工程装备电控系统故障检测技术研究.pdf

自动化系统设计No.7,2023DevelopmentManagementandMechanical2023年第7 期Total243机械管理开发总第2 4 3期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.082工程装备电控系统故障检测技术研究杨志英1，张建华2（1.陆军装备部装备项目管理中心，北京100072;2.中国人民解放军第6 4 1 1 工厂，河北石家庄050200)摘要：以某型装备电控系统为研究对象，研制了基于CAN总线的电控系统故障检测平台，利用功能分析法、故障隔离技术、数据库技术，设计了基于总线通信网络的复杂机电控制系统故障分析与诊断方案，实现了大型、复杂机电一体化系统的故障检测、隔离、诊断与可视化维修指导。研究成果的推广应用，能够提高装备维修效率，促使装备性能快速恢复，发挥工程装备的作战保障能力。关键词：工程装备；虚拟仪器；电控系统；适配器中图分类号：U472.9文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-7 7 3X(2023）0 7-0 2 0 4-0 30引言工程装备电控系统及其总线通信网络遍布于工程装备各个部位，可视为工程装备的“大脑”“神经”与“感知器官”，是工程装备集成化、智能化与综合化的关键。电控系统中各种部件的控制单元(ECU)很多，各控制单元之间通过总线网络连接。由于工程装备的作业装置和底盘行驶系统互相之间具有一定的独立性，一般情况下其电控系统或电气系统可分为底盘（车电）系统和上装（作业）控制系统两部分。如某型桥梁装备其电气系统分别由车电系统和架设控制系统组成，车电系统的各个CPU通过CAN总线构成测控网络，各子网的通信协议也可能有所不同，如乘员舱采集控制器、动力舱采集控制器和驾驶员显控终端等单元构成的车电子网，其各个ECU间信号传输协议为CAN2.0A标准帧协议。发动机ECU协议则为SAEJ1939协议（CAN2.0B扩展帧）。电控系统中的有些CPU同时承担网关功能，负责这些不同子网、不同协议之间的数据格式转换与数据传输。工程装备的作业控制系统通信网络大多采用CANopen通信协议，其波特率为2 5 0 kbit/s,CANID采用CAN2.0A标准顿格式。由此可见，工程装备电控系统的网络总线较之通用车辆电控总线更为复杂一些。因此，本文研究开发基于工控机及嵌入式系统的故障检测系统，通过CAN总线及其他测试接口获取工程装备电控系统的工况参数信息，对所获取的故障数据进行分析处理，实现工程装备电控系统故障的现场监测、故障报警、预测诊断与离线分析等功能。该故障检测系统能够对发现的故障进行隔离，指导使用维修人员针对可能的故障部位进行深入检测，这样即使使用人员对工程装备电控系统的组成结构并不特别熟悉的情况下，也能够快速、正确、高效地对故障进行快速定位、隔离、检测与诊断，提高装备维修效率，促使装备性能快速恢复，发挥工程装备的作战保障能力。1电控系统故障检测硬件平台设计电控系统故障检测模式主要有两种，一是通过CAN总线在线采集电控系统总线网络上的报文信息，监测、诊断与显示电控系统各个组件（单元)的工作状态与故障情况，这种检测模式是通过上位机、CAN总线分析仪接人架设系统CAN总线来实现；二是架设电控系统故障的离线模拟检测，实现方法是将架设电控系统的箱组（单元、传感器等）从装备上拆解下来，将其与检测适配器通过电缆或工装连接起来，由接口适配器提供激励信号和其工作所需的输人信号，测取电控单元的输出信号，据此进行电控单元工作状态的判断和故障诊断，这种离线模拟诊断方法无法对所有电控单元进行检测与诊断，但可以实现部分单元的故障检测。1.1检测系统结构设计某型装备故障检测系统通过采集该装备架设控制系统（上装电控系统）通信网络总线CAN1和CAN2的报文信息，以及车电系统（主要是发动机电控系统和驾驶员任务终端)CAN2.0B协议报文，实现对桥梁装备动力系统、架设控制系统各组件（单元）故障状态的监测、诊断和维修与排除的可视化指导。对于非总线信号器件故障的检测，如传感器供电线路、行程开关、接近开关、模拟量传感器、转速/里程传感器的脉冲信号、温度传感器等，则设计了专用的适配器模块和电缆、连接工装等。因此，故障检测系统主要由工控机（笔记本电脑）检测适配器、CAN总线分析仪、信号连接装置和其他附件等组成。其中，工控机是检测系统的硬件控制平台，其上安装有故障检测分析和可视化维修指导软件，是系统的用户接口设备，承担人机交互功能。适收稿日期：2 0 2 2-0 8-1 5第一作者简介：杨志英（1 9 7 4 一），男，硕士研究生，毕业于工程兵工程学院，主要从事工程装备管理方面的工作。205.杨志英，等系统故障检测技术研究2023年第7 期配器主要用于测试对象（传感器等）信号的多路转换、信号调理与信号转换等，是电控系统各个检测对象传感器与工控机之间的连接桥梁。CAN总线分析仪主要用于采集桥梁装备电控系统CAN总线数据，进行电控系统各个箱组(单元)的故障状态监测与诊断。检测系统的总体结构如图1 所示。接口适配器用户检测诊断系统（工控机或虚拟仪器平台）CAN分析仪CAN总线桥梁装备电控系统图1故障检测系统组成结构1.2接口适配器设计接口适配器主要由机箱、电缆连接面板、内部调理模块和信号连接插座等构成，如图2 所示。VPC90适配器及框架调理板前面板图2接口适配器组成结构接口适配器的核心控制单元是PIC单片机，其外围电路包括电源控制电路、数字信号调理电路、模拟信号调理电路、通信电路模块等。故障检测诊断平台（工控机或笔记本）与适配器连接时，其作为上位机与接口适配器内部的通信模块进行数据交互。通信模块将上位机指令/数据解析传送至单片机，再由单片机通过I2C总线协调和控制各外围模块，实现信号的检测、处理与传递。本文以传感器供电电压/电流状态检测电路的设计为例，阐述其设计过程。接口适配器提供了2 路完全相同的传感器供电（电压/电流）的检测电路，用于检测桥梁装备电控系统中的热电阻传感器、压力传感器等模拟量传感器的供电电压和电流的状态。图3是其检测电路原理，该电路可分为两部分，即电流检测电路和电压检测电路。采样信号从XS3-9和XP3-9接人，输人信号的电流大小由上部的R101精密电流采样电阻（0.5 Q/1W）和U3A运算放大器构成的I/V变换电路进行调理，将电流转换为电压值输人到单片机内置的A/D转换器输人端ANO/RAO，单片机根据转换值判断供电电流的工作情况。采样信号的电压值则是通过R108、R 1 0 9 分压电路分压后，经U3B运算放大器构成的射随器输人到单片机的A/D转换器输人端AN1，单片机根据AN1的转换值判断供电电压的状态。D101、D 1 0 2 两个稳压管用于将A/D转换器的输人电压限制在5 V以内，以保护单片机不会被尖峰干扰脉冲或过高的输入电压损坏。传感器供电1 检测+12VR10410k04U3ALM224R1023XS3+R10710k0ANOR1012000.5/1WR106Ri03XP3-9-二220k210kR105电流D1011oko-5V大5 V1R10851k0U3BLM22457R110AN16200R109D1025V110h电压图3传感器供电电压/电流状态检测电路2故障检测系统软件开发2.1总体方案设计故障检测软件由两大部分组成，即基于CAN总线的电控系统箱组（单元、传感器）在线故障状态监测和离线故障检测与分析。在线监测部分采用Lab-VIEW基于数据流编程技术、模块化技术和虚拟仪器VI技术实现；离线故障检测模块采用LabWin-dows/CVI、工作流、结构化和系统集成技术实现。软件系统总体结构如图4 所示。某型桥梁装备电控系统故障检测软件基于CAN总线的电控系统箱组电控系统故障检测（单元）离线故障检测故摩检测模块历史记录模块专家诊断模块远程故摩诊斯模块综合数据库模块总线与网络故障系统故障报警传感器故障阀组故障CAN总线监测网络监测发动机监测架设系统监测图4电控系统故障检测软件总体结构2.2主调模块的设计与实现故障检测程序是一个多线程、多功能和多界面的模块化程序，为协调和控制程序运行中的各个进程与线程的有序运行，首先设计了程序的运行框架和主流程，如图5 所示。编程时用主调模块实现程序的流程控制和线程管理。故障检测程序是一个多线程、多功能和多界面的（编辑：王婧）下转第2 1 1 页）206.第38 卷机械管理开发模块化程序，为协调和控制程序运行中的各个进程与线程的有序运行，首先设计了程序的运行框架和主流程。编程时用主调模块实现程序的流程控制和线程管理。开始加载主函数main()初始化界面控件加载消息响应进程消息参数“1”刷新界面相关控件加载显示主界面消息类型参数识别设置消息回调函数消息参数2”进入维修进程WinMsgDelay()Windows消息消息参数“3”图像控件刷新设置事件触发函数消息参数 3”加载维修指导进程桥梁装备电控系统故障综创建数据库链接合数据库“故障检测 事件转入故障检测进程处理消息或事件响应“历史记录 事件转人历史记录进程Y有事件或消息输人？N“退出”事件退出程序清理释放内存资源撤消消息回调函数WinMsgDelay()图5主调模块运行流程2.3用户界面的设计与实现以CAN总线与网络部件监测模块为例，阐述故障检测软件的界面设计。该模块可监测架设电控系统及底盘车电系统的控制总线、任务总线的工作状态，检测CAN1和CAN2总线的数据传输情况、顿速率与校验错误等信息，能够精确地判定CAN总线的故障状态。在总线通信状态监测的同时，该模块可诊断通信总线上的各个节点，包括显示终端、指控计算机、1号控制箱、主控盒、移动操纵盒、阀组箱、2 号控制箱及部分传感器的故障情况，其界面如图6 所示。3结语本文研究开发基于工控机、嵌人式系统、虚拟仪器技术和总线技术的故障检测技术及检测设备，通过CAN总线或其他测试接口获取工程装备电控系统的工况参数信息，对故障数据进行分析处理，实现工程项目信息720发动系镜妆态正常S6.01040水温尚保护常40.0120.0140016001200180010002000油压低保护79.008002200超建指示正常60024004002600转速传感器正常2002800油瓜传感器正常0.4O.23000脚踏板态1.0正常环境温度传感器正常0.22冷却水温传感器正常图6CAN总线与网络部件故障检测界面装备电控系统故障的现场监测、故障报警、预测诊断与离线分析等功能。所研制的故障检测系统能够对故障进行隔离，指导使用维修人员针对可能的故障部位进行深入检测，在使用人员对工程装备电控系统的组成结构并不特别熟悉的情况下，也能够快速、正确、高效地对电控系统故障进行定位、隔离、检测与诊断，提高装备维修效率，促使装备性能的快速恢复，以更好地发挥工程装备的作战保障能力。参考文献1江平，王海杰，董雅丽，等.某型装备液压系统便携式故障检测仪设计 J.液压与气动，2 0 1 8（1 2）：8 4-8 9.2余会贤.某型高炮故障检测仪的数据采集与通讯系统设计 D.南京：南京理工大学，2 0 0 9.3 魏晓兵.拖拉机电气故障诊断系统研究 D.武汉：武汉理工大学，2020.4樊星.基于虚拟仪器的工程车电子控制单元CAN总线检测技术研究 D.银川：宁夏大学，2 0 2 1.5卡子丹.自行火炮CAN总线实时数据采集与故障诊断 D.西安：西安工业大学，2 0 2 0.6杨小强，李焕良，彭川，等.工程装备电控系统故障检测与维修技术 M.北京：冶金工业出版社，2 0 1 8.7Chau K T,Wong Y S,Chan C C.An Overview of Energy Sources forElectirc VehiclesJJ.Energy Convers Mgmt,1999(10):1 021-1 039.8Hu B.Research and Application of Combined Algorithm Based onSustainable Computing and Arificial Intelligence J.MathematicalProblems in Engineering,2021(1):1-9.a上接第2 0 8 页）rstemR上接第2 0 6 页（编辑：王慧芳）?211.史瑞姣：基于负载预测的刮板输送机调速控制研究2023年第7 期如图4 所示，根据采煤机与刮板输送机在协同运行过程中的速度进行判断，若满足速度调节要求，则先进行采煤机设备的模糊PID调速，此时若采煤机速度调节已超出1 8%范围，则采煤机速度不再变化，启用刮板输送机的模糊PID调速过程。其中PLC控制器可以实现对负载电流值的实时监控效果，若电流值超出调节规划范围，以实现采煤机一刮板输送机的协同调速效果，则可退出程序。4效果检验为检验负载预测下的刮板机调速控制系统运行的有效性，进行工业性试验。将采煤机速度调节至恒定4.5 m/min，刮板输送机牵引速度1.2 5 m/s，对综采工作面2 0 7 0 m长度进行截割作业，并对刮板机电流数据进行统计。结果表明，利用该调速控制系统，刮板输送机的负载电流基本保持在设定范围之内，采煤机与刮板机的牵引协同性较好，刮板输送机轻载、超载现象大幅减少，达到了节省电能，高效输送的目的，降低了井下工人清扫浮煤的工作量，提供了综采设备运行的稳定可靠性。参考文献1李保盛.MG700型刮板输送机负载调速技术研究 J.机械管理开发,2 0 2 1(1 0):2 8 6-2 8 8.2胡磊.刮板输送机负载预测与调速控制研究 D.西安：西安科技大学,2 0 2 0.3赵瑞祥.基于负载自适应的刮板输送机控制方案设计 J.机械管理开发,2 0 2 1(9):2 6 6-2 6 8.4孙浩.基于刮板机负载预测的智能调速系统的设计及MATLAB仿真 J.现代信息科技，2 0 1 8（5）：1 9 1-1 9 3.Research on the Speed Control of Scraper Based on Load PredictionShi Ruijiao(Luan Chemical Industry Sijiazhuang Company,Jinzhong Shanxi 045300,China)Abstract:In view of the light load and overload problem of scraper machine in the comprehensive mining face,the design of speed controlsystem of scraper machine under load prediction is carried out,and the traction speed of coal miner and scraper conveyor is alsocooperatively regulated based on fuzzy PID control model.It is found that the system can effectively reduce the light load and overloadrunning time of the scraper,and can carry out adaptive regulation of the belt speed to achieve energy saving and consumption reductioneffect.Key words:scraper conveyor;cooperative control;PID fuzzy control;coal mining machinesearchonFaultDetectionTechnolomentElectronicControlSyYang Zhiying,Zhang Jianhua?(1.Equipment Project Management Center,Army Equipment Department,Beijing 100072,China;2.6411th Factory of Chinese Peoples Liberation Army,Shijiazhuang Hebei 050200,China)Abstract:Taking a certain type of equipment electric control system as an example,a CAN bus-based electric control system faultdetection platform is developed.Using functional analysis method,fault isolation technology and database technology,a complexelectromechanical control system fault analysis and diagnosis scheme based on bus communication network is designed,which realizes faultdetection,isolation,diagnosis and visualization maintenance guidance of large and complex electromechanical integration system.Thepopularization and application of the research results can improve the efficiency of equipment maintenance,prompt the rapid recovery ofequipment performance and bring into play the combat guarantee capability of engineering equipment.Key words:engineering equipment;virtual instrumentation;electronic control system;adapterDesign and Functional Implementation of Intelligent Height Adjustment Control System forCoal Mining Machine Rocker ArmLiu Junqiang(Luan Chemical Group Shanxi Xinyuan Coal Company Limited,Shouyang Shanxi 045400,ChinAbstract:In order to meet the requirement of adaptive adjustment and control of the rocker arms cutting height according to the coal seamconditions in the actual production of coal miners,the design of the key components of the coal miner was completed in combination withthe current control requirements of the automatic height adjustment system of the coal miner;and the PID control strategy was proposed incombination with the intelligent height adjustment requirements of the rocker arm of the coal miner.The effect is to lay the foundation forthe intelligent height adjustment of the rocker arm of coal mining machine in the future.Key words:coal mining machine;rocker arm;intelligent height adjustment;single neural PID control;adaptive control