提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與故障診斷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

龐新宇, 江旺旺, 高玉光, 楊兆建, 任 芳, 李娟莉

(1. 太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山西 太原 030024； 2. 煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024)

提升設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷實(shí)驗(yàn)可面向“礦山機(jī)械”“機(jī)械故障診斷學(xué)基礎(chǔ)”“檢測(cè)技術(shù)”等機(jī)械專業(yè)多門專業(yè)課程開(kāi)設(shè)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)提升設(shè)備的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu),并對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,涉及大型設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能采用演示法,而且實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間有限,對(duì)于提升設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理難以形成較完整的認(rèn)識(shí)。特別是為了對(duì)提升設(shè)備各主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷,學(xué)生必須長(zhǎng)時(shí)間留在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),不能隨時(shí)隨地對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式不利于提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力。

目前,“互聯(lián)網(wǎng)+”正在對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生戰(zhàn)略性和全局性的影響,越來(lái)越多的教育界人士在探索“互聯(lián)網(wǎng)+教育”問(wèn)題[1-5]。本文綜合實(shí)際教學(xué)條件,以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備為基礎(chǔ),基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與故障診斷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于提升設(shè)備運(yùn)行工況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷。

1 提升設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)

提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與故障診斷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的,平臺(tái)構(gòu)成如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)的工控機(jī)通過(guò)組態(tài)軟件[6]開(kāi)發(fā)出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),并將傳感器采集到的信號(hào)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)服務(wù)器,再利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至遠(yuǎn)程診斷中心的服務(wù)器上。遠(yuǎn)程診斷中心基于Web技術(shù)[7]開(kāi)發(fā)出提升設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。根據(jù)學(xué)習(xí)終端的不同,網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)分為互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)。學(xué)生、教師以及校外學(xué)習(xí)者可通過(guò)自己所擁有的學(xué)習(xí)終端選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),對(duì)提升設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成圖

1.1 互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)的功能模塊

互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上,將現(xiàn)場(chǎng)采集到的主要參數(shù)的變化實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程診斷中心,再基于Web技術(shù)和B/S模式[8]開(kāi)發(fā)出一個(gè)可通過(guò)瀏覽器登錄訪問(wèn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái),即為互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)。為便于實(shí)驗(yàn)教學(xué),該子平臺(tái)還增加了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等相關(guān)資料的保存與打印功能。為了使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)清晰化、條理化,平臺(tái)將提升設(shè)備的工作結(jié)構(gòu)分為運(yùn)行、制動(dòng)、電控、主軸和磁粉制動(dòng)器加載等5個(gè)系統(tǒng),對(duì)這5個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷,便于對(duì)提升設(shè)備的全面、整體性監(jiān)控。互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)包括11個(gè)功能模塊,其中的設(shè)備監(jiān)測(cè)與設(shè)備診斷模塊以運(yùn)行系統(tǒng)等5個(gè)系統(tǒng)為對(duì)象，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷(見(jiàn)圖2)。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)功能模塊圖

由于主軸裝置的故障診斷方法與其他系統(tǒng)的診斷方法不同,它需要通過(guò)收集相關(guān)的振動(dòng)信息進(jìn)行故障診斷,因此在主軸裝置的故障診斷方法中采用了在語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域有重大應(yīng)用的隱馬爾可夫模型(HMM)[9-10]。設(shè)備選型模塊根據(jù)使用者提供的設(shè)備參數(shù)來(lái)選擇相應(yīng)的提升機(jī)型號(hào)[11]；學(xué)術(shù)論文模塊則提供了有關(guān)提升機(jī)方面的相關(guān)文獻(xiàn),供學(xué)生閱讀和下載；設(shè)備資料模塊包含設(shè)備參數(shù)、文字資料和圖紙資料3個(gè)子模塊,通過(guò)這3個(gè)子模塊,學(xué)生可以對(duì)該提升機(jī)各部件的具體參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理有一定的認(rèn)識(shí)和了解；其余模塊為用戶提供了相關(guān)的國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)章、安全制度、相關(guān)書(shū)籍、實(shí)用設(shè)備故障診斷技術(shù)知識(shí),便于用戶快速了解與提升機(jī)相關(guān)的內(nèi)容。

1.2 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)功能模塊

為了更好地利用智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),在互聯(lián)網(wǎng)子平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn),開(kāi)發(fā)出可以通過(guò)手機(jī)主流瀏覽器登錄訪問(wèn)的移動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái),即移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)的功能模塊大體上與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)一致,但由于移動(dòng)設(shè)備的觸屏尺寸較小、顯示內(nèi)容較少,在整合和去除部分互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)的功能模塊后,開(kāi)發(fā)了7個(gè)功能模塊和11個(gè)子模塊(見(jiàn)圖3),各模塊以及子模塊的功能與互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的模塊功能相同。

圖3 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)功能模塊圖

2 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用

以煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2JTP-1.2×1.0P礦用提升機(jī)為例,說(shuō)明互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)

互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)的應(yīng)用使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)地點(diǎn)不再拘泥于固定的實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可以利用電腦和互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地對(duì)提升設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷實(shí)驗(yàn)。學(xué)生打開(kāi)瀏覽器,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的身份認(rèn)證即可登錄互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(1) 設(shè)備監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)主界面導(dǎo)航欄中的“監(jiān)測(cè)首頁(yè)”查看運(yùn)行系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等5個(gè)系統(tǒng)各主要參數(shù)的實(shí)時(shí)值、趨勢(shì)曲線以及歷史數(shù)據(jù)等內(nèi)容。以運(yùn)行系統(tǒng)為例,技術(shù)參數(shù)界面能夠顯示其各主要技術(shù)參數(shù)的實(shí)時(shí)值及相關(guān)的技術(shù)參數(shù)；趨勢(shì)曲線界面能夠顯示提升速度等參數(shù)的趨勢(shì)曲線圖,使學(xué)生能夠更直觀地觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和變化趨勢(shì),以避免設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障；在數(shù)據(jù)查詢界面可通過(guò)輸入查詢?nèi)掌趤?lái)查看各主要參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)(若不輸入日期,則顯示的是當(dāng)前數(shù)據(jù))。

(2) 設(shè)備診斷實(shí)驗(yàn)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)主界面的“設(shè)備診斷”模塊,學(xué)生可以查看到提升設(shè)備5個(gè)系統(tǒng)的故障情況,以及對(duì)故障原因的分析。提升設(shè)備的故障診斷包括模擬量和數(shù)字量。系統(tǒng)不僅可以根據(jù)自行設(shè)定的模擬量的閾值進(jìn)行故障診斷和報(bào)警,還可根據(jù)人工輸入量來(lái)進(jìn)行模擬故障報(bào)警[11]。當(dāng)提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)超速、變頻電流過(guò)大、電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)大等故障時(shí)會(huì)報(bào)警。學(xué)生可在“原因分析”子模塊中查找導(dǎo)致故障的原因,為設(shè)備的維修提供必要的參考。

2.2 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)相比于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)更加方便,因?yàn)樗皇艿乩砦恢玫南拗?不需要像電腦那樣在一個(gè)常用的辦公區(qū)域通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生憑借4G、Wi-Fi等先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在宿舍、食堂、教室,甚至是路上都可對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷。學(xué)生在移動(dòng)端瀏覽器通過(guò)身份認(rèn)證后,便可訪問(wèn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)。

通過(guò)移動(dòng)端主界面導(dǎo)航欄中的“設(shè)備監(jiān)測(cè)”“趨勢(shì)曲線”“設(shè)備診斷”等功能按鍵,可以對(duì)提升設(shè)備主要參數(shù)的實(shí)時(shí)值、趨勢(shì)曲線、故障診斷等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖4為制動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)端的設(shè)備監(jiān)測(cè)界面、趨勢(shì)曲線圖界面和故障報(bào)警界面。通過(guò)這些界面,學(xué)生可以遠(yuǎn)程查看制動(dòng)系統(tǒng)各主要參數(shù)的當(dāng)前值、趨勢(shì)曲線圖以及制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。圖4(c)顯示制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)閘1力不足和閘4間距過(guò)大的故障報(bào)警。學(xué)生可通過(guò)“原因分析”子模塊查看故障原因,及時(shí)做出判斷,避免造成重大設(shè)備事故。

3 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用范圍及優(yōu)勢(shì)

提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與故障診斷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)不僅包括提升機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng),而且涵蓋了電氣控制、信號(hào)采集和無(wú)線傳輸?shù)葍?nèi)容,是一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)可面向機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)多門課程的10多項(xiàng)必修和選修實(shí)驗(yàn),例如提升設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣控制實(shí)驗(yàn)、工況遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)實(shí)驗(yàn),學(xué)生可將課堂所學(xué)知識(shí)與實(shí)際機(jī)械設(shè)備很好地結(jié)合起來(lái),有助于對(duì)專業(yè)知識(shí)更好地理解和應(yīng)用。學(xué)生還可利用該平臺(tái)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目,以及與遠(yuǎn)程診斷、大數(shù)據(jù)分析等相關(guān)課題的研究。

提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與故障診斷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要體現(xiàn)出3方面的優(yōu)勢(shì)。

(1) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間、場(chǎng)合更加靈活。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相比,網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)不依賴于固定的時(shí)間和固定的地點(diǎn),學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程提升設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷實(shí)驗(yàn),使實(shí)驗(yàn)教學(xué)處于主動(dòng)、開(kāi)放、自由的狀態(tài)[1],從而提高學(xué)生的積極性,改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的客觀條件,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化與信息化。

圖4 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子平臺(tái)制動(dòng)系統(tǒng)工作界面

(2) 使學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)更加扎實(shí)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),學(xué)生不僅可以對(duì)提升設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷,而且還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的其他功能模塊詳細(xì)閱讀提升設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)診斷等相關(guān)文獻(xiàn),并可隨時(shí)將文獻(xiàn)下載保存。這種新的學(xué)習(xí)途徑便于學(xué)生及時(shí)掌握提升設(shè)備的相關(guān)知識(shí)。

(3) 適應(yīng)復(fù)合型人才的培養(yǎng)。通過(guò)提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與故障診斷現(xiàn)場(chǎng)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),學(xué)生不僅可以掌握有關(guān)提升設(shè)備的知識(shí),還可以學(xué)習(xí)傳感器的功能、選擇及使用知識(shí),對(duì)C語(yǔ)言等編程語(yǔ)言也有更多的了解。借助該平臺(tái)可進(jìn)行更多的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)于學(xué)生自身的知識(shí)范疇以及復(fù)合人才培養(yǎng)都具有重要的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的提升設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)改造,使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備一直處于“在線狀態(tài)”。學(xué)生、教師以及校外用戶均可通過(guò)電腦、手機(jī)等客戶端的瀏覽器對(duì)提升設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷實(shí)驗(yàn),真正實(shí)現(xiàn)了智慧教育的“時(shí)時(shí)、處處、人人”的辦學(xué)理念[12-13]。該平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化與數(shù)字化,促進(jìn)數(shù)字校園的建設(shè)。該網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)時(shí)性極大地方便了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí),不僅可以提高教師的教學(xué)效率、提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性,而且還可以打通高校與科研機(jī)構(gòu)間的教學(xué)壁壘,提高設(shè)備的利用率,為師生提供一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)全方位的教學(xué)體驗(yàn)。