工程机械远程网络监测与诊断系统

1 国外工程机械远程监测与诊断技术现状

近年来，随着建筑施工规模的扩大，对工程机械的需求量迅速增加，因而对其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求。随着微电子技术的渗透，现代工程机械日益向智能化和机电一体化方向发展。

工程机械产品由于其系统复杂，工作环境恶劣，通常高负荷、长时间运行，因此系统常出现各种故障。随着电子技术的发展，传统的事后维修已变为故障预报和整机在线维修。有必要对其实现在线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究，以便对其故障的事先诊断分析。

国外一些著名的工程机械公司在故障诊断、远程监控系统及整机智能控制方面取得了较大进展。例如卡特彼勒公司利用GPS(全球卫星定位系统)、GIS和GSM技术并将其雄伟计划命名为"采矿铲土运输技术系统(METS)"。METS包括多种多样的技术产品，如无线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理软件和机器控制装置等，由计算机辅助铲土运输系统(CAES)、关键信息管理系统(VIMS)以及CAESoffice软件三部分组成。

卡特彼勒公司90年代开发的F系列和G系列装载机都安装有电子计算机监控系统(CMS)，用以取代E系列装载机上安装的电子监控系统(EMS)。其司机台上装有条形液晶显示屏，微机监控系统能同时监控发动机燃油液面高度、冷却水温、变速箱油温和液压油温等11种功能。该监控系统还具有故障诊断能力，并可向司机提供三级报警。1998年推出的Cat 950G计算机监控系统还配备有Cat指导诊断系统和以维修工具为基础的Cat软件包，使维修人员坐在汽车里用笔记本电脑就能迅速而容易地诊断和排除故障。Cat 992G在监控装载机各功能状况并作出诊断的同时还能把这些信息数据作为履历记录下来，无线传送到办公室用计算机进行分析，从而防患于未然。Cat 994D安装有关键信息管理系统(VIMS)，可密切监视机器的健康状态并诊断故障。LeTourneau集成网络控制系统通过显示在机载计算机屏幕的出错信息，提示司机出错原因，并以信号表示发动机、液压系统、电气和电子系统的各种状态。目前，该系统已安装在L1350型矿用装载机上。

沃尔沃(Volvo)公司的L系列装载机上也安装有Matris软件包，用以监控和分析装载机的工作状态；其小型装载机上配有电子伺服控制及信息系统(ESIS)，由液晶显示屏和键盘组成，用来显示和记录各种信息，其自动诊断功能记录机器故障并储存所有相关信息，通过编码可以防盗。 凯斯(Case)公司21B、C系列装载机也采用计算机监控系统，其微处理器安装在司机座椅的右侧，也具有故障诊断和工作状态液晶显示功能。

2 虚拟仪器技术

美国国家仪器公司的创新产品--基于C语言的开发环境LabVIEW的出现，使得"虚拟仪 器"的思想为工业界所接受。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面均具有明显的技术优势。

LabVIEW(Laboratory Virtual lnstrument En-gineeringWorkbench)是目前国际上首推应用最广的虚拟仪器开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，并适用于Windows 3.1/95/98、 Windows NT、 Macintosh、UNX等多种不同的操作系统平台。与传统程序语言不同，LabVIEW采用强大的图形化语言(C语言)编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。

虚拟仪器系统概念是对传统仪器系统概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它充分利用计算机系统的数据处理、显示和储存的强大功能。使用虚拟仪器系统技术，用户可用较少的资金实现系统开发和维护，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。

远程状态监测与故障诊断是利用现代化通信技术实现异地间监测诊断行为。它将设备故障诊断技术与计算机网络技术结合起来，一方面在企业内部设立状态监测服务器，在关键设备上设立状态监测点，将实时采集的数据存人服务器；另一方面在技术力量较强的科研院所建立相应的故障诊断中心，设立故障诊断服务器，可随时为企业提供远程技术支持和一系列服务，在企业和科研院所之间形成一个跨越地理位置的互联诊断通信网络。

基于虚拟仪器的机械设备远程网络状态监测与故障诊断技术是一项具有发展前景的新技术。为提高网络故障诊断的准确性，引入智能控制技术，如神经网络方法，效果更加理想。

3 电子检测与故障诊断系统

电子检测系统是故障诊断的基础，因为各部位的工况是以来自传感器的数据作为依据的。以TYl65EH型工业推土机为例，在线监控系统由三大部分组成：各种参量信号采集部分，信号处理分析部分，工作状态、数据联检处理及报警系统。本检测系统采用液晶屏上棒条模拟量显示加分级声光报警的形式，显示的主要内容有：冷却液温度、发动机转速、小时计、燃油液位、柴油机机油压力、变矩器油温、变速箱油温、蓄电池电压，同时显示模式、档位状态和转向状态；根据故障的严重程度分级报警，这些信号主要有：柴油机空滤负压、液压系统精滤器、柴油机机油低压、冷却液高温等。此外，还有故障巡回检查、故障回放、故障查询、液晶灰度自动调节等功能。

故障巡回检查：当有故障出现时，故障巡回检查模块自动切换到故障界面，并在相应位置按国际标准符号显示故障图标。

故障回放：查看每次故障的内容和发生时间，并指出故障部位。

故障查询：统计故障发生的次数，计算发生概率，以作为故障智能搜索的依据。

液晶灰度自动调节：可根据作业环境温度的变化调节液晶显示屏灰度，使它在整个环境温度范围内保持较好的清晰度。

图1为TYl65EH型工业推土机电子检测和故障巡回检查显示系统。

通过以上电子检测系统实现了部分重要参数的在线检测和故障诊断，但要实现深层的故障预报和在线维修则需要建立故障树，并利用智能搜索策略来实现知识库的更新。

4 工程机械远程网络监测系统

远程网络技术能应用于工程机械工作状态的监测与故障诊断系统，在故障诊断的过程中，采集的数据是对机组故障做正确判断的依据。但是在数据分析时，分析的结果受制于分析人员的经验和水平。还以TYl65工业推土机为例，它是一个集机电液于一体的复杂系统，根据各自的功能，可以划分为发动机子系统、液压子系统、电气子系统、冷却子系统、机械子系统、附属子系统等。由于系统的复杂性，因此对其故障的定位准确度要求很高，一个系统部件的不正常可能引起多个检测参数的异常响应，而一个系统参数的不正常反应或系统的失效可能由多个系统部件的损坏造成。即由于现场人员的经验和水平有限，对一些复杂的问题或未曾遇到的问题难以作出准确的判断。采用计算机网络后，数据就可以通过网络将故障信息及时地送至诊断中心，技术专家们可以在异地利用所得数据对设备故障进行分析，并将结果及时的反馈回生产现场，以便采取措施。

TYl65推土机远程网络分布式状态监测与故障诊断系统的结构如图2所示。

5 远程网络监测与诊断的实现采用LabVIEW及Lab Windows/CVI构造虚拟仪器的平台，实现远程网络监测与诊断，相关的方法有：使用DataSocket技术进行网络监控；现场实时发布监控程序的网页，异地使用浏览器(如InternetExplore，NetscapeCommunicator等)进行监控；使用底层传输协议(TCP，UDP，DDE，Appleevent或PPC)编程进行远程网络监控。

5.1 采用DataSocket技术进行网络监控

测控数据在网上的发布和共享是网络化远程测控工程应用的关键技术问题之一。NI公司推出的DataSocket技术，是一种面向测量和自动化工程的网上实时高速数据交换的编程新技术。它克服了传输速率较慢的缺点，大大简化了Internet网上测控数据交换的编程。

远程网络诊断系统采用服务器/客户端模式，将服务器中的DataSocket Server Manager中的De-fault Reader设置为everyhost，则网中的每一台客户计算机都可读取服务器上的数据。运行测量端的DataSocketServer，然后根据需要将测量的数据写入DataSocket服务器的某一个或多个数据项，而客户端可通过网络读取所需的数据项就可以得到实时的测量数据。

5.2 采用浏览器进行远程网络监测和诊断

场(服务器端)进行数据采集，并将界面实时发布到网络上。在远程(客户端)，即可用浏览器(如Internet Exolore，NetscapeCommunicator等)进行监视。在将程序发布到网络上前要进行程序的网络设置。可以设置网络权限，增强网络安全性。在主机上运行现场测试程序，网络中另一主机上运行IE进行监视。现场测试数据变化，在远程十算机的浏览器中的相应项也发生同样的变化。

5.3 采用底层传输协议编程进行远程网络监测

网络监控程序时，使用底层传输协议编程与使用DataSocket协议可以达到相同的结果，但编呈比较复杂，需要精深的网络通讯知识。美国国家义器公司为LabVIEW提供的InternetTools实用程序包可以简化应用系统的开发工作。

5.4 远程通信技术实现

Internet技术的发展，虚拟仪器的发展也必须朝着网络化方向发展。今后的仪器测试工作经常需要在网络中进行，因此网络虚拟仪器将有无限的发展前景。DataSocket技术是NI公司独创的网络实时通信技术，它摒除了复杂的TCP/IP编程，并且真正做到数据实时传输，为远程测控提供了先进的科学研究手段。组建一个智能测控网络通常有两种模式：C/S模式(客户/服务器模式)和B/S模式(浏览器/服务器模式)。C/S模式数据传输实时性好，数据在远端能够进行处理和存储，灵活性大。B/S模式由于数据库技术，数据存储量大，易查询。远程故障诊断中，振动信号变化快，数据要求在远端进行分析，易采用C/S模式；对于压力、温度等缓变不需远程处理的信号，易采用B/S模式。本研究开发的系统将二者有机地结合为一体，充分发挥各自的优势进行远程监控。

5.5 信号方式实现并行执行资源分配

在并行执行时，用户会碰到一个共享资源同时有几个VI调用的情况，在本系统中，在线监测系统定时采集数据，而远程分析处理系统也需要定时对数据进行计算与存储。这样，如果该资源以异步方式或者以一个不合适的顺序被几个Vis访问，就可能使得系统遭到损坏。这种问题称为竟态现象。

要想实现大量数据的远程传递，比较可靠方便的方法就是采用全局变量，而全局变量也带来了麻烦的共享资源，当我们需要维护全局变量数据库时，可能有很多VI需要访问该数据库，最危险的时刻就是存在于"读、更新、写"循环周期中。这些问题在内建的LabVIEW全局变量中没有任何保护措施。本系统中利用信号方式(semaphore)来保护数据全局变量访问权限的程序。它遵循了标准事件序列：创建信号、等待信号、可以使用、运行临界区、释放信号。信号方式提供了一种保护代码临界区的方法，代码临界区不允许来自并行调用VI的同时访问。这样，就很好的解决了从现场监测系统中读取各台机组检测数据与现场对数据更新之间的矛盾。利用远程诊断系统不仅可以使操作员随时了解其操作的工程机械发生了什么情况，而且还储存了所有的操作数据以供维修技术人员下载。技术人员得到这些信息后，以便进行维修、诊断和性能分析。采用这套系统，操作员可以在零部件失效前采取措施，并在发生故障时诊断出故障的原因。这套系统的主要功能就是使工程机械处于最佳状态，从而延长机器的使用寿命。

6 结 论

利用网络建立设备远程监测及故障诊断系统，使数据采集、数据处理、信息传输在网络上进行；有关信息可在网络上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员参考。虚拟仪器技术用于设备监测与诊断仪器及系统是一个新的发展方向，采用虚拟仪器技术构造机械设备的远程网络状态监测与故障诊断系统，能使原有设备监测与诊断仪器及系统具有柔性和开发性。LabVIEW的通讯功能为远程测控提供了便利的实现方法，使仪器系统适应于不同用户和环境，易于变更、升级和维护，效果理想。

随着计算机技术的发展，网络化的状态监测与故障诊断已经取得一定成果，远程联网监测分析技术越来越得到重视。尤其针对工业现场在线监测的要求，准确的诊断方法更显得重要，如能引入神经网络技术，则可以进一步提高故障诊断的准确性。此外还有一些新的智能网络分析方法的出现将进一步增强监测诊断效果和速度，这些方法主要有：基于GPS/GSM的故障诊断，基于专家知识库的故障诊断，基于灰度理论的故障诊断，基于免疫计算的故障诊断，基于粗糙集的故障诊断，基于遗传算法理论的故障诊断，色谱分析在故障诊断中的应用，基于神经网络的故障诊断，基于模糊理论的故障诊断，基于模式识别的故障诊断等方法。