機械設備監視與診斷系統開發

熊達

（武漢職業技術學院機電工程學院，武漢430074）

1 系統建設目標

本文討論的機械設備監視與故障診斷系統建設應做到構架合理，信息通信能力強，采用的技術3～5年內不會被淘汰，并有較好的更新換代能力。安全性能高，抗災性能強，覆蓋工商各項業務，能夠實現多部門業務審批。數據傳輸速度快，能夠實現異地數據存儲與交換，各項數據可以實現異地查詢。

2 系統應具備的功能

1）對被診斷的機械設備進行測量，以獲取當前運作狀態的相關數據信息。

2）對當前設備狀態參數、設備周圍環境與數據庫中的各種典型情況或參數零界點的閥值進行匹配。

3）如匹配結果為陽性，系統可自動發出警報，并將當時的設備各項參數、環境情況、故障點、故障時間等數據記錄在服務器數據庫中，以備日后報表生成、數據分析、匯總統計等。

4）全天候監視設備運作的同時可實現故障知識庫的更新。盡可能將所有最新的檢測技術更新到系統中，以找出更多隱患并故障預警。這些系統或檢測方法更新必須及時快速，為此，本系統必須能容易地進行二次開發。

3 系統設計

3.1 系統框架設計

本文設計的狀態監視與故障診斷系統的框架是按照分層結構設計的。它們分別為：應用層、接口層、服務層、數據層。架構示意圖如圖1所示。

應用層：顯示設備當前狀態、采集現場數據信息、故障報警的程序與報警表現形式（顯示提示信息、發錯聲音或短信等）、傳輸數據信息、輔助遠程服務器的診斷中心（針對客戶端，主要處理常見的故障）、故障診斷（針對服務器端）、存儲數據。

接口層：起承上啟下的作用。接口本身也就是一個規則的集合，它會集成下層的服務，統一應用層向下層傳輸的數據格式，主要工作是監視服務入口。

圖1 系統總體架構示意圖

服務層：由設備運行監測服務、系統運行檢測服務、軟件運行監測服務、數據狀態監測服務、網絡運行監測服務、故障管理服務組成。

服務鏈機制：簡單地說，本系統是一個基于面向服務開發的系統，而將服務逐個構建完成之后通過組裝就形成了服務鏈。本文創新地將原本獨立存在的各種監視服務，依照需求中數據流的流程將服務串聯起來，組裝成了一個狀態監視服務鏈。這樣一來，狀態監視任意一個環節突發故障了，都能夠沿著狀態監視服務鏈追蹤故障，進行故障定位與成因分析，保障了故障檢測診斷順利進行。

數據層：數據層是系統的要素層，包括設備運行狀態、系統狀態、軟件狀態、數據到達狀態、網絡狀態、故障管理等。

3.2 數據庫設計原則

在系統的數據流確定，框架與接口都設計完成之后就需要進行數據庫設計以便之后的功能設計參考。

數據庫是系統建立的基礎，設計良好的數據庫是設計實現一個性能強大且具有良好健壯性系統的必備條件。在機械設備與故障診斷系統中，設計數據庫遵循了以下3個方面的原則：

1）以關系模型為主體。雖然現在也出現了面向對象數據庫的設計思想，但是由于很難用于實踐，現行系統仍多以關系數據庫為主。

2）關系模式規范化。在關系數據庫邏輯設計時，我們要考慮如何構造一個適合于某一具體問題的數據模式。這就牽扯到數據庫邏輯設計的工具——關系數據庫的規范化理論。關系模式的規范化就是根據一個關系屬性間不同的依賴情況來區分其為第一、第二、第三和第四范式，然后用直觀的描述將具有不合適性質的關系轉換為更合適的形式，關系模式規范化的過程是通過對關系模式的分解來實現的，把低一級的關系模式分解為若干個高一級的關系模式。

具體地說，按照以上的幾個約定俗成的范式規則，通過不斷拆分的方法，將某個復雜的二維表轉化成若干個相對簡單二維表。然后再對表與試題之間建立一個表只描述一個實體（即一對一）的關聯。這就是規范化設計的過程。本系統中采用第三范式作為表的設計標準。

3）數據庫保持。由于本次系統設計是針對舊有系統的一次大改造，但是本次客戶的數據庫卻被多個系統同時使用，因此本系統的數據庫設計必須保證在不能破壞原有系統下開發。于是課題組規定：不得刪除、修改現存數據庫的結構。如果功能需要，本次開發主要采用增加新的數據庫來適應現行數據庫。如果有數據需要，可以預先設計一個暫存數據庫，將過渡性數據放在其中處理。

總之，一定要保持原有數據庫的所有數據結構，使新系統上線后不會影響其他使用該數據庫的系統。

3.3 故障診斷

1）故障識別基本概念

故障識別是在故障信息監視和故障特征分析的條件實現的。

對這些當前設備狀態參數和設備周圍環境與數據庫中的各種典型情況及參數零界點的閥值進行匹配。如匹配結果為陽性，系統自動發出警報，分析出故障可能的種類，進而交由故障診斷部分分析出結論。

從故障識別與軟件相結合以來，國內外相關技術的發展非常快，已建立了豐富的故障知識庫，并在理論和實踐兩個層面上不斷完善了模式識別，在個人電腦語言方面也進行了大量研究，尤其是在某些未知原因的問題研究中采用了許多先進的理論和方法。

任何機械設備故障診斷技術的本質是偵測和讀取機械設備在運轉過程中的狀態是否正常。根據經驗和部件的設計指標、預測機械設備的可靠性，以此實現機械設備故障的盡早發現，并對其原因、部位、危險程度進行判定，預測故障的發展趨勢，在此基礎之上自動操作或通過向操作員發出警告以便管理者對故障進行正確處理。

故障診斷實施的具體方式要視診斷對象、診斷目標、操作員能力與儀器手段等具體情況而定。大型旋轉機械在企業生產中具有絕對重要的地位，通常均采用在線監視和精密診斷方式。

分散的遠端客戶端將工作參數傳到WEB應用程序之后，由WEB服務器統一處理（僅匯總與記錄）、存儲（僅記錄LOG所需信息）和轉發到實驗室服務器。通過實驗服務器的接受工作參數、調用功能函數，然后由測控系統將傳來的參數轉化成控制信號并發布到子系統試驗臺（類似一個仿真實驗平臺），就完成了由上至下的工作。

當實驗臺完成全部操作之后，再反向地由測控系統運用數據采集功能，向實驗臺采集實驗數據并轉發到服務器的數據庫中，經過相應的工作函數處理，對工作數據進行分析、處理并形成以圖像、參數數據為表現形式的實驗結果。最后將實驗結果經WEB服務器轉發到網上，供遠程的客戶端通過瀏覽網頁的方式得以使用。

2）故障診斷的專家系統

故障診斷專家系統是指通過各種探頭之類的傳感器設備，收集機械設備的運行狀態和環境信息，而這些信息通過某些具備專家經驗的規則診斷、推理之后，可以最終找到一種或幾種可能的故障及故障原因的所在，最后由推理機器將結果呈現給用戶，由用戶來證實。

專家系統是以故障診斷領域專家知識為基礎，使個人電腦能模擬人類專家的思維方式，在專家知識庫的依賴下模擬為具有專家水平的、具有解決本領域內復雜問題能力的人工智能。因此，知識獲取的基本任務就是為專家系統的知識庫獲取知識，設計完備有效的知識庫，以滿足解決該領域問題的需要。

4 結語

本文通過對系統實現設計的分析以及所使用的技術的優點分析，介紹了專家系統的可實現性以及功能上的優點和可靠性。通過對現行設備監視模式與故障診斷方式的分析，可學習前人在這類系統開發中取得的成果，尤其是在故障診斷方面的知識。本文將前人研究的專家系統等較為成熟的診斷技術運用到本系統中，解決了本系統在故障診斷算法中遇到的難題。

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