備大容量存儲(chǔ)器并安裝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)的存放和檢索；客戶機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)算和輸出。瀏覽器／服務(wù)器（B／S）結(jié)構(gòu)，是隨著Internet技術(shù)的興起，對(duì) C／S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶界面完全通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)，一部分事務(wù)邏輯在前端實(shí)現(xiàn)，另一部分主要的事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，形成所謂的3－Tier System（三層結(jié)構(gòu)：客戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層）結(jié)構(gòu)。B／S結(jié)構(gòu)主要利用了網(wǎng)絡(luò)瀏覽器技術(shù)，結(jié)合瀏覽器的多種腳本語言和ActiveX技術(shù)，用通用瀏覽器實(shí)現(xiàn)了原來需要復(fù)雜的專用軟件才能實(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)節(jié)約了開發(fā)成本，是一種新的軟件系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)。根據(jù)以上提出的物理結(jié)構(gòu)及體系結(jié)構(gòu)，給出一個(gè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)將各層功能及數(shù)據(jù)以集成方式統(tǒng)一體現(xiàn)出來。

圖1 故障診斷平臺(tái)集成架構(gòu)

a）常規(guī)控制層。主要完成對(duì)工業(yè)對(duì)象的常規(guī)控制，使設(shè)備能夠正常運(yùn)行，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行操作時(shí)不影響其他設(shè)備的正常工作。

b）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要完成對(duì)設(shè)備的監(jiān)視功能，在不影響系統(tǒng)正常工作的同時(shí)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集，并提供數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵信息。該層可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等其他簡單處理。同時(shí)，在不影響系統(tǒng)工作的的同時(shí)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)。當(dāng)然，屬于這一層的計(jì)算機(jī)在物理結(jié)構(gòu)上可能不止一臺(tái)。

c）監(jiān)測(cè)控制與診斷層。有兩部分功能：完成系統(tǒng)的各層控制器參數(shù)的優(yōu)化；根據(jù)采集的多變量數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)的信息，完成系統(tǒng)趨勢(shì)診斷分析。它與數(shù)據(jù)采集層的通信方式有快速及慢速兩種接口。

系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊是在傳統(tǒng)C／S結(jié)構(gòu)中間加上一層，把原來客戶機(jī)所負(fù)責(zé)的功能交給中間層Web服務(wù)層來實(shí)現(xiàn)。這樣，客戶端就不負(fù)責(zé)原來的數(shù)據(jù)存取，只需在客戶機(jī)安裝瀏覽器即可。Web服務(wù)器的作用為對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，并通過Internet／Intranet網(wǎng)絡(luò)傳遞給瀏覽器。這樣，Web服務(wù)器既是瀏覽器的服務(wù)器，又是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的瀏覽器。在這種模式下，客戶機(jī)就變成一個(gè)簡單的瀏覽器。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器從I／O服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，客戶通過瀏覽器向Web服務(wù)器提出請(qǐng)求，Web服務(wù)器處理后，到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上進(jìn)行查詢，查詢結(jié)果送回到Web服務(wù)器后，以HTML頁面的形式返回到瀏覽器。

2 遠(yuǎn)程在線故障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作環(huán)境及結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)三個(gè)重點(diǎn)部分。筆者重點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)與診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)的研究對(duì)象主要包括兩部分：

a）仿真系統(tǒng)對(duì)象。仿真對(duì)象主要是模擬復(fù)雜工業(yè)過程，減少前期研發(fā)成本，主要面向診斷系統(tǒng)的研究，相比于直接應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真研究，可以進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性，對(duì)降低將來系統(tǒng)的維護(hù)成本起到重要的作用。

b）實(shí)際對(duì)象模擬電路。由于仿真系統(tǒng)不能模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中所具有的干擾特性，為此，在平臺(tái)的研究過程中為實(shí)際過程控制層添加了接口和部分功能，這樣通過模擬實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以驗(yàn)證診斷系統(tǒng)的有效性。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，仿真對(duì)象用1臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，采用OPC Server方式定時(shí)向外發(fā)送數(shù)據(jù)，所發(fā)送的數(shù)據(jù)即是TE過程的仿真數(shù)據(jù)。實(shí)際對(duì)象為模擬電路板，通過改變阻值方式來改變對(duì)象特性。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能

由于遠(yuǎn)程過程監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)本質(zhì)上屬于MES層的下半部分，即數(shù)據(jù)采集、性能分析及質(zhì)量管理部分。根據(jù)該層基本功能及各具體模塊之間的相互關(guān)系給出系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：

a）常規(guī)控制層。通過上位機(jī)切換可選擇不同的控制設(shè)備及控制方式進(jìn)行檢測(cè)及控制等監(jiān)控功能，例如可以選擇多種控制器（如儀表、板卡、PLC等）對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行控制，可測(cè)試不通過控制器的控制能力等試驗(yàn)。

b）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集的數(shù)據(jù)包括：仿真對(duì)象的監(jiān)控變量數(shù)據(jù)；模擬電路監(jiān)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)；通信連接測(cè)試功能，可以排除簡單通信原因產(chǎn)生的故障。

c）人機(jī)界面部分。包括設(shè)置管理員對(duì)各設(shè)備的監(jiān)控級(jí)別及管理權(quán)限，查詢數(shù)據(jù)及閱讀歷史記錄；數(shù)據(jù)歸檔；數(shù)據(jù)查詢。

d）監(jiān)測(cè)控制與診斷層。故障檢測(cè)分析——用于設(shè)計(jì)檢測(cè)算法，對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的檢測(cè)分析，并且可以進(jìn)行在線及離線計(jì)算、快速分析等；故障診斷算法——通過高級(jí)分類算法對(duì)故障進(jìn)行診斷，判定故障的來源，返回診斷信息，并將結(jié)果存儲(chǔ)至服務(wù)器。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 對(duì) 象

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)選用力控監(jiān)控組態(tài)軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與控制，其最大的特點(diǎn)是以組態(tài)的方式進(jìn)行系統(tǒng)集成，而不是編程方式。故障仿真設(shè)備采用Matlab開發(fā)；模擬電路采集采用PCI板卡進(jìn)行采集，應(yīng)用LabView進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)并經(jīng)由Web遠(yuǎn)傳至遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，經(jīng)后臺(tái)分析計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析后將結(jié)果返回至現(xiàn)場(chǎng)，由人工進(jìn)行維護(hù)或調(diào)整。

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，系統(tǒng)的人機(jī)界面包含服務(wù)器人機(jī)界面和后臺(tái)分析計(jì)算人機(jī)界面。文中的仿真研究對(duì)象為TE過程。

a）TE過程是由美國伊斯曼公司過程控制小組的J J Downs和E F Vogel提出的一個(gè)化工生產(chǎn)過程。該過程包括5個(gè)主要單元：反應(yīng)器、冷凝器、壓縮機(jī)、汽／液分離器、汽提塔。整個(gè)系統(tǒng)各部分之間耦合程度高，高度非線性［5］。

b）硬件電路為25kHz Sallen－Key帶通濾波器［6－11］。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

a）測(cè)試樣本集的仿真時(shí)間是48h，采樣時(shí)間間隔是3min，故障在8h后引入。對(duì)TE過程在正常工況下的16個(gè)監(jiān)控變量，采用主元分析法、多變量統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，將結(jié)果返回至服務(wù)器實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程的訪問。圖3是其中一個(gè)監(jiān)控變量T2統(tǒng)計(jì)圖。

b）帶通濾波器采用改變可調(diào)電阻阻值的方式設(shè)計(jì)故障，用Monte Carlo方法仿真帶通濾波器的效果，如圖4所示。遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）進(jìn)行分類，將結(jié)果返回至服務(wù)器實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程的訪問。

圖3 故障5的T2統(tǒng)計(jì)曲線

圖4 帶通濾波器仿真效果

4 結(jié)束語

筆者提出了基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過仿真對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠適用于過程控制與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)控與故障診斷。

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