基于BIT的挖掘機液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)研究

丁劍，張琦，徐宙，袁博

（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 引言

工程機械是我軍工程兵部（分）隊實施工程保障的重要裝備之一，是我軍武器裝備的重要組成部分。平時廣泛用于市政工程、水利工程、搶險救災(zāi)、反恐、維和等，戰(zhàn)時主要用于構(gòu)筑軍路、機場、碼頭、指揮所、防御工事等，擔(dān)負遂行戰(zhàn)斗工程保障任務(wù)，其發(fā)展水平直接影響著軍隊工程保障能力。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，工程機械裝備的可靠性、維修性都有了相當程度的提高，對工程機械的實時狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測及診斷水平也提出了更高的要求。因此，測試性逐漸受到研究者的重視，測試性設(shè)計已經(jīng)成為了工程機械設(shè)計中的一個重要內(nèi)容。而機內(nèi)測試（BIT）作為測試性設(shè)計的重要組成部分，作為一種重要的系統(tǒng)故障檢測方法，是提高裝備測試性水平的有效途徑。

1 BIT技術(shù)

機內(nèi)測試（BIT）即系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)部提供的檢測和隔離故障的自動測試能力，代表了一種新的“可測試性設(shè)計”概念。它要求在系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計的開始就同時考慮系統(tǒng)的測試問題，并同時進行系統(tǒng)的可測試性設(shè)計。機內(nèi)測試通過良好的結(jié)構(gòu)化和層次性設(shè)計，對測試單元、可置換組件和系統(tǒng)等各級故障實現(xiàn)故障檢測隔離自動化，大量減少了維修資料、通用測試設(shè)備、備件補給庫以及維修人員數(shù)量，從而降低產(chǎn)品全周期費用［1］。

機內(nèi)測試是指系統(tǒng)和設(shè)備依靠自身的電路和程序，對自身的狀態(tài)進行檢測和監(jiān)控，并對故障進行檢測和隔離。具有這種功能的設(shè)備叫做機內(nèi)測試設(shè)備（built-in-test-equipment，BITE）。BIT在國內(nèi)的翻譯還有機內(nèi)自檢測、機內(nèi)自測試、機內(nèi)自檢等。下面是美軍MIL-STD-1309C對BIT 的定義［2］:

定義1:BIT就是系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力;

定義2:BIT的含義是系統(tǒng)主裝備不用外部測試設(shè)備就能完成對系統(tǒng)、分系統(tǒng)或設(shè)備的功能檢查、故障診斷與隔離以及性能測試，它是聯(lián)機檢測技術(shù)的新發(fā)展。

2 研究的方案

2.1 BIT測試系統(tǒng)總體設(shè)計

復(fù)雜系統(tǒng)的BIT設(shè)計一般采用分層集成式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由元件級BIT，分系統(tǒng)級BIT，系統(tǒng)級BIT和外部測試設(shè)備自上而下，遞階而成。元件級BIT主要指設(shè)計于元件內(nèi)部的自測試單元;分系統(tǒng)級主要由分系統(tǒng)級控制單元、信息處理單元、故障檢測單元和測試總線構(gòu)成;系統(tǒng)級BIT主要由系統(tǒng)級控制單元、故障檢測隔離綜合分析單元、維修總線和智能診斷系統(tǒng)構(gòu)成;外部測試設(shè)備主要進行綜合智能診斷、預(yù)測和決策。各級之間通過總線相連接。

分層集成組織結(jié)構(gòu)的BIT，可以綜合利用下級BIT較強的信息獲取能力和上級BIT強大的信息處理能力，用來提高和改善BIT的性能。該組織結(jié)構(gòu)既有利于實現(xiàn)橫向各BIT的并行測試，又便于實現(xiàn)縱向各級的測試復(fù)用，提高了測試效率，進而提高了測試性水平。其結(jié)構(gòu)如圖1所示［3-4］:

圖1 分層集成式BIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 分系統(tǒng)級BIT設(shè)計

分系統(tǒng)BIT采用了單片機配合PSD加CPLD的結(jié)構(gòu)組合，其主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、檢測模塊、參數(shù)裝訂模塊機及信息處理模塊。與上層BIT及同級BIT之間采用總線通訊的形式傳遞測試數(shù)據(jù)、參數(shù)信息、控制信息等。其核心數(shù)字電路包括單片機、PSD，CPLD，A/D，D/A，輸入通道包括流量傳感器信號調(diào)理電路、壓力傳感器信號調(diào)理電路、溫度傳感器信號調(diào)理電路和開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路，輸出通道包括開關(guān)量輸出和模擬量輸出驅(qū)動電路，由其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要實現(xiàn)如下功能:

1）BIT功能。加電BIT，周期BIT，維修BIT等功能;

2）存儲功能。將檢測到的故障信息進行存儲;

3）通信功能。將信息通過總線或串行端口傳遞給同級或上級BIT。

圖2 分系統(tǒng)級BIT功能結(jié)構(gòu)

由于采用微控制器加可編程外圍器件PSD和復(fù)雜可編程邏輯陣列CPLD的設(shè)計方案，大大提高了系統(tǒng)集成度，減少自身的體積和質(zhì)量，提高系統(tǒng)硬件的可靠性及靈活性。

2.3 通訊技術(shù)設(shè)計

控制線局部網(wǎng)（controller area network，CAN），屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，CAN的應(yīng)用遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。

某型挖掘機液壓系統(tǒng)的BIT系統(tǒng)，采用分層集成式的設(shè)計理念，有大量的控制與測試信息傳遞?；贑AN總線分布式的控制與測試方案很好的解決了布線復(fù)雜、安裝空間緊缺等問題，提升了系統(tǒng)的可靠性。CAN總線將各個分系統(tǒng)級別的BIT測試模塊聯(lián)接起來構(gòu)成測控網(wǎng)絡(luò)，完成復(fù)雜的控制以及故障診斷隔離決策的任務(wù)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示:

圖3 CAN總線結(jié)構(gòu)

分系統(tǒng)級測試模塊設(shè)計考慮了可測試性、安全性以及總線連接方式，具備測試能力，包括元件級測試和分系統(tǒng)級測試，以及相應(yīng)的測試激勵方案。這種設(shè)計將常規(guī)測試與控制功能分散到各個智能節(jié)點，每個節(jié)點具有自檢單元，按系統(tǒng)要求工作，并將實時檢測、診斷等系統(tǒng)狀態(tài)信息通過CAN總線發(fā)送給系統(tǒng)級測試處理器節(jié)點。系統(tǒng)級測試處理器產(chǎn)生測試激勵信號，通過CAN總線與其他分系統(tǒng)級BIT協(xié)作，完成系統(tǒng)的控制、測試、故障診斷、故障隔離、優(yōu)化協(xié)調(diào)等工作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主要關(guān)鍵技術(shù)

該方案的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面:數(shù)據(jù)采集單元、測試點的優(yōu)化、檢測隔離診斷技術(shù)、外部測試設(shè)備等。

1）數(shù)據(jù)采集單元。由于受到被測對象體積和質(zhì)量的限制，BIT及其自診斷技術(shù)必須解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的小型化，以及多通道高精度的A/D和D/A變換等關(guān)鍵技術(shù)。

2）測試點的優(yōu)化。測試點是故障檢測及隔離的基礎(chǔ)，測試點選擇的好壞直接影響到被測系統(tǒng)測試性的水平。測試點的選擇原則是測點要能保證使BIT故障檢測率和隔離率最優(yōu)。測試點是測量系統(tǒng)或設(shè)備狀態(tài)信息或特征量的位置。合理的確定測試點，既可以提高故障檢測能力，減少故障檢測及隔離時間，也可以降低對測試設(shè)備的要求。

3）檢測隔離診斷技術(shù)。軟件BIT的實現(xiàn)主要是將診斷算法內(nèi)嵌在BITE處理芯片中，采集到的數(shù)據(jù)不是傳到外部設(shè)備診斷，而是由BIT自身來實現(xiàn)診斷。因此，為完成內(nèi)裝自診斷，必須解決故障知識庫和故障字典建立等關(guān)鍵技術(shù)。

4）外部測試設(shè)備。外部測試設(shè)備與BIT測試系統(tǒng)相結(jié)合，使得測試系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)處理大量信息，提高BIT覆蓋率，使故障檢測隔離更加準確、迅速。外部測試設(shè)備的設(shè)計必須解決，接口通訊問題的解決和軟件的設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑

關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑如下:

1）充分利用總線終端微處理器，通過邏輯程序控制采集單元的信號采集與處理。這樣就不需要對各單機部件增加太多的硬件電路，只需增強軟件的功能以達到采集單元的小型化。

2）選用INTEL公司16位單片機，利用80C196KB自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出，實現(xiàn)高精度A/D轉(zhuǎn)換。其實現(xiàn)框圖4如圖所示:

圖4 高精度A/D轉(zhuǎn)化流程

3）對于測試點的優(yōu)選，首先對某型挖掘機液壓系統(tǒng)進行故障模式與影響分析（FMEA），分析表格中詳細列出故障現(xiàn)象、故障影響、檢測方法等屬性。然后對液壓系統(tǒng)的測試點進行初選，并建立故障與測試的相關(guān)性矩陣。最后，利用自適應(yīng)免疫遺傳算法，以故障檢測率、故障隔離率為約束，以全壽命周期費用為優(yōu)化目標，對初選測試點進行優(yōu)化。

4）在自診斷過程中，BIT系統(tǒng)對系統(tǒng)各個部分進行監(jiān)測，主要運用3種BIT模式，即加電BIT，周期BIT，維修BIT，其中周期BIT的流程如圖5所示。通過3種模式BIT的綜合運用，有效監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況。具體診斷方法可采用基于故障字典的方法，收集測試設(shè)備測試中故障狀態(tài)的信息和定位方法，并對數(shù)據(jù)進行分類加工，提取故障模式和識別方法，通過理論分析和設(shè)定故障的仿真，建立一套從系統(tǒng)到單機的故障信息庫和故障字典;建立故障判斷和推理機制;基于所設(shè)計的故障判斷和推理機制，通過BIT單元獲取測試信號中的故障特征，在故障字典中進行匹配搜索，從而確定故障位置和故障原因。

5）外部測試設(shè)備可以選擇使用安裝虛擬儀器的便攜式PC機，通過總線適配器實現(xiàn)與系統(tǒng)的鏈接。其虛擬儀器軟件基于LabView環(huán)境編寫，主要由工況狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理等幾個功能模塊組成。PC是整個BIT檢測系統(tǒng)的外部信息處理中心，對采集信息的輸出信號進行智能化分析與運算，包括數(shù)據(jù)線性化和溫度補償、傅里葉分析、自檢、自校準等復(fù)雜的操作，并將來自多個傳感器的數(shù)據(jù)信息進行融合處理，通過人機界面，系統(tǒng)設(shè)置、信號預(yù)處理、故障特征提取和智能推理，實現(xiàn)某型挖掘機液壓系統(tǒng)的進一步故障診斷隔離以及決策。

圖5 周期BIT實現(xiàn)流程

4 結(jié)語

組建基于BIT技術(shù)的某型挖掘機測試系統(tǒng)總體方案充分利用現(xiàn)有測試設(shè)備的固有資源，在盡可能少的附加硬件和軟件基礎(chǔ)上，以最少的費用使系統(tǒng)達到測試性設(shè)計的指標，滿足規(guī)定的測試性要求，提高了設(shè)備的測試性水平，為BIT技術(shù)在工程裝備測試中的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)，并為將來智能BIT技術(shù)的使用提供支持，提高工程裝備的信息化水平。

［1］田仲，石君友.系統(tǒng)測試性設(shè)計分析與驗證［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［2］Cao PB，Xiao R B.Assembly planning using a novel immune approach［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technolo gy，2007，31（7）:770-778.

［3］溫熙森，徐永成，易曉山.智能理論在BIT設(shè)計與故障診斷中的應(yīng)用［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報，1999，21（1）:97-101.

［4］Scinvivas M，Patnaik L M.Adaptive probabilities of Crossover and Mutation in Genetic Algorithms［J］.IEEE Trams SMC，1994，24（4）:656-666.