賈惠芹 黨瑞榮

(西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引言

軍用試驗(yàn)基地的測(cè)控裝備承擔(dān)了多種軍用試驗(yàn)任務(wù)，且分布在比較偏遠(yuǎn)的高山、海島。而熟悉具體裝備型號(hào)性能的專家則分布在不同的地理位置，當(dāng)裝備發(fā)生故障時(shí)，他們難以及時(shí)趕到故障現(xiàn)場(chǎng)。在這種情況下，產(chǎn)品試驗(yàn)基地急需一種能實(shí)時(shí)地給裝備操管人員提供維修意見的故障診斷系統(tǒng)。

目前有一些較成熟的遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)，例如DataSocket技術(shù)。該技術(shù)為底層通信協(xié)議提供了統(tǒng)一的編程接口，極大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)編程［1－2］。Winsock技術(shù)則是Windows下得到廣泛應(yīng)用的、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口，已被應(yīng)用于數(shù)控按鍵荷重測(cè)試機(jī)系統(tǒng)［3－5］。但這些系統(tǒng)需要傳輸?shù)男畔⒑筒l(fā)通信的用戶相對(duì)較少。本文根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)信息的特征，開發(fā)了測(cè)控裝備故障檢測(cè)點(diǎn)信息采集與傳輸系統(tǒng)［6］。

1 檢測(cè)點(diǎn)的采集模型設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)點(diǎn)信息特征分析

測(cè)控裝備故障檢測(cè)點(diǎn)信息采集與傳輸系統(tǒng)需要傳輸?shù)男畔⒖煞譃橐韵聝深愋畔ⅰ?/p>

①配置信息類，如系統(tǒng)配置信息、用戶權(quán)限信息、裝備檢測(cè)終端IP地址、儀器名稱等。這類信息用于獲取檢測(cè)點(diǎn)的儀器配置信息、檢測(cè)點(diǎn)的物理位置、用戶的控制權(quán)限設(shè)置信息、邏輯位置以及檢測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值等信息，所占空間很小(1 kB左右)。

②用于采集檢測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬儀器界面，由于要采集連續(xù)波形數(shù)據(jù)，該信息所占的空間較大(大于1 MB)。

1.2 檢測(cè)點(diǎn)采集模型設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了客戶/服務(wù)器傳輸結(jié)構(gòu)，主要由多個(gè)本地裝備檢測(cè)終端、中心站服務(wù)器、DataSocket服務(wù)器和Web服務(wù)器組成。

裝備檢測(cè)終端放置在各個(gè)測(cè)量站，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控裝備相應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)信息的采集和分析。對(duì)檢測(cè)點(diǎn)本地信息的采集采用虛擬儀器的PXI總線控制方案。處理器采用嵌入式零槽控制器，以便裝備檢測(cè)終端的移動(dòng)。本系統(tǒng)有萬(wàn)用表模塊、示波器模塊和頻譜分析儀三個(gè)測(cè)試模塊。系統(tǒng)利用萬(wàn)用表模塊配合檢測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控裝備某個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的電壓、電流和電阻的測(cè)試;利用示波器模塊配合開發(fā)的示波器軟面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控裝備某個(gè)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形和相關(guān)參數(shù)的測(cè)量;通過USB-GPIB控制器控制硬件頻譜分析儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率范圍為30 kHz～3 GHz的信號(hào)的頻譜測(cè)量。

中心站服務(wù)器放置在診斷中心，它和裝備檢測(cè)終端通過IP網(wǎng)絡(luò)相連接。專家通過中心站服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取測(cè)控裝備檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)試信息，并利用所設(shè)計(jì)的故障診斷軟件對(duì)測(cè)控裝備的狀態(tài)進(jìn)行診斷。

DataSocket服務(wù)器是一種基于DataSocket技術(shù)設(shè)計(jì)而成的軟件服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)指令等信息的遠(yuǎn)程傳輸功能。本系統(tǒng)的DataSocket服務(wù)器用來實(shí)現(xiàn)裝備檢測(cè)終端和中心站服務(wù)器之間測(cè)試指令信息和用戶權(quán)限的數(shù)據(jù)交換［7］。

Web服務(wù)器用于在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建和部署Web應(yīng)用，使HTTP客戶端可訪問這些應(yīng)用。本系統(tǒng)利用Web服務(wù)器傳輸檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

檢測(cè)點(diǎn)采集模型如圖1所示。

圖1 檢測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程采集模型Fig.1 Remote acquisition model of the detection point

1.3 數(shù)據(jù)傳輸方法分析

最初設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸都通過DataSocket數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，但測(cè)量站的IP網(wǎng)絡(luò)帶寬為2 MHz，在此帶寬上進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)牟ㄐ螖?shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)更新。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)發(fā)現(xiàn)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬很大(2 MHz左右)。在這種情況下，由于系統(tǒng)配置信息(IP地址、被控儀器名稱、檢測(cè)點(diǎn)信息等)所占空間小，可通過DataSocket服務(wù)器來傳輸;而對(duì)于“檢測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)”，則利用Web服務(wù)器結(jié)合遠(yuǎn)程面板技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閃eb服務(wù)器可把虛擬儀器的軟面板實(shí)時(shí)發(fā)布到中心站服務(wù)器。

在檢測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程采集模型中，裝備檢測(cè)終端和中心站服務(wù)器接入IP網(wǎng)絡(luò)以后，專家在控制室便可遠(yuǎn)程操作故障診斷軟件。當(dāng)專家選擇了裝備檢測(cè)終端的IP地址、檢測(cè)點(diǎn)名稱和用于檢測(cè)的儀器名稱后，裝備檢測(cè)終端的故障檢測(cè)點(diǎn)信息便會(huì)傳輸?shù)綄＜宜诘闹行恼尽＼浖詣?dòng)將接收到的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作比對(duì)，為故障樹診斷或者專家判斷提供第一手資料，最終可確定故障檢測(cè)點(diǎn)的位置［8］。在這個(gè)過程中，DataSocket服務(wù)器用于傳輸儀器的配置信息指令，Web服務(wù)器用于傳輸故障檢測(cè)點(diǎn)的信息。這樣只需要設(shè)定儀器的IP地址和儀器名稱，就可通過設(shè)計(jì)程控軟件把圖1中的裝備檢測(cè)終端通過IP網(wǎng)絡(luò)連接起來，專家就可以在辦公室遠(yuǎn)程協(xié)同診斷裝備出現(xiàn)的問題。當(dāng)裝備出現(xiàn)故障時(shí)，專家通過遠(yuǎn)程故障診斷軟件，選擇出現(xiàn)故障的裝備檢測(cè)終端的IP地址和用于檢測(cè)的儀器;裝備檢測(cè)終端通過DataSocket服務(wù)器在接收到上述系統(tǒng)配置信息指令后，通過Web服務(wù)器把故障檢測(cè)點(diǎn)信息遠(yuǎn)程采集到專家所在的中心站或其他裝備端;在遠(yuǎn)程故障診斷軟件平臺(tái)上，把接收到的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作比對(duì)，為故障樹診斷或?qū)＜遗袛嗵峁┑谝皇仲Y料，從而最終確定故障檢測(cè)點(diǎn)位置［8］。

在RNS協(xié)議中，首先A生成隨機(jī)數(shù)RA以及A和B的身份信息用密鑰EA_S加密后連同A的身份信息一起發(fā)送給B；接著B將生成隨機(jī)數(shù)RB和B的身份信息以及剛剛收到的EA_S密文和B選擇的時(shí)間戳TB用EB_S加密后發(fā)送給S；然后S解密EA_S，EB_S密文并生成A，B間的會(huì)話密鑰K，用EA_S加密K,RA,TB和B的身份信息，用EA_S加密K,TB和A的身份信息，將密文和RB發(fā)送A；最后A解密EA_S密文，用K加密RB連同EB_S加密信息一起發(fā)送給B。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在LabVIEW環(huán)境下，利用上述的檢測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程采集模型，設(shè)計(jì)了測(cè)控裝備遠(yuǎn)程故障檢測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的開發(fā)過程中，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 配置信息的傳輸方法

配置信息設(shè)計(jì)時(shí)，通過在DataSocket服務(wù)器的管理器下新增系統(tǒng)配置信息的“測(cè)試條目”，同時(shí)給“系統(tǒng)配置信息”控件添加其“數(shù)據(jù)綁定”屬性，然后就可以通過數(shù)據(jù)綁定讀寫相應(yīng)“測(cè)試條目”的值。數(shù)據(jù)綁定是將前面板對(duì)象綁定至網(wǎng)絡(luò)發(fā)布項(xiàng)目以及網(wǎng)絡(luò)上的共享變量引擎數(shù)據(jù)項(xiàng)。如果某個(gè)虛擬儀器用于獲取檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)波形信息，可以對(duì)虛擬儀器前面板上的控件設(shè)計(jì)成共享變量項(xiàng)，這樣在中心站的專家就可以通過已經(jīng)被設(shè)計(jì)為共享變量的控件來控制選擇相應(yīng)的虛擬儀器和測(cè)量站。

在其他的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，大多采用單獨(dú)運(yùn)行DataSocket可執(zhí)行的應(yīng)用程序，這樣的設(shè)計(jì)方法使用時(shí)很不方便。為此本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)加載DataSocket服務(wù)器的程序，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。通過IP地址轉(zhuǎn)換和設(shè)置虛擬儀器(virtual instrument，VI)的屬性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DataSocket服務(wù)器的自動(dòng)加載。

圖2 DataSocket服務(wù)器自動(dòng)加載流程圖Fig.2 Automatic loading method for DataSocket server

2.2 測(cè)試波形的采集方法

利用遠(yuǎn)程面板技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器界面的實(shí)時(shí)控制，這樣中心站的專家就可以通過調(diào)節(jié)儀器的參數(shù)，獲取遠(yuǎn)程檢測(cè)點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)。檢測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)采用順序結(jié)構(gòu)嵌套條件型循環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在順序結(jié)構(gòu)的第一幀中，首先加載DataSocket服務(wù)器;然后進(jìn)入順序結(jié)構(gòu)的第二幀，從DataSocket服務(wù)器獲取請(qǐng)求控制的儀器名稱，根據(jù)選擇的儀器名稱通過動(dòng)態(tài)調(diào)用的方式把儀器面板顯示在界面上。而對(duì)于中心站的請(qǐng)求控制端來說，程序動(dòng)態(tài)加載Web服務(wù)器，通過相應(yīng)的HTTP端口獲取被控端儀器的遠(yuǎn)程面板。經(jīng)過上述過程即可實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求控制端對(duì)被控端虛擬儀器的調(diào)用［9］。配置信息文件的編輯過程如圖3所示。

圖3 配置文件的自動(dòng)編輯流程圖Fig.3 Automatic editing method for configuration file

由于網(wǎng)頁(yè)瀏覽工具也采用HTTP協(xié)議，且選用的HTTP端口默認(rèn)是80，而這個(gè)HTTP端口必須是唯一的，因此需要重新配置一個(gè)用于獲取檢測(cè)點(diǎn)采集界面的HTTP端口號(hào)。本系統(tǒng)所用的前端用戶界面軟件版本為L(zhǎng)abVIEW8.6。該軟件提供了對(duì)Web服務(wù)器的啟動(dòng)屬性，但是未提供對(duì)HTTP端口的軟件配置方法。因此，本軟件采用了編輯配置文件的方式來改寫HTTP的端口號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)，首先讀取Web服務(wù)器配置文件中的HTTP端口號(hào)，然后改寫HTTP端口號(hào)，最后保存Web服務(wù)器的配置文件。

2.3 數(shù)據(jù)壓縮算法

在上述情況下，必然要考慮有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬是否能保證數(shù)據(jù)順暢的傳輸。因此，為了保證能把被控端的測(cè)試數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)礁魑粚＜颐媲?，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，以減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。

在不影響原始波形的情況下，運(yùn)用了數(shù)據(jù)抽取方法，將原始數(shù)據(jù)點(diǎn)壓縮為少量數(shù)據(jù)點(diǎn)。假設(shè)壓縮前構(gòu)成信號(hào)的點(diǎn)數(shù)為N1，壓縮后構(gòu)成信號(hào)的點(diǎn)數(shù)為N2，壓縮因子為K，壓縮方法為M，通過設(shè)置合適的壓縮因子K和壓縮方法M來達(dá)到減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，具體表達(dá)式為:

壓縮方法M有以下幾種:①均值法，它返回每段的平均值作為結(jié)果信號(hào)輸出;②最大值法和最小值法，在每段中使用最大值法或最小值法來壓縮輸入信號(hào)。

3 模型測(cè)試方法與結(jié)果

3.1 模型測(cè)試方法

利用上述檢測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程采集模型設(shè)計(jì)了測(cè)控裝備遠(yuǎn)程故障檢測(cè)系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)運(yùn)行在2 MHz網(wǎng)絡(luò)下。裝備端檢測(cè)終端放置在各個(gè)測(cè)量站，中心站服務(wù)器放置在中心站機(jī)房。專家在故障診斷軟件中選擇要連接的被控端IP地址和所要連接的儀器名稱，裝備檢測(cè)終端把中心站請(qǐng)求的儀器面板傳輸?shù)街行恼尽？刂贫苏?qǐng)求裝備端檢測(cè)終端后，裝備端調(diào)用了一個(gè)示波器的界面，并實(shí)時(shí)把該界面?zhèn)鬏數(shù)街行恼?。專家可?qǐng)求獲得儀器的控制權(quán)，獲得控制權(quán)后，就可以調(diào)節(jié)示波器的幅度、時(shí)基、觸發(fā)模式、耦合模式、探針?biāo)p等參數(shù)，還可以設(shè)置壓縮因子，通過此壓縮因子就可調(diào)節(jié)波形數(shù)據(jù)的大小。示波器的控制界面也可處于瀏覽模式，其他專家可瀏覽某一個(gè)測(cè)控裝備檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，中心站的故障診斷軟件根據(jù)此虛擬儀器采集的故障檢測(cè)點(diǎn)的波形與標(biāo)準(zhǔn)波形比對(duì)，可利用建立的故障樹對(duì)測(cè)控裝備進(jìn)行故障定位。通過在2 MHz試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得出如下結(jié)論。

①單個(gè)用戶訪問萬(wàn)用表時(shí)，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為100 kHz;而對(duì)于示波器，由于采樣率較高，所以在不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮時(shí)，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為1 MHz;當(dāng)選擇壓縮因子為2時(shí)，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為600 kHz;當(dāng)壓縮因子為10時(shí)，波形仍然未畸變，這時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為300 kHz。

②檢測(cè)點(diǎn)信息的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間在2 s之內(nèi)。

③故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率均小于1%。

上述測(cè)試結(jié)果滿足實(shí)際的使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了測(cè)控裝備的故障檢測(cè)點(diǎn)信息遠(yuǎn)程采集模型，并把該方法應(yīng)用到測(cè)控裝備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)點(diǎn)信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集。文中給出了具體的硬件配置方法和軟件設(shè)計(jì)方法。將這些方法應(yīng)用到遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中，經(jīng)在2 MHz試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)信息和測(cè)試波形數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁魑粚＜宜诘挠?jì)算機(jī)上，從而為專家進(jìn)行故障診斷提供了原始的數(shù)據(jù)支撐。測(cè)試結(jié)構(gòu)表明，檢測(cè)點(diǎn)信息的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間在2 s之內(nèi)，故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率均小于1%。

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