异地诊断大型设备故障技术的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 6.66MB 104 页 15积分

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摘要

随着网络技术和计算机技术的发展，使得对异地设备进行远程故障诊断成为可

能。本文主要研究了远程诊断机械设备的技术，通过 3G 无线通信网络和 INTERNET

网络将远程的机械设备和本地的监控中心形成一个网络的实体，然后通过访问设

备内以 PLC 为控制装置的实时状态数据，达到远程诊断设备故障的目的。

本文主要分为两部分对远程故障诊断技术进行了阐述。首先要搭建一个无线网

络系统，该网络系统包括 3G 无线通信网络和 INTERNET 通信网络。然后基于该网

络系统进行专门通信协议的解析与制定。利用制定的通信协议就能够对远程机械

设备中的 PLC 进行远程通信，获取实时状态参数。根据获得的故障参数结合故障

断方法对远程的机械设备进行故障诊断，然后将得到的故障诊断方案以指令的方

式发送到远程的 PLC，同时更新到数据库。

此外本文还讨论了该技术的具体实施方法。在远程现场设备端安装远程数据通

信模块，对该模块进行相关的网络参数设置。在本地监控中心服务器端和客户端

进行了面向对象的应用程序的开发和系统数据表的设计。本地监控中心接收到远

程机械设备的故障数据之后，通过应用程序的处理，展示在窗口上。工作人员根

据自身的经验或者数据库的辅助对远程的故障进行综合分析诊断。

最后，以印刷设备的远程故障诊断项目为例，将本文所阐述的相关技术应用到

其中，验证了远程故障诊断技术的可行性，及基础理论的正确性。

关键词：远程设备故障诊断实时驱动 3G网络

ABSTRACT

With the development of computer technology, it is possible to diagnose remote

equipment.This paper mainly studies the technology of remote diagnostics of machinery

and equipment. It makes remote machinery and equipment and the local monitoring

center form a virtual entity between 3G wireless communication networks and the

INTERNET network, then to collection the real-time status data of the PLC is in order

to achieve the purpose of the remote diagnosis of equipment.

The paper is divided into two parts to describe the remote diagnostic techniques.

First of all to build a wireless network systems, including 3G wireless network and

Internet. Making specialized communication protocols based on the network system. To

obtainning the real-time status parameters of the PLCs of remote quipments is quick and

safe in the favour of protocols. The solutiion which maks based on parameters obtained and

the specialized diagnosis system is send to remote equipment, which is also stored in the

diagnosis database.

In addition, the article also discusses the specific implementation of the technology.

Fix the remote data communication module and set up the network parameter. There is

an object-oriented application development on both the localmonitoring center server

and the client. After the local monitoring center receives remote equipment’S data, the

processing of the application makes them displayed in the window because of. Staff

makes a diagnosis which is according to the experience and specialized database.

Finally, take the practical applications of remote fault diagnosis for example. It

applied the technology in this paper and made a good running, so it verify he virtual

remote fault diagnosis and maintenance of the relevant the feasibility of the technology,

and fundamental theory is correct.

Key Words: Remote Equipments，Fault diagnosis，Real-time driven，

3G wireless network

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................... 1

§1.1 课题简介 ................................................ 1

§1.1.1 课题来源与背景 .................................... 1

§1.1.2 国内外研究现状 .................................... 2

§1.2 论文研究内容 ............................................ 3

§1.2.1 论文研究内容简述 .................................. 3

§1.2.2 论文意义综述 ...................................... 4

§1.3 论文的主要工作 .......................................... 7

§1.4 论文章节编排 ............................................ 8

第二章异地故障诊断系统架构分析 ................................. 10

§2.1 设备异地故障诊断与维护系统架构 ......................... 10

§2.1.1 本地监控中心 ..................................... 11

§2.1.2 异地设备现场端 ................................... 11

§2.2 硬件和软件平台介绍 ..................................... 13

§2.2.1 异地机械设备需求 ................................. 13

§2.2.2 远程数据通讯模块 ................................. 15

§2.3 异地诊断技术研究开发平台介绍 ........................... 20

§2.3.1 硬件设备参数配置 .................................. 20

§2.3.2 软件开发平台介绍 .................................. 21

§2.4 本章小结 ............................................... 23

第三章异地故障诊断关键技术分析 ................................. 24

§3.1 远程通信协议的制定 ..................................... 24

§3.1.1 进行远程设备通信的协议基础 ........................ 24

§3.1.2 可编程控制器与上位机通信协议解析 .................. 28

§3.1.3 诊断系统通信协议的制定 ............................ 35

§3.2 减少远程通信时间技术研究 ............................... 38

§3.2.1 连接远程 PLC 响应时间的分析 ....................... 38

§3.2.2 通过减少指令改善远程通信时间延迟现象 ............. 41

§3.3 故障诊断方法的分析 ..................................... 42

§3.3.1 基于以往维修记录的故障诊断 ........................ 43

§3.3.2 软元件逻辑寻根法 .................................. 45

§3.3.3 基于虚拟样机的远程故障诊断 ....................... 47

§3.4 本章小结 ............................................... 54

第四章设备诊断数据的归类与远程通信程序设计 ..................... 55

§4.1 与故障诊断有关数据的梳理与分析 ......................... 55

§4.1.1 基于传统诊断逻辑的数据梳理 ....................... 55

§4.1.2 基于设备检测的数据分类 ........................... 56

§4.1.3 数据存储工具的选择 ................................ 58

§4.2 远程设备诊断数据表集合设计 ............................. 59

§4.2.1 与设备相关数据表设计 ............................. 59

§4.2.2 故障原因存储表设计 ............................... 64

§4.3 本地上位机与远程下位机间的程序设计 ..................... 66

§4.3.1 本地操作平台程序设计 ............................. 66

§4.3.1 企业监控中心程序设计 ............................. 74

§4.4 本章小结 ............................................... 79

第五章异地故障诊断技术的实例化 ................................. 80

§5.1 系统网络系统的搭建 ..................................... 80

§5.1.1 监控中心网络需求 ................................. 81

§5.1.2 企业监控中心入网配置 .............................. 81

§5.1.3 远程现场设备端物联网 ............................. 81

§5.2 远程数据终端模块参数设置 ............................... 83

§5.3 设备异地故障诊断技术运用成果展示 ....................... 85

§5.3.1 减少远程通讯时间技术的实例应用 ................... 85

§5.3.2 远程故障诊断操作演示 ............................. 88

§5.3.3 诊断结果输出 ..................................... 94

§5.4 本章小结 ............................................... 96

第六章总结与展望 ............................................... 97

§6.1 总结 ................................................... 97

§6.2 展望 ................................................... 98

参考文献 ........................................................ 99

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................. 101

致谢 ......................................................... 102

第一章绪论

§1.1 课题简介

§1.1.1 课题来源与背景

1.课题来源

本课题源自上海市宝山科委产学研联合攻关项目——“印刷设备运行安全和

远程维护系统”的一期工程。课题以做好产学研联合攻关项目为契机，以 PLC 控

制为核心的远程机械设备为研究对象，结合计算机科学、网络技术、信息技术及

虚拟制造等多个学科，着重研究虚拟远程故障诊断与维护的整体解决方案和关键

技术，为以 PLC 控制为核心的大型机械装备供应商提供在售后服务和技术支持上

的解决方案，提高售后服务水平，大幅降低企业售后服务成本，确保设备的安全

稳定高效地运行。同时，该课题研究的开展也可为进行类似课题研究的学者提供

参考。

2.课题背景

“入世”十年以来，我国的装备制造业获得了迅猛的发展，但是行业迅猛的发

展也为制造业厂商的售后维修服务水平提出了更高的要求。随着社会经济的发展，

人们对信息的需求要求越来越高，不但要求及时而且要求准确。这一点也深深的

体现在装备制造业的售后维修服务水平上面，客户对设备的售后维修服务要求越

来越高。传统的设备维修服务结构已经远远不能够满足客户的这种需求，所以要

在维修服务水平上面有所突破，有所创新，才能够跟得上市场的需求，才能满足

市场。

在十一五期间，国家和社会学术界都提出了“物联网”的概念。物联网，简而

言之就是在无线互联网的基础之上，将相关的设备信息进行无障碍的传输，提高

社会的生产效率，促进社会化大生产，繁荣市场经济。这表明国家也看到了提高

企业信息化的必要性，作为企业更应该抓住机遇，迎头赶上。

随着控制、计算机通讯、网络技术的发展，在市场竞争日益激烈的今天，售

后服务和技术支持逐渐成为衡量控制系统集成质量的重要因素之一[1]。故障诊断技

术的研究内容主要包括故障诊断基本概念与原理、监测与诊断系统的架构理论与

方法、故障信号分析与特征提取技术、诊断理论与方法等。而基于网络技术建立

远程故障诊断与维护系统是下一代诊断技术与系统发展的必然趋势[2]。可以预见，

异地诊断大型设备故障技术的研究

远程状态监测与故障诊断将成为企业界进行 Internet 应用的一个极其重要的内容

[3]。远程故障诊断与维护已成为改善传统的售后服务和支持方式的一种可行性手

段。

采用远程故障诊断系统对于设备制造商和设备使用企业都有明显的好处：

对于设备制造商：

节约人力资源；

减少维护费用；

降低了职工的劳动强度；

提高了维修效率，提高了企业声誉。

对于设备使用者：

减少了误工时间；

降低了生产成本；

有利于控制生产计划。

目前我国已经是世界上首屈一指的大国，但是距离欧美那样的制造强国还有很

大的差距，所以我们每一个企业家应该从一点一滴抓起去提高自身的工作效率和

自身的竞争力。在售后服务这一领域，借用无线互联网技术去提升自身的售后服

务水平也是增强自身竞争力的有效途径之一。

§1.1.2 国内外研究现状

1.远程诊断技术的发展

随着计算机技术、互联网技术的发展和普及特别是3G网络技术的发展及其应

用不断成熟，极大的促进了设备远程监测和远程故障诊断技术的发展。故障诊断

技术的发展从系统结构形式上经历了单机系统、局域网分布式系统阶段。现在由

于国内网络技术的迅猛发展，结合网络技术与无线互联网技术的远程故障诊断越

来越引起重视。国内3G无线互联网技术的普及将有力的促进这次有关于远程故障

诊断技术的变革。

远程监测技术的发展大致经过了单机监测系统、分布式监测系统和基于

Intemet网络的远程监测系统三个阶段。目前基于Internet网络的远程监测与诊断研

究非常广泛[4]。美国的加州大学、MIT和德克萨斯A&M大学[5]，还有ABB公司等一

些著名大学和跨国公司都对远程监测和故障诊断技术展开了研究。在西方国家的

军事系统上也有了成熟而广泛的应用。

在国内，在远程监测与故障诊断方面也开展许多研究，并取得了一系列成果，

第一章绪论

一些长期从事机械设备故障诊断技术研究的科研院所，如武汉理工大学、浙江大

学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、合肥工业大学等单位，近

年进行了基于因特网的远程诊断技术研究。已经开发出来的主要产品有华中科技

大学开发出的“汽轮机工况监测和诊断系统KBTGMD”、西安交通大学研制的“大

型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统RMMD”、南京理工大学CIMS研

究所承担的国防科工委“长春FMS实验中心检测监控系统”、哈尔滨工业大学的“微

计算机化组状态监测与故障诊断专家系统MMMDES”、合肥工业大学的“全球范

围内的智能网络数控系统(INET-CNC)”、武汉理工大学于1999年2月起初步建立的

“远程诊断示范体系 IRDSvl.0”等。在远程监测中，除利用因特网有线网络外，

还可以利用国际海事卫星通信对一些航行的远洋船舶进行远程监测与诊断。

随着科技的发展，远程诊断技术和各个学科相互渗透的越来越紧密，远程故

障诊断系统也会越来越完善。但是远程故障诊断技术在诊断系统标准化、诊断方

式多样性、故障诊断信息实时性和诊断系统数据库化上还有很多工作要做。

§1.2 论文研究内容

通过以上对远程故障诊断技术的国内外研究现状的介绍，可以知道故障诊断

与维护领域的相关技术在国内国外都有众多的探讨。但是，远程系统的标准化、

实时性、诊断方法多样性和数据库化方面还有许多的工作要做。本文主要的研究

内容就是基于前人对远程故障诊断系统研究的基础之上，对远程故障诊断系统的

通信结构、远程故障诊断的方法和系统数据的处理等方面做了一些有益的研究工

作。

§1.2.1 论文研究内容简述

远程故障诊断与维护技术，将 PLC 作为远程现场机械设备信息参数的采集工

具，以远程通信模块作为数据的传输工具，基于先进的 3G 无线通信网络技术，对

该数据进行数字化、可视化的处理，然后将数据通过一系列的计算机诊断、人工

确认等方法，解决以 PLC 为控制核心的机械设备的远程故障诊断与维护问题。在

远程处理设备故障问题时，该技术可以实时模拟现场设备的运行状况，以便诊断

时正确、直观地掌握设备的运行情况，综合分析快速地做出正确的故障判断决策。

异地诊断大型设备故障技术的研究

远程采集 PLC 数据

故障诊断信息库

PLC 正常数据

PLC 异常数据

设备故障原因

设备故障位置

故障维护方法

……

可疑故障点

诊断结果与维护方法

故障数据

数据异常

检索

否

综合分析故障问题

设备运行

数据

图1-1 远程故障诊断与维护的解决思

路

图1-1所示即为远程远程故障诊断与维护的解决思路。在该解决方案当中，经

由远程无线通讯网络采集的PLC数据分为两类，一类是机械设备运行数据，包括电

机的转速、部件的电流电压、设备工作效率等，用于进行远程诊断的数据基础；

另一类是机械设备故障数据，用于检测数据库获取可疑故障点。在诊断人员进行

故障诊断时，将多个可疑故障点同虚拟设备的运行状况、与可疑故障点毗连的部

件位置关系、运动关系、控制关系等信息结果，综合分析设备的故障问题，得出

诊断结果和对应的故障维护方法。

§1.2.2 论文意义综述

下面将远程故障处理与传统故障处理业务流程的对比

如图1-2所示，当生产过程发生故障不能正常工作后，如若本单位的维修人员

不能解决故障问题，则厂家需要直接派出技术支持人员，由厂家赶到设备使用地，

在现场测得数据，凭借自身设备维修经验判断问题所在，对于自己不能处理的问

题还需将的采集到的数据返回到厂家总部，经由专家团队会诊之后，确定故障原

因，并将维护信息反馈给现场技术支持人员，有技术支持人员进行现场设备的维

护工作，直到最终完成设备的故障维护工作，为设备使用单位开出维修单，之后

第一章绪论

技术支持人员返回工作单位，故障处理流程结束。

图1-2 传统故障处理业务流程

图1-4所示为企业采用虚拟远程故障诊断技术后解决设备故障问题的整个处理

流程，该图与图1-3所示流程的区别在于虚线框部分，设备生产商在处理设备使用

者的设备维护请求时采用了虚拟运程故障诊断与维护技术。当设备使用者自己的

维修人员无法处理设备故障问题，而提出设备故障维护请求时，生产商并不是直

接派出技术支持人员，而是通过远程网络获取设备的故障信息，使用故障诊断专

家系统诊断设备的故障问题，并能快速给出维护方法，在进行设备维护时尽可能

地通过远程网络通过特定的设置解决故障问题，对于远程无法解决的问题，可以

指导现场维修人员进行维护，必要时也可有针对性地排除技术支持人员，专门处

理故障问题。作为专家经验系统并一定是非常完善的，在进行故障诊断时，遇到

专家系统的空白而无法诊断出结果是，可以进行专家会诊，并将新故障的处理经

验纳入专家数据库，使其更为完善。对于每次完成的故障诊断任务，也将把其故

障诊断的处理分析报告和相关数据纳入专家系统，也是对专家系统的完善。

异地诊断大型设备故障技术的研究

设备管理员

操作人员

维修人员

生产故障

请修单

维修调度

故障维护

维修单

维修结束

是

故障排除？

故障

处理

报告

及其

异地诊断大型设备故障技术的研究

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