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  液压的状态监测与故障诊断系统设计

  1系统方案的确定

  1)系统方案选择

  液压的状态监测与故障诊断系统是一个集信号采集、工况分析、状态显示以及故障诊断为一体的多任务信息处理系统,为了解决状态监测和故障诊断中多任务与实时性的矛盾,整个系统由状态监测与故障诊断两个子系统组成,其中前一个子系统完成液压状态实时监测功能,后一个子系统完成液压故障诊断功能。

  系统结构的实现有两种形式:(1)上-下位机组成的系统。这类系统往往由机上和机下两部分组成,安装于上的部分进行工况监测、数据记录和状态显示,而诊断计算机则置于控制室。当需要对上的部分进行检查时,插入手持式终端,读取现场采集的全部工况数据并存储,然后取下手持式终端,在控制室中将数据输入到诊断计算机中,就可以诊断液压系统、动力系统、机构和装置系统、附属系统等各部分故障,同时也能诊断自身的故障,采用这种方式可以让多台共享一套诊断计算机终端,节省费用,也便于维护和备件管理,及打印报表等。
液压小型挖掘机的状态监测与故障诊断系统设计
  (2)随机安装的系统。该系统采用彩色液晶显示器,能动态反映主机系统的参数变化,部分关键参数用曲线实时跟踪指示,还能利用经验知识,对此实时数据综合利用,进行故障的推理,从而寻找出故障点;有的还可以进行作业量统计,这类系统通常具有黑匣子的功能,即记录故障过去的发展状况,便于区别是机器本身的故障还是操作人员违反操作引起的损坏,并对不合理的操作予以提示。上述的两种形式是目前大多数液压状态监测与故障诊断系统所采用的,但国内成功的应用实例仍然很少。在线诊断的实现受制于被诊断系统的构造、运行方式和工作场所等多方面因素,因本系统结构采用第一种形式,完成液压运行状态的在线监测和离线故障诊断功能,该形式的缺点是信息数量有限等问题。

  2)系统模型的构建

  由于液压工作时产生噪声、振动、污染、高温,且存在着不稳定因素等原因,所以本系统的工作环境恶劣。为了完成预定功能,系统对参数采集精度、运行的稳定性和可靠性等要求都较高,但在控制方面没有什么要求,因此,下位机只要采用高性能的单片机,并配以相应的数据处理和抗干扰技术,完全能够满足系统的实时性要求,上位机则采用普通的PC机。上下位机的通讯采用RS232串口通讯,由下位机保存液压约4h的工况数据,然后插入掌上电脑读取该数据,再传送给上位机。

  2状态监测系统设计

  1)系统功能分析

  本系统是以SWE4.2液压为监测对象,选取发动机转速、燃油油位、机油压力、主泵1~2压力、液压油温度、液压油油位、冷却水温度、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共14路参数为检测项目,通过对这些参数的自动监测和工况分析,为液压的运行状态趋势分析和故障诊断打下基础。系统的主要功能如下:

  (1)数据采集功能。自动采集液压14路运行工况参数,包括发动机转速、燃油油位、机油压力等。

  (2)数据处理和存储功能。自动进行采集数据的处理,包括清除误差、曲线拟合等,并生成数据文件存储起来供二次处理使用。

  (3)显示功能。通过液晶显示器显示当前的运行状态。

  (4)报警功能。设备故障或运行参数超限时均能发出报警,可根据异常的严重程度进行三级报警,并记录报警信息。

  (5)曲线绘制和打印功能。能够自动绘制特性曲线,并作出趋势分析。

  (6)通讯功能。通过RS232串口通讯向上位机传送所采集的数据信息。系统单片机选用ATMEL89C51,同时扩充64KEPROM用于存贮报警限值和相应检测程序,扩充带掉电保护的64KRAM用于存贮液压的4h工况数据。

  系统测试原理如下:将传感器检测到的发动机转速、发动机油压、冷却液温度、液压油油位、行走速度开关等参数值送入微机,进行分析计算,并将实测值与内置的标准值比较,判断液压运行状态是否良好,并将异常征兆用发光二极管、闪光报警灯和报警喇叭进行三级报警,同时将相关数值保存下来传送到上位机进行曲线绘制、趋势分析和打印输出。
液压小型挖掘机的状态监测与故障诊断系统设计
  2)系统硬件设计

  系统硬件按功能的不同划分为主处理器模块、信号处理模块、电源模块、通讯模块、状态与报警模块五个部分。

  (1)主处理器模块

  系统采用ATMEL89C51微处理器,扩充带掉电保护的64KRAM用于存贮液压的4h工况数据。该模块由EPROM、RAM、I/O、掉电保护以及液晶显示驱动所组成。

  (2)信号处理模块

  ①输入信号处理电路。输入信号处理电路是微处理器与外界联系的通道,输入信号处理电路的一部分用于接收数字信号,数字信号来自诸如起动开关等,输入信号处理电路的另一部分用于接收和转换各种传感器输入的模拟信号,输入信号处理电路的第三部分用于与其它计算机控制系统进行通讯联系,信号形式为脉冲数字信号,输入信号处理电路的第四部分用于接收诊断触发信号,也是脉冲数字信号。其中,模拟信号输入通道的任务是将传感器产生的模拟信号转换为数字信号后输入微处理器。模拟信号输入通道主要由信号处理装置、多路选择开关、采样保持器和模数(A/D)转换器组成。信号处理装置包括标度变换、电平转换和信号滤波等。

  在本监测系统中,发动机试验过程中的机油压力经转换成电压信号并放大后,送入A/D板的输入端进行采集,反映温度量的热电阻信号经过热电阻调理板后,再经隔离放大板,送到A/D板的输入端进行数据采集。系统采用的A/D和D/A都为12bit,因此,系统的检测、控制精度均能满足试验的要求。对于发动机的转速,不能由A/D转换直接得到。霍尔传感器测得的转速信号经隔离整形后接到单片机的输入端口,利用外部脉冲计数中断来计算发动机的转速。尽管监测系统中的起动开关信号是数字信号,但是,这些信号并不能直接由微处理器进行处理,还需要数字信号输入通道进行电平转换和抗干扰等处理,只有将输入的数字信号转换为TTL电平,才能被微处理器接受。

  ②输出信号处理电路。该电路的作用是在微处理器和显示器以及报警电路之间建立联系,由微处理器产生的控制信号都是数字信号,因此输出信号处理电路为数字信号输出通道。数字信号输出通道的作用是将微处理器产生的数字控制信号传输给数字信号控制的报警电路。

  (3)电源模块

  系统各种传感器、信号处理电路、单片机主机及外围芯片、通讯电路等都需要合适的电源才能正常工作,它们所需电压并不相同。对系统电源模块的要求为:处于恶劣环境中仍能正常工作,能适应较宽的供电电压变化范围,能防止从电源地线引入的干扰,采用高可靠性元件,功率及电压裕度也较大。

  (4)通讯模块

  使用RS232串口通讯。该模块的功能是处理主机和单片机之间的通讯,主机给下位机发送指令,下位机给主机发送检测数据。该模块传送的信息包括:①命令信息。上位机的控制指令发送到下位机。②数据信息。单片下位机检测到的状态信息发送到上位PC机中,以便主机进行监控和进一步的数据分析处理。

  (5)状态与报警模块

  为了将程度不同的紧急状况传递给司机,系统根据检测的参数性质采用三级报警的方法。第一级报警:通过装置上相应的二极管发光实现。它只是提醒司机注意,在这种情况下机器还能工作一段时间,例如燃油液位超过低限等。第二级报警:通过总报警灯和故障项发光二极管同时发光报警。这种报警要求司机密切注视故障的发展,但不需立即关机,这类故障多属高温问题,如液压系统油温过高、发动机温度过高等。第三级报警:通过报警喇叭、总报警灯和故障项发光二极管同时动作以示报警。第三级报警内容包括发动机油压过低、液压油位过低、无冷却液等。对这级报警,司机应立即关机检查并修理。

  3)系统软件设计

  系统软件的要求:(1)软件结构清晰、简洁、流程合理;(2)各功能程序实现模块化、子程序化,这样既便于调试,又便于移植和修改;(3)具有自诊断功能,在系统工作前先运行自诊断程序;(4)采用软件抗干扰措施,提高系统的可靠性。下面以A/D采样模块和各检测参数模块为例说明系统软件的设计过程。
液压小型挖掘机的状态监测与故障诊断系统设计
  3故障诊断系统设计

  提取下位机各检测项的数据,进行曲线绘制和趋势分析,同时对时域信号进行FFT变换,利用频谱分析的方法,对液压系统进行故障检测和诊断。

  设计出液压故障诊断专家系统,收集、整理液压的故障知识,构建完整的故障知识库,将专家知识、检测系统传来的信息以及人机交互的信息进行融合分析,通过一定的推理机制进行故障定位,并提出维修方案。


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