基于计算机网络的机械量电测技术

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1 引言

科学技术的每一次重大进步都给机械量测试方法及仪器带来革命性的变革。20世纪50～80年代，机械量测试理论与电子技术相结合，产生及发展了机械量电测技术。当时主要采用模拟电路技术和功能单一、固定的独立仪器实现机械量的测量。80年代后期到90年代，计算机技术进入测量领域，形成了用于机械量测试的虚拟仪器系统。虚拟仪器技术可使一台普通计算机成为一台功能完备的机械量测量仪，在基本硬件支持下，通过修改软件即可快速实现仪器功能的扩展与转换；为完成较复杂的测试任务，还可以计算机为核心组建完整的测量系统。当前，随着网络技术的迅速普及，新一代的机械量测量、分析与传输技术方案呼之欲出。基于计算机网络的机械量测试技术可使测量信息在更广泛的范围内得以共享，对于实现机械生产过程的远程控制、机械产品质量的远程监测、机械设备故障的远程诊断等具有重要意义。网络化的机械量测试技术将成为现代机械加工技术发展的必然选择。 * W' H# i9 [* {2 y' h

2 网络化测量的基础———虚拟仪器

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实现网络化机械量测量的目的是使机械量测量信息能够通过计算机网络实现无时间、地点限制的高速传输。为实现这一目的，则必须利用虚拟仪器(Virtual Instrument)技术。由于虚拟仪器技术正处于日新月异的发展过程中，因此对虚拟仪器的定义也处于逐步形成过程中。虚拟仪器领域的著名厂商美国NI公司将虚拟仪器定义为：①一种通常运行于个人计算机上、具有传统的独立仪器功能的硬件与软件的组合；②一个LabVIEW程序，由一个作为用户接口的前面板和一个图形程序组成。目前国内业界提到的虚拟仪器一般是指前者(以前曾有“灵境仪器”、“卡式仪器”、“计算机仪器”等多种名称)。为明确含义，作者建议将虚拟仪器定义为：以计算机及网络为基础、以软件为核心的自然科学信息测试、分析、存储、传输与控制系统。这样定义既能突出软件技术在虚拟仪器体系中的作用，又体现了网络环境中虚拟仪器技术的最新进展。目前常用的虚拟仪器硬件结构形式主要有以下几种：
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图1 基本的虚拟仪器硬件结构

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1. 如图1所示的基本的虚拟仪器硬件结构。
2. VXI—VME总线的仪器扩展：这是一种在世界上得到广泛公认与采纳的仪器标准。该结构的特点是将信号采集、信号调理等各种模块装入标准机箱，机箱通过插入计算机的通讯卡与计算机进行通讯，或将计算机嵌入机箱零插槽。通讯卡和电缆主要有GPIB、1394、MXI三种标准。 7 ^8 P. @5 M" \% w% V: ]( ]
3. PXI—PCI总线的仪器扩展：该结构形式与VXI基本相同，区别在于总线不同和价格更为低廉。如将控制器嵌入PXI机箱，即成为一种测试专用计算机。 1 {' H9 P/ X6 }+ @$ C! u% h
4. GPIB(HP-IB或IEEE488)—通用接口总线：这是一种计算机与传统测量仪器的接口，将GPIB通讯卡插入计算机，再通过GPIB电缆，即可实现计算机对传统测量仪器的控制和访问。 T# D E9 Z2 a# M; I
5. 串口仪器：这也是一种计算机与传统测量仪器的接口，可实现对满足一定协议(如RS232)的传统测量仪器与计算机的联接。

常用的虚拟仪器软件开发平台包括目前非常流行的LabVIEW(Virtual Instrument Engineering Workbench)以及LabWindows/CVI、HP-VEE、VB、VC等。

虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了仪器技术的未来发展方向。工业发达国家已将虚拟仪器广泛应用于航天、通讯、生物医学、地球物理、电子、机械等各个领域，并对此进行了大量科学研究和工程应用工作。国内对虚拟仪器的研究与工程应用也十分重视，近年来取得了许多成果，并逐步将其应用于机械参数测试、机械故障诊断、机械生产过程控制等领域。
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图2 虚拟仪器的演进

图3 网络化机械量测试系统基本结构模型

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3 虚拟仪器的网络化演进

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以太网、超文本链接、无线通讯、国际互联网等网络技术正在改变自动化测试的原理与方法。为了与高速发展的计算机网络技术接轨，目前虚拟仪器正不断向网络化演进，其技术发展趋势如图2所示。 * f& z. }8 I$ }, Y. \2 W

不断演进的虚拟仪器构成了现代仪器系统的测试节点。新一代机械量测试系统正逐步形成如图3所示的层次化网络结构。系统中，分布式数据采集能更有效地排除噪声干扰；VXI、PXI设备提供了实时数据分析能力；利用工程数据库可方便地对机械量测量的全部历史数据进行统计分析；测试系统服务器可对整个系统进行有效管理；企业各个技术管理部门可共享测试技术数据，并可通过互联网向世界各地发布相关技术信息。 9 `; @, e4 T$ F7 d3 I" l

4 基于计算机网络的机械量测量技术方案

新一代的机械量测试技术方案可充分利用企业现有的局域网基础设施，使测试网融入计算机网络。测试节点的其它硬件可根据具体的测量目的、测量要求和现有技术资源选取图3中的部分或全部设备。

作为虚拟仪器的核心，软件是实现网络化机械量测量的技术关键。基于计算机网络的机械量测试系统的软件开发环境除要求开发效率高、程序易于修改、维护外，还应具备良好的网络接口功能。美国NI公司的LabVIEW在这方面体现了极大优势。NI产品具有很高的集成性，它的PXI设备、VXI设备和分布式数据采集模块都具有以太网联接功能，同时支持LabVIEW编程。此外，NI产品可满足不同层次用户和不同测试场合的要求，既可以进行复杂的TCP/IP编程，又可提供简单的数据插口(Datasocket)技术；它的企业互联外挂工具包可得到更高层次的安全控制，还能在LabVIEW中通过执行SQL语句对远程数据库进行操作。虽然LabVIEW的数据插口技术基于TCP/IP协议，但不需要用户进行复杂的TCP/IP底层编程，采用它传输数据就象在电源插口中插上插头即可用电一样方便。使用数据插口技术可在程序框图中调用DataSocket函数，也可以在前面板对象上弹出菜单进行数据链接。调用数据插口功能后，LabVIEW自动打开一个独立运行的DSServer程序，它不断打包传递或接收数据，但不会占用测控应用程序所在计算机CPU的时间。使用数据插口的URL填写格式示例为：dstp://localhost/data.txt或dstp://166.111.62.163/data。“dstp”表示数据插口传输协议，中间段为宿主机IP地址或标识，最后一段是数据在宿主机上的位置。

DS Server Manager可设置DS Server可链接的客户程序数目和可创建的数据项数目，并设置用户和用户组以及用户访问和管理数据项的权限，提高了网络通讯的安全性。

使用数据插口技术也可将网络计算机设置为客户机和服务器模式，客户机向服务器发出采集数据的要求，然后接收采集的数据，这也是工业现场测试与控制的一种基本形式，例如工厂各个技术管理部门需要对现场某些生产环节进行抽检，则可对现场测试节点发出采样请求，将测试节点计算机设置为服务器，轮流执行各客户要求的操作项目。
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图4 运行于计算机网络上的发电机组故障诊断系统

图5 机械工程测试实验室网络结构

5 机械量网络化测试实例

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1. 发电机组运行状态监测与故障诊断
   图4所示为作者为某火力发电厂开发的设备故障检测与诊断系统。其中，每个机组的数据采集与实时监测节点由现场工控机、数据采集卡和信号调理模块构成，可对信号进行谱分析、相关分析等简单实时分析，如发现明显异常则立即报警，提示值守人员及时处理。在线诊断系统设在厂技术中心，它可对各机组进行巡检，对特征信号进行小波分解、关联维分析等，如发现问题则向现场发出指令，并将数据在网络上发布。远程专家诊断系统设在高等院校，它可通过互联网访问测试数据，并与知识库中的信息进行比较分析，据此向工厂提供诊断意见。
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2. 基于计算机网络的机械工程测试实验室
   图5所示为作者建立的一个机械工程测试实验室的网络结构，它是校园网的一部分，逻辑上是一种总线型结构，采用了广播网传输技术。每一个学生实验工位配备一套普通信号源、相应传感器以及图1所示虚拟仪器基本硬件。教师工位则配备振动、流量实验装备等价格高、尺寸大的信号源以及SCXI多功能信号调理装置，数据采集则使用档次较高的16位PCI-6035E数据采集卡。实验室原有的一些高档的传统测量仪器也联接到教师机上，供全实验室共享。由于采用广播网传输技术的网络结构，实验室中任何一台机器发出的信息均可被所有机器接收。当教师机运行数据插口程序后，学生实验工位上只需在自己的数据插口程序中准确填写教师机的IP地址或网络标识名，即可象使用自己的机器采集数据一样完成测试实验。

6 结语

个人计算机的广泛应用使由用户定义仪器代替由厂家定义仪器成为可能。当人们应用计算机技术对自动化测试技术进行了脱胎换骨的改造后，网络技术的普及又给基于计算机的测试体系带来了革命性变革。对基于计算机网络的机械量测试技术的科学研究及取得的成果推动了仪器网络化、企业信息化的进程，并将向城市环境状况监测、石油管道和煤气管道泄漏监测等诸多应用领域辐射，因此具有广阔的发展前景。

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