提升设备工况监测与故障诊断网络实验教学平台

庞新宇, 江旺旺, 高玉光, 杨兆建, 任 芳, 李娟莉

(1. 太原理工大学 机械工程学院, 山西 太原 030024； 2. 煤矿综采装备山西省重点实验室, 山西 太原 030024)

提升设备的工况监测与故障诊断实验可面向“矿山机械”“机械故障诊断学基础”“检测技术”等机械专业多门专业课程开设。通过现场实验教学,学生能够认识提升设备的工作原理和机械结构,并对其运行状态进行分析。在传统的实验教学中,涉及大型设备的实验教学只能采用演示法,而且实验的时间和空间有限,对于提升设备的机械结构及原理难以形成较完整的认识。特别是为了对提升设备各主要参数进行实时监测、对设备故障进行诊断,学生必须长时间留在实验现场,不能随时随地对设备运行情况进行远程监测。现场实验教学的模式不利于提高教学质量和学生的实验实践能力。

目前,“互联网+”正在对我国经济和社会发展产生战略性和全局性的影响,越来越多的教育界人士在探索“互联网+教育”问题[1-5]。本文综合实际教学条件,以现场实验教学设备为基础,基于互联网技术构建了提升设备工况监测与故障诊断网络实验教学平台,从而实现了对于提升设备运行工况的远程监测与诊断。

1 提升设备的网络实验教学平台架构

提升设备工况监测与故障诊断网络实验教学平台是基于现场实验教学平台开发的,平台构成如图1所示。现场的工控机通过组态软件[6]开发出现场实验教学平台,并将传感器采集到的信号传输到局域网服务器,再利用远程数据传输技术将数据实时传送至远程诊断中心的服务器上。远程诊断中心基于Web技术[7]开发出提升设备监测与故障诊断网络实验教学平台。根据学习终端的不同,网络实验教学平台分为互联网实验教学子平台和移动互联网实验教学子平台。学生、教师以及校外学习者可通过自己所拥有的学习终端选择相应的网络平台,对提升设备的工况监测与故障诊断进行远程实时监控。

图1 网络实验教学平台构成图

1.1 互联网实验教学子平台的功能模块

互联网实验教学子平台是在现场实验教学基础上,将现场采集到的主要参数的变化实时传输至远程诊断中心,再基于Web技术和B/S模式[8]开发出一个可通过浏览器登录访问的远程监测平台,即为互联网实验教学子平台。为便于实验教学,该子平台还增加了实验数据等相关资料的保存与打印功能。为了使网络教学清晰化、条理化,平台将提升设备的工作结构分为运行、制动、电控、主轴和磁粉制动器加载等5个系统,对这5个系统分别进行相关参数的实时监测与故障诊断,便于对提升设备的全面、整体性监控。互联网实验教学子平台包括11个功能模块,其中的设备监测与设备诊断模块以运行系统等5个系统为对象，进行实时监测和故障诊断(见图2)。

图2 互联网实验教学子平台功能模块图

由于主轴装置的故障诊断方法与其他系统的诊断方法不同,它需要通过收集相关的振动信息进行故障诊断,因此在主轴装置的故障诊断方法中采用了在语音识别领域有重大应用的隐马尔可夫模型(HMM)[9-10]。设备选型模块根据使用者提供的设备参数来选择相应的提升机型号[11]；学术论文模块则提供了有关提升机方面的相关文献,供学生阅读和下载；设备资料模块包含设备参数、文字资料和图纸资料3个子模块,通过这3个子模块,学生可以对该提升机各部件的具体参数、机械结构及工作原理有一定的认识和了解；其余模块为用户提供了相关的国家技术标准、操作规章、安全制度、相关书籍、实用设备故障诊断技术知识,便于用户快速了解与提升机相关的内容。

1.2 移动互联网实验教学子平台功能模块

为了更好地利用智能手机等移动设备进行互联网实验教学,在互联网子平台的基础上进行了优化与改进,开发出可以通过手机主流浏览器登录访问的移动远程监测平台,即移动互联网实验教学子平台。

移动互联网实验教学子平台的功能模块大体上与互联网实验教学子平台一致,但由于移动设备的触屏尺寸较小、显示内容较少,在整合和去除部分互联网实验教学子平台的功能模块后,开发了7个功能模块和11个子模块(见图3),各模块以及子模块的功能与互联网平台的模块功能相同。

图3 移动互联网实验教学子平台功能模块图

2 网络实验教学平台的应用

以煤矿综采装备山西省重点实验室2JTP-1.2×1.0P矿用提升机为例,说明互联网实验教学子平台和移动互联网实验教学子平台在实验教学中的应用。

2.1 互联网实验教学子平台

互联网实验教学子平台的应用使得实验教学地点不再拘泥于固定的实验室,学生可以利用电脑和互联网随时随地对提升设备的运行情况进行远程监测与诊断实验。学生打开浏览器,经过简单的身份认证即可登录互联网实验教学子平台进行实验。

(1) 设备监测实验。学生可通过互联网实验教学子平台主界面导航栏中的“监测首页”查看运行系统、制动系统等5个系统各主要参数的实时值、趋势曲线以及历史数据等内容。以运行系统为例,技术参数界面能够显示其各主要技术参数的实时值及相关的技术参数；趋势曲线界面能够显示提升速度等参数的趋势曲线图,使学生能够更直观地观察系统的运行状况和变化趋势,以避免设备发生严重故障；在数据查询界面可通过输入查询日期来查看各主要参数的历史数据(若不输入日期,则显示的是当前数据)。

(2) 设备诊断实验。通过互联网实验教学子平台主界面的“设备诊断”模块,学生可以查看到提升设备5个系统的故障情况,以及对故障原因的分析。提升设备的故障诊断包括模拟量和数字量。系统不仅可以根据自行设定的模拟量的阈值进行故障诊断和报警,还可根据人工输入量来进行模拟故障报警[11]。当提升设备运行时出现超速、变频电流过大、电机转速过大等故障时会报警。学生可在“原因分析”子模块中查找导致故障的原因,为设备的维修提供必要的参考。

2.2 移动互联网实验教学子平台

移动互联网实验教学子平台相比于互联网实验教学子平台更加方便,因为它不受地理位置的限制,不需要像电脑那样在一个常用的办公区域通过互联网进行实验。学生凭借4G、Wi-Fi等先进的网络技术，在宿舍、食堂、教室,甚至是路上都可对实验设备进行远程监测与诊断。学生在移动端浏览器通过身份认证后,便可访问移动互联网实验教学子平台。

通过移动端主界面导航栏中的“设备监测”“趋势曲线”“设备诊断”等功能按键,可以对提升设备主要参数的实时值、趋势曲线、故障诊断等进行远程监控。图4为制动系统移动端的设备监测界面、趋势曲线图界面和故障报警界面。通过这些界面,学生可以远程查看制动系统各主要参数的当前值、趋势曲线图以及制动系统的运行状况。图4(c)显示制动系统出现闸1力不足和闸4间距过大的故障报警。学生可通过“原因分析”子模块查看故障原因,及时做出判断,避免造成重大设备事故。

3 网络实验教学平台应用范围及优势

提升设备工况监测与故障诊断网络实验教学平台不仅包括提升机的机械结构、液压系统和制动系统,而且涵盖了电气控制、信号采集和无线传输等内容,是一个综合性的实验教学平台。该平台可面向机械设计制造及其自动化专业的学生开设多门课程的10多项必修和选修实验,例如提升设备的机械结构及电气控制实验、工况远程监测与故障诊断实验、转速控制实验、运行参数测量实验等。通过实验,学生可将课堂所学知识与实际机械设备很好地结合起来,有助于对专业知识更好地理解和应用。学生还可利用该平台完成毕业设计、创新创业训练项目,以及与远程诊断、大数据分析等相关课题的研究。

提升设备工况监测与故障诊断网络实验教学平台主要体现出3方面的优势。

(1) 实验时间、场合更加灵活。与传统的现场实验教学模式相比,网络实验教学平台不依赖于固定的时间和固定的地点,学生可以通过网络、计算机或移动终端随时随地进行远程提升设备的工况监测与故障诊断实验,使实验教学处于主动、开放、自由的状态[1],从而提高学生的积极性,改善传统实验教学的客观条件,实现实验教学的网络化与信息化。

图4 移动互联网实验教学子平台制动系统工作界面

(2) 使学生的基础知识更加扎实。通过网络实验教学平台,学生不仅可以对提升设备进行远程监测与诊断,而且还可以通过网络平台的其他功能模块详细阅读提升设备的工作原理、结构以及系统诊断等相关文献,并可随时将文献下载保存。这种新的学习途径便于学生及时掌握提升设备的相关知识。

(3) 适应复合型人才的培养。通过提升设备工况监测与故障诊断现场和互联网实验教学平台,学生不仅可以掌握有关提升设备的知识,还可以学习传感器的功能、选择及使用知识,对C语言等编程语言也有更多的了解。借助该平台可进行更多的系统开发和创新实验,网络实验教学平台对于学生自身的知识范畴以及复合人才培养都具有重要的意义。

4 结语

充分利用互联网技术对传统的提升设备实验教学平台进行升级改造,使得实验设备一直处于“在线状态”。学生、教师以及校外用户均可通过电脑、手机等客户端的浏览器对提升设备的运行情况进行远程实时监测与诊断实验,真正实现了智慧教育的“时时、处处、人人”的办学理念[12-13]。该平台还可以实现传统实验教学平台的网络化、信息化与数字化,促进数字校园的建设。该网络实验教学平台的实时性极大地方便了学习者的学习,不仅可以提高教师的教学效率、提高学生实验学习的积极性,而且还可以打通高校与科研机构间的教学壁垒,提高设备的利用率,为师生提供一个现场、互联网和移动互联网全方位的教学体验。