某型裝備健康監測系統設計

潘 凡， 須 麒， 任俊宏

（1.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007； 2.鐘山職業技術學院， 江蘇 南京 210049）

引言

某型橋梁裝備在保障軍隊機動能力方面起著不可替代的作用。由于現代戰爭所具有的突發性、局部性和高破壞性等特點，對軍用橋梁等機動保障裝備的機動性、功能多樣性、執行任務的時效性與靈活性，以及結構的模塊化、信息化、集成化、通用化等方面提出了更高的要求。上述多種因素使得當前橋梁裝備的機、電、液、氣和信息一體化程度日益增強，車輛總線技術、嵌入式技術、數據采集技術、智能化信息技術等在橋梁裝備上得到了廣泛應用，極大地提高了橋梁裝備的保障能力，但也導致橋梁結構原理復雜，維修、訓練和保障的難度增大[1-3]。

本文綜合采用傳感器、數據處理、模式識別和決策支持等先進技術，對橋梁裝備實施狀態監測與健康管理，監控重型支援橋的實時健康狀態，同時可根據系統以前、現在的狀態，預測裝備的未來健康狀態，根據預測結果進行必要的事前維護和精確保障，采用“基于狀態的維修”和“預知維修”將故障消滅在萌芽狀態，縮短裝備任務準備、維修保障時間，提高戰備完好率，滿足實戰化維修保障要求。

1 某裝備液壓和電氣系統故障分析

某型裝備由底盤、橋梁系統、架設系統、通信指揮系統和附屬設備等組成，通信指揮系統與底盤車電系統、架設控制系統一起，構成輪式沖擊橋綜合電子信息系統，三者由CAN 總線互聯實現數據共享與交流。本課題主要研究該裝備上裝部分健康參數的監測及自主式維修保障系統，即橋梁系統和架設系統，其中橋梁系統由橋跨和展橋機構組成，架設系統包含架設機構（舌形臂、翻轉架）、液壓系統和控制系統等。由于機械構件的健康監測與維修保障相對較簡單，不作為主要研究內容，本文以架設系統中的液壓系統和控制系統（含相關的底盤車電系統）作為主要研究對象，對其工作原理、故障特點、參數監測方法與自主式維修保障技術等進行分析，為整機健康管理和維修保障，以及其他工程裝備的健康監測與自主式維修保障提供技術基礎。

1.1 液壓系統的故障模式與故障機理

該裝備架設液壓系統以其柱塞式液壓泵為能源，以架設控制系統的控制電信號為控制指令，通過CAN 控制總線將信號傳輸至閥組控制箱，經處理變換后輸出PWM信號至多路換向閥，由其將電信號轉換為液壓信號，利用液壓執行機構（液壓油缸）來驅動負載。其工作原理如圖1 所示。

圖1 電液系統工作原理

架設液壓系統由控制元件（多路負載敏感換向閥）、液壓執行元件（轉臂油缸、展橋油缸、轉架油缸、支腿油缸等）、位置和壓力測量元件（壓力傳感器、位移傳感器）組成。液壓系統常見故障有電控部分短路、斷路、參數漂移等造成的電路故障，也有因控制閥卡滯、堵塞，液壓缸磨損、泄漏、卡死等造成的機械故障。另外，據數據統計，液壓系統中因油液污染造成的系統失效占70%以上，因磨損故障造成的系統失效占20%。由于污染失效難以實時監測，并且油液污染常常直接造成多路閥或執行元件（液壓缸等）卡死，因此在故障檢測時除定期檢測油液污染度之外，還可通過檢測液壓閥和執行元件的狀態來實現油液污染的診斷，而液壓系統的磨損可以通過檢測泄漏實現故障診斷。

1.2 電氣系統的故障模式與故障機理

由于該橋梁裝備內部不僅同一系統的不同部分之間互相關聯、緊密結合，而且不同系統或總成間也存在著緊密的聯系，在運行過程中形成一個整體。在橋梁裝備中，導致故障的各種因素相互交叉，時刻影響著裝備的安全運行。有時一個傳感器、一個ASIC 芯片或系統本身的微小故障，甚至一些偶然因素影響就會導致整個裝備性能惡化，造成較嚴重的后果。對橋梁裝備電氣電子設備的故障模式進行分析是實現橋梁裝備電氣系統故障檢測和診斷的前提。

橋梁裝備常用電子元器件的失效模式大致可分為六類，即開路、短路、喪失功能、特性劣化、重測合格率低和結構不良等。常見的導致失效的原因有燒毀、管殼漏氣、管腳腐蝕或折斷、芯片表面內涂樹脂裂縫、芯片黏接不良、鍵合點不牢或腐蝕芯片表面鋁腐蝕、鋁膜傷痕、光刻/氧化層缺陷、漏電流大、閾值電壓漂移等[4]。

2 基于物聯網技術的架設系統PHM 監測系統設計

2.1 總體結構設計

該裝備架設系統PHM監測系統主要由架設液壓系統、電控系統和液壓泵振動測試系統等的PHM監測系統組成，其體系結構如圖2 所示。

圖2 架設系統PHM 監測系統總體結構

2.2 網絡系統組態

2.2.1 無線路由器的選型

選用普聯技術有限公司的TP-LINK 系列450 Mbit/s 無線路由器，其采用高規格的3 個數據流并發、3×3 MIMO 架構，3 個數據流通過3 根天線同時進行收發，能夠大幅提升無線性能，同時提高信號強度，增大覆蓋范圍，增強連接穩定性。

2.2.2 串口Wi-Fi 轉換模塊的選型

架設液壓系統狀態參數監測傳感器均選用了RS485 協議輸出信號的傳感器，因此傳感器的RS485信號需轉換為Wi-Fi 信號，才能傳送至上位機進行處理。本課題選用了湖北宇聯通信技術有限公司開發的RS232/RS485 to RJ45&Wi-Fi 數據轉換器數據傳輸模塊。

2.2.3 TCP Client 模式

數據轉換模塊Wi-Fi232S 在TCP 模式下，上電后根據自己的設置主動連接到TCP server 服務器端，然后建立一個長連接，之后的數據進行透明傳輸。此模式下，TCP server 的IP 需要對串口服務器可見，可見的意思是通過模塊所在的IP 可以直接PING 通服務器IP，服務器端可以是互聯網的固定IP，也可以是和模塊同一個局域網的內網IP。圖3 為Wi-Fi232S 的TCP Clinent 配置工作原理圖。從圖3 可以看出，在TCP Clinet 模式下，Wi-Fi232S 將串口設備（如流量傳感器）輸出的RS485 協議串口信號轉換為Wi-Fi 無線信號，傳送到數據采集控制器或維修中心的服務器等，而控制信息是反向傳遞的，數據采集控制器等終端設備通過Wi-Fi 信號下傳至轉換模塊中。

圖3 TCP Client 模式工作原理

3 監測系統軟件開發

系統軟件利用LabVIEW 語言開發，共分為三個主要模塊，即液壓泵健康監測與故障診斷模塊、液壓系統健康監測與故障診斷模塊和電控系統健康監測與故障診斷模塊[5]。本文以液壓泵健康監測模塊的設計為例進行闡述。

3.1 界面設計

該模塊的功能是以示波器的形式顯示傳感器采集到的液壓泵縱向和橫向的振動數據、回油流量數據和污染顆粒數據等。液壓泵健康監測的主界面顯示區域分為四大塊，分別為污染顆粒計數器、壓力顯示（液壓泵入口壓力、出口壓力和濾油器的壓差信號）、流量顯示（回油流量和出口流量）、溫度顯示（液壓油管路溫度、油泵的出口液壓油溫度和液壓泵的表面溫度）。

3.2 顆粒計數傳感器數據采集程序的開發

3.2.1 通信協議

LWL-5 在線油液顆粒計數器信號采用Modbus RTU 模式輸出，支持Modbus 的功能碼。傳感器系統設置了參數寄存器，測試數據寄存器及儀器操作寄存器，以滿足共通信功能。使用Modbus 通信規約的功能碼03（讀取單個或多個保持寄存器數據）、功能碼06（設置單個保持寄存器）、功能碼16（設置多個保持寄存器）、功能碼05（寫單個線圈寄存器）及功能碼04（讀取輸入寄存器），即可與傳感器系統正常交互。

3.2.2 程序框圖（Block Diagram）開發

顆粒污染計數傳感器系統數據采集程序采用LabVIEW 語言開發[6]，其框圖程序如圖4 所示。程序主要分為建立TCP 連接、向TCP 地址端口寫入測試指令、讀取TCP 地址端口數據和關閉TCP 資源等部分。

圖4 顆粒污染計數傳感器數據采集框圖程序

4 結語

本文基于Wi-Fi 無線通信原理、RS485 總線Modbus RTU 通信協議、CAN 總線通信原理和武器裝備健康管理PHM 技術，構建了某型裝備架設系統PHM 監測與故障診斷和自主式維修保障硬件系統，完成了傳感器選型、信號轉換模塊選型與配置、軟件開發和硬軟件集成等。該系統可在線監測裝備架設液壓、電控系統的工作狀態，實時采集、存儲和傳輸架設系統狀態參數，實現對液壓系統故障狀態的實時監控和預測報警，診斷電控系統各個控制單元（節點）的故障狀態和傳感器的開路、短路故障狀態，為橋梁裝備的維修保障、作戰行動、演訓活動等提供自主式維修保障方案和事故預警，提高橋梁裝備的作戰保障能力和后勤保障水平。