摘 要: 研究了基于BITBUS現場總線通信子網和Windows NT局域網而構建的大型復雜機電設備分布式狀態監測系統，介紹了該系統的體系結構以及系統所包含的各硬件、軟件子系統的構造與設計。

　　關鍵詞: 分布式狀態監測系統? 專家系統? 故障診斷? 現場總線

?

　　大型復雜機電設備通常包括電氣、機械、液壓、氣動、控制等多個設備單元。在對此類設備進行狀態監測與故障診斷時，由于系統的設備繁多、復雜，以往所采用的用逐點、串行采集信號進行監測與診斷的方法不僅費時，而且監測與診斷的效率較低[1～3]。分布式狀態監測系統可以實現同步、并行地對系統的各個重要部分進行信號采集和處理，不僅大大提高了效率，而且所采集的信號具有同步關聯性;借助信息融合的方法，還可以提高診斷的精確性，為保證設備的安全性與可靠性提供了一條非常有效的途徑。

1 系統體系結構

　　分布式監測系統的體系結構如圖1所示。從圖中可以看出，整個系統主要包括以下五部分。

?

?

1.1 現場監測單元

　　該部分主要包括傳感器子系統、監測儀表子系統和數據采集子系統，主要完成對各種信號的變換、采集、預處理和顯示等功能。各個現場監測單元本身具有一些初步的信號分析能力，也可以擴充多個傳感器單元，以便同時對設備的一個子系統進行基于多個傳感器的多點、多種信號采集和分析。

1.2 現場通訊子系統

　　現場通訊子系統完成各個現場監測單元之間的通訊功能，并負責將有關信息傳遞到監測分析子系統。該單元采用BITBUS現場總線標準，拓撲結構為總線型，并采用集中式通信控制，其網絡節點容量大于32個，數據傳輸速度在通信距離為1000～2000m時可達375kbps，采用雙絞線半雙工傳輸方式。網絡通訊采用BITBUS總線定義的物理層、數據鏈路層、消息層和應用層等四層通信結構。由監測分析子系統控制各數據采集器，尋址后發送控制命令，數據采集器則執行命令，發送數據，實現控制命令和數據傳送。

1.3 監測分析子系統

　　計算機監測分析子系統是整個系統的重要組成部分，它一方面與各個現場監測單元進行通訊，并將各現場監測單元的信息進行處理和存儲，為診斷專家子系統提供診斷信息和依據;另一方面通過該子系統控制整個系統的工作過程，實現對設備各子系統的信號采集、狀態監測、故障檢測及為專家系統提供診斷信息數據庫等功能。

1.4 故障診斷分析處理專家系統

　　故障診斷分析處理專家系統包含多個子診斷專家系統，利用監測分析子系統所產生的各種信息和分析處理結果，把診斷任務分給相應的故障診斷專家子系統。各子系統利用知識庫中已有的知識和推理方法，分別完成各自的推理診斷任務。然后，總系統根據各子系統所得出的結論和信息，進行信息融合和知識推理，找出設備可能存在的故障原因及故障部位，并給出故障處理意見，為現場維修提供重要決策意見。故障診斷專家系統與監測子系統進行組合，既可以實現實時在線監測和實時故障診斷，又可以通過人機對話的形式交互地完成診斷咨詢任務。

1.5 Windows NT 局域網

　　Windows NT 局域網將計算機監測子系統與故障診斷專家系統以及各診斷子系統聯接起來。監測子系統所產生的信息以及各專家系統產生的結果均通過網絡服務器進行通訊，實現各種信息和數據的交換。利用局域網，可以實現監測與診斷過程中的各種信息和資源的共享。如果將該局域網與其它遠程網絡相連，還可以實現對設備的遠程狀態監測與故障診斷^[4]。

　　采用以上方法建立的系統體系，可以有效地完成對設備進行信號采集、處理、信息交流、分布式監測和故障診斷等功能。

2 系統軟件組成及設計

　　系統軟件主要包括信息通訊軟件、監測分析系統軟件和專家系統診斷軟件。

　　信息通訊軟件主要實現網絡通信，主要包括BITBUS總線通訊軟件和NT局域網信息通訊軟件。其中，BITBUS總線通訊軟件包括通信控制器軟件和現場監測單元通信軟件。通信控制器軟件主要控制通信控制器與各現場監測單元之間的通信，而現場監測單元通信軟件則用于完成現場設備監測單元與主站(通信控制器)的通信?，F場監測單元作為從站沒有通信主動權，通信任務由通信主站向各現場監測單元發送控制命令來啟動。NT局域網通信軟件主要完成監測分析系統和專家分析處理中心以及局域網內各單元的信息通訊任務。

　　監測分析系統軟件是系統分析軟件的重要組成部分，它一方面管理和控制數據采集子系統的工作，同時本身又完成許多分析處理任務，如實時數據通訊、數據文件管理與存儲、動態數據分析、瞬態數據分析、趨勢分析以及為專家系統提供各種信息。

　　專家系統診斷軟件是整個軟件系統的核心，它處理的內容包括知識的處理和診斷信息的處理。它由以下幾個模塊組成:

　　(1)系統管理與協調模塊:是系統的管理與控制核心，用來控制和協調各項任務之間的高度和信息交換，主要通過多級黑板來實現。

　　(2)設備數據庫:包括設備歷史運行數據庫和由監測分析子系統所建立起來的反映當前設備運行狀況的各種數據文件，該數據庫是診斷專家系統的主要信息來源。

　　(3)征兆事實庫:通過對設備數據庫中各種數據的分析和數據抽象而獲得的用于診斷推理所需要的所有征兆事實，征兆事實是診斷推理的主要依據。

　　(4)診斷知識庫:用于存放設備的各種類型的診斷知識，包括故障事例庫、過程算法庫、故障對策庫等。這些知識可以由人工進行編輯輸入，同時專家系統本身會自動獲取填充到知識庫中。

　　(5)專家系統功能模塊:包括征兆獲取模塊、多級推理模塊、解釋模塊、知識庫編輯模塊、多級黑板模塊和自學習模塊等，用以完成專家系統的各項操作和推理功能。

　　(6)用戶界面:包括人機對話接口和用戶開發接口。人機對話接口用于進行各種信息輸入、輸出的對話，用戶開發接口則用于用戶對系統知識數據庫的操作。

　　專家系統軟件的工作流程圖如圖2所示。

?

?

　　整個系統軟件的設計，采用了不同的語言來實現。其中，BITBUS總線通訊軟件采用匯編語言來實現，NT局域網通訊軟件采用C++語言來實現，而整個系統知識庫則采用ORACLE大型數據庫來實現。

　　某型導彈發射系統地面發射設備是火箭導彈發射系統的重要組成部分，它是一個包括了電氣、機械、液壓、氣動、控制等多種設備單元的大型復雜機電系統。由于系統結構復雜，實際操作過程中容易因各種原因發生故障和造成事故。為了有效地保障其隨時處于良好的狀態，我們在對該系統的狀態監測與故障診斷過程中采用了以上分布式系統，分別對其多個設備單元的信號(包括開關量信號、脈沖信號、模擬量信號和各種振動信號等)進行采集，并行、分布地對發射系統的多個關鍵設備單元進行狀態監測與故障診斷，有效地保證了該系統使用的可靠性和安全性。另外，除了在武器裝備系統中應用外，系統稍加改變，也可以用于其它大型機電系統的狀態監測與故障診斷。

?

參考文獻

1 李向斌.導彈動力系統場面設備分布式監控系統設計.第二炮兵工程學院學報，2000;14(1):67～71

2 蔣東翔.分布式智能監測與診斷系統的理論與實現.[博士學位論文].哈爾濱:哈爾濱工業大學，1994

3 李東曉.分布式監測診斷系統——理論、技術和實踐.[博士學位論文].武漢:華中理工大學，1997

4 陳小虎等. 基于網絡的遠程設備故障診斷系統研究.振動工程學報，2000;13(11)