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軋鋼液壓機設備遠程監測係統
發布時間: 2018-12-29
  液壓伺服係統具有功率大、響應快、精度高的特點,已廣泛應用於冶金機械領域。在熱軋軋機上以AGC(自動輥縫控製)和CVC(可變凸度控製)為代表,結合精確的數學模型和計算機控製理論的應用,使產品質量穩步提高。軋鋼液壓機係統是一個結構複雜且精度高的機電液綜合係統,其結構和工作原理均比較複雜,其可能的故障源既有結構性的又有參數性的。係統具有機電液耦合、時變性和非線性等特性。除了飽和、死區、滯環、變增益、摩擦、遊隙等典型非線性外,還有控製閥的流量一壓力特性這種高度非線性因素,同時液壓係統受溫度與負載等因素的影響,工作點會發生漂移。這些狀況給軋鋼液壓機係統故障診斷增加了很多困難。軋鋼液壓機伺服係統對整個軋鋼係統來說作用是顯而易見的,一旦發生重大故障將會造成巨大的損失。如何在最短的時間內,集中該領域專家和液壓機技術人員提供技術支持,進行設備故障診斷是一個重大的問題。
  設備遠程狀態監測與故障診斷是解決這個問題的一項關鍵技術。本例以某鋼廠的熱軋軋鋼液壓機係統為對象,建立一個基於網絡的分布式多層次監測與故障診斷係統。
  1.係統功能與總體結構1)係統功能
  基於網絡的軋鋼液壓機設備遠程監測與故障診斷係統主要由數據采集部分、數據處理部分、遠程監測與故障診斷分析部分、狀態監測與故障診斷的結果輸出部分組成。
   數據采集部分完成傳感器信號的實時采集與預處理,具有采集控製功能,可設定采樣通道、采樣頻率、采樣樣本等數據采集參量,選擇合適的數據濾波方法進行降噪處理,采集的數據保存在數據庫中,以便今後的分析處理。在進行數據采集過程中,可實時顯示原始波形與濾波後的波形,以便了解現場狀況。
  數據處理部分實現了多種信號分析算法,經傅裏葉變換處理可進行幅值譜、功率譜、倒頻譜、細化譜、相關分析、包絡分析、共振解調等多種頻譜分析。
  遠程監測與故障診斷分析部分可進行穩態分析、暫態分析和趨勢分析,並利用人工神經網絡、信息融合技術、主成分分析、支持向量機等智能信息處理技術,對設備故障進行診斷分析。
  根據狀態監測與故障診斷的結果將設備工作狀態分為三類:正常狀態、報警狀態和緊急停機狀態。在正常狀態下,所采集的監測數據作為日常數據保存;當被監測的參量值超過預先設定的報警閾值時,進入超限報警狀態,所采集的監測數據作為報警數據保存;而當被監測參量值超過預先設定的緊急停機閾值或診斷出設備有嚴重故障必須立即停機時,係統進入緊急停機狀態,發出停機指令,並記錄停機過程中的監測數據,用於分析故障原因。
  2)係統結構
  係統采用基於標準TCP/IP的3層B/S模式。3層結構體係包括用戶服務、業務服務和數據服務,分別對應客戶服務器、Web服務器和數據服務器。在3層結構的Web技術中,Web瀏覽器是3層結構中的第一層,利用Web瀏覽器作為客戶端,使用戶麵對一個統一的應用界麵。Web服務器既充當客戶瀏覽器的“代理”,又是數據服務器的客戶機,它將不同來源、不同格式的信息匯集成統一界麵,提供給客戶端瀏覽器。
  軋鋼液壓機設備遠程狀態監測與故障診斷係統主要由現場監測站(Local Monitoring Unit,LMU)、現場監測中心(Local Monitoring Center,LMC)以及遠程診斷中心(Remote Diag—nosis Center,RDC)組成。其中,遠程診斷中心有一個,現場監測站和現場監測中心可以擴展多個。現場監測站由網絡化的、基於CAN總線和DSP處理器的高性能數據采集器所構成,主要負責對軋鋼液壓機設備進行數據采集、預處理、數據傳輸以及實時報警監控等;現場監測中心主要負責對現場監測站的控製及管理,同時負責對傳送至服務器的采集數據進行匯總分類、加工處理、分析處理、特征提取以及常規故障診斷等,主要包括軋鋼液壓機設備狀態監測、軋鋼液壓機設備管理、用戶管理等子係統;遠程診斷中心在高性能服務器的支撐下擔負整個係統的控製協調任務,並負責專家會診環境管理、數據庫管理、診斷專家係統管理與維護以及信息發布等工作,主要包括用戶管理、知識庫管理、方法庫管理、專家會診平台管理等子係統。從數據傳輸角度看,這三大部分通過數據庫橋梁緊密相連,構成一個有機整體。係統結構示意圖如圖6—30所示。
  2.係統實現
  1)構建硬件係統
  在這個液壓設備狀態監測與故障診斷係統中,現場監測站是起點,且其和現場監測中心處於同一個局域網內,相互之間的數據傳輸是通過CAN總線來實現的,兩者通過Internet與遠程診斷中心相連。現場監測站負責軋鋼液壓機設備狀態信息的采集、處理與上傳,因此要配備檢測軋鋼液壓機設備狀態的傳感器(如壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、振動傳感器等)、數據采集儀器、主控機、報警器等。為了能詳細記錄軋鋼液壓機設備運行的每個細節,保證對軋鋼液壓機設備的實時監測和整個係統運行正常,采集係統必須做到高速、高精度、實時和穩定。
  
  圖1係統結構不意圖
  考慮以上幾點要求,現場的數據采集子係統由基於CAN總線的受DSP器件支撐的多通道數據采集、預處理裝置和高性能管理控製工作站組成,如圖6—31所示。多通道數據采集與預處理裝置可以實現快變(振動)信號1通道至10通道靈活組織采樣,慢變(溫度、壓力、流量)信號11通道至30通道的靈活組織采樣。快變(振動)信號10個通道完全同步采樣,采樣頻率最高達128kHz。由於現場監測中心和遠程診斷中心要進行大量數據分析處理、數據庫管理以及網絡發布,所以要配備高性能計算服務器、數據庫服務器和網絡服務器,有時甚至可能要配備高性能圖形服務器。為了使現場監測站、現場監測中心以及遠程診斷中心三大子係統有機地連接成一個整體,在硬件上還需要傳輸介質。現場監測站和現場監測中心數據傳輸的硬件載體是交換機、電纜或光纖,現場監測站、現場監測中心與遠程診斷中心
  2)軟件技術應用
  
  圖2數據采集子係統
  (1)ASP技術。 ASP(Actiw!SerVer Page),即活動服務器網頁,是繼微軟公司在IIS 2.0中推出IDC之後的新一代動態網頁開發方案。它是HTML文件和描述語言的結合,是與程序語言無關的某種語言執行的環境。ASP是當前設計交互式動態網頁的強有力工具,具有以下幾個優點與瀏覽器無關,不需要編譯、連接生成可執行文件,程序代碼與HTML整合,保護程序的源代碼。
  (2)網絡數據庫技術。
  該係統各模塊間通信主要靠後台的數據庫服務器。該數據庫采用sQL 2000技術創建,數據庫的訪問采用ADO(ActiveX Data Objects)技術。ADO是微軟提供的站點數據庫訪問技術,基於OLEDB的訪問接口。ADO繼承了OLEDB的技術優點,並且ADO對OLEDB的接口做了封裝,定義了ADO對象,使開發程序得以簡化。
  (3)ADO技術。
  ASP中與數據庫打交道的是組件ADO,ADO是一個用於存取數據源的COM組件。它提供了編程語言和統一數據訪問方式OLEDB的一個中間層,允許開發人員編寫訪問數據的代碼而不用關心數據庫是如何實現的,隻關心與數據庫的連接。其主要優點是易用、高速、占用內存和磁盤空間少,所以非常適合作為服務器端的數據庫訪問技術。
  3)軟件功能實現
  (1)現場監測站和現場監測中心實時數據傳輸。
  由於基於CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性,所以軋鋼液壓機設備遠程狀態監測與故障診斷係統的現場監測站和現場監測中心之間的數據傳輸使用了CAN總線技術。基於DSP芯片的采集器帶有標準的CAN控製器,可以很方便地組成現場級設備網。采集器上的CAN控製器完全支持CAN2.0B協議,其數據幀有標準幀和擴展幀兩種不同的幀格式,前者有11位標識符,後者有29位標識符。由於在實際控製中DSP控製器的上傳數據僅為32位數據(包括控製器標誌符等信息),因此該係統數據格式采用標準幀格式。在實際調試中發現下層的控製器向上位機傳遞的數據量遠大於上位機下傳的數據量,在數據編碼時將控製信息、采樣數據編號信息和控製量、采集量均加載在數據字節裏。由此CAN總線通信協議的形式為“ID號+數據+校驗”。其中,ID號為各DSP采集器編號,采用11位標識符的前4位。為了保證通信的可靠性,在數據接收後,都由一個返回幀來表示確認,其校驗位(占一個字節)為發送端的固定代碼。CAN通信係統軟件設計中,對於接收采用中斷的方式,要求係統對於接收到的數據必須馬上處理,以提高係統的實時響應特性。DSP上傳實時采集數據采用定時查詢的方式,查詢ADC采樣是否結束並且進行了相應的數據處理後,立即將數據通過CAN控製器裝載並發送到CAN總線上,借此傳送到現場監測中心。
  (2)現場監測中心與遠程診斷中心的數據傳輸。
  要實現軋鋼液壓機設備遠程故障診斷,現場監測中心或遠程診斷中心的專家必須能夠通過 Internet(或Intranet)獲得係統的故障和狀態信息,同時能夠查詢數據庫中的數據。
  在該係統中采用了B/S模式實現遠程診斷。當用戶通過Internet瀏覽器訪問該專家係統主頁時,輸入故障特征等信息,提交請求ASP主頁後,Web服務器響應調用ASP引擎來執行 ASP文件,並解釋其中的腳本語言,通過似)連接數據庫,由數據庫訪問組件ADO完成數據庫操作,然後專家係統的後台程序就開始以一種推理方式在故障特征知識庫中搜索與用戶請求的故障特征信息相符合的故障原因以及專家的意見和建議,最後由ASP生成包含有數據查詢結果的HTML主頁返回用戶端顯示,從而實現遠程診斷。其診斷流程如圖3所示。
  係統的推理機是由專家係統的後台程序來完成的,其對故障查詢的正向推理過程如圖4所示。後台程序采用ASP編寫,當用戶使用瀏覽器請求ASP主頁時,Web服務器響應調用 ASP引擎來執行ASP文件,並解釋其中的腳本語言,通過ADO連接數據庫,采用一種推理機製搜索故障特征數據庫,由數據庫訪問組件ADO完成數據庫操作,最後ASP生成包含有數據查詢結果的HTML主頁返回用戶端顯示。
  在上述研究基礎上,開發了基於網絡的軋鋼液壓機狀態監測與故障診斷係統。該係統采用IIS+ASP實現網站發布,利用VC開發COM/DCOM及ActiveX控件,並利用SQL Server作為數據庫管理和服務工具。
  該係統實現後,首先在液壓試驗台上進行模擬在線監測及故障診斷試運行。結果顯示,係統運行穩定,並且成功地對係統過熱、噪聲過大、係統壓力不足等常見的液壓係統故障進行了診斷。另外,該係統在某鋼廠的軋鋼液壓機係統上進行了實際運行測試,效果良好。
  3.小結
  基於實時數據采集、CAN總線、數據庫服務和Internet解決了軋鋼液壓機係統實時監控及故障診斷問題。該係統由現場監測站、現場監測中心和遠程診斷中心3個部分組成,基於B/S模式實現,采用COM/DCOM/ActiveX/ASP技術完成監測、分析、診斷及管理等係統各部分功能開發。此結構提高了遠程故障診斷的準確性,並最終達到提高企業效率的目的。
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