智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)智能故障診斷研究與實(shí)現(xiàn)

余建坤+余家宇

摘要：本文以智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討了利用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障智能診斷與處理的途徑和方法，并以SOPC為核心，利用檢測(cè)傳感電路、執(zhí)行電路和輸入輸出電路，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)故障的智能診斷與處理，該系統(tǒng)和智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)可以有機(jī)統(tǒng)一，保證潤(rùn)滑系統(tǒng)正常運(yùn)行，減少維修工作量，降低設(shè)備運(yùn)行成本，保障安全，保護(hù)環(huán)境，保證作業(yè)質(zhì)量。對(duì)類似產(chǎn)品的研制，具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：SOPC；智能控制；潤(rùn)滑控制系統(tǒng)；智能故障診斷；集中潤(rùn)滑系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0046-02

1 引言

智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)避免了人工加注時(shí)的各種缺點(diǎn)，能夠按照預(yù)先設(shè)定的策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加注潤(rùn)滑劑到各潤(rùn)滑點(diǎn)，使各潤(rùn)滑點(diǎn)時(shí)刻保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，且在潤(rùn)滑全過(guò)程中零污染，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，維護(hù)管理比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)處理也有一定難度，一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)造成整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)癱瘓，造成設(shè)備損壞、停產(chǎn)，因此如何對(duì)智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)故障實(shí)現(xiàn)快速診斷和處理，是智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。

計(jì)算機(jī)在線故障診斷技術(shù)，在各行各業(yè)中都得到廣泛應(yīng)用，本文研究智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)智能故障診斷，就是利用智能機(jī)械潤(rùn)滑控制系統(tǒng)中各傳感檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?、處理和?bào)警，并將故障狀態(tài)記憶和顯示出來(lái)，幫助快速恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行。

SOPC結(jié)合了SOC和PLD的優(yōu)點(diǎn)，筆者利用它實(shí)現(xiàn)了機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)的智能控制，SOPC嵌入了微型計(jì)算機(jī)，因此也可以利用其實(shí)現(xiàn)在線故障診斷，并且可以和控制系統(tǒng)集成在一起，能根據(jù)用戶要求定制，是個(gè)性化、過(guò)程化、精細(xì)化、準(zhǔn)確化的多品種小批量產(chǎn)品的不二選擇。

2 智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)組成及故障診斷技術(shù)原理

智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)一般由油箱、油泵、過(guò)濾器、冷卻器、加熱器、各種閥（包括安全閥、單通閥、雙通閥等）、檢測(cè)保護(hù)裝置（油標(biāo)、液位控制器、油流指示器、給油指示器、溫度測(cè)量裝置、油壓檢測(cè)裝置等）及自動(dòng)潤(rùn)滑控制系統(tǒng)組成。其中任何一個(gè)組成部分出現(xiàn)故障，都有可能引起智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)故障。

故障分析方法，常用的有FTA、FMEA、FMECA，F(xiàn)TA（Fault Tree Analysis，故障樹分析）是通過(guò)故障現(xiàn)象分析故障原因的方法，F(xiàn)MEA（Fault Model Effect Analysis，故障模式影響分析）是在隊(duì)故障出現(xiàn)后的影響進(jìn)行分析，而FMECA在FMEA的基礎(chǔ)上吧，增加了嚴(yán)重度分析。故障診斷，必須建立在對(duì)系統(tǒng)故障分析的基礎(chǔ)上，為了做出合理的處理措施，本研究建立在FMECA的基礎(chǔ)上。

故障自動(dòng)診斷，通常分兩部完成：首先是生成數(shù)據(jù)，即預(yù)先建立被診斷的對(duì)象故障模型，編制故障字典，然后輸入測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比，給出診斷結(jié)果。故障自動(dòng)診斷，現(xiàn)在常用計(jì)算機(jī)完成。診斷離不開(kāi)測(cè)試數(shù)據(jù)和故障定位數(shù)據(jù)，智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)自動(dòng)診斷更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，隨著智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)規(guī)模增大，要求數(shù)據(jù)生成技術(shù)既能使診斷數(shù)據(jù)有較高的測(cè)試效率，又能盡量減少生成方法的計(jì)算復(fù)雜性，提高診斷實(shí)時(shí)性，當(dāng)然，更完美的方法是采用硬件實(shí)現(xiàn)，SOC或SOPC是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

故障自動(dòng)處理，通常根據(jù)故障模式和嚴(yán)重程度，利用控制系統(tǒng)采取相應(yīng)措施，完成自動(dòng)處理，智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)故障處理，也要求實(shí)時(shí)處理。智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)故障處理方法常見(jiàn)的有：停止主機(jī)運(yùn)行、啟用備用供油泵、增加油溫、報(bào)警、顯示故障和故障部位等。處理措施是根據(jù)故障嚴(yán)重程度自動(dòng)執(zhí)行的，比如，潤(rùn)滑系統(tǒng)已不起作用，為了保護(hù)設(shè)備，不能啟動(dòng)主機(jī)，運(yùn)行中必須先停止主機(jī)運(yùn)行，而如果只是潤(rùn)滑油位傳感器檢測(cè)到油位低于安全運(yùn)行位，就只需發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)顯示缺油。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)選擇

計(jì)算機(jī)在線故障診斷，顧名思義，是必須用到計(jì)算機(jī)的，可以選用PC機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但其實(shí)最好的選擇是使用SOC，也就是專用芯片，或者SOPC，也就是可編程的SOC。但SOC不是一般情況下能采用的，必須是大規(guī)模生產(chǎn)才能考慮。本系統(tǒng)采用市面上易于獲得的SOPC芯片。

3.2 SOPC選擇及資源分配

考慮到與智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)集成，本設(shè)計(jì)選用低成本、低功耗的Cyclone系列FPGA芯片- CycloneIII EP3C55F484，內(nèi)含55865個(gè)LCs，具有260萬(wàn)BIT內(nèi)嵌RAM容量，4個(gè)鎖相環(huán)（2KHZ-1300MHZ），484個(gè)IO引腳。可嵌入一個(gè)8051單片機(jī)系統(tǒng)、8088 IBM 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或一個(gè) 32 位 Nios2 嵌入式處理器核及其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)（包括RAM/ROM 等），從而構(gòu)成一個(gè)功能完備的單芯片式嵌入式系統(tǒng)。

確定芯片之后，接下來(lái)是芯片資源分配。本設(shè)計(jì)選用EP3C55 F484內(nèi)含的全兼容工業(yè)級(jí)8051核，其主頻最高可達(dá)250MHz，配備內(nèi)置的鎖相環(huán)、數(shù)據(jù)RAM、程序ROM、接口模塊、通信模塊、顯示控制模塊、數(shù)據(jù)采樣和信號(hào)發(fā)生模塊等等，構(gòu)成SOC系統(tǒng)。

內(nèi)部資源分配好后，接下來(lái)是引腳分配。EP3C55F484腳較多，除了集中潤(rùn)滑控制系統(tǒng)占用引腳外，本系統(tǒng)引腳分配見(jiàn)表1。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 CPU核的定義和單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

EP3C55F484的8051核是一個(gè)軟核，名稱為CPU8051V1，由VQM源碼表述，文件名為CPU8051V1.VQM，在使用時(shí)，采用例化方式直接調(diào)用，配置260萬(wàn)BIT內(nèi)嵌RAM和最大64KB的程序ROM。

4.2 外部硬件驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

外部硬件通過(guò)各類接口連接到8051V1，使用時(shí)都必須有驅(qū)動(dòng)程序，完成硬件初始化和硬件釋放、數(shù)據(jù)輸入輸出和故障處理。限于篇幅，驅(qū)動(dòng)程序的編寫不作詳細(xì)介紹。endprint

應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，主要包括：

（1）主程序設(shè)計(jì)。由于單片機(jī)是順序執(zhí)行的，編寫主程序首先需要做的是對(duì)有關(guān)變量初始化，然后啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)控制塊，然后再啟動(dòng)其它任務(wù)內(nèi)核。（2）中斷程序設(shè)計(jì)。在中斷服務(wù)程序中，主要是中斷向量表的調(diào)用和處理。（3）子程序設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，主要就是各個(gè)任務(wù)的編程，為了編程和調(diào)試方便，整個(gè)程序按任務(wù)劃分成多個(gè)子程序。限于篇幅，不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究以EP3C55F484為核心，輔以檢測(cè)電路，主機(jī)控制電路、備用油泵控制電路和聲光報(bào)警電路，完成了智能機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)的智能故障診斷，能和控制系統(tǒng)集成在一起，抗干擾、成本低、體積小、易于擴(kuò)展和升級(jí)，是傳統(tǒng)機(jī)械潤(rùn)滑控制系統(tǒng)改造和智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)故障診斷的一個(gè)不錯(cuò)的選擇，對(duì)類似機(jī)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，也有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳陽(yáng)，余建坤.基于ARM+μC/OS-Ⅱ智能機(jī)械潤(rùn)滑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（4）：12-13.

Abstract：This paper taking centralized lubricating system as the research object， provides a new means for smart fault diagnosing and analysing of the centralized lubricating system by using embeded computer technology.The smart fault diagnosing system composed of SOPC ，consists of sensing circuit， executive circuit， input/output circuit，which can be unified to the smart lubrication control system. The system takes an important roles in ensuring the lubrication system works properly， reducing maintenance workload and equipment running cost， ensuring safety and the quality of work ，and protecting the environment . This paper has some reference value for the development of similar products.

Key Words：SOPC；smart control；lubrication control system； smart fault diagnosis；centralized lubricating systemendprint