基于CAN總線的柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄧忠彬 張 亮 李 浩 王曉雷 王 濤

(1.中海油能源發(fā)展油建渤海裝備分公司 天津) (2.安徽霍邱縣慶發(fā)礦業(yè)有限公司 安徽霍邱)

基于CAN總線的柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄧忠彬1張 亮2李 浩1王曉雷1王 濤1

(1.中海油能源發(fā)展油建渤海裝備分公司 天津) (2.安徽霍邱縣慶發(fā)礦業(yè)有限公司 安徽霍邱)

文章介紹的柴油機(jī)和變速箱故障診斷系統(tǒng)是針對(duì)海洋鉆修機(jī)柴油機(jī)和變速箱設(shè)計(jì)的集監(jiān)測(cè)、預(yù)警及故障診斷于一身的全自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng),能實(shí)時(shí)監(jiān)控柴油機(jī)和變速箱的工作狀態(tài)和關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù),對(duì)于超過(guò)警戒值的參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警,給出故障代碼,便于現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程維修。文章闡述了基于CAN總線的柴油機(jī)和變速箱故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵技術(shù)。

柴油機(jī);液力變速箱故障診斷系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集器;CAN總線;節(jié)點(diǎn)

0 引 言

目前,在渤海油田的海洋鉆修機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中,大多是CAT3400系列柴油機(jī)和ALLISON液力變速箱。設(shè)備的完好與否直接影響了鉆修井作業(yè)的效率,特別是冬天,設(shè)備的故障較為頻繁,嚴(yán)重地影響了油田正常生產(chǎn);因此,故障的快速診斷非常重要。由于目前還沒(méi)有適合海洋油田使用的柴油機(jī)和液力變速箱故障在線診斷系統(tǒng),所以,柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)就顯得尤為迫切。

本文介紹的基于CAN總線的柴油機(jī)和變速箱故障診斷系統(tǒng),能實(shí)時(shí)監(jiān)控柴油機(jī)和變速箱的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),對(duì)超過(guò)警戒值的參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警,以便及時(shí)采取相應(yīng)的措施,對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù),將設(shè)備事故解決在萌芽狀態(tài)。

1 CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)[1]

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò),是一種具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。它是一種多主總線,通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1Mbps。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理,包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。由于其具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時(shí)性好和易于使用等特點(diǎn),CAN總線越來(lái)越受到人們的重視并被廣泛應(yīng)用于航海、航空、醫(yī)療及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域。

CAN總線的技術(shù)特點(diǎn):

1)通信方式靈活?？梢圆捎枚嘀魍ㄐ欧绞?也可以采用單主多從的通信方式;

2)CAN總線采用非破壞性仲裁技術(shù),從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間;

3)通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù),無(wú)需專門的“調(diào)度”;

4)通信速率最高可達(dá)1 Mbps;

5)CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路,目前可達(dá)110個(gè);

為了便于傳感器擴(kuò)充和靈活使用,將CAN總線應(yīng)用于柴油機(jī)和變速箱故障診斷系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢(shì)。

2 CAN總線測(cè)量原理

柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷系統(tǒng)的測(cè)量采用CAN總線的數(shù)據(jù)采集方式,通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)采集器對(duì)所有的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集,并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,完成計(jì)算、顯示和狀態(tài)指示,對(duì)超出設(shè)定值的信號(hào)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)由CAN控制器和CAN收發(fā)器完成。主機(jī)通過(guò) ISA接口控制電路來(lái)訪問(wèn)CAN控制器最終完成數(shù)據(jù)通信。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,CAN控制器和CAN收發(fā)器采用了光電隔離電路技術(shù)。CAN總線與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換原理如圖1所示[2]。

圖1 CAN總線與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換原理

CAN總線與傳感器之間的數(shù)據(jù)交換原理如圖2所示。

圖2 CAN總線與傳感器之間的數(shù)據(jù)交換原理

3 系統(tǒng)組成

柴油機(jī)、變速箱故障診斷系統(tǒng)由柴油機(jī)、變速箱故障診斷儀、柴油機(jī)數(shù)據(jù)采集器、變速箱數(shù)據(jù)采集器、聲光報(bào)警器和四類變送器組成。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)和變速箱故障診斷系統(tǒng)

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷儀設(shè)計(jì)

柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷儀是一臺(tái)能完成數(shù)據(jù)采集和處理的PC104嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它采用CAN總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示并能實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。采用觸摸屏方式,軟件界面直觀、實(shí)用,方便操作?？砂惭b在鉆臺(tái)柴油機(jī)旁或司鉆操作房?jī)?nèi)。它由軍用級(jí)PC104嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、觸摸式液晶顯示器組成,能實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)采集工作。

PC104嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由PC104CPU板和非智能CAN卡組成。非智能CAN卡的功能為CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)、并與PC104CPU板通訊。CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)由CAN控制器和CAN收發(fā)器完成。主機(jī)通過(guò)ISA接口控制電路來(lái)訪問(wèn)CAN控制器,完成數(shù)據(jù)通信。觸摸式液晶顯示器由防爆觸摸屏和TFT液晶顯示器組成[2]。

功能及特點(diǎn)如下:

1)采用PC104嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的CAN總線設(shè)計(jì),能獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集,又能與后臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)采集各路參數(shù)原始數(shù)字值,通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成工程值,顯示存儲(chǔ)。

2)觸摸屏操作簡(jiǎn)捷,能完成所有標(biāo)配參數(shù)的刻度、節(jié)點(diǎn)ID的設(shè)置。

3)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,遠(yuǎn)程用戶只需輸入本系統(tǒng)的IP地址和密碼即可登陸該系統(tǒng),可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)和狀態(tài)。

4)滿足防爆、防淋、防凍、抗震、抗干擾、耐高低溫的要求。

4.2 柴油機(jī)數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

柴油機(jī)數(shù)據(jù)采集器安裝在鉆臺(tái)柴油機(jī)旁。柴油機(jī)數(shù)據(jù)采集器由各種CAN總線傳感器節(jié)點(diǎn)和傳感器組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器。它能接收各種傳感器的信號(hào),將它們以總線的方式與柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷儀進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。工作溫度:-25～85℃。防爆等級(jí):ExdⅡBT4。防護(hù)等級(jí):IP65。目前安裝了11個(gè)傳感器:柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油液位、冷卻液液位、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、燃油壓力、空氣增壓壓力、啟動(dòng)空氣壓力、冷卻水溫度、排氣溫度、進(jìn)氣溫度。它們均安裝在柴油機(jī)機(jī)身上。一旦柴油機(jī)在工作的中有異常情況產(chǎn)生,傳感器很快將信號(hào)傳到柴油機(jī)數(shù)據(jù)采集器,通過(guò)CAN總線傳輸?shù)讲裼蜋C(jī)和變速箱故障診斷儀,由柴油機(jī)和變速箱故障診斷儀進(jìn)行判斷產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),并在顯示器上顯示出故障代碼及故障原因。

4.3 液力變速箱數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

液力變速箱數(shù)據(jù)采集器安裝在鉆臺(tái)柴油機(jī)旁。變速箱數(shù)據(jù)采集器由各種CAN總線傳感器節(jié)點(diǎn)和傳感器組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器。它能接收變速箱的各種變送器的信號(hào),它們以總線的方式與柴油機(jī)、變速箱故障診斷儀進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。工作溫度:-25～85℃。防爆等級(jí):ExdⅡBT4。防護(hù)等級(jí):IP65。目前安裝了5個(gè)傳感器:主油壓、潤(rùn)滑油溫度、閉鎖壓力、輸出轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油液位。它們均安裝在變速箱機(jī)身上,一旦變速箱在工作的中有異常情況產(chǎn)生,傳感器很快將信號(hào)傳到變速箱數(shù)據(jù)采集器,通過(guò)CAN總線傳輸?shù)讲裼蜋C(jī)和變速箱故障診斷儀,由柴油機(jī)和變速箱故障診斷儀進(jìn)行判斷產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),并在顯示器上顯示出故障代碼及故障原因。

4.4 傳感器的選型設(shè)計(jì)

影響本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度的關(guān)鍵是傳感器的選型設(shè)計(jì)。要求傳感器必須能滿足以下條件:

1)工作溫度:-25～85℃;

2)防爆等級(jí):ExdⅡBT4;

3)防護(hù)等級(jí):IP65;

4)抗震性能高;

5)安裝方便。

本系統(tǒng)采用四種傳感器:壓力變送器、溫度變送器、轉(zhuǎn)速傳感器、液位傳感器。這些變送器完全能滿足柴油機(jī)和變速箱監(jiān)測(cè)的需要。具體技術(shù)指標(biāo)如下:

1)壓力變送器

測(cè)量方式:4 mA～20 mA;

測(cè)量范圍:0.00～3.00 MPa;

測(cè)量精度:±1%F.S。

2)溫度變送器

測(cè)量方式:K型熱電偶;

測(cè)量范圍:0.0～1000.0℃;測(cè)量精度:±1%F.S。

3)轉(zhuǎn)速傳感器

測(cè)量方式:脈沖式≤30 kHz;

測(cè)量范圍:0～4 000 r/min;

測(cè)量精度:±0.5%F.S。

4)液位傳感器

測(cè)量方式:4 mA～20 mA;

測(cè)量范圍:0～2.00 m;測(cè)量精度:±0.1%F.S。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)是傳感器和PC104嵌入式計(jì)算機(jī)通訊的橋梁。它的可靠性設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)。因此,在電路設(shè)計(jì)上,采用可靠性比較高的AT89C51單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)的微處理器,在CAN總線通信接口中采用PHILIPS公司的SJA1000和82C250芯片。SJA1000是獨(dú)立CAN通信控制器,82C250為高性能CAN總線收發(fā)器。為了增加智能節(jié)點(diǎn)的可靠性。在設(shè)計(jì)電路時(shí),全部采用軍品電子元器件。

5.2 抗高低溫的措施

由于本系統(tǒng)工作在野外或海洋平臺(tái),冬天溫度達(dá)到零下25℃,夏天溫度達(dá)60℃。晝夜溫差較大,因此抗高低溫措施必不可少?？刂拼胧┲饕谟陔娮釉骷倪x型。在設(shè)計(jì)電路時(shí),全部采用寬溫型和軍品低功耗電子元器件,特別是選擇寬溫液晶顯示器至關(guān)重要,它能保證在低溫狀態(tài)下能夠正常顯示。電源模塊的選用也很重要,它的工作穩(wěn)定性直接影響其它電子元器件正常運(yùn)行。

5.3 抗振動(dòng)的措施

由于本系統(tǒng)安裝在柴油機(jī)上。系統(tǒng)的抗震性能至關(guān)重要。為了提高系統(tǒng)的抗振動(dòng)性能,傳感器、電路板的安裝全部采用了抗振動(dòng)結(jié)構(gòu),并對(duì)液晶顯示器進(jìn)行了有效地加固。這樣即使有較大的機(jī)械振動(dòng),該系統(tǒng)也能正常、穩(wěn)定地工作。由于采用了高性能的軍用級(jí)PC104嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為系統(tǒng)核心,并采用了貼片元器件,使其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得緊湊,進(jìn)一步提高了可靠性和抗干擾能力。

5.4 防護(hù)性能的保證

為了適應(yīng)海上油田鉆修井現(xiàn)場(chǎng)的使用要求,本系統(tǒng)采用了防爆設(shè)計(jì)。滿足防爆等級(jí):ExdⅡBT4,防護(hù)等級(jí):IP65。

6 結(jié)束語(yǔ)

柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷系統(tǒng)研發(fā)成功后既能應(yīng)用于陸地鉆井現(xiàn)場(chǎng),又能應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)鉆(修)井現(xiàn)場(chǎng)。故要求其滿足陸地鉆井現(xiàn)場(chǎng)和海洋環(huán)境的使用要求,能夠防塵,防水,防腐,防爆。該系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)相連,能將實(shí)時(shí)信號(hào)傳回基地供專家對(duì)故障進(jìn)行診斷和分析。

柴油機(jī)、液力變速箱故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)成功為鉆(修)井機(jī)械師準(zhǔn)確快速地查找故障原因提供了實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。指導(dǎo)維修人員對(duì)柴油機(jī)和變速箱做出維修保養(yǎng)決策,降低了設(shè)備風(fēng)險(xiǎn),改變了故障診斷和維修模式,提高了生產(chǎn)效率。實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)測(cè)量精度高,可靠性好,故障診斷準(zhǔn)確率高,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)柴油機(jī)和變速箱故障診斷的需要,值得推廣應(yīng)用。

[1] 楊 明,郭海龍.CAN總線在測(cè)井儀器中的應(yīng)用[J].石油儀器,2009,23(4)

[2] 鄧忠彬,李 浩,鹿海田.鉆井氣體監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)的研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(11)

Design of diesel and transmission trou-bleshooting system based on CANbus.

Deng Zhongbin,Zhang Liang,Li Jie Wang Xiaolei and Wang Tao.

The diesel and transmission troubleshooting system introduced in this article is an automatic measurement and control system,and it is designed for the diesel and transmission of offshore work-over rig′s monitoring,early warning and troubleshooting.It can monitor diesel and transmission′s working condition and key technical parameters in real time.It can realize the real time alarm for the parameters which are higher than warning valve,and give out the faulty code,for the on-site and remote maintenance.This article introduces the design theory and key technology of diesel and transmission troubleshooting system based on CANbus.

diesel and transmission troubleshooting system;data acquisition;CANbus;node

TP274

B

1004-9134(2011)04-0007-03

鄧忠彬,男,1968年生,首席工程師,1989年畢業(yè)于河北承德石油高等技術(shù)?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè),現(xiàn)從事海洋鉆修機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)及管理工作。郵編:300452

2011-03-03編輯姜 婷)

PI,2011,25(4):7～9

·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·