基于BIT的工程機械智能在線檢測方法研究與實現

劉敏

（長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410014）

基于BIT的工程機械智能在線檢測方法研究與實現

劉敏

（長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410014）

以某工程機械為研究對象，研究基于CAN總線的嵌入式BIT智能檢測方法，研制具有高可信度的工程機械智能故障診斷儀，以提高工程機械作業的可靠性和安全性。

機內測試;CAN總線;在線檢測

工程機械作為一種大型機電設備，具有功率大、啟動功耗大、維護困難的特點。隨著此類大型設備智能化程度的提高，對其檢測手段提出了新的要求，即快速性好、穩定性高、適應性強。在檢測技術不斷發展的條件下，新型、智能化程度高的檢測技術——BIT技術（Buit－in Test，智能機內測試）應運而生，BIT技術能夠極大地提高設備的工作可靠性和檢測的及時性。

1 BIT及智能BIT技術

BIT是指系統或設備依靠自身的電路和軟件，能對其狀態進行檢測和監控，并對故障進行自檢測、自診斷和自隔離。BIT技術主要包括信號檢測技術、信號處理技術、故障判斷和識別技術及預測及故障處理技術四個方面。按照工作掃描周期的不同，可分為周期BIT和啟動BIT。通過BIT技術，可以提高系統的工作可靠性和可測試性，提高診斷能力，簡化測試設備，減少技術保障，降低維修費用。

智能BIT是將包括專家系統、神經網絡、模糊理論、信息融合等智能理論應用到BIT，提高BIT綜合效能。包括BIT的智能設計、智能檢測、智能診斷、智能決策四方面的內容，四方面是相互補充、相互融合的關系。智能BIT技術是復雜機電裝備狀態監測、故障診斷方面的關鍵技術，能顯著改善裝備或系統測試性與診斷能力。［1］

2 工程機械作業故障診斷技術

2．1 對象系統建模分析

對象系統的建模分析的目的是通過失效模式及后果分析（FMEA，Failure Mode and Effects Analysis），掌握對象狀態模式相關的測試信息，即故障模式空間、測試空間及其相互關聯關系，這是保證對系統故障覆蓋的前提下進行傳感器選擇和傳感器優化布局的基礎。

對于本文研究的某工程機械系統，將其表示為包含有限p個組件元素c（i=1，2，…，p）的集合ME，記為ME={c1，c2，…，cp}，同時模型中的每個組件元素具有特定的屬性信號，這些信號是系統中各種故障狀態的反映，是BIT系統進行檢測和診斷時需要獲取的信息。所有屬性信號構成包含有限M個元素的信號集合S，S={s1，s2，．．．，sM}，（M＞1），每個組件元素i對應其中的一個子集SC （Cj），這些信號的表現形式是對應組件元素的功能或狀態的反映，為實現對工程機械運行狀態的檢測和診斷，需盡可能獲取各組件元素關聯的信號，這些信息將通過測試點采樣獲得。因此，系統中必須具有包含有限K個元素的測試點集T，T={t1，t2，…，tk}，每個測點對應一個信號子集ST（tj）。

FMEA分析后得到系統屬性信號集合和故障模式集合，需要確認系統中的每一個故障源能從這些測點中得到觀察，即得到故障源與屬性信號之間的因果關系，建立測試信息的因果矩陣。

設該工程機械建模分析得到n個故障模式FNi，i=1，2，…，n，系統的故障模式集為FN= {FNi}。由FMEA確定的系統測點集合為{si}，i =1，2，…，m，則可得到故障模式—測點的因果矩陣D=FN×S。D為一個n×m的矩陣，其中n表示待監測系統中存在的故障模式數，m表示采用的檢測傳感器數目，即有：D={dij，i=1，2，…，n;j= 1，2，…，m}。故障模式集合為F={FNi，i=1，2，…，n}，傳感器集合為S={Sj，j=1，2，…，m}。若有dij=1，則可知對應的故障模式FN，可用傳感器Sj進行檢測。因此，從因果矩陣D中進行分析，可保證對待檢測的機電系統的整體故障模式的覆蓋。該矩陣描述了檢測信息與故障模式之間的對應關系，有利于保證BIT設計結果實現對系統故障模式集合的覆蓋，如表1所示。［2］

表1 因果矩陣

由以上分析可知系統故障模式與測點信號之間的關聯關系，從而發現系統所有故障模式是否可檢測、可辨識。

2．2 BIT傳感層系統優化設計

工程機械作業控制BIT故障診斷中，測點的選擇、傳感器的優選和傳感器系統的優化布局，對于提高BIT系統的故障檢測率，保證較低的虛警率具有重要意義。其處理流程模型如圖1所示。

圖1 工程機械BIT傳感層系統優化設計的一般流程圖

2．3 基于CAN總線的嵌入式BIT智能診斷方法

CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網，CAN總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡，現已成為ISO－11898國際標準。CAN總線采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾的環境下工作，具有較高的可靠性。此外，CAN采用非破壞性總線優先級仲裁技術，可以滿足不同的實時要求。［3］

在該工程機械BIT檢測系統中，各功能模塊通過CAN總線連接在一起，運用總線結構可以提高該工程機械的工作效率、工作穩定性、檢測的方便性。由于總線具有結構緊湊，效率高的特點，在該工程機械中運用CAN總線可以使該工程機械的性能得到很大地提高。在工程機械中使用CAN總線主要是為了進行信號和數據的傳輸，如圖2所示。

圖2 CAN總線結構

人機接口設備是操作者對作業過程進行干預的主要手段;檢測裝置負責感知系統的狀態（主要是液壓系統檢測裝置）;執行器負責完成經主控制器處理后的動作;顯示儀表作為人機界面，可以用文字或圖形的方式告知操作者系統目前的狀態、故障源、故障危害程度等信息;PLC作為故障判斷的處理器主要進行故障的判斷及可修復故障的修復操作。［4］考慮到可能存在的惡劣環境且干擾因素較多，在CANH和CANL信號線與地線之間并聯兩個電容，濾去噪聲，使信號傳輸平穩。雙屏蔽電纜可設兩套，在兩套介質上同時進行信號傳輸。接收方只用一個介質，在冗余和非冗余段的連接臨界點進行切換。

3 工程機械BIT系統設計

3．1 工程機械BIT整體系統架構

結合工程機械作業故障診斷的模型，分析作業控制器、傳感檢測機構及作業執行機構的功能特性，研究工程機械基于CAN總線的BIT檢測協同的體系架構，設計工程機械BIT智能監測和診斷裝置系統構架。工程機械中需要檢測的部分的系統結構大致包括控制用PLC模塊、CAN總線、其他設備（主要是液壓系統），如圖3所示。在該工程細節BIT系統中，頂層PLC模塊將處理結果輸出到顯示界面上，為維修人員維修提供實時的數據和故障信息。

圖3 工程機械BIT整體系統圖

3．2 工程機械BIT系統結構

工程機械BIT系統由傳感器（包括在其他設備中）、PLC（檢測用CPU）、CAN總線、CAN總線檢測電路、液壓系統檢測電路及其外圍電路組成，如圖4所示。該工程機械BIT系統主要由CAN總線的BIT檢測分系統和液壓系統的BIT檢測分系統組成。底層PLC將從總線或者液壓系統傳來的數據進行簡單的處理之后傳給頂層PLC。頂層PLC作為決策核心接收來自底層PLC的數據并通過與故障數據庫的比較判斷出系統的故障情況。CAN總線的BIT檢測分系統運用PLC作為檢測核心，通過軟件并結合外圍電路實現對CAN總線的檢測。液壓系統的BIT檢測分系統運用PLC作為檢測核心，通過軟件并結合傳感器及外圍電路實現對液壓系統的檢測。

圖4 工程機械BIT系統構成

3．3 故障分析處理

判斷機制采用故障樹的形式，通過頂層PLC與數據庫之間的數據結合，設置自頂向下的判斷流程進行故障判斷。采用這種判斷方法的好處在于可以客觀、及時地發現故障源，并憑借數據庫信息對故障的危害程度進行及時的評判。

在該BIT檢測系統中，檢測的數據需要在比較的同時備份到故障數據庫中。結合故障數據庫的信息對可能出現的故障在顯示屏上顯示并報警。顯示屏作為人機交互界面提供一個直觀的故障判斷結果，為維修人員進行維修提供依據，使故障維修能夠及時、高效地進行。

測試點是故障檢測及隔離的基礎，合理地選擇測試點可以提高檢測精度，縮短檢測時間。［5］在工程機械BIT檢測系統中，CAN總線上的測試點是有源和無源測試點，液壓系統上的測試點是有源測試點。有源和無源測試點主要用在數字總線結構中，有源測試點主要用在對模擬量的采集中。

4 結束語

工程機械復雜程度和技術含量的提高，其維修性、測試性對裝備的工作能力、機動性、維修人員、保障經費產生了越來越重要的影響。引入BIT技術可以很大程度上提高工程機械的可測試性、可維修性和可靠性。在工作過程中，工程機械通過BIT技術的應用來加強其自動化程度，擺脫對人力的過分依賴，提高其工作效能、降低對使用者的要求。有資料顯示，在應用了BIT技術后降低了40%的維修費用。

［1］潘俊榮．裝備自治性維修保障體系研究［D］．長沙：國防科學技術大學，2002．

［2］楊光．機電產品BIT系統傳感層降虛警的理論與技術研究［D］．長沙：國防科學技術大學，2003．

［3］沈冬祥．工程設備CAN總線控制系統設計［J］．微計算機信息，2008，（2）．

［4］畢翔，張建軍，王躍飛．基于CAN總線的PLC－PC控制系統研究［J］．合肥工業大學學報（自然科學版），2005，（6）．

［5］唐力，張琳娜，張曉冬．基于現代信號處理方法的動態測量誤差分析［J］．機械設計與制造，2009，（9）．

［編校：鄧桂萍］

Study and Imp lementation of BIT－based Intelligent Online Detection of Mechanical Engineering

LIU Min
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410014）

With some engineeringmachinery for the study object and based on CAN bus embedded BIT intelligent detection method，the research developed an intelligent fault diagnostic machinery with high confidence to improve the reliability and security ofmechanicalwork．

Built－in Test（BIT）;CAN bus;online detection

TP374+．5

A

1671－9654（2011）04－047－04

2011－11－18

劉敏（1972－），男，湖南長沙人，副教授，研究方向為自動化測控技術。

本文為湖南省教育廳資助科研項目“基于BIT的工程機械智能在線檢測方法研究”（編號：09C1056）階段性研究成果。