基于GSM網絡的遠程內燃機故障診斷系統(tǒng)

向守兵，董大偉，閆 兵

（1. 四川工程職業(yè)技術學院，德陽 618000；2. 西南交通大學，成都 610031）

0 引言

內燃機結構復雜，許多零部件處在高溫、高壓、高負荷及強烈振動的惡劣條件下工作，使得內燃機故障率較高，維修技術難度大[1]。目前國內內燃機故障診斷系統(tǒng)多為現(xiàn)場診斷儀器，并且操作較復雜，面對疑難故障，維修人員常常無法快速、經濟地利用各方面的技術力量解決故障，而架設基于GSM網絡的遠程故障診斷系統(tǒng)，可以很好地為現(xiàn)場維修人員及時提供第三方的技術支持，這不僅為企業(yè)節(jié)約維修服務成本，提高服務效率，而且減少用戶的經濟損失。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)原理框圖

遠程故障診斷系統(tǒng)由現(xiàn)場內燃機數據采集終端、GSM通信模塊和故障診斷中心三大部分組成，如圖1所示。數據采集終端安裝在內燃機現(xiàn)場，主要完成對內燃機曲軸角振動信號的采集與調理，再送入單片機，利用單片機內部的定時器/計數器完成轉速脈沖信號的采集，然后通過TC35i GSM通信模塊將數據無線送到遠程故障診斷中心，完成數據處理，對內燃機的工況進行分析，判斷故障缸。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 角振動信號采集硬件設計

綜合考慮檢測精度和系統(tǒng)成本的因素，系統(tǒng)采用磁電式傳感器檢測角振動信號。磁電式傳感器結構簡單，安裝精度要求較低，傳感器無需配備電源，且脈沖信號不因轉速過高而減弱。它是由齒盤和感應磁頭組成。齒盤是一個由鐵磁材料制成的類似圓柱齒輪的齒盤，感應磁頭是一個模擬交流信號發(fā)生器，當鐵磁材料經過磁頭時，它將產生交變電壓信號，通常由帶2個接線柱的磁芯及線圈組成。這2個線圈接線柱是傳感器輸出的端子，齒盤安裝在被測軸系上，當齒盤轉動經過傳感器感應磁頭時，線圈將產交流電壓信號，輸出的信號幅值與頻率的大小正比于測速齒盤的轉速。如齒盤有N個齒，齒盤每轉過1圈，感應磁頭就產生N個幅值為300～800mV的近似正弦信號[2]。

圖2 數據采集電路

數據采集電路如圖2所示。磁電傳感器感應磁頭產生的交變信號經硬件電路處理后送單片機系統(tǒng)采集。但考慮到實際應用中現(xiàn)場較強的電磁干擾，為進一步提高測速系統(tǒng)的抗干擾性能，將磁電傳感器產生的模擬信號經過LM324構成比較電路整形處理，轉化為數字信號，由此提高系統(tǒng)的抗干擾能力，再由光電耦合隔離器件TLP521隔離后送施密特非門觸發(fā)器74HC14進一步整形，通過74LS74雙D型觸發(fā)器對信號進行二分頻，最后送入單片機，利用單片機內部的定時器/計數器完成轉速脈沖信號的采集。

圖3 TC35i與單片機的接口電路

單片機選用STC公司生產的超低功耗、高性能8位單片機STC89C52。該器件采用第六代加密技術，超強抗干擾能力，片內含有256字節(jié)的RAM，8K的ROM，3個16位定時器，6個中斷源，32個I/O口線，支持在線編程。

2.2 TC35i接口電路設計

系統(tǒng)采用西門子TC35i[3]工業(yè)級GSM通信模塊實現(xiàn)遠程數據傳輸,數據接口可通過AT命令雙向傳輸指令和數據,可選波特率為300b/s～115kb/s，性價比高，性能可靠。TC35i與單片機的接口電路如圖3所示。

TC35i提供40個外部引腳, 通過一個ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數據輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。本系統(tǒng)主要使用以下引腳:1～5腳為電源電壓輸入端；6～10腳為接地端；24～29為SIM卡引腳，分別為CCIN、CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND；15腳為啟動信號IGT，TC35i通電后必須給IGT一個大于100ms低電平，模塊才啟動；18、19腳分別為串行數據輸入端和串行數據輸出端，分別與單片機的TXD和RXD端相連接。單片機與TC35i之間通過串口通信，符合ITU-T RS232接口標準，它有固定的參數：8位數據位和1位停止位，無校驗位。

2.3 RS232接口電路設計

在診斷中心，TC35i接收到的數據需要送給診斷計算機進行分析，由于TC35iRXDO和TXDO端為TTL電平，因此需要在TC35i模塊與計算機之間增加RS232電平轉換電路，系統(tǒng)采用MAX232芯片，如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

圖4 RS232接口電路

系統(tǒng)中的軟件設計主要包括數據采集終端軟件和診斷上位機軟件兩部分。由于內燃機轉速較低，考慮編程及單片機的執(zhí)行速度，數據采集終端軟件采用T法對內燃機的角振動信號進行測量。

診斷上位機軟件用C++語言編制而成，中文界面，鼠標選擇式操作。具有操作簡便、功能完善、輸出資料完備，不用人工整理數據的特點。對各工況、各測點可作如下分析[4]：

1）實測轉速及扭振時域波形分析；

2）扭振信號的幅值譜和功率譜分析；

3）扭振分諧次(≤24個)和總幅值隨工況(轉速、功率)變化規(guī)律分析；

圖5 發(fā)送和接收中斷處理流程

4）三維(幅值、頻率、轉速)譜陣分析；

5）雙測點間的扭角差時域波形分析；

6）扭角差隨工況(轉速、功率)變化規(guī)律的分析。

TC35i提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。GSM07.07中定義的AT命令[5]接口提供了一種移動平臺與數據終端設備之間的通用接口，數據終端設備通過標準AT命令與GSM網絡引擎進行相互通信和交換數據。為降低功耗，數據的發(fā)送和接收以中斷形式進行處理，程序流程如圖5所示。

4 結論

根據上述思路設計的內燃機遠程故障診斷系統(tǒng)，以6135柴油機為對象，進行了工況實驗，故障診斷準確率高，系統(tǒng)抗干擾能力強，經用戶使用效果良好，縮短了售后服務周期，降低了服務成本。系統(tǒng)也可用于內燃機遠程監(jiān)控、無人值守等領域，具有一定推廣價值。

[1] 董大偉.基于曲軸角振動診斷內燃機各缸作工狀況的研究[D].西南交通大學,2002．

[2] 曾新,董大偉,向守兵,閆兵.基于AVR單片機的內燃機曲軸角振動診斷儀研制[J].機械與電子,2007．

[3] Siemens.TC35iHardwareInterfaceDescription[J].2003．

[4] 董大偉,閆兵,譚明達.PC儀器扭振測量系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2001．

[5] European Telecommunications Standards Institute.Digital cellular telecommunications system(phase 2+),at command set for GSM mobile equipment(ME)[EB/OL],1999．