集中潤滑系統智能故障診斷研究與實現

余建坤+余家宇

摘 要：本文以集中潤滑系統為研究對象，探討了利用嵌入式計算機技術來實現故障智能診斷與處理的途徑和方法，并以SOPC為核心，利用檢測傳感電路、執行電路和輸入輸出電路，實現集中潤滑系統故障的智能診斷與處理，該系統和智能潤滑控制系統可以有機統一，保證潤滑系統正常運行，減少維修工作量，降低設備運行成本，保障安全，保護環境，保證作業質量。對類似產品的研制，具有一定參考價值。

關鍵詞：SOPC；智能控制；潤滑控制系統

1 引言

集中潤滑系統避免了人工加注時的各種缺點，能夠按照預先設定的策略實現自動加注潤滑劑到各潤滑點，使各潤滑點時刻保持良好的潤滑狀態，且在潤滑全過程中零污染，得到了越來越廣泛的應用。但集中自動潤滑系統技術先進，維護管理比較復雜，現場處理也有一定難度，一旦出現故障，就會造成整個潤滑系統癱瘓，造成設備損壞、停產，因此如何對集中潤滑系統故障實現快速診斷和處理，是集中潤滑系統的難點之一。

計算機在線故障診斷技術，在各行各業中都得到廣泛應用，本文研究集中潤滑系統智能故障診斷，就是利用集中潤滑控制系統中各傳感檢測信號，通過計算機處理，對潤滑系統進行適當的控制、處理和報警，并將故障狀態記憶和顯示出來，幫助快速恢復設備正常運行。

SOPC結合了SOC和PLD的優點，筆者利用它實現了機械潤滑系統的智能控制，SOPC嵌入了微型計算機，因此也可以利用其實現在線故障診斷，并且可以和控制系統集成在一起，能根據用戶要求定制，是個性化、過程化、精細化、準確化的多品種小批量產品的不二選擇。

2 集中潤滑系統組成及故障診斷技術原理

集中潤滑系統一般由油箱、油泵、過濾器、冷卻器、加熱器、各種閥（包括安全閥、單通閥、雙通閥等）、檢測保護裝置（油標、液位控制器、油流指示器、給油指示器、溫度測量裝置、油壓檢測裝置等）及自動潤滑控制系統組成。其中任何一個組成部分出現故障，都有可能引起集中潤滑系統故障。

故障分析方法，常用的有FTA、FMEA、FMECA，FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析）是通過故障現象分析故障原因的方法，FMEA（Fault Model Effect Analysis，故障模式影響分析）是在隊故障出現后的影響進行分析，而FMECA在FMEA的基礎上吧，增加了嚴重度分析。故障診斷，必須建立在對系統故障分析的基礎上，為了做出合理的處理措施，本研究建立在FMECA的基礎上。

故障自動診斷，通常分兩部完成：首先是生成數據，即預先建立被診斷的對象故障模型，編制故障字典，然后輸入測量數據，進行對比，給出診斷結果。故障自動診斷，現在常用計算機完成。診斷離不開測試數據和故障定位數據，集中潤滑系統自動診斷更強調實時性，隨著集中潤滑系統規模增大，要求數據生成技術既能使診斷數據有較高的測試效率，又能盡量減少生成方法的計算復雜性，提高診斷實時性，當然，更完美的方法是采用硬件實現，SOC或SOPC是個不錯的選擇。

故障自動處理，通常根據故障模式和嚴重程度，利用控制系統采取相應措施，完成自動處理，集中潤滑系統故障處理，也要求實時處理。集中潤滑系統故障處理方法常見的有：停止主機運行、啟用備用供油泵、增加油溫、報警、顯示故障和故障部位等。處理措施是根據故障嚴重程度自動執行的，比如，潤滑系統已不起作用，為了保護設備，不能啟動主機，運行中必須先停止主機運行，而如果只是潤滑油位傳感器檢測到油位低于安全運行位，就只需發出聲光報警，同時顯示缺油。

3 系統硬件設計

3.1 計算機選擇

計算機在線故障診斷，顧名思義，是必須用到計算機的，可以選用PC機、嵌入式系統、單片機，各有優缺點，但其實最好的選擇是使用SOC，也就是專用芯片，或者SOPC，也就是可編程的SOC。但SOC不是一般情況下能采用的，必須是大規模生產才能考慮。本系統采用市面上易于獲得的SOPC芯片。

3.2 SOPC選擇及資源分配

考慮到與智能機械潤滑系統集成，本設計選用低成本、低功耗的Cyclone系列FPGA芯片- CycloneIII EP3C55F484，內含55865個LCs，具有260萬BIT內嵌RAM容量，4個鎖相環（2KHZ-1300MHZ），484個IO引腳。可嵌入一個8051單片機系統、8088 IBM 計算機系統，或一個 32 位 Nios2 嵌入式處理器核及其整個應用系統（包括RAM/ROM 等），從而構成一個功能完備的單芯片式嵌入式系統。

確定芯片之后，接下來是芯片資源分配。本設計選用EP3C55F484內含的全兼容工業級8051核，其主頻最高可達250MHz，配備內置的鎖相環、數據RAM、程序ROM、接口模塊、通信模塊、顯示控制模塊、數據采樣和信號發生模塊等等，構成SOC系統。

3 系統軟件設計

3.1 CPU核的定義和單片機最小系統實現

EP3C55F484的8051核是一個軟核，名稱為CPU8051V1，由VQM源碼表述，文件名為CPU8051V1.VQM，在使用時，采用例化方式直接調用，配置260萬BIT內嵌RAM和最大64KB的程序ROM。

3.2外部硬件驅動程序和應用程序設計

外部硬件通過各類接口連接到8051V1，使用時都必須有驅動程序，完成硬件初始化和硬件釋放、數據輸入輸出和故障處理。限于篇幅，驅動程序的編寫不作詳細介紹。

應用程序的設計，主要包括：

（1）主程序設計

由于單片機是順序執行的，編寫主程序首先需要做的是對有關變量初始化，然后啟動優先級最高的任務控制塊，然后再啟動其它任務內核。

（2）中斷程序設計

在中斷服務程序中，主要是中斷向量表的調用和處理。

（3）子程序設計

應用程序設計，主要就是各個任務的編程，為了編程和調試方便，整個程序按任務劃分成多個子程序。限于篇幅，不再贅述。

4 結論

本研究以EP3C55F484為核心，輔以檢測電路，主機控制電路、備用油泵控制電路和聲光報警電路，完成了集中潤滑系統的智能故障診斷，能和控制系統集成在一起，抗干擾、成本低、體積小、易于擴展和升級，是傳統機械潤滑控制系統改造和智能潤滑控制系統故障診斷的一個不錯的選擇，對類似機電產品的開發，也有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 陳陽、余建坤.基于ARM+μC/OS-Ⅱ智能機械潤滑控制系統設計[J]. 數字技術與應用，2014.4.

[2] 余建坤、余家宇. 基于SOPC的智能機械潤滑控制系統的設計.

基金項目：湖南省教育廳科研課題07C681；湖南省高校科技創新團隊支持計劃。

作者簡介：

余建坤（1966-），男，湖南婁底人，副教授，研究生畢業，碩士，研究方向：機電一體化、電子信息工程。