CN110716517B - 一种基于云平台的机械设备运行监测系统及云平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于云平台的机械设备运行监测系统及云平台，所述系统包括设备层和云平台；其中，设备层，包括待监测机械设备和设于该机械设备上的多个传感器，其中，所述多个传感器将检测的机械设备运行数据上传至云平台；云平台，包括服务器集群和所述服务器集群相应的资源池；所述资源池用于存储服务器集群的计算资源、相关应用程序以及设备层上传的运行数据；所述服务器集群基于运行数据对机械设备进行运行状态监测。本发明能够实现机械设备稳定的远程监测和调试。
Description
技术领域
本发明属于工业设备远程监测技术领域，尤其涉及一种基于云平台的机械设备运行监测系统及云平台。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着科技的快速发展,机械设备朝着大型化和复杂化方向发展，机械设备的故障种类也层出不穷，如果未能早期对故障进行检测，进而会对整体系统产生连锁反应，甚至造成人员伤亡；同时，在物联网告诉发展的今天，许多设备销往全球的各个角落，一些设备的故障原因多为操作不当或程序错误。而据发明人了解，尽管目前许多行业已经出现了远程监测平台，但这些监测平台仍然以监测为主，对于设备的检修和维护，尤其是工业机械设备的维护，目前的检修和调试仍然以现场人工检修为主，但是，若机械设备销往外地，人工检修或调试十分不便，因此，对于设备的远程操控、调试，以及远程实时监测、故障检测、寿命预测等在工业界有着很大的应用前景。而远程操控、实时监测、故障检测随之带来了海量数据实时性上传问题和系统稳定性问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于云平台的机械设备运行监测系统及云平台，实现了海量数据的实时传输，以及稳定的远程监测。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种基于云平台的机械设备运行监测系统，包括设备层和云平台；其中，
设备层，包括待监测机械设备和设于该机械设备上的多个传感器，其中，所述多个传感器将检测的机械设备运行数据上传至云平台；
云平台，包括服务器集群和所述服务器集群相应的资源池；所述资源池用于存储服务器集群的计算资源、相关应用程序以及设备层上传的运行数据；所述服务器集群基于运行数据对机械设备进行运行状态监测。
进一步地，所述系统还包括客户端，用于从云平台获取机械设备的运行数据和状态数据。
进一步地，所述服务器集群包括一个主服务器和多个从服务器，其中，主服务器用于基于资源池对服务器集群中各服务器进行负载分配。
进一步地，主服务器中设有针对从服务器的监测程序，当监测到某一从服务器运行出现故障时，将该服务器对应的计算资源从资源池中排除，重新进行负载分配。
进一步地，从服务器中设有针对主服务器的监测程序，当监测到主服务器运行出现故障时，所述多个从服务器中的一个接管主服务器的工作。
进一步地，所述客户端还用于接收设备调试请求，发送至云平台，所述设备调试请求中包括设备调试指令；云平台基于设备调试指令控制机械设备运行，并将接收到的运行数据反馈至客户端。
进一步地，云平台接收设备层传输的机械设备运行数据时，首先基于Kafka和Cassandra进行数据读取，将数据存入kafka队列；然后基于SparkStreaming把接收的数据流分成数据块存放在Spark Streaming的数据块队列中；最后通过SparkEngine对数据块队列中的数据进行数据预处理，存入关系数据库。
一个或多个实施例提供了一种机械设备运行监测云平台，包括：服务器集群和所述服务器集群相应的资源池；所述资源池用于存储服务器集群的计算资源、相关应用程序以及设备层上传的运行数据；所述服务器集群基于运行数据对机械设备进行运行状态监测。
进一步地，包括：所述服务器集群包括一个主服务器和多个从服务器，其中，主服务器用于基于资源池对服务器集群中各服务器进行负载分配。
进一步地，主服务器中设有针对从服务器的监测程序，当监测到某一从服务器运行出现故障时，将该服务器对应的计算资源从资源池中排除，重新进行负载分配。
进一步地，从服务器中设有针对主服务器的监测程序，当监测到主服务器运行出现故障时，所述多个从服务器中的一个接管主服务器的工作。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明的机械设备运行监测云平台采用了服务器集群模式，并且设置了状态监测程序，任一应用程序发生故障时，均有其他服务器进行接管，保证了系统的稳定性。并且，基于资源池进行数据管理，保证了数据的安全。
本发明能够实现机械设备的远程调试，使得销往外地的设备也能够得到及时的调试和检查，便于及时的发现问题。
本发明采用Kafka结合Spark、SQL数据库等手段，面对海量数据时拥有较大的吞吐能力和一定的缓冲能力，解决了海量数据传输的实时性问题。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一个或多个实施例中一种基于云平台的机械设备运行监测系统整体框架图；
图2为本发明一个或多个实施例中所搭建的机械设备实验平台。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例公开了一种基于云平台的机械设备运行监测系统，包括：设备层、客户端和云平台。
设备层包括待监测机械设备和设置于机械设备上的多路传感器。所述机械设备的电机和制动机构与云平台连接；多路传感器用于实时采集机械设备的运行数据，通过网络将运行数据传输到云平台。
待检测机械设备可以是机床、航空发动机、风机、汽轮机、轮机等机械设备。本实施例中，搭建了传统旋转机械实验平台，配备两个8通道智能数据终端，能同时完成16通道传感器的信号采集任务。
云平台，包括：可配置资源池和服务器集群。
可配置资源池，用于管理机械设备运行监测云平台所包含的多个服务器、网络资源、所涉及的应用程序、基于设备层获取的机械设备运行历史数据，以及各服务器的计算资源，包括：CPU、存储等其它基本的计算资源。应用程序包括应用程序运行状态监测程序、机械设备运行控制程序、机械设备运行状态监测程序、故障诊断程序等。
服务器集群包括多个服务器和千兆网络交换机，其中一个服务器被指定为主服务器，其他服务器为从服务器。其中，主服务器接收客户端发送的用户请求，基于可配置资源池对服务器集群进行自适应资源配置。
其中，所述用户请求可以为实时监测请求，或调试请求。基于可配置资源池对服务器集群进行自适应资源配置包括：基于用户请求获取所需应用程序，根据应用程序所需计算资源，分配可运行该应用程序的一个或多个服务器。当运行应用程序需要较小的运算资源时，这个应用程序所占的那部分资源可能就只来自于一个服务器，当运行应用程序需要较大的运算资源时(一台服务器的运算资源不足以支持其运行时)，这个应用程序所占的那部分资源就来自多台服务器。
服务器集群中的各服务器基于可配置资源池中的数据，执行所分配的应用程序。本实施例中，服务器集群在正常运转时，应用只在主服务器上运行，并且只有这台服务器才能操控该应用在资源池上的数据区，其他服务器与主服务器一起分担数据库计算任务，改善关键大型应用的响应时间。
服务器上的硬件损坏，操作系统死机，应用软件故障，或者人为误操作都有可能导致应用程序停止运行，从而导致云平台服务中断。因此，为了保证应用程序的正常运行，服务器集群中的各服务器均存储监控程序，对其他服务器应用程序的运行状态进行监测，具体地，主从服务器之间设有监测程序。
主服务器实时监测应用程序的运行状态，当应用程序停止时监测程序会对所述多个服务器进行排查，确定引起故障的计算资源，从资源池中排除该部分资源，重新进行自适应资源分配。具体地，若主服务器监测到从服务器应用程序出现故障时，当前主服务器发出指令，将这台服务器与系统隔离，并通过各服务器的负载转嫁机制完成新的负载分配。例如，主服务器监测到服务器1中应用程序中断，将该终端的应用程序分配给服务器2，由服务器2重新启动该应用程序，并接管资源池中相应数据，保证应用程序的持续执行。
若某一从服务器监测到当前主服务器中的应用发生故障，根据优先级顺序，由集群中一个从服务器接管主服务器的工作，重新启动这个应用，接管位于资源池上的数据区，进而使应用重新正常运转。具体地，各服务器均存储优先级顺序表，当前主服务器需切换时，各从服务器从顺序表中判断是否应由自身接管主服务器工作；我们有两台从服务器(从服务器1和从服务器2)，具有优先级，从服务器1会首先接管应用程序和相应数据区并重新规划计算任务分配。
由于云计算资源均存储到资源池，软件的故障不会导致信息的丢失。即使主服务器发生故障，新确立的主服务器也会接管之前的数据，保证了应用程序的稳定运行。
服务器集群接收数据并进行存储包括：
主服务器接收多路传感器实时传输的运行数据，基于Kafka和Cassandra进行数据读取，将数据存入kafka队列；
SparkStreaming把接收的数据流分成数据块存放在Spark Streaming的数据块队列中；
SparkEngine对数据块队列中的数据进行数据预处理，存入MySQL关系数据库中。
客户端，包括：
用户权限管理模块，用于管理用户的访问权限，包括但不限于账号登陆形式。
异常信息提醒模块，接收云平台发送的当监测到机械设备异常时的状态判断结果。
历史数据查看模块，从云平台获取机械设备的历史运行数据和状态判断数据。
机械设备调试模块，用于向云平台发出调试请求，所述服务请求包括对机械设备的调试指令，例如设置某个马达预期的回转数；从而机械设备能够根据运维人员的调试需求，按需调节运行状态，便于发现机械设备存在的问题。
远程部署模块，用于对云平台资源池中的应用程序进行远程部署，或者自定义的对云平台中计算资源进行部署。用户能够部署和运行任意软件，包括操作系统和应用程序。用户不管理或控制任何云计算基础设施，但能控制操作系统的选择、存储空间、部署的应用。例如，采用主服务器优先执行所有应用程序，其他服务器主要实现存储功能。
对于由设备层采集到的数据，用户可以实时读取完成设备运行数据的远程实时监控，当配置相应的机械信号状态检测算法时，可以完成远程实时检测；同时，用户也可以利用服务器硬件资源，上传用户资料到数据库，或者查询读取数据库中的历史数据。
客户端提供远程可编程操控、实时在线数据获取、上传\查询数据库资源等的服务。可以实时查看设备运行状态，搭配相关机械信号变化点检测算法，可以完成设备实时故障检测与算法验证。
客户端可以是PC、IPAD和手机APP，在此不做限定。
工作状态时，客户端提出服务请求，传感器采集数据，由智能数据终端通过网络上传到服务器，服务器中的数据可以实时传输到客户端用于远程实时监测，也可以写入数据库由用户非实时查询，同时，用户也可以配置相关机械信号状态检测算法，对采集到的设备状态信号进行实时检测。此外，该云平台还可以提供普通的计算资源服务，用户远程部署相关进程在服务器端，使计算更加高效。
本实施例搭建了旋转机械试验平台，设有电机，所述电机的输出轴与第一减速器的输入端连接，第一减速器的输出端与第一动态扭矩传感器的输入端连接。所述第一动态扭矩传感器的输出端与第二减速器的输入端连接，所述第二减速器的输出端与负载连接，所述负载与制动器连接。
所述负载包括转盘，与负载连接的制动器能够对转盘施加不同的制动力，以改变转盘模拟负载的大小。所述转盘上设有安装孔，所述安装孔中安装有配重块，所述配重块能够模拟转子不平衡转动的情况。
所述转盘具有转轴，所述转轴的一端与第二扭矩传感器连接，另一端与制动器连接，所述转盘两侧的转轴分别通过轴承座支撑。所述第一减速器、第二减速器和轴承座中均具有传感器布置口，所述传感器布置口用于安装振动传感器、温度传感器和声音传感器。具体的，第一减速器与第一扭矩传感器、第一扭矩传感器与第二减速器，齿轮减速箱与第二扭矩传感器之间分别通过凸缘联轴器连接。
电机和制动器分别通过电机控制器和制动器控制器与云平台信号连接；云平台能够控制电机的转速以及制动器的制动力。
所述第二动态扭矩传感器的输出端通过凸缘联轴器与延长轴连接，所述延长轴的另一端通过弹性联轴器与转盘连接。具体的，第一减速器与第一扭矩传感器、第一扭矩传感器与第二减速器，齿轮减速箱与第二扭矩传感器之间分别通过凸缘联轴器连接。
需要调试时，客户端接收用户输入的调试指令发送至云平台，由云平台远程发出指令，控制电机转动，电机首先与一个第一减速器相连，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大的转矩；而后，第一扭矩传感器可以将主轴旋转的机械信号转化成电信号输出，并且可以动态实时输出。对电机转速进行动态编程调节，可以查看速度变化时，设备的状态信息。
以上一个或多个实施例具有以下技术效果：
本发明的机械设备运行监测云平台采用了服务器集群模式，并且设置了状态监测程序，任一应用程序发生故障时，均有其他服务器进行接管，保证了系统的稳定性。并且，基于资源池进行数据管理，保证了数据的安全。
本发明能够实现机械设备的远程调试，使得销往外地的设备也能够得到及时的调试和检查，便于及时的发现问题。
本发明采用Kafka结合Spark、SQL数据库等手段，面对海量数据时拥有较大的吞吐能力和一定的缓冲能力，解决了海量数据传输的实时性问题。
利用数据采集终端得到的设备状态信息，在云服务器端对数据进行下一步的分析处理，然后将分析结果利用无线网络传输到用户，即在更加靠近数据源的地方执行计算，完成边缘计算，这样具有较高的计算效率，结果更加可靠。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种基于云平台的机械设备运行监测系统，其特征在于，包括设备层、云平台和客户端；其中，
设备层，包括待监测机械设备和设于该机械设备上的多个传感器，其中，所述多个传感器将检测的机械设备运行数据上传至云平台；
云平台，包括服务器集群和所述服务器集群相应的可配置资源池；所述资源池用于存储服务器集群的计算资源、相关应用程序以及设备层上传的运行数据；所述服务器集群基于运行数据对机械设备进行运行状态监测；
基于可配置资源池对服务器集群进行自适应资源配置包括：基于用户请求获取所需应用程序，其中，用户请求包括实时监测请求和调试请求；根据应用程序所需计算资源，分配可运行该应用程序的一个或多个服务器；当运行应用程序需要较小的运算资源时，这个应用程序所占的那部分资源只来自于一个服务器，当运行应用程序需要较大的运算资源时，这个应用程序所占的那部分资源来自多台服务器；服务器集群在正常运转时，应用只在主服务器上运行，并且只有这台服务器才能操控该应用在资源池上的数据区，其他服务器与主服务器一起分担数据库计算任务；
所述机械设备为旋转机械试验平台，设有电机，所述电机的输出轴与第一减速器的输入端连接，第一减速器的输出端与第一动态扭矩传感器的输入端连接；所述第一动态扭矩传感器的输出端与第二减速器的输入端连接，所述第二减速器的输出端与负载连接，所述负载与制动器连接；
所述负载包括转盘；所述转盘具有转轴，所述转轴的一端与第二扭矩传感器连接，另一端与制动器连接，所述转盘两侧的转轴分别通过轴承座支撑；所述第一减速器、第二减速器和轴承座中均具有传感器布置口，所述传感器布置口用于安装振动传感器、温度传感器和声音传感器；具体的，第一减速器与第一扭矩传感器、第一扭矩传感器与第二减速器，齿轮减速箱与第二扭矩传感器之间分别通过凸缘联轴器连接；
客户端，用于实时查看设备运行状态，搭配机械信号变化点检测算法，完成设备实时故障检测与算法验证；还用于接收设备调试请求，发送至云平台，所述设备调试请求中包括设备调试指令；云平台基于设备调试指令控制机械设备运行，并将接收到的运行数据反馈至客户端。
2.如权利要求1所述的一种基于云平台的机械设备运行监测系统，其特征在于，所述系统还包括客户端，用于从云平台获取机械设备的运行数据和状态数据。
3.如权利要求1所述的一种基于云平台的机械设备运行监测系统，其特征在于，所述服务器集群包括一个主服务器和多个从服务器，其中，主服务器用于基于资源池对服务器集群中各服务器进行负载分配。
4.如权利要求3所述的一种基于云平台的机械设备运行监测系统，其特征在于，主服务器中设有针对从服务器的监测程序，当监测到某一从服务器运行出现故障时，将该服务器对应的计算资源从资源池中排除，重新进行负载分配。
5.如权利要求3所述的一种基于云平台的机械设备运行监测系统，其特征在于，从服务器中设有针对主服务器的监测程序，当监测到主服务器运行出现故障时，所述多个从服务器中的一个接管主服务器的工作。
6.如权利要求1所述的一种基于云平台的机械设备运行监测系统，其特征在于，云平台接收设备层传输的机械设备运行数据时，首先基于Kafka和Cassandra进行数据读取，将数据存入kafka队列；然后基于SparkStreaming把接收的数据流分成数据块存放在SparkStreaming的数据块队列中；最后通过SparkEngine对数据块队列中的数据进行数据预处理，存入关系数据库。
7.一种机械设备运行监测云平台，其特征在于，包括：服务器集群和所述服务器集群相应的可配置资源池；所述资源池用于存储服务器集群的计算资源、相关应用程序以及设备层上传的运行数据；所述服务器集群基于运行数据对机械设备进行运行状态监测；
基于可配置资源池对服务器集群进行自适应资源配置包括：基于用户请求获取所需应用程序，其中，用户请求包括实时监测请求和调试请求；根据应用程序所需计算资源，分配可运行该应用程序的一个或多个服务器；当运行应用程序需要较小的运算资源时，这个应用程序所占的那部分资源只来自于一个服务器，当运行应用程序需要较大的运算资源时，这个应用程序所占的那部分资源来自多台服务器；服务器集群在正常运转时，应用只在主服务器上运行，并且只有这台服务器才能操控该应用在资源池上的数据区，其他服务器与主服务器一起分担数据库计算任务；
所述机械设备为旋转机械试验平台，设有电机，所述电机的输出轴与第一减速器的输入端连接，第一减速器的输出端与第一动态扭矩传感器的输入端连接；所述第一动态扭矩传感器的输出端与第二减速器的输入端连接，所述第二减速器的输出端与负载连接，所述负载与制动器连接；
所述负载包括转盘；所述转盘具有转轴，所述转轴的一端与第二扭矩传感器连接，另一端与制动器连接，所述转盘两侧的转轴分别通过轴承座支撑；所述第一减速器、第二减速器和轴承座中均具有传感器布置口，所述传感器布置口用于安装振动传感器、温度传感器和声音传感器；具体的，第一减速器与第一扭矩传感器、第一扭矩传感器与第二减速器，齿轮减速箱与第二扭矩传感器之间分别通过凸缘联轴器连接；
接收客户端发送的设备调试请求，所述设备调试请求中包括设备调试指令；云平台基于设备调试指令控制机械设备运行，并将接收到的运行数据反馈至客户端；其中，客户端还用于实时查看设备运行状态，搭配机械信号变化点检测算法，完成设备实时故障检测与算法验证。
8.如权利要求7所述的一种机械设备运行监测云平台，其特征在于，包括：所述服务器集群包括一个主服务器和多个从服务器，其中，主服务器用于基于资源池对服务器集群中各服务器进行负载分配。
9.如权利要求8所述的一种机械设备运行监测云平台，其特征在于，主服务器中设有针对从服务器的监测程序，当监测到某一从服务器运行出现故障时，将该服务器对应的计算资源从资源池中排除，重新进行负载分配；
从服务器中设有针对主服务器的监测程序，当监测到主服务器运行出现故障时，所述多个从服务器中的一个接管主服务器的工作。
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