工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障智能化診斷系統(tǒng)研究

尹明賢

（中鐵十一局集團第二工程有限公司 442000）

工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障智能化診斷系統(tǒng)運用微機處理、傳感器等技術智能監(jiān)測工程機械的運行狀態(tài)，實時采集相關數據，利用專家分析系統(tǒng)智能分析相關參數，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。同時在工程機械發(fā)生故障時，維護人員可借助該系統(tǒng)快速診斷排除故障。

1 工程機械的狀態(tài)監(jiān)測與故障智能化診斷系統(tǒng)的設計

系統(tǒng)主要由機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)、機群故障診斷系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等部分構成。其中機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要作用是采集、分析工程機械設備的運行參數，并識別其運行狀態(tài)；然后由機群故障診斷系統(tǒng)進一步分析設備故障數據，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 單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是指工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障智能化診斷系統(tǒng)中用于單個工程機械設備狀態(tài)的監(jiān)測與故障診斷的子系統(tǒng)。通過在工程機械機群中的各個單機配置智能監(jiān)控儀器，實現(xiàn)以下幾個功能：監(jiān)測單個工程機械設備的運行狀態(tài)和故障信息，并將相關數據傳輸至機群故障診斷系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在異常參數就會發(fā)送報警信息；接收機群故障診斷系統(tǒng)發(fā)來的診斷決策數據并加以顯示。每一臺工程機械設備上都配置了單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，它是構建整個系統(tǒng)的基礎，是工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的關鍵一環(huán)，因此，單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)必須具備精準實時獲取單個工程機械設備運行狀態(tài)數據的能力，同時還必須能將數據及時傳送至機群故障診斷系統(tǒng)。

1.2 機群故障診斷系統(tǒng)

機群故障診斷系統(tǒng)的核心作用是進行故障診斷決策，首先接收單個工程機械設備發(fā)來的數據信息，并進行分析處理，判斷單個工程機械設備的故障原因，并給出故障診斷決策，發(fā)送至單個工程機械設備，幫助維護人員開展維修作業(yè)；記錄故障的相關初始數據以及對應的診斷結果.智能化是故障診斷技術的發(fā)展趨勢，現(xiàn)階段使用較多的是專家系統(tǒng)(ES)、人工神經網絡這兩個方法實現(xiàn)故障智能診斷。工程機械設備的故障原因很多，要想準確診斷其故障必須具備非常專業(yè)的知識和實踐技能，因此推薦使用專家系統(tǒng)的方式實現(xiàn)工程機群的故障智能化診斷。基于專家系統(tǒng)的機群故障診斷系統(tǒng)負責分析工程機械設備的故障信息，在此基礎上給出故障診斷結果。機群故障診斷系統(tǒng)主要包括解碼程序、專家系統(tǒng)、接口程序、數據庫、部分。其中數據庫包括原始信息數據庫、故障診斷信息數據庫，前者用于存放單個工程機械的故障信息以及和單個機械的故障診斷結果。而解碼程序主要作用對通常機械設備的初始狀態(tài)參數、故障信息編碼與解碼，將數據轉換為統(tǒng)一的輸入制式。

1.3 通信系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)負責單個工程機械設備狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷子系統(tǒng)與機群故障診斷系統(tǒng)之間的通信。近年來，隨著移動通信技術的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)日趨完善，其優(yōu)勢不斷凸顯，因此，被廣泛應用于工程機械機群狀態(tài)監(jiān)測與故障智能化診斷系統(tǒng)中，很好地滿足了工程機械維護工作的自動化，智能化發(fā)展要求。

2 工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障智能化診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 工程機械單機改造

工程機械單機改造是指在單個工程機械設備上增設單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)以便監(jiān)測單個工程機械設備的運行狀態(tài)，對其進行智能化故障診斷。在改造時通常選用基于CAN總線的上位機、下位機的構架，其具體實現(xiàn)方式如下。

2.1.1 單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的下位機

在單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中，下位機的作用是采集單個工程機械的運行狀態(tài)參數，并將其發(fā)送到上位機。本次研究的單機監(jiān)測與故障診斷系統(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+控制器可以構建安全可靠的單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的下位機，通過在單個工程機械的關鍵位置安裝傳感器實時采集工程機械的狀態(tài)參數，通過CAN總線通訊方式實現(xiàn)下位機與上位機的通信。

2.1.2 單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的上位機

嵌入式微處理器、實時操作系統(tǒng)是單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的核心部件，在此基礎上進行接口、外部設備的擴展，其外部接口功能主要包括(1)人工輸入故障信息；(2)獲得下位機采集的單個工程機械的運行狀態(tài)參數；(3)連接通訊模塊、GPS模塊；(4)傳輸程序、數據。采用QC/OS-II作為上位機的實時操作系統(tǒng)內核，開發(fā)出適合用于工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障智能化診斷的操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)應該具備反應靈敏、應用程序獨立等等優(yōu)點。

2.1.3 GSM/GPRS無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

本次研究的工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障智能化診斷系統(tǒng)中的無線通信系統(tǒng)使用GSM/GPRS技術。具體實現(xiàn)方案是在單個工程機械以及機群故障診斷系統(tǒng)中安裝GSM/GPRS模塊，單個工程機械通信模塊通過RS-232串行接口與單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)連接，機群故障診斷系統(tǒng)的通信模塊通過通過RS-232串行接口與PC機相連。

2.2 GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)

GPS定位是現(xiàn)階段應用最廣泛的定位技術，其原理是借助衛(wèi)星的坐標和衛(wèi)星到接收機的距離確定待測點位置。GPS定位系統(tǒng)精度高、可以全天候工作。考慮到系統(tǒng)的實現(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別的高精度定位。GPS接收機也通過RS232接口傳輸信號，可以通過串行接口連接單機監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)上位機。

2.3 工程機械機群故障診斷中心實現(xiàn)

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

2.3.1 工程機械機群故障診斷系統(tǒng)的硬件平臺

整個機群中的工程機械的故障信息都需要通過工程機械機群故障診斷系統(tǒng)來處理，因此，該系統(tǒng)必須具備足夠的運算能力以及可靠的通信能力才能精準高效地給出診斷決策，通工程機械機群故障診斷系統(tǒng)構建可以采用以下的技術路線

（1）租借一臺服務器用作遠程服務器，工程機械機群故障診斷系統(tǒng)的數據庫位于該服務器中用來連接系統(tǒng)和單個工程機械。

（2）用一臺計算機A實現(xiàn)通信、數據庫等功能，用一臺計算機BP監(jiān)測工程機械的運行狀態(tài)，診斷故障，用一臺計算機調控 P機群，以有效程機械機群故障診斷系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。

（3）用 1000M網連接各個計算機構建高速局域網，確保通信速度和通信穩(wěn)定，是系統(tǒng)的各個模塊能夠協(xié)調順暢地運行，使用大屏幕顯示電子地圖直觀呈現(xiàn)工程機械的分布情況和運行狀態(tài)。

3 結束語

綜上所述，工程機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的故障出現(xiàn)之后再維修的被動局面，實現(xiàn)了主動發(fā)現(xiàn)故障隱患，及時排除故障隱患的目的，通過主動維修的方式及時有效地排除工程機械的故障，大大延長了工程機械的使用壽命。現(xiàn)階段，該技術尚處于初級發(fā)展階段，尤其是遠程專家系統(tǒng)功能還需要不斷地完善。