基于PXI總線的山地挖掘機故障檢測系統開發

彭 川， 楊小強， 楊海山， 歐陽鵬程， 朱保國

（1.陸軍工程大學野戰工程學院， 江蘇 南京 210007； 2.工程兵軍代局， 北京 100093）

引言

山地挖掘機是典型的機、電、液一體化裝備，技術性能先進，自動化、信息化程度高。該裝備采用全液壓驅動和復合式行走機構，使得其液壓與電控系統結構原理尤為復雜。因此采用傳統的故障檢測手段和通用的故障檢測儀器設備，難以對山地挖掘機的動力系統、液壓系統、轉向制動系統、工作裝置與液壓操縱以及電氣系統進行有效、及時的故障檢測、診斷與排除。

1 山地挖掘機電控與液壓系統故障分析

山地挖掘機由動力系統、液壓系統、轉向與制動系統、工作裝置與液壓操縱系統、電氣系統、冷卻加溫系統和附屬裝置組成。

1.1 液壓系統常見故障及其診斷流程分析

液壓系統的故障現象復雜多變，但從總體上可分為6大類，即執行元件、操縱閥、異響、油液泄漏與溫度異常、原動機以及其他類，如圖1所示。

液壓系統的故障最終均反映在液壓回路元件的工作狀態上，比如元件損壞、密封失效、彈簧斷裂、液壓缸劃傷、元件表面膠合、點蝕、疲勞斷裂等。這些故障可能伴隨有油液泄漏、系統溫度異常、非正常振動、噪聲等現象，導致液壓系統不能正常工作。采取觀察和儀器檢測相結合的方法，對山地挖掘機液壓系統在多種工況下的故障特點進行研究分析，確定了液壓系統故障診斷的邏輯流程圖，如圖2、圖3所示分別為右手柄和腳踏板的故障診斷流程[1]。

圖1 山地挖掘機液壓系統原理框圖

圖2 山地挖掘機右手柄故障診斷流程之一

圖3 山地挖掘機腳踏板故障診斷流程之一

1.2 電氣系統常見故障及其檢測流程分析

山地挖掘機電氣控制系統由基礎電氣系統和控制電氣系統兩大部分組成。

山地挖掘機電氣控制系統的常見故障現象可分為供電系統、照明系統、控制系統等幾個方面，具體表現為電氣設備工作異常、燈光不亮、電機等執行機構不工作、監控器或啟動電磁鐵不工作等。對于這些故障，本文列出了部分電氣控制系統元器件的檢測流程和激勵信號定義，如下頁表1所示，依此流程可對其故障進行檢測、診斷和排除。

2 故障檢測系統硬件設計與開發

硬件平臺主要由現場檢測診斷平臺（主控計算機）、適配器、信號連接裝備和傳感器等附件組成。其中現場檢測診斷平臺主要包括PXI機箱、嵌入式控制器、數據采集卡、接口模塊和VPC連接器等組成。適配器主要用于信號的多路轉換、信號調理與信號轉接等，是山地挖掘機被測對象與檢測硬件間連接的橋梁。

表1 電氣系統故障檢測流程樣表

根據測試平臺的信號采集功能需求，選用了NI PXI-8187嵌入式控制器作為核心控制器[2]；數字信號采集卡選用了NI PXI-6509數字I/O模塊；模擬信號采集卡選用了M系列的NI PXI-6259型數據采集卡[3]，該模塊提供了32位模擬輸入，最高采集頻率1.25 MS/s，4路模擬輸出，48路雙向數字輸入輸出通道；信號切換開關模塊選擇NI PXI-2530B模塊，其多路復用器包括 128×1（1線）、64×1（2線）、32×1（4線）或8組16×1（1線）的模式，矩陣則包括4×32（1線）、8×16（1線）或 4×16（2線）的模式。

根據硬件平臺的總體設計方案要求，故障檢測診斷平臺能與PC機配合使用實現檢測診斷功能，選用PXI-1042主機箱作為虛擬儀器平臺。其核心設備為虛擬儀器平臺，為滿足系統開放性和可擴展性的要求，虛擬儀器平臺采用了“PXI機箱+主控計算機+PXI模塊化儀器”[4]的硬件結構，該虛擬儀器平臺通過VPC接口板與故障檢測適配器相連，PXI系統的集成圖如圖4所示。

圖4 配件系統PXI總線模塊化儀器集成

PXI總線模塊化機箱系統是檢測系統的核心設備，該平臺相當于一臺安裝了特定采集板卡的計算機，運行有windows操作系統。為保證適配器能與其配合使用，硬件上采用RS232通訊方式與虛擬儀器平臺進行交互，因此PXI機箱內專門配置了串行通訊卡，所選擇的是NI PXI-8430卡，軟件上基于其操作系統進行開發[5]。接口設備主要指從PXI計算機系統到適配器的信號連接設備，包括各板卡的配套連接端子和VPC90系列連接器。

3 故障檢測系統軟件設計與開發

LabWindows/CVI在儀器控制、虛擬面板設計、信號分析與處理、硬件訪問方面具有強大功能，因此山地挖掘機故障檢測系統的軟件基于微軟件的WindowsXP/Win7系統運行，采用Labwindows/CVI程序語言進行開發[6]。

根據故障檢測平臺的設計需求，結合山地挖掘機使用維修單位的意見和建議，確定該軟件的基本功能，主要包括人機交互、設備測試、故障分析、維修輔助以及記錄保存等功能，功能框圖如圖5所示。

圖5 軟件的功能框圖圖

根據功能需求設計了中心調度模塊、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。下頁圖6為中心調度模塊的運行界面，左側樹形控件主要用于故障檢測時選擇檢測項目，“測試”按鈕和“歷史記錄”按鈕在點擊時觸發按鍵事件，從而轉入對應模塊。液壓系統故障檢測功能模塊通過讀取各測點的壓力、溫度、流量參數，實時顯示并與數據庫中存儲的故障標準數據進行對比，可以確定液壓系統的故障原因，利用可視化維修指導功能，根據故障現象進行故障排除維修。并記錄保存采集的數據，同樣，該界面也提供了故障模擬與聯機數據檢測兩種模式供用戶選擇操作。

圖6 山地挖掘機故障檢測系統入口界面

建立了記錄查詢數據庫Rec.mdb和故障維修數據庫Repair.mdb。數據庫格式為微軟的ACCESS格式[7]。程序通過CVI/SQL工具箱，用SQL語言實現對記錄的保存、分類和查詢。記錄查詢數據庫主要用于存儲每次測試測試對象的器件編號、測試類型、測試日期、測試人員、檢測的信號以及信號狀態的判斷準則、參數測試結果、檢測結論和錯誤代碼，通過對檢測時間、檢測人員、檢測類型和被檢設備的選擇，從索引表中選出符合條件的項，方便了對記錄的檢索。維修指導數據庫主要存儲了各種故障的故障代碼、故障現象、檢測流程和維修步驟等，實現對檢出故障的維修指導。

故障檢測軟件采用系統管理控制、檢測功能模塊、板卡硬件驅動和診斷維修數據庫等相結合的多層次的模塊化結構體系，數據庫可根據需要進行補充、增添相應的記錄項，完善檢測診斷軟件的診斷維修性能，軟件層次清晰，移植性好、開放性強，具有較好的軟件升級性能[8]。

4 結論

經過集成與調試，整個系統能夠穩定可靠地完成對山地挖掘機的故障檢測和維修指導，達到了預期的效果。本文設計的山地挖掘機故障檢測系統貼近部隊實際需要，可為部隊基層維修站和基地維修站提供一套智能化的檢測診斷設備，滿足部隊對山地挖掘機電氣控制系統和液壓系統狀態檢測、故障診斷的需求，可對電氣控制系統進行戰備完好性檢測和故障診斷，故障定位到獨立設備；可基于裝備預埋的檢測端口對液壓系統的狀態參數進行檢測，為故障診斷提供數據依據，有效促進了我軍裝備維修保障領域的開發與建設，對實現我軍裝備保障系統信息化和數字化建設具有重要意義。

[1] 楊小強，韓金華，李華兵，等.軍用機電裝備電液系統故障監測與診斷平臺設計[J].工兵裝備研究，2017，36（2）：61-64.

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[8] 秦紅磊，路輝，郎榮玲.自動測試系統硬件及軟件技術[M].北京：高等教育出版社，2007.