重型平板運輸車微控系統故障診斷技術研究

羅達釗，鄭紹春

（武漢理工大學 交通學院，武漢 430063）

0 引言

重型平板運輸車(以下簡稱平板車)屬于重載運輸特種車輛，是一種“機-電-液”一體化產品。以PLC為核心的微控系統是平板車的重要組成部分，而故障診斷則是微控系統不可缺少的重要功能。當平板車發生故障的時候, 要求對其進行故障診斷并給予報警。為了提高平板車運行的安全可靠性、調試和維護工作的方便性和系統故障的診斷效率，本文以WTW型平板車故障診斷系統開發為例，綜合運用微電技術和基于知識的智能診斷技術對平板車故障診斷系統進行分析和研究，提出了一套準確判斷故障、將故障信息分類打包并通過CAN總線傳到故障監視終端報警顯示或按要求記錄的解決方案。

1 平板車及微控系統故障原理分析

整個平板車控制系統由三大部分組成：行駛驅動控制、多模式轉向控制和懸掛升降控制。故障類型按其行為進行分類可以分為行走、轉向和升降三大類型故障。行走類故障有抱死、打滑、差速。如果在轉向過程中每個輪組沒有按照預定的角度回轉,則在行駛過程中會出現車輪卡滯現象,造成平板車無法行走稱為抱死現象；當有一驅動輪在行駛過程中由于地面附著力不夠則會出現打滑現象；當車輛轉彎時，每個車輪的轉速都不一樣，外圈的車輪轉速一定大于內圈車輪的轉速。如果這時內外圈車輪轉速一樣，則外圈車輪必定發生滑移現象。轉向類故障有超差，超差是指駕駛室方向盤轉動太快導致輪組轉向跟不上而發生自動鎖盤的現象。升降類故障有超載、偏載、平臺傾斜。

按系統性進行故障分類可分為PLC控制系統內、外部故障。PLC內部故障包括由浪涌電壓或噪聲瞬時加到基本單元內，引起程序出錯、程序執行時間大于PLC規定時間、程序本身缺陷、電池電壓跌落、PLC燒壞等。外圍設備故障有PLC外部的輸入、輸出元件如限位開關、電磁閥、接觸器等觸點的損壞、接線短路，開路、平板車的行為要求對傳感元件的使用范圍進行設定使檢測值超過設定值范圍等。

2 平板車及微控系統故障診斷

2.1 平板車行為性故障診斷

基于以上對平板車微控系統故障組成分類和對故障的描述，分析其行為運動原理和特征參數得到故障診斷判斷條件如表1。其表中的轉速、速度、載重等數據是通過平板車微控系統采集相應的傳感器數據信息經運算處理后得到：

2.2 PLC微控系統故障診斷

讀取PLC輸入或輸出位的狀態值可以作為開關量故障診斷信號的依據。經分析可知開關量信號有五個狀態值：正常、低電壓、對電源短路、對地短路、開路；判斷當前外部信號狀態值與正常信號狀態值是否一致，結果一致則表明外部開關量設備處于正常工作狀態，不一致則表明對應的輸入或輸出設備出現故障。

表1 平板車功能性故障診斷條件

對輸入模擬量診斷的過程實質就是將在相應A/D通道上讀取到的當前模擬量信號值與應用設置的極限值相比較的過程。如果當前實際值遠離極限值，則表明傳感器所在的元件正常工作；如果當前實際值接近極限值，則為故障發生狀態。應用設置的極限值根據實際參數變化范圍確定。模擬量輸出和PWM輸出的診斷原理與開關量輸出診斷原理基本相同，不再作詳細論述。

3 基于知識的智能故障診斷方法

基于知識的故障診斷系統是以領域專家和操作者的啟發性經驗知識為核心, 通過演繹推理或產生式推理來獲取診斷結果, 其目的是尋找一個故障集合使之能對一個給定的征兆(包括存在的和缺席的) 集合產生的原因做出最佳解釋。系統的智能來源于它所擁有的知識, 知識是其工作的原始驅動力。本文所提到平板車微控系統的知識的獲取來自于診斷對象的背景知識(如診斷對象的結構、功能、安裝和維修情況等)、專家經驗(診斷知識獲取的重要來源,通過與專家的交流來獲取) ,這些知識如概念、實例、規則等比較容易用顯式語言描述的，通過人機交互的方式由領域專家或系統用戶將其輸入到診斷系統知識庫中。對于專家經驗類知識, 可采用模糊產生式規則描述如下：

IF A1 AND A2 AND … AND An THEN B (CF)

其中: Ai 為前提,B 為結論,CF 為專家給出的規則的置信度, 且0≤CF≤1。

以平板車裝載重物時超載偏載情況為例：通過四點最大軸載荷和讀取壓力傳感器數值進行計算可以得到當前載重、當前載重下的安全菱形區域和重物的重心位置，如果載重量大于額定載重，則裝載過程中100%出現超載；如果載重量小于額定載重且重心位置在安全區域以外，則90%出現偏載現象。其知識表達可以如下規則表示:

IF 載重量小于額定載重 AND 重心位置在安全區域以外 THEN 偏載故障出現 (0.9)

基于知識的診斷推理具有知識表達直觀、形式統一、模塊性強、推理速度快等優點。但是這種方法具有較大的局限性, 如知識集不完等。在本系統應用中，由于知識集可以完全由對象的背景知識和專家經驗獲得，故障診斷知識形式統一直觀等原因，基于知識的故障診斷系統完全符合實際應用要求。

4 故障診斷系統硬軟件實現

4.1 平板車微控系統的硬軟件結構

平板運輸車微控系統的硬件結構如圖1所示

圖1 平板運輸車微控系統的硬件結構

上位機即為微控系統監視器采用上海派芬公司提供的ST系列LCD彩色顯示器。控制器采用力士樂的RC6-9可編程控制器。擴展模塊采用力士樂RCE12-4擴展模塊。上位機程序的軟件開發平臺是支持IEC61131標準的CoDeSys?？刂破鞒绦騽t是用力士樂公司自配的CoDeSys核心的軟件開發平臺Bodas，具有和CoDeSys類似的編寫環境。控制器采集平板車行走類、轉向類、升降類的傳感器信息和元件故障信息，經過綜合處理后通過CAN1總線發送到上位機進行顯示和故障診斷報警；

故障診斷系統軟件程序流程圖如圖2所示。

圖2 軟件程序流程圖

4.2 故障診斷信息傳輸的數據結構

故障系統各個部件的通訊是通過CAN總線進行的，所以故障信息必須組合打包成CAN信息幀。表2是對CAN信息幀數據打包的格式定義與：

表2 故障信息打包數據結構定義

舉出最常見的輸入輸出故障和功能性故障，并通過CAN信息幀數據定義的格式打包發送到CAN總線上：

4.3 故障診斷信息顯示的數據結構

故障診斷的信息幀從控制器A和控制器B上通過CAN總線發送到上位機進行顯示。顯示界面是用標準的CoDeSys列表控件，該控件需要用戶自定義一個數據結構綁定列表控件，對數據結構填充內容就可以顯示出來。經分析，顯示界面數據結構定義如表3所示。

表3 顯示界面數據結構定義

在CoDeSys下的數據結構定義代碼如下：

4.4 故障診斷信息顯示

通過代碼編寫，界面顯示數據結構與界面列表關聯起來，界面實時顯示數據結構的信息內容，故障診斷信息顯示界面如圖3所示。

5 結論

圖3 故障診斷信息顯示界面

基于知識的重型平板運輸車故障診斷系統對于保障整車微控系統的可靠性, 安全性具有重要的意義；對調試、使用和維護也帶來相當大的便利；該故障診斷微控系統經過開發調試，已順利完成了工業試運行測試，并對各種故障進行了人工模擬，各項性能指標達到了設計要求，目前已經通過了廠方的驗收。系統能準確完成各種復雜操作控制，對平板車電液系統的狀態監測和故障診斷迅速準確。但還有許多問題值得探討和研究，基于知識的智能專家診斷系統依然存在許多明顯的局限性，由領域專家提供知識到機器學習或基于神經網絡等對平板車故障診斷系統未來有很大的發展空間。

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