大型復(fù)雜設(shè)備分布式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

http://butianyuan.cn/article/201612/332867.htm

大型復(fù)雜機電設(shè)備通常包括電氣、機械、液壓、氣動、控制等多個設(shè)備單元。在對此類設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷時，由于系統(tǒng)的設(shè)備繁多、復(fù)雜，以往所采用的用逐點、串行采集信號進行監(jiān)測與診斷的方法不僅費時，而且監(jiān)測與診斷的效率較低[1～3]。分布式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)同步、并行地對系統(tǒng)的各個重要部分進行信號采集和處理，不僅大大提高了效率，而且所采集的信號具有同步關(guān)聯(lián)性；借助信息融合的方法，還可以提高診斷的精確性，為保證設(shè)備的安全性與可靠性提供了一條非常有效的途徑。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

分布式監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，整個系統(tǒng)主要包括以下五部分。

1.1 現(xiàn)場監(jiān)測單元

該部分主要包括傳感器子系統(tǒng)、監(jiān)測儀表子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，主要完成對各種信號的變換、采集、預(yù)處理和顯示等功能。各個現(xiàn)場監(jiān)測單元本身具有一些初步的信號分析能力，也可以擴充多個傳感器單元，以便同時對設(shè)備的一個子系統(tǒng)進行基于多個傳感器的多點、多種信號采集和分析。

1.2 現(xiàn)場通訊子系統(tǒng)

現(xiàn)場通訊子系統(tǒng)完成各個現(xiàn)場監(jiān)測單元之間的通訊功能，并負(fù)責(zé)將有關(guān)信息傳遞到監(jiān)測分析子系統(tǒng)。該單元采用BITBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，并采用集中式通信控制，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量大于32個，數(shù)據(jù)傳輸速度在通信距離為1000～2000m時可達375kbps，采用雙絞線半雙工傳輸方式。網(wǎng)絡(luò)通訊采用BITBUS總線定義的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、消息層和應(yīng)用層等四層通信結(jié)構(gòu)。由監(jiān)測分析子系統(tǒng)控制各數(shù)據(jù)采集器，尋址后發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集器則執(zhí)行命令，發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)控制命令和數(shù)據(jù)傳送。

1.3 監(jiān)測分析子系統(tǒng)

計算機監(jiān)測分析子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的重要組成部分，它一方面與各個現(xiàn)場監(jiān)測單元進行通訊，并將各現(xiàn)場監(jiān)測單元的信息進行處理和存儲，為診斷專家子系統(tǒng)提供診斷信息和依據(jù)；另一方面通過該子系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的工作過程，實現(xiàn)對設(shè)備各子系統(tǒng)的信號采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測及為專家系統(tǒng)提供診斷信息數(shù)據(jù)庫等功能。

1.4 故障診斷分析處理專家系統(tǒng)

故障診斷分析處理專家系統(tǒng)包含多個子診斷專家系統(tǒng)，利用監(jiān)測分析子系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種信息和分析處理結(jié)果，把診斷任務(wù)分給相應(yīng)的故障診斷專家子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)利用知識庫中已有的知識和推理方法，分別完成各自的推理診斷任務(wù)。然后，總系統(tǒng)根據(jù)各子系統(tǒng)所得出的結(jié)論和信息，進行信息融合和知識推理，找出設(shè)備可能存在的故障原因及故障部位，并給出故障處理意見，為現(xiàn)場維修提供重要決策意見。故障診斷專家系統(tǒng)與監(jiān)測子系統(tǒng)進行組合，既可以實現(xiàn)實時在線監(jiān)測和實時故障診斷，又可以通過人機對話的形式交互地完成診斷咨詢?nèi)蝿?wù)。

1.5 Windows NT局域網(wǎng)

Windows NT局域網(wǎng)將計算機監(jiān)測子系統(tǒng)與故障診斷專家系統(tǒng)以及各診斷子系統(tǒng)聯(lián)接起來。監(jiān)測子系統(tǒng)所產(chǎn)生的信息以及各專家系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果均通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行通訊，實現(xiàn)各種信息和數(shù)據(jù)的交換。利用局域網(wǎng)，可以實現(xiàn)監(jiān)測與診斷過程中的各種信息和資源的共享。如果將該局域網(wǎng)與其它遠程網(wǎng)絡(luò)相連，還可以實現(xiàn)對設(shè)備的遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[4]。

采用以上方法建立的系統(tǒng)體系，可以有效地完成對設(shè)備進行信號采集、處理、信息交流、分布式監(jiān)測和故障診斷等功能。

2 系統(tǒng)軟件組成及設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括信息通訊軟件、監(jiān)測分析系統(tǒng)軟件和專家系統(tǒng)診斷軟件。

信息通訊軟件主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，主要包括BITBUS總線通訊軟件和NT局域網(wǎng)信息通訊軟件。其中，BITBUS總線通訊軟件包括通信控制器軟件和現(xiàn)場監(jiān)測單元通信軟件。通信控制器軟件主要控制通信控制器與各現(xiàn)場監(jiān)測單元之間的通信，而現(xiàn)場監(jiān)測單元通信軟件則用于完成現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測單元與主站（通信控制器）的通信?，F(xiàn)場監(jiān)測單元作為從站沒有通信主動權(quán)，通信任務(wù)由通信主站向各現(xiàn)場監(jiān)測單元發(fā)送控制命令來啟動。NT局域網(wǎng)通信軟件主要完成監(jiān)測分析系統(tǒng)和專家分析處理中心以及局域網(wǎng)內(nèi)各單元的信息通信任務(wù)。

監(jiān)測分析系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)分析軟件的重要組成部分，它一方面管理和控制數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的工作，同時本身又完成許多分析處理任務(wù)，如實時數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)文件管理與存儲、動態(tài)數(shù)據(jù)分析、瞬態(tài)數(shù)據(jù)分析、趨勢分析以及為專家系統(tǒng)提供各種信息。

專家系統(tǒng)診斷軟件是整個軟件系統(tǒng)的核心，它處理的內(nèi)容包括知識的處理和診斷信息的處理。它由以下幾個模塊組成：

（1）系統(tǒng)管理與協(xié)調(diào)模塊：是系統(tǒng)的管理與控制核心，用來控制和協(xié)調(diào)各項任務(wù)之間的高度和信息交換，主要通過多級黑板來實現(xiàn)。

（2）設(shè)備數(shù)據(jù)庫：包括設(shè)備歷史運行數(shù)據(jù)庫和由監(jiān)測分析子系統(tǒng)所建立起來的反映當(dāng)前設(shè)備運行狀況的各種數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)庫是診斷專家系統(tǒng)的主要信息來源。

（3）征兆事實庫：通過對設(shè)備數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)抽象而獲得的用于診斷推理所需要的所有征兆事實，征兆事實是診斷推理的主要依據(jù)。

（4）診斷知識庫：用于存放設(shè)備的各種類型的診斷知識，包括故障事例庫、過程算法庫、故障對策庫等。這些知識可以由人工進行編輯輸入，同時專家系統(tǒng)本身會自動獲取填充到知識庫中。

（5）專家系統(tǒng)功能模塊：包括征兆獲取模塊、多級推理模塊、解釋模塊、知識庫編輯模塊、多級黑板模塊和自學(xué)習(xí)模塊等，用以完成專家系統(tǒng)的各項操作和推理功能。

（6）用戶界面：包括人機對話接口和用戶開發(fā)接口。人機對話接口用于進行各種信息輸入、輸出的對話，用戶開發(fā)接口則用于用戶對系統(tǒng)知識數(shù)據(jù)庫的操作。

專家系統(tǒng)軟件的工作流程圖如圖2所示。

整個系統(tǒng)軟件的設(shè)計，采用了不同的語言來實現(xiàn)。其中，BITBUS總線通訊軟件采用匯編語言來實現(xiàn)，NT局域網(wǎng)通訊軟件采用C++語言來實現(xiàn)，而整個系統(tǒng)知識庫則采用ORACLE大型數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。

某型導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)地面發(fā)射設(shè)備是火箭導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，它是一個包括了電氣、機械、液壓、氣動、控制等多種設(shè)備單元的大型復(fù)雜機電系統(tǒng)。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際操作過程中容易因各種原因發(fā)生故障和造成事故。為了有效地保障其隨時處于良好的狀態(tài)，我們在對該系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷過程中采用了以上分布式系統(tǒng)，分別對其多個設(shè)備單元的信號（包括開關(guān)量信號、脈沖信號、模擬量信號和各種振動信號等）進行采集，并行、分布地對發(fā)射系統(tǒng)的多個關(guān)鍵設(shè)備單元進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，有效地保證了該系統(tǒng)使用的可靠性和安全性。另外，除了在武器裝備系統(tǒng)中應(yīng)用外，系統(tǒng)稍加改變，也可以用于其它大型機電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。