劉志華，吳 韜，曹瑞明（.中國人民解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 0000；.63796部隊，海南 ?？?57000）

基于DataSocket技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

劉志華1，吳 韜1，曹瑞明2
（1.中國人民解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210000；2.63796部隊，海南 ?？?570100）

基于DataSocket的虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。闡述了虛擬儀器和LabVIEW的一些概念，針對現(xiàn)階段基層部隊裝備型號多樣、分布廣泛等特點而導(dǎo)致的維修保障難度增大的現(xiàn)狀，提出了基于DataSocket的虛擬儀器技術(shù)在設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用，對DataSocket的性能、結(jié)構(gòu)和工作原理進行了分析。通過開發(fā)一套設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，驗證了使用該技術(shù)可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的現(xiàn)場監(jiān)控和故障排除。

虛擬儀器；DataSocket；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及國防信息化建設(shè)步伐的加快，裝備基層部隊的新裝備越來越多，并具備型號多樣、分布廣泛、科技含量高等特點。新的特點給裝備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷帶來新的挑戰(zhàn)，由于受空間和時間的限制，僅依靠經(jīng)驗豐富的專家親臨現(xiàn)場進行指導(dǎo)維修是不現(xiàn)實的。而基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)可以提供顯著的技術(shù)支持，通過建立在現(xiàn)場設(shè)備上的狀態(tài)監(jiān)測點，可以監(jiān)測和采集設(shè)備狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)，并發(fā)送到遠(yuǎn)端專家診斷平臺，繼而對設(shè)備運行的狀態(tài)進行監(jiān)控并對故障及時診斷。數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析是遠(yuǎn)程診斷的重要組成部分，基于 DataSocket的虛擬儀器技術(shù)不僅改變了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲方面的舊有觀念，而且還為設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷提供了豐富的現(xiàn)場資源，給故障的遠(yuǎn)程診斷提供了新途徑［1］。

1 虛擬儀器與La b V IEW

1.1 虛擬儀器技術(shù)

由于計算機技術(shù)和微電子技術(shù)滲透到測量與控制技術(shù)領(lǐng)域，信號在被采集并被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式后，更多的信號分析與處理工作都在計算機中完成，儀器與計算機之間的界限日漸模糊。虛擬儀器便是通過編寫程序軟件將通用計算機與儀器功能硬件結(jié)合起來，將傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理和結(jié)果的輸出顯示三大功能集成到計算機軟件當(dāng)中，使整個測試過程自動進行。用戶通過友好的圖形界面來操作計算機，如同操作自己設(shè)計的儀器一樣，就能完成所有數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示存儲工作?！败浖褪莾x器”的口號提出便反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征，虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖

1.2 LabVIEW

虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測試能力相結(jié)合，這樣的結(jié)合通過虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW實現(xiàn)。它是美國國家儀器NI公司開發(fā)的一種圖形化編程工具，使用圖形化的編程語言編寫程序，即使不熟悉計算機語言的用戶也可以方便地“畫”出自己的程序，使編程更加簡潔和直觀。借助LabVIEW功能強大的函數(shù)庫，用戶都可以直接調(diào)用現(xiàn)成函數(shù)，包括基本的功能函數(shù)到高級分析庫，基本涵蓋了一起設(shè)計的所需要的全部函數(shù)。同時，用戶也可以按自己需要定制虛擬儀器的面板界面，通過將儀器的控制操作和數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在前面板上，可模擬傳統(tǒng)儀器儀表的操作方式以實現(xiàn)多種測試功能。目前，LabVIEW的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)在數(shù)據(jù)采集、儀器控制和自動測試領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2 Da t aSocke t技術(shù)

測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與實時共享是設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)有的 TCP/IP 和DDE等技術(shù)常因為編程的復(fù)雜性使用不便，在實時傳輸大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)時，無法滿足實際需要。同時，日益廣泛和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也給網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)人員帶來極大的工作負(fù)擔(dān)。為此，NI公司便針對現(xiàn)實需求開發(fā)了一種面向測量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時交換的新技術(shù)——DataSocket。

2.1 DataSocket簡介

DataSocket是建立在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)實時傳輸技術(shù)，其對網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議進行了高度封裝，隱藏了數(shù)據(jù)傳輸細(xì)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)編程人員不需要進行底層復(fù)雜的TCP編程，也避免了為不同的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議編寫程序代碼，只需通過統(tǒng)一的API編程接口，就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)的傳輸。DataSocket技術(shù)通過資源定位符（URL）定位數(shù)據(jù)源，URL的前綴表示寫入數(shù)據(jù)的類型和使用的傳輸協(xié)議，例如 file是本地文件，ftp是文件傳輸協(xié)議，用于讀取文件中數(shù)據(jù)；http為超文本協(xié)議，用于提供數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁鏈接；opc表示過程過程控制的OLE，專門用于共享實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該協(xié)議在運行OPC服務(wù)器時使用；dstp則表示來自 DataSocket服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)。DataSocket技術(shù)通過使用與協(xié)議無關(guān)、與語言無關(guān)、與操作系統(tǒng)無關(guān)的API接口，因而具有很強的通用性，它基于URL，可以使用在任何編程環(huán)境中，也可與分布于任何地方的客戶終端進行通信［2］。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DataSocket體系結(jié)構(gòu)

2.2 DataSocket結(jié)構(gòu)組成

DataSocket由 DataSocket Server Manager、DataSocket Server和 DataSocket API 3部分組成，同時包括了 Dstp（DataSocket Transfer Protocol傳輸協(xié)議）、通用資源定位符（URL）和文件格式等規(guī)程。其中，DataSocket Server Manager是一個獨立運行的程序，可以設(shè)置 DataSocket Server可連接的客戶程序的最大數(shù)目和可創(chuàng)建的數(shù)據(jù)項的最大數(shù)目，并可創(chuàng)建用戶組和用戶，設(shè)置用戶創(chuàng)建數(shù)據(jù)項和讀寫數(shù)據(jù)項的權(quán)限；而 DataSocket Server也是一個獨立運行的程序，它負(fù)責(zé)監(jiān)督DataSocket Server Manager中所設(shè)定的各種權(quán)限和客戶程序之間的數(shù)據(jù)交換［2］。在網(wǎng)絡(luò)通信時，必須同時運行在服務(wù)器和客戶端；DataSocket API是一個與協(xié)議無關(guān)、與語言無關(guān)、與操作系統(tǒng)無關(guān)的最底層的通信接口，可將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)變成數(shù)據(jù)流，在多種編程環(huán)境下與多種數(shù)據(jù)類型通信，進行數(shù)據(jù)發(fā)布和共享。DataSokcet API包含4個動作：Open、Read、Write和Close，通過這些節(jié)點就可以完成DataSocket通信［3］。

2.3 DataSocket工作原理

DataSocket通過 DataSocket函數(shù)庫實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，DataSocket發(fā)布數(shù)據(jù)需要 Publisher（發(fā)布器）、DataSocket Server和Subscriber（訂閱器）3個要素。發(fā)布數(shù)據(jù)時，發(fā)布器利用 DataSocket API接口將數(shù)據(jù)寫到 DataSocket Server中，接收數(shù)據(jù)時，客戶端再通過訂閱器利用 API接口從DataSocket Server讀取數(shù)據(jù)。通信過程如圖 3所示［4］。

圖3 DataSocket通信過程

DataSocket技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸有面板控件直接相連和編寫基于DataSocket協(xié)議程序兩種方式。通過面板控件直接相連方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時通信只需要設(shè)置數(shù)據(jù)顯示控件的 DataSocket Connection對話框，在本地和異地的數(shù)據(jù)顯示控件的DataSocketConnection對話框上填寫相同的URL即可，本地控件的數(shù)據(jù)便可實時地傳輸?shù)较嗤琔RL的異地控件中，無需編程，簡單實用［5］。

而需要透明的數(shù)據(jù)傳輸并可對數(shù)據(jù)進行處理時，就需要編寫 DataSocket協(xié)議程序，DataSocket函數(shù)庫的Write和 Read動作直接表明了對數(shù)據(jù)的寫入和讀取操作，數(shù)據(jù)可以是單個字符或字符串、布爾量或數(shù)據(jù)量都行，數(shù)據(jù)接收端可以對接收的數(shù)據(jù)進行處理和分析。

3 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上由現(xiàn)場測試系統(tǒng)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程故障診斷客戶端3部分組成。

現(xiàn)場測試系統(tǒng)位于最前端，是對設(shè)備的直接執(zhí)行體，由現(xiàn)場儀表、控制設(shè)備和硬件接口等組成，它主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行功能的控制?，F(xiàn)場智能傳感器拾取原始信息，通過信號調(diào)理電路調(diào)理后將采集信號提供給數(shù)據(jù)采集卡，計算機則選擇PXI、USB、GPIB等總線方式與外置數(shù)據(jù)采集設(shè)備和儀器功能硬件連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和儀器的控制［6］。

服務(wù)器端在整個平臺中處于核心地位，服務(wù)器端采用高性能的工控機。作為現(xiàn)場與遠(yuǎn)程故障診斷端口的通信紐帶，一方面它為虛擬儀器軟件提供特定的運行環(huán)境，完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、儀器的控制與管理；另一方面又要向遠(yuǎn)程故障診斷中心提供數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并接受遠(yuǎn)端發(fā)出的控制指令完成對現(xiàn)場設(shè)備相應(yīng)的控制操作。通過安裝在工控機上的儀器硬件接口，服務(wù)器上由LabVIEW 開發(fā)的虛擬儀器軟件就可以控制數(shù)據(jù)采集卡DAQ采集原始信號，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備模擬量輸入輸出、數(shù)字I/O和定時計數(shù)。同時，利用DataSocket技術(shù)，服務(wù)器端控制設(shè)備采集數(shù)據(jù)后，將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程診斷客戶端［7］。

遠(yuǎn)程故障診斷客戶端提供監(jiān)控與診斷的人機窗口，利用DataSocket讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，再利用 LabVIEW自帶的信號分析模塊完成信號處理。信號處理的最終目的是清晰顯示出特征信號曲線，提取出特征信息，并結(jié)合專家多年的診斷維修經(jīng)驗，完成故障診斷。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)實例

為進一步驗證DataSocket技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用，以在服務(wù)器端采集混有白噪聲的正弦波為例。電源故障是設(shè)備常見的故障之一，設(shè)備的電機也通常由交流電供電，針對交流電源故障的診斷問題，通過遠(yuǎn)程診斷客戶端對混有白噪聲的正弦交流信號進行檢測和分析診斷，從而判斷為何種故障。

服務(wù)器端使用LabVIEW編寫虛擬儀器程序，通過自帶的DAQ等功能板卡驅(qū)動程序，控制設(shè)備采集待測信號，并保存至計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)庫中。在服務(wù)器的Lab-VIEW程序面板上的 URL上輸入 DataSocket Server所在的計算機地址，服務(wù)器端默認(rèn)地址為 localhost，通過DateSocket Writer節(jié)點寫入數(shù)據(jù)，如圖5和圖 6所示，將混有白噪聲的正弦信號寫入并顯示在示波器儀表中。

圖5 服務(wù)器端故障信號圖

圖6 服務(wù)器端故障信號程序圖

客戶端通過 DateSocket Reader節(jié)點將數(shù)據(jù)從 URL指定的位置讀出，實時顯示在客戶端示波器上，如圖7所示。

圖7 客戶端接收監(jiān)測信號

為分析接收的數(shù)據(jù)，先通過LabVIEW提供的信號分析子模塊，對接收信號進行頻譜分析，可以得到正弦信號的特征頻率，再通過濾波器（這里使用反-切必雪夫濾波器）濾除白噪聲，去偽存真，對濾波后的圖可以通過時域分析，得到頻率和幅值。通過對接收信號的分析操作，再對比已經(jīng)建立的故障特征曲線數(shù)據(jù)庫，便可以實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷，如圖8、圖9所示。

圖8 故障信號頻譜分析

圖9 故障信號濾波

4 結(jié)論

綜上所述，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器技術(shù)充分利用了自身的軟硬件優(yōu)勢，針對基層部隊的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷現(xiàn)狀，提供了一種經(jīng)濟、有效的設(shè)備保障手段。使用DataSocket網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，克服了舊有方式在底層網(wǎng)絡(luò)編程效率低、數(shù)據(jù)傳輸實時性差等缺點，真正實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)編程的簡單快捷和測試數(shù)據(jù)的實時傳輸。通過傳輸混有白噪聲的正弦波的實例表明，專家不用親臨現(xiàn)場就可在遠(yuǎn)端實時地監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，并可對現(xiàn)場傳輸?shù)墓收闲盘栠M行分析處理，繼而達到故障診斷的目的。

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圖7 分組平均時延

4 結(jié)論

本文提出了一種新的車隊自組網(wǎng)的信道接入機制，該機制將競爭時隙與業(yè)務(wù)時隙分離，使周期性的廣播信息集中于競爭時隙內(nèi)，使車隊在運行過程中的正常通信業(yè)務(wù)不受干擾，提高了車隊自組網(wǎng)的傳輸性能。在相同的環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)的整體性能較RR-ALOHA機制有所提高，特別是在組網(wǎng)過程中的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性方面。但在周期性廣播信息的可靠性方面還有待進一步的改進提高。

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（收稿日期：2015-08-28）

作者簡介：

潘金滿（1984-），男，碩士研究生，主要研究方向：交通信息工程及控制。

Equipment condition monitoring and fault diagnosis system based on DataSocket technology

Liu Zhihua1，Wu Tao1，Cao Ruiming2
（1.Science and Technology University of PLA，NanJing 210000，China；2.Troop 63796，HaiKou 570100，China）

Virtual instrument technology based on DataSocket is the product combined with computer technology，network communication technology and instrumentation technology.The paper described some concepts about virtual instrument and LabVIEW.Concerning the characteristic of equipments in grassroots units that equipments have diverse models and could be widespread distributed，and it could cause increasing difficulty of repair and maintenance about equipments，the paper proposed virtual instrument technology based on DataSocket and its application in equipment remote condition monitoring and fault diagnosis.DataSocket′s properties，structure and working principle were analyzed at the same time.By developing a set of equipment remote status monitoring and fault diagnosis system，the paper has tried to verify that the use of this technology can monitor real-time data and fault diagnosis.

virtual instrument；DataSocket；condition monitoring；fault diagnosis

TN915.03

A

1674-7720（2015）24-0084-04

劉志華，吳韜，曹瑞明.基于 DataSocket技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（24）：84-87.

2015-08-26）

吳韜（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：氣象水文裝備故障診斷。E-mail：617851537@qq.com。

劉志華（1963-），男，本科，副教授，主要研究方向：裝備技術(shù)保障車。

曹瑞明（1989-），男，碩士，工程師，主要研究方向：測試計量與儀器。