试议工程机械概述嵌入式工程机械液压故障诊断体系

论文导读：
摘 要：为了提高工程机械液压系统的使用效率和可靠性，提出了一种基于嵌入式系统平台在线状态监测与故障诊断系统。该系统充分发挥PC104嵌入式计算机低成本、高可靠性等优势，利用工程机械上多种可以测取的信号，将神经网络与专家系统相结合，可实现工程机械液压系统的状态报警和故障诊断。本文详细讨论了系统的硬件构成和软件结构以及系统的工作流程。
关键词：工程机械；液压系统；状态监测；故障诊断；嵌入式系统
1 工程机械液压系统故障的特点：
(1)故障的多样性和复杂性 液压系统的故障是多种多样的，且多数情况下是几个故障同时出现。
(2)故障的隐蔽性 液压系统是依靠密闭在管道内的压力油液来传递动力的，系统采用的元件内部结构和工作状况无法从外表直接观察。
(3)同一故障原因和同一原因故障的多样性 液压系统同一故障的原因可能有多个，而这些原因常相互交织在一起互相影响。
(4)故障难于分析判断而易于处理 由于液压系统故障的上述特性，致使很难快速确定故障部位及产生原因。而一旦找出故障原因，往往处理比较容易，有时稍加调节或清洗即可。
2 系统的硬件结构
工程机械液压系统状态监测与故障诊断系统的主要任务：一是完成数据采集，包括采集传感器的输出信号和传感器数据的预处理；二是完成故障诊断任务。对于后者，采用先进的嵌入式系统结构，可以满足系统的速度、体积、功耗等要求；对于前者，采用高速的DSP微处理器，借助其高速数据处理的多级缓冲和流水线机制，完成高速数据采集和数据预处理。这样就组成了一种分布式监测处理系统，即上、下位机2级微机结构。在此系统中，数据采集模块负责完成数据采集、信号处理的任务，而嵌入式模块实现数据存储、图形显示以及数据远程传输的功能。2个模块的工作流程是：采集模块实现数据采集和简单处理，然后传送到主控模块，由主控模块对处理后的数据进行分析和诊断，将数据通过以太网传送到远程数据中心的服务器中。数据采集模块与嵌入式模块之间的数据通讯通过CAN总线实现，如图1所示。

图1 系统总体结构

2.1 信号采集单元

信号采集单元直接安装固定在工程机械各主要部位上，完成传感器的故障诊断、标定和校准、工程机械工况参数采集、信号的特征提取和CAN总线通讯。信号采集单元主要由传感器、信号调理、AD转换、DSP (或MCU)、数字量输入模块、FLASH存贮器和CAN总线接口组成。
开发状态监测系统的首要任务就是选择适当的工况参数，所谓适当，就是所测取的信号能够迅速而准确地反映出系统工作状态的变化。能反映工程机械液压系统状态的特征信息多种多样，选择适当的测量参数非常重要。选择状态特征信息时，要考虑以下原则：
(1)由于各种不同的特征信号所容纳的信息量不相同，所以应选择那些最能确切反映设备客现状态的信息作为特征；
(2)优先采用那些有助于尽早发现故障的特征；
(3)特征信号的指示值要具有较高的精确性和置信度，这在设备可靠性要求高的场合尤为重要；
(4)所选信号测量传感器的安装要求尽量不改变原有回路结构，不干扰系统的正常工作；
(5)所选特征应便于测量、便于分析，使整个状态监测系统费用经济合理。
本系统以SWE85液压挖掘机为监测对象，选取发动机转速、燃油油位、机油压力、主泵1压力、主泵2压力、液压油温度、液压油油位、冷却水温、冷却水水位、滤清器差压、空滤器负压、蓄电池电压、起动开关和行走速度开关等14个参数为检测信号，通过对这些参数的自动监测和工况分析，对液压挖掘机的运行状态进行分析和故障诊断。
对于1个液压系统，压力、流量与温度这3个油液基本参数是检测液压系统工况稳定与否的重要参数。其中流量信号与液压控制系统中的多个环节(如阀、管道、液压缸等)的状态密切相关，但同时由于流量传感器的引入，改变了系统的原有结构，系统的响应特性也发生了改变。因此，我们不采用流量信号作为系统的状态特征信号。

2.2 中心处理单元

中心处理单元位于工程机械的驾驶室内，主要完成采集信号的处理、工作状态的判断与报警以及故障诊断等工作。单片机系统是最常用的现场随机实时数据采集系统，其优点是结构简单，低廉，技术上容易掌握，且系统具有扩展能力。其缺点是由于容量有限，可记录和分析的数据种类和数量有限，且不论文导读：
能形成美观、使用方便的人机界面。而普通的PC机则具有容量大和数据处理功能强的特点，它有使用方便的人机界面，且已经配备了1套完整的外部设备。但因其体积大，环境适应性差，抗干扰能力差，故不宜在工作时产生噪声、振动、污染、高温等不稳定因素的工程机械上进行实时工况记录分析。由于系统为在线车载式系统，要求系统的抗振性和可靠性好，同时对系统的性能和功能要求也较高，综合上述因素，我们选择了PC104总线嵌入式PC方案。
PC摘自：写毕业论文经典网站www.7ctime.com
104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上是一种紧凑型的IEEE)1996标准，其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的小型堆栈式结构的嵌入式系统，有极好的抗振性。PC104嵌入式计算机模块系列是一整套低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的结构化模块。
3 系统的软件结构
软件系统的操作平台选择微软的Windows CE操作系统，开发工具为EmbeddedVC++410。软件采用模块化设计，主要包括监测数据库、监测报警模块、故障诊断模块、CAN通讯模块及网络通讯模块等。软件系统的整体结构见图2。监测数据库主要用来存放各信号采集单元采集的工况参数，通过数据库管理界面实现对监测数据的选择、导入和导出等功能。监测报警模块根据监测数据判断工作状况，当状态异常时发出报警。故障诊断模块是软件的核心，可根据监测数据和用户人工输入进行液压系统的故障诊断，给出诊断结论和维修措施等。CAN通讯模块完成CAN总线通讯的底层协议，并将接收到的数据送监测数据库。网络通讯模块使系统可通过Internet和远程监测与故障诊断中心进行通讯，并使用Socket技术将本地数据库中的数据导入远程监测与故障诊断中心数据库，实现了工程机械的远程监测与故障诊断。程序流程见图3。
图2 系统软件结构图
图3 程序流程图
3.1 监测报警模块根据当前的传感器信号，采用单参数阈值报警和多参数综合分析报警2种方式进行当前系统状态的预报。单参数报警是将单个工况参数的监测数据与其设定的正常工况阈值进行比较，根据差别程度的不同进行分级报警；多参数报警首先将几个关键工况参数的监测值进行归一化，然后进行综合的故障诊断(如可采用神经网络)，给出系统级的状态指示。
3.2 故障诊断模块工程机械液压系统结构的复杂性使得其故障具有多层次性、模糊性和不确定性等特点，而且本系统要求实现在线诊断，因此故障诊断模块采用了神经网络诊断模型。故障诊断模块工作时，将监测数据库的下位机采集的数据取出并进行预处理，作为神经网络的输入量，神经网络的输出量代表故障诊断的结果。首先对神经网络进行训练学习，即将特定故障对应的状态参数作为样本，建立较全的样本库，然后用所有的样本对神经网络进行训练，这样就可以将样本库的知识以网络的形式存储在神经网络的连接权中，最后，通过神经网络输入量的计算就可以完成故障诊断。故障诊断中神经网络所采用的模型大多为BP模型，这主要是由于对BP模型的研究比较成熟，使用比较可靠。
4 结束语
采用嵌入式操作系统作为运行平台，能够满足在线监测与诊断所要求的高处理能力以及高数据容量，并且适合于工程机械特殊的工作环境；结合CAN总线通讯技术，使系统的可扩展性有了很大提高；根据挖掘机液压系统故障的特点，提出了传统专家系统与人工神经网络技术相结合的诊断方案。
参 考 文 献：
【1】 彭树梁1液压挖掘机液压系统故障诊断与排除[J]1露天采矿技术, 2003 (2)
【2】 潘伟,王汉功1工程机械液压系统在线状态监测[J]1维修论坛, 2004 (7)