工程機(jī)械一體化檢測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

    現(xiàn)有工程機(jī)械檢測診斷設(shè)備主要采用各種不同類型、不同型號的監(jiān)測儀表組合而成，制造廠家依據(jù)各種機(jī)械的實(shí)際需求，采用外購或合作生產(chǎn)方式選用其它廠家生產(chǎn)的測量設(shè)備為自己的機(jī)械配裝，由于所配儀表來自不同的生產(chǎn)廠家和單位，且種類各異，工作原理不同，其可靠性也有很大差異；另外，受各廠家技術(shù)水平的影響，即使同一類設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)不同的效果，并且易于失效和損壞。

 

    工程機(jī)械上常有的檢測內(nèi)容主要是電流、氣壓、油壓、油溫、水溫與轉(zhuǎn)速等，而對于一些十分需要的項(xiàng)目卻沒有相應(yīng)的測量設(shè)備或儀表，如電壓、工作時(shí)間計(jì)數(shù)、流量、卸載高度及負(fù)荷重量等。又由于其種類、型號各異，造成在儀表盤上布置困難，有的機(jī)械上面多達(dá)十余個(gè)儀表，大小不同，樣式不同，使整個(gè)儀表盤看起來零亂，而且不便于觀察，既增加了安裝布置的復(fù)雜性，也降低了使用上的可靠性。

 

    工程機(jī)械現(xiàn)有的智能診斷系統(tǒng)一般都基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有的還需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，而工程機(jī)械實(shí)際作業(yè)大多在野外進(jìn)行，由于很難具備上述所需的條件，這將導(dǎo)致現(xiàn)有的許多診斷技術(shù)不能在時(shí)機(jī)中應(yīng)用。如何解決野外條件下對有故障的機(jī)械進(jìn)行快速檢測和維修，已成為目前應(yīng)用中需解決的問題。

 

    基于上述原因，我們認(rèn)為有必要開發(fā)一套全新概念上工程機(jī)械狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)，從而可以有效提高工程機(jī)械狀況檢測的準(zhǔn)確性及可靠性。為此，文章應(yīng)用數(shù)據(jù)采集、信號處理分析、專家系統(tǒng)等技術(shù)，研制并開發(fā)了一套全新概念的工程機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)，可通過對機(jī)械狀態(tài)測試、數(shù)據(jù)分析與故障診斷，確定機(jī)械的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)及所需的各種參數(shù)，確定機(jī)械的故障形式和故障部位，直至給出發(fā)生故障的零部件或元器件，從而對有故障的機(jī)械（特別是電路系統(tǒng)）進(jìn)行快速監(jiān)測和維修。

 

    2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

 

    2.1系統(tǒng)的硬件組成

 

    工程機(jī)械一體化監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感器、中央處理器、顯示裝置、控制裝置4大部分組成，實(shí)現(xiàn)信號采集、顯示管理和時(shí)鐘計(jì)時(shí)。它能對通信部分、鍵盤部分以及參數(shù)庫的傳遞進(jìn)行管理。由于該系統(tǒng)所要測量的參數(shù)較多，且類型不同，所以要采用的傳感器也就依具體情況來選用，但總體的原則是均采用現(xiàn)代電子式傳感器，既可提高測量精度，也有利于對信息的傳遞與處理。如選用電磁式速度傳感器、熱電偶溫度傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器、渦流流量傳感器、熱線流量傳感器等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

 

    2.2系統(tǒng)工作原理

 

    系統(tǒng)工作原理如圖2所示，此系統(tǒng)集監(jiān)測、診斷、學(xué)習(xí)于一體，在默認(rèn)狀態(tài)下，系統(tǒng)的缺省工作模式為監(jiān)測模式。系統(tǒng)工作時(shí)，各傳感器將采集到的信號轉(zhuǎn)換后送至處理器(Msp430)，處理器通過專家系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行綜合比較判斷分析，如果可以確認(rèn)系統(tǒng)為正常狀態(tài)，則繼續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行檢測；反之，若判斷異常，則報(bào)警并進(jìn)入診斷模式，如果根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已有的案例集，可以判斷故障原因，則給出故障原因，并提示維修方法；如果判斷不出故障原因，則進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，記錄機(jī)械的狀態(tài)參數(shù)，并借助專家的幫助建立新的故障案例，擴(kuò)展知識庫。

 

    3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及各部分工程實(shí)現(xiàn)

 

    3.1信號采集部分

 

    信號采集部分可采集機(jī)械電路部分的交直流電壓、電流、阻抗、電容和點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火延時(shí)等參數(shù)，采集的數(shù)據(jù)既可供本監(jiān)測系統(tǒng)診斷使用，也可將數(shù)據(jù)傳遞給主計(jì)算機(jī)以供進(jìn)一步的診斷。電路信號采集的原理圖見圖3。

 

    3.2實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分

 

    系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息，因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，給系統(tǒng)增加了實(shí)時(shí)時(shí)鐘，采用了一個(gè)RI-COH(理光)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RS5C372。RS5C372是一種12C總線的串行接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它具有工作電壓范圍寬(1.4~6V)、維持電流小、能提供毫秒、秒、分、小時(shí)、時(shí)期和年等的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)的特點(diǎn)。

 

    3.3鍵盤管理部分

 

    單片機(jī)的鍵盤部分的實(shí)現(xiàn)方法通常由直接譯碼法，或是行、列掃描法。前者的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、程序?qū)崿F(xiàn)容易，但缺點(diǎn)是所占用系統(tǒng)的I/O口線多，要實(shí)現(xiàn)n個(gè)按鍵就需要n條I/O口線。因此該方法只適用于按鍵較少及系統(tǒng)資源較多的場合。而后者由于使用了行、列掃描，因此用較少的I/O口線可以實(shí)現(xiàn)較多的按鍵，比如，使用2n根I/O口線可實(shí)現(xiàn)n×n個(gè)按鍵。此方法適用于那些系統(tǒng)資源缺乏，但同時(shí)需要大量按鍵的場合。由于行、列掃描法為了得到按鍵值，需要對鍵盤不停的掃描，這樣一方面要占用MCU的時(shí)間，另一方面，又增加了系統(tǒng)的功耗。因此在本系統(tǒng)中，充分利用了Msp40強(qiáng)大的中斷功能，以中斷方式實(shí)現(xiàn)了行列式管理鍵盤。

 

    3.4通信接口模塊

 

    為了能充分發(fā)揮機(jī)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、存貯以及顯示能力，并且隨時(shí)根據(jù)需要對本系統(tǒng)內(nèi)高容量MMC卡中存貯的各種數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，以適應(yīng)新機(jī)械設(shè)備的診斷或是對原機(jī)械設(shè)備增加新的測試項(xiàng)目、增加新的診斷經(jīng)驗(yàn)等，設(shè)置了一個(gè)與機(jī)算機(jī)進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，可以傳輸多種資料如各種漢字庫、圖片庫和參數(shù)庫等。標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口的原理如圖4所示，圖中電路采用了RS232的接口芯片MAX32232，且周圍電路也是標(biāo)準(zhǔn)的。利用這個(gè)電路，監(jiān)測系統(tǒng)就可以和機(jī)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)交換或是采集數(shù)據(jù)的傳輸了。

 

    為了提高傳輸效率，確保通信的可靠性，特為此制定了一個(gè)通信協(xié)議。為協(xié)議主要由握手過程、傳輸控制命令過程和數(shù)據(jù)傳輸過程等組成。

 

    從圖4種可以看出，在每一次傳輸數(shù)據(jù)前，由數(shù)據(jù)的傳輸方發(fā)出傳輸控制命令，由接收方進(jìn)行應(yīng)答，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，接收方接收完數(shù)據(jù)后進(jìn)行應(yīng)答。若接收方所接收數(shù)據(jù)的CPC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則以應(yīng)答方式通知發(fā)送方進(jìn)行數(shù)據(jù)的重發(fā)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。數(shù)據(jù)傳輸階段一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲箝L度是521字節(jié)，若數(shù)據(jù)長度超過521字節(jié)，則必須重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸階段多次，直到數(shù)據(jù)傳輸完成。

 

    3.5液晶現(xiàn)實(shí)部分

 

    由于要用液晶顯示器現(xiàn)實(shí)較復(fù)雜的圖形和文字，所以采用了Sed1335液晶控制器控制的320×240點(diǎn)陣的液晶屏。Sed控制器是同類液晶控制器中功能最強(qiáng)大的控制器，它有較強(qiáng)功能的I/O緩沖器，可以進(jìn)行圖形和文字的混合顯示，能滿足本儀器對現(xiàn)實(shí)的要求和方式。

 

    要在液晶顯示屏上顯示圖形和文字，必須對液晶控制器進(jìn)行初始化操作，只有進(jìn)行合適的初始化操作后，才能進(jìn)行圖形、文字以及圖形文本的混合顯示。對Sed1335液晶控制器的初始化操作過程如圖5所示。

 

    為了在液晶屏上顯示漢字，首先要從漢字庫中取出該漢字的顯示字模數(shù)據(jù)，然后將該字模數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的現(xiàn)實(shí)緩沖區(qū)中。

 

    3.6高容量存貯部分

 

    液晶顯示器需要的24×24點(diǎn)陣、16×16點(diǎn)陣的不同字體的字庫文件，智能測試所需要的各種資料庫、圖片庫等都非常龐大，需要大量的存貯空間。比如一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的國標(biāo)24點(diǎn)陣的漢字庫就至少需要467Kbit，又比如顯示一幅320×240點(diǎn)陣的測試圖片，需要9.4Kbit的存貯空間，若有1000幅這樣的測試圖片，則所需的空間將是近10Mbit。加上其它的診斷知識、規(guī)則和數(shù)據(jù)等，所需的空間是非常大的。

 

    通常用來擴(kuò)展外部存貯空間的方法有：只讀存貯器(EPROM)、靜態(tài)存貯器(SRAM)、閃爍存貯器(FLASH)、串行或并性電可改寫貯存器(E2PROM)，這幾種擴(kuò)展外部空間的方法各有優(yōu)點(diǎn)：制度存貯器不能在線更新其中的資料；靜態(tài)存貯器由于要用后備電池來保持其中的數(shù)據(jù)，而且擴(kuò)展的成本隨著容量的增大也呈級數(shù)增大；FLASH存貯器也同E2PROM存貯器和SRAM存貯器一樣，均是單片容量不能做得很大(比如大于10Mbit)。

 

    根據(jù)實(shí)際情況，本裝置需要擴(kuò)展到64M的數(shù)據(jù)存貯空間，我們采用了多片器件進(jìn)行級聯(lián)的解決方案。但這樣做不僅會(huì)增加了儀器電路的復(fù)雜程度及印刷電路板的面積，使研制成本增加，而且還會(huì)對今后容量的進(jìn)一步擴(kuò)展和儀器的升級帶來了困難。因此，在最初對數(shù)據(jù)存儲空間進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對其進(jìn)行科學(xué)的評估與優(yōu)化，以把儲存空間選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠?/div>