基于BIT的工程機(jī)械智能在線檢測(cè)方法研究與實(shí)現(xiàn)

劉敏

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410014）

基于BIT的工程機(jī)械智能在線檢測(cè)方法研究與實(shí)現(xiàn)

劉敏

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410014）

以某工程機(jī)械為研究對(duì)象，研究基于CAN總線的嵌入式BIT智能檢測(cè)方法，研制具有高可信度的工程機(jī)械智能故障診斷儀，以提高工程機(jī)械作業(yè)的可靠性和安全性。

機(jī)內(nèi)測(cè)試;CAN總線;在線檢測(cè)

工程機(jī)械作為一種大型機(jī)電設(shè)備，具有功率大、啟動(dòng)功耗大、維護(hù)困難的特點(diǎn)。隨著此類大型設(shè)備智能化程度的提高，對(duì)其檢測(cè)手段提出了新的要求，即快速性好、穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)。在檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展的條件下，新型、智能化程度高的檢測(cè)技術(shù)——BIT技術(shù)（Buit－in Test，智能機(jī)內(nèi)測(cè)試）應(yīng)運(yùn)而生，BIT技術(shù)能夠極大地提高設(shè)備的工作可靠性和檢測(cè)的及時(shí)性。

1 BIT及智能BIT技術(shù)

BIT是指系統(tǒng)或設(shè)備依靠自身的電路和軟件，能對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，并對(duì)故障進(jìn)行自檢測(cè)、自診斷和自隔離。BIT技術(shù)主要包括信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、故障判斷和識(shí)別技術(shù)及預(yù)測(cè)及故障處理技術(shù)四個(gè)方面。按照工作掃描周期的不同，可分為周期BIT和啟動(dòng)BIT。通過(guò)BIT技術(shù)，可以提高系統(tǒng)的工作可靠性和可測(cè)試性，提高診斷能力，簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)備，減少技術(shù)保障，降低維修費(fèi)用。

智能BIT是將包括專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、信息融合等智能理論應(yīng)用到BIT，提高BIT綜合效能。包括BIT的智能設(shè)計(jì)、智能檢測(cè)、智能診斷、智能決策四方面的內(nèi)容，四方面是相互補(bǔ)充、相互融合的關(guān)系。智能BIT技術(shù)是復(fù)雜機(jī)電裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷方面的關(guān)鍵技術(shù)，能顯著改善裝備或系統(tǒng)測(cè)試性與診斷能力。［1］

2 工程機(jī)械作業(yè)故障診斷技術(shù)

2．1 對(duì)象系統(tǒng)建模分析

對(duì)象系統(tǒng)的建模分析的目的是通過(guò)失效模式及后果分析（FMEA，F(xiàn)ailure Mode and Effects Analysis），掌握對(duì)象狀態(tài)模式相關(guān)的測(cè)試信息，即故障模式空間、測(cè)試空間及其相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，這是保證對(duì)系統(tǒng)故障覆蓋的前提下進(jìn)行傳感器選擇和傳感器優(yōu)化布局的基礎(chǔ)。

對(duì)于本文研究的某工程機(jī)械系統(tǒng)，將其表示為包含有限p個(gè)組件元素c（i=1，2，…，p）的集合ME，記為ME={c1，c2，…，cp}，同時(shí)模型中的每個(gè)組件元素具有特定的屬性信號(hào)，這些信號(hào)是系統(tǒng)中各種故障狀態(tài)的反映，是BIT系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和診斷時(shí)需要獲取的信息。所有屬性信號(hào)構(gòu)成包含有限M個(gè)元素的信號(hào)集合S，S={s1，s2，．．．，sM}，（M＞1），每個(gè)組件元素i對(duì)應(yīng)其中的一個(gè)子集SC （Cj），這些信號(hào)的表現(xiàn)形式是對(duì)應(yīng)組件元素的功能或狀態(tài)的反映，為實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和診斷，需盡可能獲取各組件元素關(guān)聯(lián)的信號(hào)，這些信息將通過(guò)測(cè)試點(diǎn)采樣獲得。因此，系統(tǒng)中必須具有包含有限K個(gè)元素的測(cè)試點(diǎn)集T，T={t1，t2，…，tk}，每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)子集ST（tj）。

FMEA分析后得到系統(tǒng)屬性信號(hào)集合和故障模式集合，需要確認(rèn)系統(tǒng)中的每一個(gè)故障源能從這些測(cè)點(diǎn)中得到觀察，即得到故障源與屬性信號(hào)之間的因果關(guān)系，建立測(cè)試信息的因果矩陣。

設(shè)該工程機(jī)械建模分析得到n個(gè)故障模式FNi，i=1，2，…，n，系統(tǒng)的故障模式集為FN= {FNi}。由FMEA確定的系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)集合為{si}，i =1，2，…，m，則可得到故障模式—測(cè)點(diǎn)的因果矩陣D=FN×S。D為一個(gè)n×m的矩陣，其中n表示待監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的故障模式數(shù)，m表示采用的檢測(cè)傳感器數(shù)目，即有：D={dij，i=1，2，…，n;j= 1，2，…，m}。故障模式集合為F={FNi，i=1，2，…，n}，傳感器集合為S={Sj，j=1，2，…，m}。若有dij=1，則可知對(duì)應(yīng)的故障模式FN，可用傳感器Sj進(jìn)行檢測(cè)。因此，從因果矩陣D中進(jìn)行分析，可保證對(duì)待檢測(cè)的機(jī)電系統(tǒng)的整體故障模式的覆蓋。該矩陣描述了檢測(cè)信息與故障模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有利于保證BIT設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障模式集合的覆蓋，如表1所示。［2］

表1 因果矩陣

由以上分析可知系統(tǒng)故障模式與測(cè)點(diǎn)信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所有故障模式是否可檢測(cè)、可辨識(shí)。

2．2 BIT傳感層系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

工程機(jī)械作業(yè)控制BIT故障診斷中，測(cè)點(diǎn)的選擇、傳感器的優(yōu)選和傳感器系統(tǒng)的優(yōu)化布局，對(duì)于提高BIT系統(tǒng)的故障檢測(cè)率，保證較低的虛警率具有重要意義。其處理流程模型如圖1所示。

圖1 工程機(jī)械BIT傳感層系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般流程圖

2．3 基于CAN總線的嵌入式BIT智能診斷方法

CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，CAN總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已成為ISO－11898國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾的環(huán)境下工作，具有較高的可靠性。此外，CAN采用非破壞性總線優(yōu)先級(jí)仲裁技術(shù)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。［3］

在該工程機(jī)械BIT檢測(cè)系統(tǒng)中，各功能模塊通過(guò)CAN總線連接在一起，運(yùn)用總線結(jié)構(gòu)可以提高該工程機(jī)械的工作效率、工作穩(wěn)定性、檢測(cè)的方便性。由于總線具有結(jié)構(gòu)緊湊，效率高的特點(diǎn)，在該工程機(jī)械中運(yùn)用CAN總線可以使該工程機(jī)械的性能得到很大地提高。在工程機(jī)械中使用CAN總線主要是為了進(jìn)行信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸，如圖2所示。

圖2 CAN總線結(jié)構(gòu)

人機(jī)接口設(shè)備是操作者對(duì)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行干預(yù)的主要手段;檢測(cè)裝置負(fù)責(zé)感知系統(tǒng)的狀態(tài)（主要是液壓系統(tǒng)檢測(cè)裝置）;執(zhí)行器負(fù)責(zé)完成經(jīng)主控制器處理后的動(dòng)作;顯示儀表作為人機(jī)界面，可以用文字或圖形的方式告知操作者系統(tǒng)目前的狀態(tài)、故障源、故障危害程度等信息;PLC作為故障判斷的處理器主要進(jìn)行故障的判斷及可修復(fù)故障的修復(fù)操作。［4］考慮到可能存在的惡劣環(huán)境且干擾因素較多，在CANH和CANL信號(hào)線與地線之間并聯(lián)兩個(gè)電容，濾去噪聲，使信號(hào)傳輸平穩(wěn)。雙屏蔽電纜可設(shè)兩套，在兩套介質(zhì)上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)傳輸。接收方只用一個(gè)介質(zhì)，在冗余和非冗余段的連接臨界點(diǎn)進(jìn)行切換。

3 工程機(jī)械BIT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 工程機(jī)械BIT整體系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合工程機(jī)械作業(yè)故障診斷的模型，分析作業(yè)控制器、傳感檢測(cè)機(jī)構(gòu)及作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能特性，研究工程機(jī)械基于CAN總線的BIT檢測(cè)協(xié)同的體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)工程機(jī)械BIT智能監(jiān)測(cè)和診斷裝置系統(tǒng)構(gòu)架。工程機(jī)械中需要檢測(cè)的部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致包括控制用PLC模塊、CAN總線、其他設(shè)備（主要是液壓系統(tǒng)），如圖3所示。在該工程細(xì)節(jié)BIT系統(tǒng)中，頂層PLC模塊將處理結(jié)果輸出到顯示界面上，為維修人員維修提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和故障信息。

圖3 工程機(jī)械BIT整體系統(tǒng)圖

3．2 工程機(jī)械BIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工程機(jī)械BIT系統(tǒng)由傳感器（包括在其他設(shè)備中）、PLC（檢測(cè)用CPU）、CAN總線、CAN總線檢測(cè)電路、液壓系統(tǒng)檢測(cè)電路及其外圍電路組成，如圖4所示。該工程機(jī)械BIT系統(tǒng)主要由CAN總線的BIT檢測(cè)分系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的BIT檢測(cè)分系統(tǒng)組成。底層PLC將從總線或者液壓系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理之后傳給頂層PLC。頂層PLC作為決策核心接收來(lái)自底層PLC的數(shù)據(jù)并通過(guò)與故障數(shù)據(jù)庫(kù)的比較判斷出系統(tǒng)的故障情況。CAN總線的BIT檢測(cè)分系統(tǒng)運(yùn)用PLC作為檢測(cè)核心，通過(guò)軟件并結(jié)合外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線的檢測(cè)。液壓系統(tǒng)的BIT檢測(cè)分系統(tǒng)運(yùn)用PLC作為檢測(cè)核心，通過(guò)軟件并結(jié)合傳感器及外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的檢測(cè)。

圖4 工程機(jī)械BIT系統(tǒng)構(gòu)成

3．3 故障分析處理

判斷機(jī)制采用故障樹(shù)的形式，通過(guò)頂層PLC與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)結(jié)合，設(shè)置自頂向下的判斷流程進(jìn)行故障判斷。采用這種判斷方法的好處在于可以客觀、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障源，并憑借數(shù)據(jù)庫(kù)信息對(duì)故障的危害程度進(jìn)行及時(shí)的評(píng)判。

在該BIT檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)的數(shù)據(jù)需要在比較的同時(shí)備份到故障數(shù)據(jù)庫(kù)中。結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫(kù)的信息對(duì)可能出現(xiàn)的故障在顯示屏上顯示并報(bào)警。顯示屏作為人機(jī)交互界面提供一個(gè)直觀的故障判斷結(jié)果，為維修人員進(jìn)行維修提供依據(jù)，使故障維修能夠及時(shí)、高效地進(jìn)行。

測(cè)試點(diǎn)是故障檢測(cè)及隔離的基礎(chǔ)，合理地選擇測(cè)試點(diǎn)可以提高檢測(cè)精度，縮短檢測(cè)時(shí)間。［5］在工程機(jī)械BIT檢測(cè)系統(tǒng)中，CAN總線上的測(cè)試點(diǎn)是有源和無(wú)源測(cè)試點(diǎn)，液壓系統(tǒng)上的測(cè)試點(diǎn)是有源測(cè)試點(diǎn)。有源和無(wú)源測(cè)試點(diǎn)主要用在數(shù)字總線結(jié)構(gòu)中，有源測(cè)試點(diǎn)主要用在對(duì)模擬量的采集中。

4 結(jié)束語(yǔ)

工程機(jī)械復(fù)雜程度和技術(shù)含量的提高，其維修性、測(cè)試性對(duì)裝備的工作能力、機(jī)動(dòng)性、維修人員、保障經(jīng)費(fèi)產(chǎn)生了越來(lái)越重要的影響。引入BIT技術(shù)可以很大程度上提高工程機(jī)械的可測(cè)試性、可維修性和可靠性。在工作過(guò)程中，工程機(jī)械通過(guò)BIT技術(shù)的應(yīng)用來(lái)加強(qiáng)其自動(dòng)化程度，擺脫對(duì)人力的過(guò)分依賴，提高其工作效能、降低對(duì)使用者的要求。有資料顯示，在應(yīng)用了BIT技術(shù)后降低了40%的維修費(fèi)用。

［1］潘俊榮．裝備自治性維修保障體系研究［D］．長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2002．

［2］楊光．機(jī)電產(chǎn)品BIT系統(tǒng)傳感層降虛警的理論與技術(shù)研究［D］．長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2003．

［3］沈冬祥．工程設(shè)備CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2008，（2）．

［4］畢翔，張建軍，王躍飛．基于CAN總線的PLC－PC控制系統(tǒng)研究［J］．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，（6）．

［5］唐力，張琳娜，張曉冬．基于現(xiàn)代信號(hào)處理方法的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（9）．

［編校：鄧桂萍］

Study and Imp lementation of BIT－based Intelligent Online Detection of Mechanical Engineering

LIU Min
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410014）

With some engineeringmachinery for the study object and based on CAN bus embedded BIT intelligent detection method，the research developed an intelligent fault diagnostic machinery with high confidence to improve the reliability and security ofmechanicalwork．

Built－in Test（BIT）;CAN bus;online detection

TP374+．5

A

1671－9654（2011）04－047－04

2011－11－18

劉敏（1972－），男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化測(cè)控技術(shù)。

本文為湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目“基于BIT的工程機(jī)械智能在線檢測(cè)方法研究”（編號(hào)：09C1056）階段性研究成果。