數控卷板機的狀態監測與故障診斷系統是一個集信號采集、工況分析、狀態顯示以及故障診斷于一體的多任務信息處理系統。為了解決狀態監測和故障診斷中多任務與實時性的矛盾，整個系統由狀態監測與故障診斷兩個子系統組成，其中前一個子系統完成數控卷板機狀態實時監測功能，后一個子系統完成數控卷板機故障診斷功能。

系統結構的實現有兩種形式。

(1)數控卷板機上、下位機組成的系統。

這類系統往往由機上和機下兩部分組成，安裝于卷板機上的部分進行工況監測、數據記錄和狀態顯示，而診斷計算機則置于控制室。當需要對卷板機上的部分進行檢查時，插人手持式終端，讀取現場采集的全部工況數據并存儲；然后取下手持式終端，在控制室中將數據輸入診斷計算機中，就可以診斷液壓系統、動力系統、機構和裝置系統、附屬系統等各部分的故障，同時也能診斷自身的故障。采用這種方式可以讓多臺卷板機共享一套診斷計算機終端，節省費用，也便于維護、備件管理及打印報表等。

(2)數控卷板機隨機安裝的系統。

這類系統采用彩色液晶顯示器，能動態反映主機系統的參數變化，部分關鍵參數用曲線實時跟蹤指示；還能利用經驗知識，綜合利用實時數據，進行故障的推理，從而找出故障點。有的還可以進行作業量統計。這類系統通常具有黑匣子的功能，即記錄故障過去的發展狀況，便于區別是機器本身的故障還是操作人員違反操作規程引起的損壞，并對不合理的操作予以提示。

上述兩種形式是目前大多數液壓卷板機狀態監測與故障診斷系統所采用的，但國內成功的應用實例仍然很少。在線診斷的實現受制于被診斷系統的構造、運行方式和工作場所等多方面因素，因此本系統結構采用第一種形式，完成液壓卷板機運行狀態的在線監測和離線故障診斷功能，該形式的缺點是信息數量有限。

數控卷板機系統模型的構建

液壓卷板機工作時產生噪聲、振動、污染、高溫，且存在著不穩定因素，所以本系統工作環境惡劣。為完成預定功能，系統對參數采集精度、運行的穩定性和可靠性等要求都較高，但控制方面沒有什么要求。因此，下位機只要采用高性能的單片機，并配以相應的數據處理和抗干擾技術，就能滿足系統實時性要求；上位機則采用普通的PC。上、下位機之間采用 RS一232串口通信，由下位機保存液壓卷板機約4h的工況數據，然后插入掌上電腦讀取該數據，再傳送給上位機。系統的模型如圖1所示。

數控卷板機狀態監測系統

1.系統功能分析，液壓卷板機狀態監測與故障診斷系統模型

本系統以SWE4．2液壓卷板機為監測對象，選取發動機轉速、燃油油位、機油壓力、主泵1和2的壓力、液壓油溫度、液壓油油位、冷卻水溫度、冷卻水水位、濾清器差壓、空濾器負壓、蓄電池電壓、啟動開關和行走速度開關共14項參數為檢測項目，通過對這些參數的自動監測和工況分析，為液壓卷板機的運行狀態趨勢分析和故障診斷打下基礎。系統的主要功能如下。

(1)數據采集功能。自動采集液壓卷板機14項運行工況參數，包括發動機轉速、燃油油位、機油壓力等。

(2)數據處理和存儲功能。自動進行采集數據的處理，包括清除誤差、曲線擬合等，并生成數據文件存儲起來供二次處理使用。

(3)顯示功能。通過液晶顯示器顯示當前的運行狀態。

(4)報警功能。設備故障或運行參數超限時均能發出報警，可根據異常情況的嚴重程度進行三級報警，并記錄報警信息。

(5)曲線繪制和打印功能。能夠自動繪制特性曲線，并做出趨勢分析。

(6)通信功能。通過RS一232串口向上位機傳送所采集的數據信息。

系統單片機選用ATMEL89C51，同時擴充64K EPROM用于存儲報警限值和相應的檢測程序，擴充帶掉電保護的64K RAM用于存儲液壓卷板機的4h工況數據。系統的結構如圖5—58所示。

系統測試原理如下：將傳感器檢測到的發動機轉速、發動機油壓、冷卻液溫度、液壓油油位、行走速度開關等參數值送人微機，進行分析計算，并將實測值與內置的標準值比較，判斷液壓卷板機運行狀態是否良好；對異常征兆用發光二極管、閃光報警燈和報警喇叭進行三級報警；同時將相關數值保存下來，傳送到上位機進行曲線繪制、趨勢分析和打印輸出。

2.數控卷板機狀態監測系統結構

系統硬件設計

系統硬件按功能的不同劃分為主處理器模塊、信號處理模塊、電源模塊、通信模塊、狀態與報警模塊5個部分。

主處理器模塊。

系統采用ATMEL89C51微處理器，擴充帶掉電保護的64K RAM用于存儲液壓卷板機的4h工況數據。該模塊由EPROM、RAM、I/O、掉電保護以及液晶顯示驅動組成。

信號處理模塊。

①輸入信號處理電路。輸入信號處理電路是微處理器與外界聯系的通道。輸入信號處理電路的第一部分用于接收數字信號，數字信號來自啟動開關等；輸入信號處理電路的第二部分用于接收和轉換各種傳感器輸入的模擬信號；輸入信號處理電路的第三部分用于與其他計算機控制系統進行通信聯系，信號形式為脈沖數字信號；輸入信號處理電路的第四部分用于接收診斷觸發信號，也是脈沖數字信號。其中，模擬信號輸入通道的任務是將傳感器產生的模擬信號轉換為數字信號后輸入微處理器。模擬信號輸人通道主要由信號處理裝置、多路選擇開關、采樣保持器和模數(A/D)轉換器組成。信號處理裝置包括標度變換、電平轉換和信號濾波等。

在本監測系統中，發動機試驗過程中的機油壓力經轉換成電壓信號并放大后，送入A/D板的輸入端進行采集；反映溫度量的熱電阻信號經過熱電阻調理板后，再經隔離放大板，送到A/D板的輸入端進行數據采集。系統采用的A/D和D/A都為12bit，因此系統的檢測、控制精度均能滿足試驗的要求。對于發動機的轉速，不能由A/D轉換直接得到?；魻杺鞲衅鳒y得的轉速信號經隔離整形后接到單片機的輸入端ISl，利用外部脈沖計數中斷來計算發動機的轉速。 盡管監測系統中的啟動開關信號是數字信號，但是這些信號并不能直接由微處理器進行處理，還需要數字信號輸入通道進行電平轉換和抗干擾等處理。只有將輸入的數字信號轉換為TTL電平，才能被微處理器接收。

②輸出信號處理電路。

該電路的作用是在微處理器和顯示器以及報警電路之間建立聯系。由于微處理器產生的控制信號都是數字信號，因此輸出信號處理電路為數字信號輸出通道。數字信號輸出通道的作用是將微處理器產生的數字控制信號傳輸給數字信號控制的報警電路。

(3)電源模塊。

系統各種傳感器、信號處理電路、單片機主機及外圍芯片、通信電路等都需要合適的電源才能正常工作，它們所需電壓并不相同。對系統電源模塊的要求為：處于惡劣環境中仍能正常工作，能適應較寬的供電電壓變化范圍，能防止從電源地線引入的干擾，采用高可靠性元件，功率及電壓裕度也較大。

(4)通信模塊。

使用RS一232串口通信。該模塊的功能是處理主機和單片機之間的通信，主機給下位機發送指令，下位機給主機發送監測數據。該模塊傳送的信息包括：

①命令信息，上位機的控制指令發送到下位機；

②數據信息，單片下位機檢測到的狀態信息發送到上位PC中，以便主機進行監控和進一步的數據分析處理。

(5)狀態與報警模塊。

為了將程度不同的緊急狀況傳遞給司機，系統根據檢測的參數性質采用三級報警的方法。

①第一級報警：通過裝置上相應的二極管發光實現。它只是提醒司機注意，在這種情況下機器還能工作一段時間，如燃油液位超過低限等。

②第二級報警：通過總報警燈和故障項發光二極管同時發光報警。這種報警要求司機密切關注故障的發展，但不需要立即關機。這類故障多屬高溫問題，如液壓系統油溫過高、發動機溫度過高等。

③第三級報警：通過報警喇叭、總報警燈和故障項發光二極管同時動作來報警。第三級報警內容包括發動機油壓過低、液壓油位過低、無冷卻液等。對第三級報警，司機應立即關機檢查并修理。

數控卷板機系統軟件要求如下：

軟件結構清晰、簡潔，流程合理。各功能實現模塊化、子程序化，這樣既便于調試，又便于移植和修改。具有自診斷功能，在系統工作前先運行自診斷程序。采用軟件抗干擾措施，提高系統的可靠性。

所示為A/D采樣模塊流程，如圖2所示為檢測參數模塊流程。

3．故障診斷系統

提取下位機各檢測項的數據，進行曲線繪制和趨勢分析，同時對時域信號進行FFT變換，利用頻譜分析的方法，對液壓卷板機系統進行故障檢測和診斷。

系統收集、整理液壓卷板機的故障知識，構建完整的故障知識庫，將專家知識、檢測系統傳來的信息以及人機交互的信息進行融合分析，通過一定的推理機制進行故障定位，并提出維修方案。　　　　

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