集中潤(rùn)滑系統(tǒng)智能故障診斷研究與實(shí)現(xiàn)

余建坤+余家宇

摘 要：本文以集中潤(rùn)滑系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討了利用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障智能診斷與處理的途徑和方法，并以SOPC為核心，利用檢測(cè)傳感電路、執(zhí)行電路和輸入輸出電路，實(shí)現(xiàn)集中潤(rùn)滑系統(tǒng)故障的智能診斷與處理，該系統(tǒng)和智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)可以有機(jī)統(tǒng)一，保證潤(rùn)滑系統(tǒng)正常運(yùn)行，減少維修工作量，降低設(shè)備運(yùn)行成本，保障安全，保護(hù)環(huán)境，保證作業(yè)質(zhì)量。對(duì)類(lèi)似產(chǎn)品的研制，具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：SOPC；智能控制；潤(rùn)滑控制系統(tǒng)

1 引言

集中潤(rùn)滑系統(tǒng)避免了人工加注時(shí)的各種缺點(diǎn)，能夠按照預(yù)先設(shè)定的策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加注潤(rùn)滑劑到各潤(rùn)滑點(diǎn)，使各潤(rùn)滑點(diǎn)時(shí)刻保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，且在潤(rùn)滑全過(guò)程中零污染，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但集中自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，維護(hù)管理比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)處理也有一定難度，一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)造成整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)癱瘓，造成設(shè)備損壞、停產(chǎn)，因此如何對(duì)集中潤(rùn)滑系統(tǒng)故障實(shí)現(xiàn)快速診斷和處理，是集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。

計(jì)算機(jī)在線故障診斷技術(shù)，在各行各業(yè)中都得到廣泛應(yīng)用，本文研究集中潤(rùn)滑系統(tǒng)智能故障診斷，就是利用集中潤(rùn)滑控制系統(tǒng)中各傳感檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?、處理和?bào)警，并將故障狀態(tài)記憶和顯示出來(lái)，幫助快速恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行。

SOPC結(jié)合了SOC和PLD的優(yōu)點(diǎn)，筆者利用它實(shí)現(xiàn)了機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)的智能控制，SOPC嵌入了微型計(jì)算機(jī)，因此也可以利用其實(shí)現(xiàn)在線故障診斷，并且可以和控制系統(tǒng)集成在一起，能根據(jù)用戶要求定制，是個(gè)性化、過(guò)程化、精細(xì)化、準(zhǔn)確化的多品種小批量產(chǎn)品的不二選擇。

2 集中潤(rùn)滑系統(tǒng)組成及故障診斷技術(shù)原理

集中潤(rùn)滑系統(tǒng)一般由油箱、油泵、過(guò)濾器、冷卻器、加熱器、各種閥（包括安全閥、單通閥、雙通閥等）、檢測(cè)保護(hù)裝置（油標(biāo)、液位控制器、油流指示器、給油指示器、溫度測(cè)量裝置、油壓檢測(cè)裝置等）及自動(dòng)潤(rùn)滑控制系統(tǒng)組成。其中任何一個(gè)組成部分出現(xiàn)故障，都有可能引起集中潤(rùn)滑系統(tǒng)故障。

故障分析方法，常用的有FTA、FMEA、FMECA，F(xiàn)TA（Fault Tree Analysis，故障樹(shù)分析）是通過(guò)故障現(xiàn)象分析故障原因的方法，F(xiàn)MEA（Fault Model Effect Analysis，故障模式影響分析）是在隊(duì)故障出現(xiàn)后的影響進(jìn)行分析，而FMECA在FMEA的基礎(chǔ)上吧，增加了嚴(yán)重度分析。故障診斷，必須建立在對(duì)系統(tǒng)故障分析的基礎(chǔ)上，為了做出合理的處理措施，本研究建立在FMECA的基礎(chǔ)上。

故障自動(dòng)診斷，通常分兩部完成：首先是生成數(shù)據(jù)，即預(yù)先建立被診斷的對(duì)象故障模型，編制故障字典，然后輸入測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比，給出診斷結(jié)果。故障自動(dòng)診斷，現(xiàn)在常用計(jì)算機(jī)完成。診斷離不開(kāi)測(cè)試數(shù)據(jù)和故障定位數(shù)據(jù)，集中潤(rùn)滑系統(tǒng)自動(dòng)診斷更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，隨著集中潤(rùn)滑系統(tǒng)規(guī)模增大，要求數(shù)據(jù)生成技術(shù)既能使診斷數(shù)據(jù)有較高的測(cè)試效率，又能盡量減少生成方法的計(jì)算復(fù)雜性，提高診斷實(shí)時(shí)性，當(dāng)然，更完美的方法是采用硬件實(shí)現(xiàn)，SOC或SOPC是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

故障自動(dòng)處理，通常根據(jù)故障模式和嚴(yán)重程度，利用控制系統(tǒng)采取相應(yīng)措施，完成自動(dòng)處理，集中潤(rùn)滑系統(tǒng)故障處理，也要求實(shí)時(shí)處理。集中潤(rùn)滑系統(tǒng)故障處理方法常見(jiàn)的有：停止主機(jī)運(yùn)行、啟用備用供油泵、增加油溫、報(bào)警、顯示故障和故障部位等。處理措施是根據(jù)故障嚴(yán)重程度自動(dòng)執(zhí)行的，比如，潤(rùn)滑系統(tǒng)已不起作用，為了保護(hù)設(shè)備，不能啟動(dòng)主機(jī)，運(yùn)行中必須先停止主機(jī)運(yùn)行，而如果只是潤(rùn)滑油位傳感器檢測(cè)到油位低于安全運(yùn)行位，就只需發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)顯示缺油。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)選擇

計(jì)算機(jī)在線故障診斷，顧名思義，是必須用到計(jì)算機(jī)的，可以選用PC機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但其實(shí)最好的選擇是使用SOC，也就是專(zhuān)用芯片，或者SOPC，也就是可編程的SOC。但SOC不是一般情況下能采用的，必須是大規(guī)模生產(chǎn)才能考慮。本系統(tǒng)采用市面上易于獲得的SOPC芯片。

3.2 SOPC選擇及資源分配

考慮到與智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)集成，本設(shè)計(jì)選用低成本、低功耗的Cyclone系列FPGA芯片- CycloneIII EP3C55F484，內(nèi)含55865個(gè)LCs，具有260萬(wàn)BIT內(nèi)嵌RAM容量，4個(gè)鎖相環(huán)（2KHZ-1300MHZ），484個(gè)IO引腳?？汕度胍粋€(gè)8051單片機(jī)系統(tǒng)、8088 IBM 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或一個(gè) 32 位 Nios2 嵌入式處理器核及其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)（包括RAM/ROM 等），從而構(gòu)成一個(gè)功能完備的單芯片式嵌入式系統(tǒng)。

確定芯片之后，接下來(lái)是芯片資源分配。本設(shè)計(jì)選用EP3C55F484內(nèi)含的全兼容工業(yè)級(jí)8051核，其主頻最高可達(dá)250MHz，配備內(nèi)置的鎖相環(huán)、數(shù)據(jù)RAM、程序ROM、接口模塊、通信模塊、顯示控制模塊、數(shù)據(jù)采樣和信號(hào)發(fā)生模塊等等，構(gòu)成SOC系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 CPU核的定義和單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

EP3C55F484的8051核是一個(gè)軟核，名稱(chēng)為CPU8051V1，由VQM源碼表述，文件名為CPU8051V1.VQM，在使用時(shí)，采用例化方式直接調(diào)用，配置260萬(wàn)BIT內(nèi)嵌RAM和最大64KB的程序ROM。

3.2外部硬件驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

外部硬件通過(guò)各類(lèi)接口連接到8051V1，使用時(shí)都必須有驅(qū)動(dòng)程序，完成硬件初始化和硬件釋放、數(shù)據(jù)輸入輸出和故障處理。限于篇幅，驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)不作詳細(xì)介紹。

應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，主要包括：

（1）主程序設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)是順序執(zhí)行的，編寫(xiě)主程序首先需要做的是對(duì)有關(guān)變量初始化，然后啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)控制塊，然后再啟動(dòng)其它任務(wù)內(nèi)核。

（2）中斷程序設(shè)計(jì)

在中斷服務(wù)程序中，主要是中斷向量表的調(diào)用和處理。

（3）子程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，主要就是各個(gè)任務(wù)的編程，為了編程和調(diào)試方便，整個(gè)程序按任務(wù)劃分成多個(gè)子程序。限于篇幅，不再贅述。

4 結(jié)論

本研究以EP3C55F484為核心，輔以檢測(cè)電路，主機(jī)控制電路、備用油泵控制電路和聲光報(bào)警電路，完成了集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的智能故障診斷，能和控制系統(tǒng)集成在一起，抗干擾、成本低、體積小、易于擴(kuò)展和升級(jí)，是傳統(tǒng)機(jī)械潤(rùn)滑控制系統(tǒng)改造和智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)故障診斷的一個(gè)不錯(cuò)的選擇，對(duì)類(lèi)似機(jī)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，也有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳陽(yáng)、余建坤.基于ARM+μC/OS-Ⅱ智能機(jī)械潤(rùn)滑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014.4.

[2] 余建坤、余家宇. 基于SOPC的智能機(jī)械潤(rùn)滑控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科研課題07C681；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃。

作者簡(jiǎn)介：

余建坤（1966-），男，湖南婁底人，副教授，研究生畢業(yè)，碩士，研究方向：機(jī)電一體化、電子信息工程。