工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能化診斷系統(tǒng)研究

尹明賢

（中鐵十一局集團(tuán)第二工程有限公司 442000）

工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能化診斷系統(tǒng)運(yùn)用微機(jī)處理、傳感器等技術(shù)智能監(jiān)測(cè)工程機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，利用專(zhuān)家分析系統(tǒng)智能分析相關(guān)參數(shù)，以便及早發(fā)現(xiàn)異常，排查潛在故障，有效減少故障發(fā)生率。同時(shí)在工程機(jī)械發(fā)生故障時(shí)，維護(hù)人員可借助該系統(tǒng)快速診斷排除故障。

1 工程機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能化診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)、機(jī)群故障診斷系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)主要作用是采集、分析工程機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并識(shí)別其運(yùn)行狀態(tài)；然后由機(jī)群故障診斷系統(tǒng)進(jìn)一步分析設(shè)備故障數(shù)據(jù)，作出故障診斷決策；者兩者之間的通信由通信系統(tǒng)完成。

1.1 單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)是指工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能化診斷系統(tǒng)中用于單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與故障診斷的子系統(tǒng)。通過(guò)在工程機(jī)械機(jī)群中的各個(gè)單機(jī)配置智能監(jiān)控儀器，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：監(jiān)測(cè)單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)群故障診斷系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在異常參數(shù)就會(huì)發(fā)送報(bào)警信息；接收機(jī)群故障診斷系統(tǒng)發(fā)來(lái)的診斷決策數(shù)據(jù)并加以顯示。每一臺(tái)工程機(jī)械設(shè)備上都配置了單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，它是構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的關(guān)鍵一環(huán)，因此，單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)必須具備精準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)還必須能將數(shù)據(jù)及時(shí)傳送至機(jī)群故障診斷系統(tǒng)。

1.2 機(jī)群故障診斷系統(tǒng)

機(jī)群故障診斷系統(tǒng)的核心作用是進(jìn)行故障診斷決策，首先接收單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行分析處理，判斷單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備的故障原因，并給出故障診斷決策，發(fā)送至單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備，幫助維護(hù)人員開(kāi)展維修作業(yè)；記錄故障的相關(guān)初始數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的診斷結(jié)果.智能化是故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)階段使用較多的是專(zhuān)家系統(tǒng)(ES)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這兩個(gè)方法實(shí)現(xiàn)故障智能診斷。工程機(jī)械設(shè)備的故障原因很多，要想準(zhǔn)確診斷其故障必須具備非常專(zhuān)業(yè)的知識(shí)和實(shí)踐技能，因此推薦使用專(zhuān)家系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)工程機(jī)群的故障智能化診斷。基于專(zhuān)家系統(tǒng)的機(jī)群故障診斷系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析工程機(jī)械設(shè)備的故障信息，在此基礎(chǔ)上給出故障診斷結(jié)果。機(jī)群故障診斷系統(tǒng)主要包括解碼程序、專(zhuān)家系統(tǒng)、接口程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、部分。其中數(shù)據(jù)庫(kù)包括原始信息數(shù)據(jù)庫(kù)、故障診斷信息數(shù)據(jù)庫(kù)，前者用于存放單個(gè)工程機(jī)械的故障信息以及和單個(gè)機(jī)械的故障診斷結(jié)果。而解碼程序主要作用對(duì)通常機(jī)械設(shè)備的初始狀態(tài)參數(shù)、故障信息編碼與解碼，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的輸入制式。

1.3 通信系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)負(fù)責(zé)單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷子系統(tǒng)與機(jī)群故障診斷系統(tǒng)之間的通信。近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)日趨完善，其優(yōu)勢(shì)不斷凸顯，因此，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械機(jī)群狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能化診斷系統(tǒng)中，很好地滿(mǎn)足了工程機(jī)械維護(hù)工作的自動(dòng)化，智能化發(fā)展要求。

2 工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能化診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 工程機(jī)械單機(jī)改造

工程機(jī)械單機(jī)改造是指在單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備上增設(shè)單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)以便監(jiān)測(cè)單個(gè)工程機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行智能化故障診斷。在改造時(shí)通常選用基于CAN總線(xiàn)的上位機(jī)、下位機(jī)的構(gòu)架，其具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

2.1.1 單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的下位機(jī)

在單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)中，下位機(jī)的作用是采集單個(gè)工程機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并將其發(fā)送到上位機(jī)。本次研究的單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)使用Epec3G+控制器，控制器工作在溫差大、濕度大、振動(dòng)大的惡劣環(huán)境中，因此需要具備很高的可靠性，穩(wěn)定性。Epec3G+控制器中包含了性能強(qiáng)悍的微型處理器，CAN接口，全封閉輕鑄鋁外殼，具有良好的可靠性。因此，基于 Epec3G+控制器可以構(gòu)建安全可靠的單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的下位機(jī)，通過(guò)在單個(gè)工程機(jī)械的關(guān)鍵位置安裝傳感器實(shí)時(shí)采集工程機(jī)械的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)CAN總線(xiàn)通訊方式實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通信。

2.1.2 單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的上位機(jī)

嵌入式微處理器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的核心部件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行接口、外部設(shè)備的擴(kuò)展，其外部接口功能主要包括(1)人工輸入故障信息；(2)獲得下位機(jī)采集的單個(gè)工程機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；(3)連接通訊模塊、GPS模塊；(4)傳輸程序、數(shù)據(jù)。采用QC/OS-II作為上位機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，開(kāi)發(fā)出適合用于工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能化診斷的操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)該具備反應(yīng)靈敏、應(yīng)用程序獨(dú)立等等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.3 GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本次研究的工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能化診斷系統(tǒng)中的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)使用GSM/GPRS技術(shù)。具體實(shí)現(xiàn)方案是在單個(gè)工程機(jī)械以及機(jī)群故障診斷系統(tǒng)中安裝GSM/GPRS模塊，單個(gè)工程機(jī)械通信模塊通過(guò)RS-232串行接口與單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)連接，機(jī)群故障診斷系統(tǒng)的通信模塊通過(guò)通過(guò)RS-232串行接口與PC機(jī)相連。

2.2 GPS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

GPS定位是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的定位技術(shù)，其原理是借助衛(wèi)星的坐標(biāo)和衛(wèi)星到接收機(jī)的距離確定待測(cè)點(diǎn)位置。GPS定位系統(tǒng)精度高、可以全天候工作?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本以及定位精度的要求，本文給出了兩種定位方案，即五米左右的低精度定位和亞米級(jí)別的高精度定位。GPS接收機(jī)也通過(guò)RS232接口傳輸信號(hào)，可以通過(guò)串行接口連接單機(jī)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)上位機(jī)。

2.3 工程機(jī)械機(jī)群故障診斷中心實(shí)現(xiàn)

通常工程機(jī)械機(jī)群故障診斷系統(tǒng)位于施工現(xiàn)場(chǎng)，用于分析、診斷工程機(jī)械的故障信息，并給出診斷決策，再通過(guò)通信系統(tǒng)將診斷決策發(fā)送到單機(jī)。

2.3.1 工程機(jī)械機(jī)群故障診斷系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

整個(gè)機(jī)群中的工程機(jī)械的故障信息都需要通過(guò)工程機(jī)械機(jī)群故障診斷系統(tǒng)來(lái)處理，因此，該系統(tǒng)必須具備足夠的運(yùn)算能力以及可靠的通信能力才能精準(zhǔn)高效地給出診斷決策，通工程機(jī)械機(jī)群故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建可以采用以下的技術(shù)路線(xiàn)

（1）租借一臺(tái)服務(wù)器用作遠(yuǎn)程服務(wù)器，工程機(jī)械機(jī)群故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)位于該服務(wù)器中用來(lái)連接系統(tǒng)和單個(gè)工程機(jī)械。

（2）用一臺(tái)計(jì)算機(jī)A實(shí)現(xiàn)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)等功能，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)BP監(jiān)測(cè)工程機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，診斷故障，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)調(diào)控 P機(jī)群，以有效程機(jī)械機(jī)群故障診斷系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。

（3）用 1000M網(wǎng)連接各個(gè)計(jì)算機(jī)構(gòu)建高速局域網(wǎng)，確保通信速度和通信穩(wěn)定，是系統(tǒng)的各個(gè)模塊能夠協(xié)調(diào)順暢地運(yùn)行，使用大屏幕顯示電子地圖直觀呈現(xiàn)工程機(jī)械的分布情況和運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的故障出現(xiàn)之后再維修的被動(dòng)局面，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障隱患，及時(shí)排除故障隱患的目的，通過(guò)主動(dòng)維修的方式及時(shí)有效地排除工程機(jī)械的故障，大大延長(zhǎng)了工程機(jī)械的使用壽命。現(xiàn)階段，該技術(shù)尚處于初級(jí)發(fā)展階段，尤其是遠(yuǎn)程專(zhuān)家系統(tǒng)功能還需要不斷地完善。