機(jī)電設(shè)備電控系統(tǒng)故障檢測儀的開發(fā)

朱亞偉， 李煥良， 何曉容

（1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007； 2.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610000）

引言

某型軍事裝備的電氣控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與工作原理都十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的檢測手段無法對其各個(gè)電氣設(shè)備與系統(tǒng)模塊進(jìn)行快速檢測、故障定位與診斷。為滿足相關(guān)單位保障能力建設(shè)需要，本文在深入研究分析裝備電氣控制系統(tǒng)的組成、工作機(jī)理、故障特點(diǎn)和接口信號屬性的基礎(chǔ)上，提出一種便攜式故障檢測系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)方案。該故障檢測系統(tǒng)綜合運(yùn)用嵌入式技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、可靠性技術(shù)、信息處理技術(shù)等理論進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)，將故障定位到板塊級可更換單元，對裝備的電氣控制系統(tǒng)具有較全面的故障診斷能力。維修方案生成模塊能夠提供的詳細(xì)維修指導(dǎo)功能，利用可視化維修指導(dǎo)手段，輔助裝備維修使用人員對裝備進(jìn)行快速的修理。故障診斷模塊采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與專家診斷系統(tǒng)結(jié)合的方式，智能化程度高，保障了檢測系統(tǒng)故障診斷和定位的準(zhǔn)確度，對新裝備保障能力的建設(shè)具有積極的促進(jìn)作用[1]。

1 電控系統(tǒng)故障檢測儀硬件設(shè)計(jì)方案

故障檢測系統(tǒng)可以完成對該裝備上裝電氣控制系統(tǒng)輸出信號的檢測，包括爆掃控制系統(tǒng)、掃雷犁控制系統(tǒng)等。設(shè)備檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，將系統(tǒng)劃分為若干硬件和軟件功能模塊，簡化設(shè)計(jì)過程并縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)便于擴(kuò)充和更新，結(jié)構(gòu)靈活，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括工控機(jī)模塊選型、按鍵模塊設(shè)計(jì)、CAN通訊模塊設(shè)計(jì)、采集模塊設(shè)計(jì)、調(diào)理板卡設(shè)計(jì)、載板設(shè)計(jì)和檢測電纜的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。故障檢測系統(tǒng)組成如圖1所示[2]。

圖1 電控系統(tǒng)故障儀總體組成

檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖如下頁圖2所示，被測部件通過檢測電纜和相應(yīng)的檢測系統(tǒng)航插連接，將檢測信號傳遞給檢測系統(tǒng)，被測信號首先送到調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理，使之成為需要的、適合采集的信號。然后將調(diào)理之后的信號送到PCI104采集模塊進(jìn)行處理。檢測軟件通過總線訪問數(shù)據(jù)采集模塊，讀取采集到的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)調(diào)用故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障的診斷與定位，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ)、顯示以及形成結(jié)論。操作人員可以通過顯示屏現(xiàn)場查看測試數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果，也可通過外接打印機(jī)輸出診斷結(jié)論。

檢測系統(tǒng)通信接口可以使檢測數(shù)據(jù)通過USB接口導(dǎo)出，進(jìn)行離線的數(shù)據(jù)分析，完成分類匯總，補(bǔ)充故障數(shù)據(jù)庫。上位機(jī)也可通過網(wǎng)口與檢測系統(tǒng)連接，利用上位機(jī)來操作檢測平臺完成檢測作業(yè)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的遠(yuǎn)程操作檢測工作。

內(nèi)部鋰電池模塊可對掃雷車檢測系統(tǒng)供電。當(dāng)使用外接交流電源時(shí)，通過電源適配器將220 V交流電源轉(zhuǎn)換為24 V直流電源，輸出端與接檢測系統(tǒng)的電源航插相連，此時(shí)由外部電源給檢測系統(tǒng)供電，同時(shí)對電池充電。

圖2 故障檢測儀硬件結(jié)構(gòu)原理圖

2 電控系統(tǒng)故障檢測軟件開發(fā)

根據(jù)檢測儀功能要求和對被測系統(tǒng)的詳細(xì)分析，在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定檢測系統(tǒng)軟件的開發(fā)需求，建立整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。檢測系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化思想，對各個(gè)模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行程序的調(diào)試與優(yōu)化，并根據(jù)檢測流程編寫用戶手冊和幫助文檔。

2.1 檢測軟件結(jié)構(gòu)組成

檢測儀軟件是基于Windows系統(tǒng)，采用LabWindows/CVI語言和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)的。系統(tǒng)自檢和系統(tǒng)幫助是兩個(gè)相對獨(dú)立的模塊，其余三個(gè)模塊故障檢測系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模塊和維修方案生成模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。軟件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

檢測系統(tǒng)主控程序主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和調(diào)度，配合系統(tǒng)自檢程序，完成初始化檢測。故障檢測系統(tǒng)是完成各個(gè)被檢測部件故障檢測的程序集合，以應(yīng)用程序格式被主控程序調(diào)用執(zhí)行。根據(jù)部件檢測需要，向被測部件輸出有關(guān)激勵(lì)或調(diào)試信號，同時(shí)接收被測部件輸出的響應(yīng)信號或其他特征信號，并進(jìn)行處理與儲(chǔ)存。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包含了檢測所需要的各種數(shù)據(jù)資源，包括：檢測診斷數(shù)據(jù)庫、檢測結(jié)果數(shù)據(jù)庫、儀器資源數(shù)據(jù)庫、保障對象數(shù)據(jù)庫、檢測流程數(shù)據(jù)庫、流程變量數(shù)據(jù)庫和界面信息數(shù)據(jù)庫等。維修方案系統(tǒng)依據(jù)檢測信號的測試和故障分析的結(jié)果，給出被測部件的故障模式和維修方案，指導(dǎo)維修人員進(jìn)行部件的維修。幫助系統(tǒng)提供該型綜合掃雷車的相關(guān)技術(shù)資料以及軟件系統(tǒng)操作的幫助。

圖3 檢測軟件模塊組成結(jié)構(gòu)

2.2 故障檢測模塊開發(fā)流程

故障檢測模塊主要功能是根據(jù)被檢測單元，選擇相應(yīng)檢測部件，并對其進(jìn)行檢測。其具體開發(fā)流程如圖4所示[3-4]。故障檢測模塊的開發(fā)基于以下工作流程：在分析故障現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，選擇故障檢測模塊，通過通信電纜將裝備與檢測儀相連，檢測儀施加激勵(lì)信號給被測部件，并采集相應(yīng)檢測反饋信號，隨后檢測儀調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)分析，故障診斷模塊根據(jù)提供的分析數(shù)據(jù)，確定故障部位和故障原因，進(jìn)而檢測儀給出顯示結(jié)果并由基于知識的專家系統(tǒng)中的維修指導(dǎo)模塊給出維修建議。

2.3 故障檢測系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)概述

電氣控制系統(tǒng)故障檢測軟件共包括20余個(gè)內(nèi)部模塊，檢測系統(tǒng)的軟件模塊程序結(jié)構(gòu)圖如下頁圖5所示。在故障信息數(shù)據(jù)庫的協(xié)同下，完成外掛程序調(diào)用、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、故障檢測流程執(zhí)行和故障檢測診斷等功能，實(shí)現(xiàn)對掃雷車電氣控制系統(tǒng)中主操縱盒、自控中心單元柜、磁感保護(hù)智能節(jié)點(diǎn)、犁體智能節(jié)點(diǎn)一、犁體智能節(jié)點(diǎn)二、閉鎖智能節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)火操縱盒、爆掃中繼盒、中繼盒、閥盒、CAN總線接口和各種傳感器與接近開關(guān)的智能故障檢測與診斷。

圖4 故障檢測流程圖

圖5 故障檢測系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

故障檢測系統(tǒng)程序中，Init模塊為中心調(diào)度和總控模塊，主函數(shù)Main()在該模塊中，完成故障檢測程序的初始化、數(shù)據(jù)庫的鏈接處置和其他任務(wù)。該模塊中的Windows消息回調(diào)函數(shù)InstallWinMsgCallback非常重要，用戶與主界面交互的主要信息由該函數(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)信息不同調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)執(zhí)行檢測任務(wù)。Entry為檢測程序入口模塊，進(jìn)行測試對象單元相關(guān)信息和檢測人員信息的輸入。ZHslc模塊為公共函數(shù)定義模塊，其中定義了Windows信息響應(yīng)函數(shù)、數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)、數(shù)據(jù)采集函數(shù)、硬件接口函數(shù)等等。Rec為檢測數(shù)據(jù)記錄查詢模塊，能夠檢索系統(tǒng)所存儲(chǔ)的檢測歷史數(shù)據(jù)信息。RecSel為數(shù)據(jù)記錄選擇模塊，主要功能是提供數(shù)據(jù)選擇過濾條件。Repair為維修指導(dǎo)信息模塊，為診斷結(jié)果提供詳細(xì)的維修指導(dǎo)方案。Database為數(shù)據(jù)庫模塊。Ux模塊為掃雷車電氣控制系統(tǒng)各被測單元的具體檢測程序模塊。檢測程序模塊互相之間是并列關(guān)系，根據(jù)檢測主線程序的指令跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的檢測程序模塊線程執(zhí)行檢測任務(wù)，檢測完成后再返回到Init模塊界面或進(jìn)入下一步的故障維修指導(dǎo)界面。故障檢測程序同時(shí)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和維修方案生成系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，根據(jù)用戶的操作轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊。

2.4 程序運(yùn)行界面設(shè)計(jì)

2.4.1 檢測儀主界面

程序運(yùn)行后的主界面如圖6所示。該界面主要分為三個(gè)區(qū)域：圖最左側(cè)的四個(gè)命令按鈕是功能模塊區(qū)，為用戶提供保障對象檢測、檢測結(jié)論的顯示、歷史數(shù)據(jù)管理操作和查看裝備資料命令的執(zhí)行選項(xiàng)。圖中間用于向用戶顯示故障檢測診斷程序的檢測對象單元，可進(jìn)行系統(tǒng)和部件的檢測選擇、檢測附屬單元和測試準(zhǔn)備的內(nèi)容。圖右部的圖像顯示區(qū)，主要顯示被測對象單元的圖片和檢測過程、數(shù)據(jù)的顯示[5-6]。

圖6 故障檢測診斷系統(tǒng)主界面

2.4.2 維修方案生成界面

當(dāng)設(shè)備的某一個(gè)部件檢測完畢之后，如果出現(xiàn)故障，檢測系統(tǒng)會(huì)在故障診斷推理的基礎(chǔ)上自動(dòng)生成電氣控制系統(tǒng)被測故障單元的故障維修方案。維修方案生成界面（圖7）分為故障分析列表、維修方案指南和維修指導(dǎo)圖片三個(gè)區(qū)域。由故障診斷的結(jié)果，結(jié)合故障維修數(shù)據(jù)庫Repair中的故障代碼表A對比得到故障代碼，再和故障現(xiàn)象表B對比，得到故障分析列表。用戶選擇了故障分析表中的項(xiàng)，對照Repair數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的故障維修方案表C，得到維修指南和維修指導(dǎo)圖片的文件名，程序?qū)⑾鄳?yīng)的部件圖片顯示出來，指導(dǎo)操作人員進(jìn)行故障的維修。

圖7 維修方案生成界面

3 結(jié)論

本文研制的電氣控制系統(tǒng)故障儀能夠很好地滿足野外條件下作業(yè)的需求以及檢測的便捷性，集成測試平臺和測試資源，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和調(diào)理系統(tǒng)科學(xué)地融合在一個(gè)設(shè)備里，對被測部件快速進(jìn)行狀態(tài)檢測和故障定位。采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，基于虛擬儀器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和模塊化技術(shù)開發(fā)了信號采集、處理與維修指導(dǎo)等軟件功能。軟件結(jié)構(gòu)緊湊、人機(jī)界面友好、執(zhí)行效率高。軟件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊、故障檢測模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、故障診斷和維修指導(dǎo)模塊構(gòu)成了良好的層次架構(gòu)。研制成果智能化程度高、使用性好，對新裝備保障能力的形成具有積極的促進(jìn)作用[7]，為機(jī)電設(shè)備的故障檢測提供了一個(gè)新的手段，能有效地提高軍用機(jī)電設(shè)備的使用效率和故障維修水平，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

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