大型設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)及信息采集技術(shù)研究

王 曉，陳 杰，李濟(jì)順,，隋 新，薛玉君

(1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003;2.安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心，北京 100000;3.河南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

大型裝備被廣泛應(yīng)用于水泥、電力、冶金、化工、非金屬礦業(yè)等行業(yè)，在制造業(yè)占有重要地位[1]。其監(jiān)控與故障診斷技術(shù)一直以來(lái)都是各行業(yè)的研究重點(diǎn)。隨著科技的不斷發(fā)展，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都取得了一些研究成果。從最開(kāi)始的離線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，發(fā)展為單機(jī)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，逐漸出現(xiàn)了分布式監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)和基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)[2]。基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)因具有松耦合性、互操作性好、開(kāi)發(fā)便利、異構(gòu)資源可共享等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[3]。

影響大型設(shè)備工作的主要參數(shù)非常多。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這就對(duì)數(shù)據(jù)壓縮、傳輸效率、傳輸穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理等提出了更高的要求，傳統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)不能很好地滿足這些要求[4]。近幾年新興的云計(jì)算技術(shù)能夠大大提高數(shù)據(jù)的利用率，減輕運(yùn)算的壓力，同時(shí)還能提供足夠的容災(zāi)性，使系統(tǒng)有了更好的可擴(kuò)展性[5]。因此，將基于Internet的遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)應(yīng)用于大型高端重裝備是本文的研究重點(diǎn)。

本文對(duì)硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)、軟件傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于大型高端重裝備的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)、信號(hào)特征提取、數(shù)據(jù)分析處理、故障預(yù)警和判斷等。

1 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)及信息采集方案

1.1 系統(tǒng)方案

大型高端重裝備的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境往往比較惡劣，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施較差。為保證狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸能力，采用基于Windows 通信基金會(huì)(Windows communication foundation,WCF)的數(shù)據(jù)傳輸方案。存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的WinCC服務(wù)器自建數(shù)據(jù)庫(kù)的表結(jié)構(gòu)復(fù)雜、項(xiàng)目繁多且表間關(guān)系抽象難懂，容易造成潛在的數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)異步、數(shù)據(jù)冗余等問(wèn)題。為讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，采取用于過(guò)程控制的OLE(OLE for process control，OPC)協(xié)議的方式抽取信息。另外，設(shè)備關(guān)鍵位置的信息采集頻率要求較高，這就造成設(shè)備狀態(tài)采樣信息量巨大。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需采用數(shù)據(jù)壓縮算法。出于安全考慮，需設(shè)置一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)采樣傳輸服務(wù)器傳輸狀態(tài)信息，并通過(guò)設(shè)置VPN服務(wù)器解決傳輸中的信息加密問(wèn)題。

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

以大型立磨遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為例，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由PLC系統(tǒng)控制，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線與WinCC服務(wù)器相連。WinCC服務(wù)器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)信息并存儲(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)采樣信息傳輸服務(wù)器采用有線局域網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)的WinCC服務(wù)器相連，通過(guò)WinCC支持的OPC協(xié)議從服務(wù)器中讀取設(shè)備狀態(tài)信息并傳輸。VPN服務(wù)器用于在現(xiàn)場(chǎng)和后臺(tái)監(jiān)控中心之間建立專用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以滿足設(shè)備狀態(tài)信息加密傳輸?shù)囊蟆：笈_(tái)監(jiān)控服務(wù)器主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)從現(xiàn)場(chǎng)采樣信息傳輸服務(wù)器傳遞來(lái)的設(shè)備狀態(tài)信息，并將該信息以WinCC的方式呈現(xiàn)給后臺(tái)工作人員。該服務(wù)器為監(jiān)控人員對(duì)設(shè)備工況進(jìn)行有效監(jiān)控，以及故障預(yù)警、故障診斷提供有效的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

對(duì)于后臺(tái)監(jiān)控人員來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)細(xì)節(jié)完全透明。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為基于OPC的數(shù)據(jù)傳輸圖。首先根據(jù)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工況環(huán)境等特點(diǎn)，建立能夠反映設(shè)備運(yùn)行完整工況、適應(yīng)不同數(shù)據(jù)傳輸能力的狀態(tài)信息模型，抽取WinCC監(jiān)控工程中的狀態(tài)變量(Tag)信息。再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知算法或預(yù)定義工作模式，由不同的網(wǎng)絡(luò)條件選擇數(shù)據(jù)同步周期與同步數(shù)據(jù)內(nèi)容，并將待同步數(shù)據(jù)編碼形成網(wǎng)絡(luò)報(bào)文；當(dāng)數(shù)據(jù)量較大或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差時(shí)，利用針對(duì)設(shè)備特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的信號(hào)特征提取算法和數(shù)據(jù)壓縮算法，減少需同步的數(shù)據(jù)量。最后，在后臺(tái)監(jiān)控中心服務(wù)器上運(yùn)行接收軟件，接收來(lái)自前端同步軟件的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。根據(jù)報(bào)文格式解析反映設(shè)備工況的特征數(shù)據(jù)。根據(jù)之前建立的信息模型，將狀態(tài)信息寫入后臺(tái)同步數(shù)據(jù)庫(kù)，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

圖2 基于OPC的數(shù)據(jù)傳輸圖

該系統(tǒng)可同時(shí)運(yùn)行于現(xiàn)場(chǎng)采樣傳輸服務(wù)器和后臺(tái)監(jiān)控中心服務(wù)器。前者負(fù)責(zé)發(fā)送，后者負(fù)責(zé)接收，根據(jù)運(yùn)行時(shí)的角色，實(shí)現(xiàn)功能的任意切換。同步傳輸軟件既能實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)向后臺(tái)的數(shù)據(jù)發(fā)送，也可實(shí)現(xiàn)后臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備裝置的反向控制。

系統(tǒng)采用了可插拔組件設(shè)計(jì)整個(gè)軟件功能框架，使系統(tǒng)功能更靈活多變，能適應(yīng)不同需求。除了必需的功能以外，一些可選功能模塊可隨著后期的開(kāi)發(fā)需求添加或刪減。

主功能模塊包括六部分。①系統(tǒng)控制模塊，負(fù)責(zé)為整個(gè)軟件提供一種可插拔的軟件框架，用于監(jiān)測(cè)整個(gè)軟件框架內(nèi)各功能組件的加載、啟動(dòng)、停止、暫停等生命周期控制，同時(shí)負(fù)責(zé)不同運(yùn)行環(huán)境的適配、屏蔽操作系統(tǒng)差異等。②PLC通信管理模塊，實(shí)現(xiàn)WinCC服務(wù)器的數(shù)據(jù)集成。③遠(yuǎn)程通信管理模塊，能夠基于TCP/IP協(xié)議，在現(xiàn)有公共網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建立現(xiàn)場(chǎng)傳輸軟件和后臺(tái)接收軟件間的網(wǎng)絡(luò)通信；同時(shí)針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)條件，采取不同的數(shù)據(jù)傳輸策略(控制通信數(shù)據(jù)內(nèi)容、傳輸周期等)。此外，該模塊能夠在遇到網(wǎng)絡(luò)傳輸錯(cuò)誤時(shí)采取一定的策略重傳報(bào)文，避免數(shù)據(jù)丟失或冗余，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程傳輸。④狀態(tài)信息持久化模塊，用于持久化記錄、控制設(shè)備狀態(tài)信息及傳輸狀態(tài)(成功、失敗、部分成功)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息建模、數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫管理等功能。⑤采集硬件管理模塊，提供采集硬件裝置的控制適配。⑥狀態(tài)信息處理模塊，需要對(duì)高速振動(dòng)信號(hào)先進(jìn)行特征提取，再進(jìn)行振動(dòng)特征信號(hào)的傳輸，或是對(duì)原始采樣信號(hào)進(jìn)行高性能壓縮，以減少所需的數(shù)據(jù)通信信息量。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)抽取及通信技術(shù)

系統(tǒng)采用基于OPC的數(shù)據(jù)抽取和基于WCF的通信技術(shù)，以O(shè)PC協(xié)議為基礎(chǔ)讀取數(shù)據(jù)，解決了WinCC自帶數(shù)據(jù)庫(kù)信息難以傳輸?shù)膯?wèn)題。OPC是一套以微軟OLE、組件對(duì)象模型COM、分布式組件對(duì)象模型DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，基于Windows操作平臺(tái)，為工業(yè)應(yīng)用程序之間提供高效的信息集成和交互功能的組件對(duì)象模型接口標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。OLE自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)接口包含三層接口：OPCSever，OPCGroup，OPCItem。OPCSever為OPC啟動(dòng)服務(wù)器，用于獲得其他對(duì)象和服務(wù)的起始類；OPCGroup用于存儲(chǔ)由若干OPCItem組成的Group信息；OPCItem則用于存儲(chǔ)Item的具體信息[8-9]。

現(xiàn)場(chǎng)采樣信息傳輸服務(wù)器作為OPC客戶端，通過(guò)OPC協(xié)議從WinCC服務(wù)器中直接讀取變量狀態(tài)信息。通過(guò)WinCC服務(wù)器自身支持的OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存，將WinCC數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)化處理為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，從中讀取需要的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制參數(shù)、狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)。此時(shí)WinCC服務(wù)器作為OPC服務(wù)器，支持?jǐn)?shù)據(jù)的讀取和轉(zhuǎn)存。OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存如圖3所示。

圖3 OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存示意圖

在現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)置WinCC OPC服務(wù)器，需安裝OPC Server，設(shè)置服務(wù)器DCOM組態(tài)。OPC傳輸可靠，適用于大批量數(shù)據(jù)交換，能滿足大型設(shè)備實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要。OPC通信流程如圖4所示。

圖4 OPC通信流程圖

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施環(huán)境惡劣的問(wèn)題，為保證傳輸可靠，設(shè)計(jì)采用WCF通信技術(shù)[10]。通信模型如圖5所示。訪問(wèn)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)信息交換的基礎(chǔ)，客戶端和服務(wù)器端均通過(guò)匹配訪問(wèn)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行消息互通[11]。

圖5 WCF服務(wù)通信模型

2.2 數(shù)據(jù)傳輸效率

對(duì)大型高端重裝備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。為了保證傳輸可靠性和傳輸效率，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化壓縮。數(shù)據(jù)壓縮分為以下三個(gè)階段。

第一階段，PLC采集設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，將傳感器采集到的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為特征值，減少了大量的數(shù)據(jù)量。

第二階段，采取了旋轉(zhuǎn)門變換(spinning door transformation，SDT)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。SDT是有損數(shù)據(jù)壓縮法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮[12]。評(píng)價(jià)SDT算法優(yōu)劣通常采用兩個(gè)指標(biāo)[13]：第一個(gè)指標(biāo)為壓縮比CR，用于衡量算法對(duì)于數(shù)據(jù)的壓縮能力，受容差ΔE影響；另一個(gè)指標(biāo)為均方根誤差δ，用于衡量數(shù)據(jù)失真程度。

第三階段，報(bào)文格式的優(yōu)化。程序中通信報(bào)文的設(shè)計(jì)是基于JSON實(shí)現(xiàn)的。JSON易于閱讀和編碼，避免了解析時(shí)帶來(lái)的性能和兼容性問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率[14]。而與JSON相比，BSON被設(shè)計(jì)成輕量級(jí)、高效率的二進(jìn)制格式，更有利于數(shù)據(jù)的描述、傳輸和查詢[15]。相對(duì)于JSON，BSON數(shù)據(jù)傳輸效率更高。上述兩級(jí)壓縮的方法提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，保障了數(shù)據(jù)傳輸效果。

3 應(yīng)用實(shí)例

開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件已經(jīng)應(yīng)用于某鋼鐵廠的大型立磨遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該大型立磨的PLC控制系統(tǒng)為S7-400型，采用的WinCC服務(wù)器型號(hào)為博途V13。軟件所用OPC開(kāi)發(fā)包為opcdaauto.dll，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2008。采集數(shù)據(jù)包括立磨主電機(jī)電流值、電機(jī)軸承溫度、立磨出口壓力、立磨出口溫度、立磨振動(dòng)、主風(fēng)機(jī)電流、主輥轉(zhuǎn)速等。數(shù)據(jù)采集間隔為10 s，原始數(shù)據(jù)量每天可達(dá)到30 MB。根據(jù)上文所示的壓縮算法，以立磨出口溫度參數(shù)為例，ΔE=1.5。由于溫度較為恒定，經(jīng)計(jì)算，壓縮率可達(dá)90%以上，壓縮誤差小于1。

4 結(jié)束語(yǔ)

大型高端重裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及信息采集系統(tǒng)，有效收集、存儲(chǔ)了設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，為進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)、完成設(shè)備狀態(tài)的預(yù)判和故障診斷打下了良好基礎(chǔ)。未來(lái)，針對(duì)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的問(wèn)題，可對(duì)大量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生帶來(lái)的數(shù)據(jù)壓縮問(wèn)題、數(shù)據(jù)模型的建立、數(shù)據(jù)采集周期的調(diào)整等方面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以滿足不斷增加的現(xiàn)實(shí)需求。

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