重型平板運輸車微控系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究

羅達釗，鄭紹春

（武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063）

0 引言

重型平板運輸車(以下簡稱平板車)屬于重載運輸特種車輛，是一種“機-電-液”一體化產(chǎn)品。以PLC為核心的微控系統(tǒng)是平板車的重要組成部分，而故障診斷則是微控系統(tǒng)不可缺少的重要功能。當(dāng)平板車發(fā)生故障的時候, 要求對其進行故障診斷并給予報警。為了提高平板車運行的安全可靠性、調(diào)試和維護工作的方便性和系統(tǒng)故障的診斷效率，本文以WTW型平板車故障診斷系統(tǒng)開發(fā)為例，綜合運用微電技術(shù)和基于知識的智能診斷技術(shù)對平板車故障診斷系統(tǒng)進行分析和研究，提出了一套準確判斷故障、將故障信息分類打包并通過CAN總線傳到故障監(jiān)視終端報警顯示或按要求記錄的解決方案。

1 平板車及微控系統(tǒng)故障原理分析

整個平板車控制系統(tǒng)由三大部分組成：行駛驅(qū)動控制、多模式轉(zhuǎn)向控制和懸掛升降控制。故障類型按其行為進行分類可以分為行走、轉(zhuǎn)向和升降三大類型故障。行走類故障有抱死、打滑、差速。如果在轉(zhuǎn)向過程中每個輪組沒有按照預(yù)定的角度回轉(zhuǎn),則在行駛過程中會出現(xiàn)車輪卡滯現(xiàn)象,造成平板車無法行走稱為抱死現(xiàn)象；當(dāng)有一驅(qū)動輪在行駛過程中由于地面附著力不夠則會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時，每個車輪的轉(zhuǎn)速都不一樣，外圈的車輪轉(zhuǎn)速一定大于內(nèi)圈車輪的轉(zhuǎn)速。如果這時內(nèi)外圈車輪轉(zhuǎn)速一樣，則外圈車輪必定發(fā)生滑移現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向類故障有超差，超差是指駕駛室方向盤轉(zhuǎn)動太快導(dǎo)致輪組轉(zhuǎn)向跟不上而發(fā)生自動鎖盤的現(xiàn)象。升降類故障有超載、偏載、平臺傾斜。

按系統(tǒng)性進行故障分類可分為PLC控制系統(tǒng)內(nèi)、外部故障。PLC內(nèi)部故障包括由浪涌電壓或噪聲瞬時加到基本單元內(nèi)，引起程序出錯、程序執(zhí)行時間大于PLC規(guī)定時間、程序本身缺陷、電池電壓跌落、PLC燒壞等。外圍設(shè)備故障有PLC外部的輸入、輸出元件如限位開關(guān)、電磁閥、接觸器等觸點的損壞、接線短路，開路、平板車的行為要求對傳感元件的使用范圍進行設(shè)定使檢測值超過設(shè)定值范圍等。

2 平板車及微控系統(tǒng)故障診斷

2.1 平板車行為性故障診斷

基于以上對平板車微控系統(tǒng)故障組成分類和對故障的描述，分析其行為運動原理和特征參數(shù)得到故障診斷判斷條件如表1。其表中的轉(zhuǎn)速、速度、載重等數(shù)據(jù)是通過平板車微控系統(tǒng)采集相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)信息經(jīng)運算處理后得到：

2.2 PLC微控系統(tǒng)故障診斷

讀取PLC輸入或輸出位的狀態(tài)值可以作為開關(guān)量故障診斷信號的依據(jù)。經(jīng)分析可知開關(guān)量信號有五個狀態(tài)值：正常、低電壓、對電源短路、對地短路、開路；判斷當(dāng)前外部信號狀態(tài)值與正常信號狀態(tài)值是否一致，結(jié)果一致則表明外部開關(guān)量設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，不一致則表明對應(yīng)的輸入或輸出設(shè)備出現(xiàn)故障。

表1 平板車功能性故障診斷條件

對輸入模擬量診斷的過程實質(zhì)就是將在相應(yīng)A/D通道上讀取到的當(dāng)前模擬量信號值與應(yīng)用設(shè)置的極限值相比較的過程。如果當(dāng)前實際值遠離極限值，則表明傳感器所在的元件正常工作；如果當(dāng)前實際值接近極限值，則為故障發(fā)生狀態(tài)。應(yīng)用設(shè)置的極限值根據(jù)實際參數(shù)變化范圍確定。模擬量輸出和PWM輸出的診斷原理與開關(guān)量輸出診斷原理基本相同，不再作詳細論述。

3 基于知識的智能故障診斷方法

基于知識的故障診斷系統(tǒng)是以領(lǐng)域?qū)＜液筒僮髡叩膯l(fā)性經(jīng)驗知識為核心, 通過演繹推理或產(chǎn)生式推理來獲取診斷結(jié)果, 其目的是尋找一個故障集合使之能對一個給定的征兆(包括存在的和缺席的) 集合產(chǎn)生的原因做出最佳解釋。系統(tǒng)的智能來源于它所擁有的知識, 知識是其工作的原始驅(qū)動力。本文所提到平板車微控系統(tǒng)的知識的獲取來自于診斷對象的背景知識(如診斷對象的結(jié)構(gòu)、功能、安裝和維修情況等)、專家經(jīng)驗(診斷知識獲取的重要來源,通過與專家的交流來獲取) ,這些知識如概念、實例、規(guī)則等比較容易用顯式語言描述的，通過人機交互的方式由領(lǐng)域?qū)＜一蛳到y(tǒng)用戶將其輸入到診斷系統(tǒng)知識庫中。對于專家經(jīng)驗類知識, 可采用模糊產(chǎn)生式規(guī)則描述如下：

IF A1 AND A2 AND … AND An THEN B (CF)

其中: Ai 為前提,B 為結(jié)論,CF 為專家給出的規(guī)則的置信度, 且0≤CF≤1。

以平板車裝載重物時超載偏載情況為例：通過四點最大軸載荷和讀取壓力傳感器數(shù)值進行計算可以得到當(dāng)前載重、當(dāng)前載重下的安全菱形區(qū)域和重物的重心位置，如果載重量大于額定載重，則裝載過程中100%出現(xiàn)超載；如果載重量小于額定載重且重心位置在安全區(qū)域以外，則90%出現(xiàn)偏載現(xiàn)象。其知識表達可以如下規(guī)則表示:

IF 載重量小于額定載重 AND 重心位置在安全區(qū)域以外 THEN 偏載故障出現(xiàn) (0.9)

基于知識的診斷推理具有知識表達直觀、形式統(tǒng)一、模塊性強、推理速度快等優(yōu)點。但是這種方法具有較大的局限性, 如知識集不完等。在本系統(tǒng)應(yīng)用中，由于知識集可以完全由對象的背景知識和專家經(jīng)驗獲得，故障診斷知識形式統(tǒng)一直觀等原因，基于知識的故障診斷系統(tǒng)完全符合實際應(yīng)用要求。

4 故障診斷系統(tǒng)硬軟件實現(xiàn)

4.1 平板車微控系統(tǒng)的硬軟件結(jié)構(gòu)

平板運輸車微控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1 平板運輸車微控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

上位機即為微控系統(tǒng)監(jiān)視器采用上海派芬公司提供的ST系列LCD彩色顯示器?？刂破鞑捎昧κ繕返腞C6-9可編程控制器。擴展模塊采用力士樂RCE12-4擴展模塊。上位機程序的軟件開發(fā)平臺是支持IEC61131標(biāo)準的CoDeSys?？刂破鞒绦騽t是用力士樂公司自配的CoDeSys核心的軟件開發(fā)平臺Bodas，具有和CoDeSys類似的編寫環(huán)境。控制器采集平板車行走類、轉(zhuǎn)向類、升降類的傳感器信息和元件故障信息，經(jīng)過綜合處理后通過CAN1總線發(fā)送到上位機進行顯示和故障診斷報警；

故障診斷系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖2所示。

圖2 軟件程序流程圖

4.2 故障診斷信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

故障系統(tǒng)各個部件的通訊是通過CAN總線進行的，所以故障信息必須組合打包成CAN信息幀。表2是對CAN信息幀數(shù)據(jù)打包的格式定義與：

表2 故障信息打包數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

舉出最常見的輸入輸出故障和功能性故障，并通過CAN信息幀數(shù)據(jù)定義的格式打包發(fā)送到CAN總線上：

4.3 故障診斷信息顯示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

故障診斷的信息幀從控制器A和控制器B上通過CAN總線發(fā)送到上位機進行顯示。顯示界面是用標(biāo)準的CoDeSys列表控件，該控件需要用戶自定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)綁定列表控件，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)填充內(nèi)容就可以顯示出來。經(jīng)分析，顯示界面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如表3所示。

表3 顯示界面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

在CoDeSys下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義代碼如下：

4.4 故障診斷信息顯示

通過代碼編寫，界面顯示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與界面列表關(guān)聯(lián)起來，界面實時顯示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息內(nèi)容，故障診斷信息顯示界面如圖3所示。

5 結(jié)論

圖3 故障診斷信息顯示界面

基于知識的重型平板運輸車故障診斷系統(tǒng)對于保障整車微控系統(tǒng)的可靠性, 安全性具有重要的意義；對調(diào)試、使用和維護也帶來相當(dāng)大的便利；該故障診斷微控系統(tǒng)經(jīng)過開發(fā)調(diào)試，已順利完成了工業(yè)試運行測試，并對各種故障進行了人工模擬，各項性能指標(biāo)達到了設(shè)計要求，目前已經(jīng)通過了廠方的驗收。系統(tǒng)能準確完成各種復(fù)雜操作控制，對平板車電液系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷迅速準確。但還有許多問題值得探討和研究，基于知識的智能專家診斷系統(tǒng)依然存在許多明顯的局限性，由領(lǐng)域?qū)＜姨峁┲R到機器學(xué)習(xí)或基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等對平板車故障診斷系統(tǒng)未來有很大的發(fā)展空間。

[1] 成曙,等.基于知識的汽車電氣設(shè)備智能故障診斷系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用研究,2004,2,169-170,185.

[2] 陸勝,劉錟.基于知識的智能故障診斷方法和過程實現(xiàn)[J].機床與液壓,2009,37(1),167-170.

[3] 朱浩波.PLC在機電設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2001,6(4),88-91.

[4] 張高升.重型工程平板車監(jiān)控系統(tǒng)的研制[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.