基于网络实时监控的液压元件数据监测与系统研究

何亚平

（贵州理工学院，贵州贵阳　550003）



基于网络实时监控的液压元件数据监测与系统研究

何亚平

（贵州理工学院，贵州贵阳550003）

摘要：针对军用液压元件多台套现场实验的现状，提出并研发了一种分布式、网络化实时检测与数据管理系统。系统通过软件硬件相结合，将所需信号通过信号调理模块的滤波、降噪等方法进行处理，将采集到的模拟信号经过A/D转换，通过数据采集卡传输至现场工控机中，通过软件编程实现温度、压力、流量等信号的数据采集、数据分析、数据存储、历史数据管理、故障诊断以及报警等功能，并采用B/S结构实现远程的网络实时监控。经过实验论证，该系统可应用于液压元件数据采集领域，能够有效提高数据采集的准确度与精确度。

关键词：数据采集；数据分析；数据存储；液压试验；远程监控

0　引言

现有的液压系统数据采集工作主要还是采用人工、单一的采集方法，数据采集只能逐项进行，并且在故障诊断的方法上主要还是依靠经验丰富的师傅进行“望闻问切”逐一排查，进而确定故障原因和位置。这些方法使得数据采集、分析、存储的效率都十分低下，从而间接降低了液压元件的生产效率。近年来一些院校和科研机构对液压系统做出了相应的改进，数据采集工作有了一定的改观。

本文主要涉及液压监控系统总体设计，对液压数据进行高速采集、分析以及存储等功能，硬件设计选型的过程，系统软件的编译，以及人机界面的设计以及远程监控界面的设计。

1　系统总体方案

1.1总体方案设计

本液压试验综合管理系统包括三个子系统（含软硬件）：试验数据采集分析子系统、网络监控与数据传输子系统和历史数据管理及故障诊断专家子系统。系统总体示意图如图1所示。

试验数据采集分析子系统中，压力传感器可测的公称压力为31.5 MPa；流量传感器可测的公称流量为250 ml；温度传感器的测量范围为0～1 000℃；数据处理与分析模块具有时间与瞬态特性分析功能，统计分析功能，失真分析功能，功率谱、频谱分析功能。

基于局域网的网络监控与数据传输子系统中，采集系统可连接现场工作站台数不少于32；同时具有抗高

频电磁干扰能力。

历史数据管理及故障诊断专家子系统中，中央监控计算机上的虚拟仪器模块具有对采集数据的实时再现功能，虚拟的时域图像实时更新功能；中央数据库能支持32路信号同时高速存取功能和历时数据自动更新与储存功能；故障诊断专家系统为开放式编程结构，能够根据新的情况添加故障，能够根据系统故障进行相应的诊断，判断故障原因。

1.2子系统可行性分析

数字化液压试验综合管理系统的对象主要包括：试验台（包括泵、油缸和阀示意图）、清洗机（包括零部件清洗机和油管清洗机）、油液污染度检测仪（油液颗粒计数仪）、净油机（用于过滤二次油液）、油源系统、车辆总调系统以及其他辅助设备，因此试验数据采集系统的组成框图如图2所示。

图2　试验数据采集系统的组成框图

同时，需要配置相应数量具备显示和采集功能的各类传感器，配置多套计算机数据采集系统，由工控机、采集系统及相关软件组成[1]。

2　硬件系统设计与配置

2.1硬件总体结构

系统硬件主要由信号调理模块、工控机、高速数据采集卡、高性能服务器、机柜等组成。由于应用系统的复杂性和特殊性，对于其硬件平台设计需要采用如下原则：统一规划、高可用性、高扩展性、高安全性、高可维护性和合适性价比。应用系统硬件平台主流的架构主要有两种：集中式架构和分布式架构，本系统采用分布式架构搭建系统硬件平台。

2.2系统硬件设计选型

数据采集卡是数据采集的核心部件，选择各方面条件都满足需求的凌华PCI⁃9114作为系统的数据采集卡，同时安装其驱动软件为DAQPilotV2.3.2.01。

根据本系统的需求，对工控机的性能指标以及抗干扰能力都有着一定的要求。本文选择ACP⁃4000工控机箱。采购服务器主要应用于保存大量数据，本系统选用IBM System x3620 M3服务器。同时，网络组件是为了使系统网络模块能够顺利运行，在厂区内使用的网络化模块，本系统网络设置主要通过无线路由器实现以太网的覆盖。

机柜要具备耐挤压，耐腐蚀，抗灰尘，抗振动，抗辐射等特点。主体采用优质的铝合金型材，具有质轻、成本低、受力度均匀、散热性好的特点，结构设计上充分考虑了各个硬件的安放位置、固定性以及稳定性等因素，同时考虑到散热性、操作方便度等因素，增加了散热孔，设计了合理的操作台高度。

对于信号调理模块，本系统选用的是4～20 mA输入输出，二进二出的有源型电流配电隔离器，可以将4～ 20 mA电流信号隔离，转换为标准电流、电压信号[2]。

3　系统软件设计

3.1编译环境

本软件基于LabVIEW进行编写，LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。LabVIEW采用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序以框图的形式表现。同时，Lab⁃VIEW支持非常多的硬件目标，其应用十分广泛[3]。

3.2软件总体结构设计

根据系统功能要求，软件总体结构框图如图3所示，主要功能有数据采集、数据分析、数据存储、历史数据复现、故障诊断专家系统等。软件主体采用菜单式管理界面，可以在主界面进行采样率、油缸型号、采集卡通道的选择。系统主题框架采用事件结构，有效地提高了运行效率。

图3　软件总体设计框图

系统登陆界面与主程序框图如图4所示。

图4　系统登陆界面及主程序框图

3.3数据采集模块

数据采集模块的第一个控件为创建任务控件，第二个控件为设置采样率控件，第三个控件为开始采集控件，第四个控件为读取数据控件。最后一个控件为清除任务控件，作用为结束任务，清除内存[4]。

上述是对单通道数据进行采集的过程，本文需要同时采集五路信号，因此需要在以上程序上进行改进，首先将读取数据控件输出端中波形文件接到索引数组控件中，索引数组控件的作用是返回N维数组在索引位置的元素或子数组。对于五路混杂在一起的波形文件，亦可以用索引数组控件将它们分离，分别输入到显示控件中进行显示。

3.4数据分析模块

数据分析模块接收采集模块中采集到的信号并进行频谱分析、功率谱分析、时间与瞬态特性分析、失真分析以及统计分析。其中频谱分析、功率谱分析用幅频谱、相频谱曲线图表示，而统计分析、失真分析、时间与瞬态特性分析用具体数值进行表示。

本实例中各传感器的量程、型号和精度分别如下：第一温度传感器：-200～650℃，PT100，精度为±0.1％；第二温度传感器：-50～200℃，海德HYDRO，精度为±0.1％；压力传感器：0～60 Mpa，海德HYDRO，精度为±0.1％；流量传感器：0～40 L/min，KRACHT齿轮流量计，精度为±0.3％。

数据分析模块程序框图如图5所示。数据分析模块是程序的一个子模块，数据采集模块采集到的数据存入队列中，然后队列中的元素依照“先进先出”原则依次输入到数据分析模块中，这样可以对采集到的数据连续进行分析[5]。

图5　数据分析程序框图

数据分析模块又分为时间与瞬态特性分析、频谱分析、失真分析、统计分析、功率谱分析五个子模块，可以实时获取信号的幅值、周期、信噪比、均方根等18个参数。数据采集模块的特点是采用了“生产者消费者”模式，将数据采集模块比喻为生产者，数据计算模块比喻为消费者，在生产者与消费者之间再加个缓冲区，形象的称之为仓库。

3.5数据存储模块

数据存储模块主要是将采集到的数据、信息等远程存入服务器中进行保存，历史数据复现的时候从数据库中进行提取，并通过软件实现历史数据的复现。

软件的编写需要进行数据库的选择，以便实现数据存储、用户管理等功能，本设计选择MySQL数据库[6]。MySQL 5.0数据库是一种关联数据库管理系统，将数据

存放在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库中，这样就增加了速度并提高了灵活性。它所使用的SQL语言是用于访问数据库的最常用标准化语言。符合本系统的要求，并且具有良好的性能。

MySQL 5.0数据库安装完成后，需要开放数据库互连（Open Database Connectivity，ODBC）连接数据库，进行必要的设置来实现这个过程。

MySQL⁃Front 5.1是一款小巧的管理MySQL的应用程序，其特性包括可编辑/删除/插入记录，可显示成员，可复制、粘贴，支持多种语言等。可以将MySQL数据库中的数据清晰、一目了然地显示出来。

LabSQL是安装在LabVIEW中对数据库进行操作的一个模块，通过LabSQL可以对数据库进行操作，操作方法简单，可以运用LabVIEW中的语言以及SQL语句操作数据库，LabSQL支持Windows操作系统中任何基于OBDC的数据库，包括Access，SQL Server，Oracle，Perva⁃sive，Sybase等。

在本系统中有很多运用到数据库的地方，这些都需要现场工控机与服务器进行远程数据交换，因此需要进行相应的设置来实现远程数据存储。远程数据存储一般采用的方法是将采集到的数据直接远程写入服务器，在本系统中，即通过MySQL⁃front与远程服务器建立联系，授权与服务器连接。具体设置步骤为：修改local⁃host、指定授权、泛授权MySQL⁃h，最后在客户端的MySQL front登陆信息中填写服务器的IP地址，以及登陆名、密码、端口等信息，便可以远程访问服务器。

本系统为了使数据能够完整、及时、有序地保存，并且在数据存入远程数据库时不影响数据采集的速度，系统采用了数据库同步更新技术，即为了写入远程数据库，将远程数据库设为本地数据库的从数据库，这样采集到的数据在写入本地数据库时就不会影响到采集的速度，而且数据也会很快地同步到远程数据库上[7]。同时，系统写入远程数据库采用数据库同步更新的方法来实现。

3.6网络监控模块

网络监控模块的主要作用是通过网络实现系统的远程监控，如果工厂需要在远程对现场采集到的数据进行了解，通过网络监控模块就能够在办公室远程观察到现场的数据采集情况，如果发生状况，还可以对现场情况进行控制，以方便数据的采集分析不出现失误。网络监控模块主要是通过Lab⁃VIEW网络发布组件，结合以太网实现。

系统选用B/S结构实现网络监控。首先，需要在LabVIEW的工具/选项中的Web服务器选项中勾选启用远程前面板服务器；然后对服务器数据的存储地址，HTTP端口等选项进行相应的设置；接下来，选择工具/ Web发布工具，根据需要选择文档标题以及客户端浏览器中显示的页眉、页脚等选项，随后进行保存，记录下系统自动生成的URL，然后便完成了服务器的设置[8]。

客户端在远程监控时首先需要安装LabVIEW运行时引擎runtime⁃engine；然后在浏览器中自动输入上一步中服务器生成的网址，便可进行监控，为了方便客户端进行实时监控，这里采用HTML语言将所需监控的信息制作成网页形式，下面是部分HTML代码：

然后采用浏览器打开此程序，便得到远程监控模块的客户端界面。采集程序运行时，点击相应的链接便可以对相应的数据进行实时监控。

3.7数据采集精度实验验证

（1）信号发生器模拟采集信号验证

为了验证系统采集数据、分析数据的准确性，采用信号发生器模拟传感器采集到的液压信号进行实验，同时、网络监控模块中的数据进行对比分析。将信号发生器、液压元件数据监测与存储管理系统相连接，同时打开Web服务器，开启网络监控模块现场工控机与网络监控模块同时对数据进行监控。共进行六组实验，实验数据见表1。

表1　仿真信号采集实验

误差计算：

经过对比分析，监控系统采集到的信号与信号发生器所发出的信号相差在所要求的误差范围之内，系统可以正确反映出采集到的仿真信号的特征。

（2）小型油缸磨合清洗试验台液压信号采集验证

选用液压元件数据采集实验进行小型油缸磨合清洗试验台液压信号采集验证，试验方法、过程及结果在文中不再详细论述，由验证结果可知，液压元件数据监控与存储系统所显示数据与小型油缸磨合清洗试验台数据相差很小，在误差范围之内。

4　历史数据管理模块

4.1历史数据管理

历史数据复现主要是对已采集到、并且保存在服务器数据库中的数据进行操作，使其还原采集时的情况，以便对历史数据进行分析。程序的主要结构是while循环，内部有事件结构，事件结构的作用是“项目标识符”可以识别菜单项，而每一个菜单内容又放在条件结构中，项目标识连接条件端。程序结束的条件只有一个，就是点击停止按钮，主程序如图6所示。

图6　主程序

历史数据复现程序中对查询历史数据、查询报警的数据各个菜单项也进行了程序设计。

历史数据只有管理员以及具有管理员权限的特殊用户才能进入删除，登录前面板和删除历史数据需要输入一定条件：起始和终止时间、油缸号、通道号，如果三者不匹配是不能进行删除的。

4.2故障诊断专家系统模块

故障诊断专家系统主要是为了让系统在出现故障时能尽快发现故障原因，以减少查找故障而产生的时间，从而间接提高生产效率。故障诊断模块主要包括三部分：故障模式、添加模式和查看模式。

5　结论

本文研制出了液压元件分布式测试网络系统，数据采集模块运用索引数组函数将多路信号进行拆分，得到多个单路信号，并转化为实际数据进行显示；采集到的数据存放于队列中，使数据分析能够实时、流畅的运行；数据远程存储采用服务器主从设置，使网络传输速度在不是十分良好的情况下仍然不影响程序运行的速度；通过远程客户端的设置，实现了网络化监测，通过在其他地点实现监控，更加方便安全。其中可靠性设计、数据采集指标、系统界面以及可扩展性均需要进一步加强、提高。

参考文献

[1]蔡畅，胡政，宋立军.柴油机状态检测与故障诊断系统[J].兵工自动化，2006，25（2）：76⁃79.

[2] GONG Shuqiu，LIU Jinmei，CUI Liyan. Research of power quality monitoring system based on LabVIEW [J]. Applied Me⁃chanics and Materials，2012，130/134：2612⁃2615.

[3]梁永忠，高军礼，邓则名.基于LabVIEW的直线电机监测系统设计[J].计算机测量与控制，2010，38（20）：80⁃82.

[4]张培红.LabVIEW在液压马达测试系统中的应用[J].机械研究与应用，2012（3）：179⁃180.

[5]孙二敬.基于LabVIEW的多传感器信息采集平台[D].北京：北京交通大学，2006.

[6]陈玲玲，刘阳，秦丽敏.基于LabVIEW的数字信号处理实验平台设计[J].吉林化工学院学报，2011，28（11）：66⁃69.

[7]刘丽桑，洪涛，彭侠夫.基于LabVIEW的虚拟信号处理系统[J].工业控制计算机，2007，20（9）：53⁃54.

[8]汪观宝.基于LabVIEW的远程测控系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

Hydraulic components data monitoring based on network real⁃time monitoring and system research

HE Yaping
（Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China）

Abstract：For the current situation of the sets of field experiments for military hydraulic components，a distributed，net⁃work real⁃time detection and data management system is proposed and developed. In combination with software and hardware，the requiring signal is processed for filtering and denoising by the signal conditioning module，and then the acquired analog sig⁃nal after A/D conversion is transmitted to the field industrial personal computer through the data acquisition card. The data acqui⁃sition，data analysis，data storage，historical data management，fault diagnosis and warning function of the temperature，pres⁃sure，flow and other signals are realized by software programming. The remote network real⁃time monitoring is realized by means of B/S structure. The experimental results verify that the system can be applied to the hydraulic components data acquisition field，and can effectively improve the accuracy and precision of data acquisition.

Keywords：data acquisition；data analysis；data storage；hydraulic test；remote monitoring

作者简介：何亚平（1967—），男，湖南株洲人，硕士，副教授。研究方向为信号处理与检测。

收稿日期：2015⁃09⁃11

doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.01.021

中图分类号：TN911.6⁃34；TP277

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2016）01⁃0076⁃05