機電設備電控系統故障檢測儀的開發

朱亞偉， 李煥良， 何曉容

（1.解放軍理工大學野戰工程學院， 江蘇 南京 210007； 2.西華大學機械工程學院， 四川 成都 610000）

引言

某型軍事裝備的電氣控制系統組成結構與工作原理都十分復雜，傳統的檢測手段無法對其各個電氣設備與系統模塊進行快速檢測、故障定位與診斷。為滿足相關單位保障能力建設需要，本文在深入研究分析裝備電氣控制系統的組成、工作機理、故障特點和接口信號屬性的基礎上，提出一種便攜式故障檢測系統的研究設計方案。該故障檢測系統綜合運用嵌入式技術、虛擬儀器技術、可靠性技術、信息處理技術等理論進行產品的研發與設計，將故障定位到板塊級可更換單元，對裝備的電氣控制系統具有較全面的故障診斷能力。維修方案生成模塊能夠提供的詳細維修指導功能，利用可視化維修指導手段，輔助裝備維修使用人員對裝備進行快速的修理。故障診斷模塊采用神經網絡技術與專家診斷系統結合的方式，智能化程度高，保障了檢測系統故障診斷和定位的準確度，對新裝備保障能力的建設具有積極的促進作用[1]。

1 電控系統故障檢測儀硬件設計方案

故障檢測系統可以完成對該裝備上裝電氣控制系統輸出信號的檢測，包括爆掃控制系統、掃雷犁控制系統等。設備檢測系統硬件設計采用模塊化設計方案，將系統劃分為若干硬件和軟件功能模塊，簡化設計過程并縮短設計周期，同時便于擴充和更新，結構靈活，增強系統的適應性。硬件系統的設計主要包括工控機模塊選型、按鍵模塊設計、CAN通訊模塊設計、采集模塊設計、調理板卡設計、載板設計和檢測電纜的設計等內容。故障檢測系統組成如圖1所示[2]。

圖1 電控系統故障儀總體組成

檢測系統硬件結構原理圖如下頁圖2所示，被測部件通過檢測電纜和相應的檢測系統航插連接，將檢測信號傳遞給檢測系統，被測信號首先送到調理模塊進行調理，使之成為需要的、適合采集的信號。然后將調理之后的信號送到PCI104采集模塊進行處理。檢測軟件通過總線訪問數據采集模塊，讀取采集到的數據信息，同時調用故障診斷系統進行故障的診斷與定位，并對數據進行實時分析、存儲、顯示以及形成結論。操作人員可以通過顯示屏現場查看測試數據和診斷結果，也可通過外接打印機輸出診斷結論。

檢測系統通信接口可以使檢測數據通過USB接口導出，進行離線的數據分析，完成分類匯總，補充故障數據庫。上位機也可通過網口與檢測系統連接，利用上位機來操作檢測平臺完成檢測作業，實現復雜的遠程操作檢測工作。

內部鋰電池模塊可對掃雷車檢測系統供電。當使用外接交流電源時，通過電源適配器將220 V交流電源轉換為24 V直流電源，輸出端與接檢測系統的電源航插相連，此時由外部電源給檢測系統供電，同時對電池充電。

圖2 故障檢測儀硬件結構原理圖

2 電控系統故障檢測軟件開發

根據檢測儀功能要求和對被測系統的詳細分析，在完成硬件設計的基礎上，確定檢測系統軟件的開發需求，建立整體系統的設計思路。檢測系統軟件的設計采用模塊化思想，對各個模塊進行程序設計，最后進行程序的調試與優化，并根據檢測流程編寫用戶手冊和幫助文檔。

2.1 檢測軟件結構組成

檢測儀軟件是基于Windows系統，采用LabWindows/CVI語言和SQL Server 2005數據庫進行開發的。系統自檢和系統幫助是兩個相對獨立的模塊，其余三個模塊故障檢測系統模塊、數據庫系統模塊和維修方案生成模塊是系統的關鍵模塊。軟件系統的組成結構如圖3所示。

檢測系統主控程序主要負責整個系統的管理和調度，配合系統自檢程序，完成初始化檢測。故障檢測系統是完成各個被檢測部件故障檢測的程序集合，以應用程序格式被主控程序調用執行。根據部件檢測需要，向被測部件輸出有關激勵或調試信號，同時接收被測部件輸出的響應信號或其他特征信號，并進行處理與儲存。數據庫系統包含了檢測所需要的各種數據資源，包括：檢測診斷數據庫、檢測結果數據庫、儀器資源數據庫、保障對象數據庫、檢測流程數據庫、流程變量數據庫和界面信息數據庫等。維修方案系統依據檢測信號的測試和故障分析的結果，給出被測部件的故障模式和維修方案，指導維修人員進行部件的維修。幫助系統提供該型綜合掃雷車的相關技術資料以及軟件系統操作的幫助。

圖3 檢測軟件模塊組成結構

2.2 故障檢測模塊開發流程

故障檢測模塊主要功能是根據被檢測單元，選擇相應檢測部件，并對其進行檢測。其具體開發流程如圖4所示[3-4]。故障檢測模塊的開發基于以下工作流程：在分析故障現象的基礎上，選擇故障檢測模塊，通過通信電纜將裝備與檢測儀相連，檢測儀施加激勵信號給被測部件，并采集相應檢測反饋信號，隨后檢測儀調用內部數據處理模塊完成數據分析，故障診斷模塊根據提供的分析數據，確定故障部位和故障原因，進而檢測儀給出顯示結果并由基于知識的專家系統中的維修指導模塊給出維修建議。

2.3 故障檢測系統程序結構概述

電氣控制系統故障檢測軟件共包括20余個內部模塊，檢測系統的軟件模塊程序結構圖如下頁圖5所示。在故障信息數據庫的協同下，完成外掛程序調用、監測數據管理、故障檢測流程執行和故障檢測診斷等功能，實現對掃雷車電氣控制系統中主操縱盒、自控中心單元柜、磁感保護智能節點、犁體智能節點一、犁體智能節點二、閉鎖智能節點、點火操縱盒、爆掃中繼盒、中繼盒、閥盒、CAN總線接口和各種傳感器與接近開關的智能故障檢測與診斷。

圖4 故障檢測流程圖

圖5 故障檢測系統程序結構圖

故障檢測系統程序中，Init模塊為中心調度和總控模塊，主函數Main()在該模塊中，完成故障檢測程序的初始化、數據庫的鏈接處置和其他任務。該模塊中的Windows消息回調函數InstallWinMsgCallback非常重要，用戶與主界面交互的主要信息由該函數進行處理，根據信息不同調用相應的函數執行檢測任務。Entry為檢測程序入口模塊，進行測試對象單元相關信息和檢測人員信息的輸入。ZHslc模塊為公共函數定義模塊，其中定義了Windows信息響應函數、數據庫操作函數、數據采集函數、硬件接口函數等等。Rec為檢測數據記錄查詢模塊，能夠檢索系統所存儲的檢測歷史數據信息。RecSel為數據記錄選擇模塊，主要功能是提供數據選擇過濾條件。Repair為維修指導信息模塊，為診斷結果提供詳細的維修指導方案。Database為數據庫模塊。Ux模塊為掃雷車電氣控制系統各被測單元的具體檢測程序模塊。檢測程序模塊互相之間是并列關系，根據檢測主線程序的指令跳轉至相應的檢測程序模塊線程執行檢測任務，檢測完成后再返回到Init模塊界面或進入下一步的故障維修指導界面。故障檢測程序同時與數據庫管理系統和維修方案生成系統進行實時交互，根據用戶的操作轉入執行相應的功能模塊。

2.4 程序運行界面設計

2.4.1 檢測儀主界面

程序運行后的主界面如圖6所示。該界面主要分為三個區域：圖最左側的四個命令按鈕是功能模塊區，為用戶提供保障對象檢測、檢測結論的顯示、歷史數據管理操作和查看裝備資料命令的執行選項。圖中間用于向用戶顯示故障檢測診斷程序的檢測對象單元，可進行系統和部件的檢測選擇、檢測附屬單元和測試準備的內容。圖右部的圖像顯示區，主要顯示被測對象單元的圖片和檢測過程、數據的顯示[5-6]。

圖6 故障檢測診斷系統主界面

2.4.2 維修方案生成界面

當設備的某一個部件檢測完畢之后，如果出現故障，檢測系統會在故障診斷推理的基礎上自動生成電氣控制系統被測故障單元的故障維修方案。維修方案生成界面（圖7）分為故障分析列表、維修方案指南和維修指導圖片三個區域。由故障診斷的結果，結合故障維修數據庫Repair中的故障代碼表A對比得到故障代碼，再和故障現象表B對比，得到故障分析列表。用戶選擇了故障分析表中的項，對照Repair數據庫中相應的故障維修方案表C，得到維修指南和維修指導圖片的文件名，程序將相應的部件圖片顯示出來，指導操作人員進行故障的維修。

圖7 維修方案生成界面

3 結論

本文研制的電氣控制系統故障儀能夠很好地滿足野外條件下作業的需求以及檢測的便捷性，集成測試平臺和測試資源，將計算機系統、信號采集系統和調理系統科學地融合在一個設備里，對被測部件快速進行狀態檢測和故障定位。采用面向對象的編程技術，基于虛擬儀器技術、嵌入式技術、數據庫技術和模塊化技術開發了信號采集、處理與維修指導等軟件功能。軟件結構緊湊、人機界面友好、執行效率高。軟件系統中的數據采集模塊、故障檢測模塊、數據庫管理模塊、故障診斷和維修指導模塊構成了良好的層次架構。研制成果智能化程度高、使用性好，對新裝備保障能力的形成具有積極的促進作用[7]，為機電設備的故障檢測提供了一個新的手段，能有效地提高軍用機電設備的使用效率和故障維修水平，具有很好的推廣應用前景。

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