一種挖掘機的工況采集系統(tǒng)

張增濤，段 勇，趙存存

（濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，山東濱州 256603）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，挖掘機廣泛用于建筑、水利、電力、道路、礦山、港口和國防等工程領(lǐng)域。在實際使用過程中，挖掘機的工作環(huán)境一般比較惡劣，因而故障頻發(fā)，施工效率大大降低。因此，要對故障件進(jìn)行實驗室的分析與改進(jìn)，就要了解工程機械的實際工況，從而進(jìn)行有針對的試驗，為挖掘機的改進(jìn)提供技術(shù)支持。目前工況信息主要靠人工去現(xiàn)場采集，了解挖掘機的使用環(huán)境，但是由于缺乏相應(yīng)的手段而不能對整機系統(tǒng)進(jìn)行工況測試，產(chǎn)品無法得到及時改進(jìn)。針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本項目提供了一種挖掘機遠(yuǎn)程工況采集系統(tǒng)及方法，可以實時、準(zhǔn)確地采集挖掘機的實際工況，為故障件進(jìn)行實驗室的分析與改進(jìn)提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)方案

這種挖掘機工況采集系統(tǒng)包括傳感器模塊、信號處理模塊、車載電子監(jiān)控器、無線傳輸模塊、監(jiān)控中心等組成（圖1）：傳感器模塊包括溫度傳感器組、振動傳感器組、電壓傳感器組、電流傳感器組以及其他傳感器組等；信號處理模塊包括A/D 轉(zhuǎn)換單元、濾波處理單元、信號處理單元等；車載電子監(jiān)控器實時接受傳感器傳輸過來的信號；無線傳輸模塊包括無線數(shù)據(jù)發(fā)送單元、無線傳輸通道、無線數(shù)據(jù)接受單元等；監(jiān)控中心發(fā)送工況數(shù)據(jù)采集指令和實時接受無線傳輸模塊傳輸過來的工況信息。

傳感器模塊是信號采集模塊，實時采集挖掘機工作狀態(tài)下的各個器件的溫度、振動、電壓、電流等數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過信號處理模塊，信號處理模塊包括A/D 轉(zhuǎn)換單元、濾波處理單元、信號處理單元，把各類信號進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行濾波處理、信號處理。經(jīng)過信號處理后，都傳輸?shù)杰囕d電子監(jiān)控器。車載電子監(jiān)控器有內(nèi)部存儲和外部存儲，在無線網(wǎng)絡(luò)正常時，接受的信號中轉(zhuǎn)實時傳輸給無線傳輸模塊，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)異常時，接受的信息暫時存儲到大容量的外部存儲卡。

無線傳輸模塊包括無線數(shù)據(jù)發(fā)送單元、無線傳輸通道、無線數(shù)據(jù)接受單元，負(fù)責(zé)把電子監(jiān)控器傳輸過來的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到監(jiān)控中心，并把監(jiān)控中心的指令傳輸給車載電子監(jiān)控器。監(jiān)控中心則把無線傳輸模塊傳過來的信號進(jìn)行分類整理，得到各個器件的實際工況，并以文檔形式存檔。

圖1 挖掘機工況采集系統(tǒng)

2 采集流程

工況的采集流程如圖2 所示：傳感器組模塊采集挖掘機上各類工況信號，發(fā)送到信號處理模塊，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、濾波、信號處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到電子監(jiān)控器；電子監(jiān)控器進(jìn)行初步存儲后將數(shù)據(jù)傳送到無線傳輸模塊，無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心；監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，最終得到各個器件的實際工況。

圖2 工況采集流程

3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用了一款兩線制一體化產(chǎn)品，輸出4～20 mA 信號，采用高品質(zhì)磁電式原理進(jìn)行信號處理，有輸出波形穩(wěn)定、抗干擾能力強等特性，電流輸出穩(wěn)定可靠。

（1）車載控制器。本系統(tǒng)采用的是可以在惡劣壞境下工作的一款功能強大的車載控制器TTC200，采用32 位飛思卡爾MPC555 處理器。TTC200 符合IEC 61508 國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，具有TTP 的單機版本和網(wǎng)絡(luò)版本（圖3）。

（2）溫度傳感器。溫度傳感器選用的是DS18B20 可編程集成器件，分辨率默認(rèn)為0.062 5，單總線方式，數(shù)字量輸出，采集信號方便。

圖3 TTC200 控制器功能

（3）振動傳感器。在工程振動測試領(lǐng)域中，測試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測量方法及測量過程的物理性質(zhì)，可以分成機械式、光學(xué)式、電測式3 類。電測式是將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄，其要點在于先將機械振動量轉(zhuǎn)換為電量（電動勢、電荷及其他電量），然后再對電量進(jìn)行測量，從而得到所要測量的機械量。這也是目前應(yīng)用得最廣泛的測量方法。

（4）信號處理模塊。信號處理模塊包括A/D 轉(zhuǎn)換單元、濾波處理單元和信號處理單元。A/D 轉(zhuǎn)換單元包括多路通道，能同時處理多個采集信號，需要通過濾波消除干擾，經(jīng)過信號處理單元處理后傳輸給車載控制器。

（5）無線傳輸模塊。通過移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線傳輸，有高速傳輸、實時在線、快速登錄、覆蓋范圍廣等特點。目前發(fā)展迅速的4G 網(wǎng)絡(luò)、5G 網(wǎng)絡(luò)，適用于大容量、高速的數(shù)據(jù)傳輸，在GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的情況下，優(yōu)先通過GPRS 通信方式將挖掘機的溫度等工況信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心并接受監(jiān)控中心的指令。

4 結(jié)束語

挖掘機工況采集過于依賴人的現(xiàn)狀，降低了實際工況采集過程中的成本。本工況采集系統(tǒng)可以系統(tǒng)全面地采集挖掘機作業(yè)時的各種工況，為實驗室對挖掘機各個零部件的改進(jìn)與分析、驗證提供試驗參數(shù)。