快速准确地诊断液压机系统故障的必要条件-南通天王液压机有限公司
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快速准确地诊断液压机系统故障的必要条件

发布时间:2018-6-8
  液压机系统的结构和功能一般都比较复杂,与其相关联的系统也比较多,依靠单一传感器很难准确反映系统的实际状态,在进行状态监测和故障诊断时必须利用大量的传感器,从多个不同的信息源获得有关系统状态的特征参数,并将这些信息进行有效的集成与融合,才能较为准确和可靠地实现系统状态的识别和液压机故障的诊断与定位。
  1.监测与诊断液压机液压系统特征参数的选择
  尽管能反映液压机液压系统状态的特征信息多种多样,但若信息特征选择不当,就不能有效地进行状态监测和诊断,因此测量参数的选择非常重要。作为原则,在选择状态特征信息时,要考虑以下几点。
  ①由于各种不同的特征信号所容纳的信息量是大不相同的,所以应选择那些最能确切反映液压机客观状态的信息作为特征。对于液压系统而言,其根源性参数主要包括压力、流量和温度。
  ②优先:聚麾器些裔助于尽早发现液压机故障的特征。利用振动信号可对液压泵早期的故障诊断。
  ③衡涟取豹转征应与系统状态之间呈单值关系,切忌出现模棱两可的现象。对于液压机液压系统丽言,由于系统线性特性,在故障与特征之问常常会出现一对多或多对多的情况,在选择监测参数与后期诊断时需要特别注意。
  ④所选信号测量传感器的安装要求尽量不改变原有回路结构,不干扰系统的正常工作。液压机液压系统的压力测量相对来说较为容易,一般液压机系统设计时都会留有接口,即使没有预留接口,也可通过在管路中加入三通接头来实现,一般不会影响系统的工作。而流量信号的测取就相对困难,一方面,滑£量计一般都体积较大,在液压机液压系统现有回路中难于安装;另二方面,流量计的加入也会带来系统的压力损失,影响系统的正常工作。
  ⑤所选特征应便于测量、便于分析,使整个状态监测系统费用经济合理。对于液压机液压系统的监测与诊断,由于往往是在后期加上去的,所以要兼顾原有回路的结构特点和经济成本。以QY40B黼车起重机为例来具体说明测量参数的选取原则。QY40B液压汽车起重机为全液压起重机,其液压系统主要包括液压泵、回转机构、伸缩机构、变幅机构和起升机构,其中液压泵为三联齿轮泵。在实际工作中,根据QY40B超重机液压系统的特点,选择了以下参数作为监测与诊断的测量参数。
  开关量:回油滤油器堵塞指示、油箱油位过低指示、电磁阀通断信号等。
  模拟量:压力(包括系统压力,各执行元件进口、出口压力)、温度(油箱液压油温度)、振动加速度(泵壳振动信号)、液压油污染度、发动机转速和工作计时等。
  2.系统结构
  1)液压机系统的总体结构
  液压机液压系统状态监测与故障诊断系统由一个中心处理单元和若干个信号采集单元组成(信号采集单元的个数视机械设备的结构而定),各单元通过CAN总线进行通信。信号采集单元负责各种信号的采集及某些信号(主要是振动信号和动态压力信号)的特征提取,把信号发送给中心处理单元,同时在系统初始化时对传感器进行标定、校准和故障识别。中心处理单元负责对各采集单元发送来的数据进行分析处理,判断系统所处的状态,发出局部级报警或系统级报警信号,提醒液压机操作人员注意或采取相应措施。同时,中心处理单元还可在系统报警或用户要求时调用故障诊断模块进行故障分析和定位,给出维修措施或处理建议。系统的总体结构如图10所示.
  
  图10系统总体结构
  2)信号采集单元
  信号采集单元直接安装在液压机械设备各主要部位上,完成传感器的故障诊断、标定和校准、工况参数采集、信号的特征提取和CAN总线通信。信号采集单元主要由传感器、信号调理模块、A/D转换模块、DSP(或MCU)、数字量输入模块、Flash存储器和CAN总线接口模块组成,其结构如图11所示。信号采集单元又根据中心控制器和功能的不同,分为最小系统节点和智能节点。
  
  
  图11数据采集单元的结构
  (1)最小系统节点。
  最小系统节点中心控制器使用AD公司的AduC812,CAN总线控制器使用Philips公司的SJAl000。系统初始化时,最小系统节点首先利用Flash存储器中传感器的校准数据,对各路传感器进行故障诊断、标定和校准,以确保各传感器能正常工作;若传感器异常,则向中心处理单元发送错误报告。在液压机系统正常工作时,最小系统节点根据中心处理单元的命令进行信号采集,并将信号采集的结果发送给中心处理单元。
  (2)智能节点。
  智能节点除了完成最小系统节点的功能外,还要对采集的信号(主要是振动信号和动态压力信号)进行数字滤波和特征提取,主要是FFT变换和小波变换,这样可以减少中心处理单元的计算量,提高响应速度。智能节点的中心控制器采用TI公司的DSP芯片 TMS320F2812。TMS3.20F2812是TI公司新推出的一款32位定点高速DSP芯片,最高速度每秒钟可执行15000万条指令,另外片上还集成了丰富的外部资源,完全满足系统对智能节点数据采集和特征提取的要求。
  3)中心处理单元
  中心处理单元位于驾驶室内,主要完成采集信号的处理、工作状态的判断与报警,以及液压机故障诊断等工作。由于系统为在线车载式系统,要求系统的抗振性和可靠性好,同时对系统的性能和功能要求也较高。综合上述因素,。选择了PCI04总线的嵌入式PC方案。
  PCI04是一种专门为嵌入式控制定义的工业控制总线,实质上是一种紧凑型IEEE-P996标准,其信号定义和PC/AT基本一致,但液压机电气和机械规范却完全不同,是一种优化的小型、堆栈式结构的嵌入式系统,有极好的抗振性。PCI04嵌入式计算机模块系列是一整套低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的结构化模块。采用PCI04总线方案,可以将主要精力放在软件和接口的设计上。
  在功能上,选择了研华公司的PCM3350作为 CPU模块板。K猕350采用GXl-300MHz作为板上处理器,提供VGA。可LCD的显示支持,并集成了10/100Base-T快速以太网(Fast Ethernet)芯片,方便用户进行远程监测与诊断。同时选用PCM3730作为数字 I/O板,控制报警面板上的LED指示灯和蜂鸣器,以实现系统的声光报警。另外开发了104总线CAN通信适配卡,以实现中心处理单元与各信号采集单元的数据交换。中心处理单元的结构如图12所示。
  
  3.系统的软件结构
  1)整体结构
  软件系统的操作平台选择Windows系统,开发工具为VC++6.0,数据库采用Access小型桌面数据库。软件采用模块化设计,主要包括中心调度模块、监测数据库、监测报警模块、故障诊断模块、CAN通信模块及网络通信模块等。软件系统的整体结构见图5—43。其中,中心调度模块是软件的核心,负责整个系统工作的调度和控制。监测数据库主要用来存放各信号采集单元采集的工况参数,通过数据库管理界面可实现对监测数据的选择、导人和导出等功能。监测报警模块根据监测数据判断工作状态,当状态异常时发出报警。故障诊断模块可根据监测数据和用户输入进行液压系统的故障诊断,给出诊断结论和维修措施等。CAN通信模块完成CAN总线通信的底层协议,并将接收到的数据送监测数据库。网络通信模块使系统可通过Internet和远程监测与故障诊断中心进行通信,并使用Socket技术将本地数据库中的数据导入远程监测与液压机故障诊断中心数据库,实现了液压机械设备的远程监测与故障诊断。
  
  图13系统软件整体结构图
  2)监测报警模块
  监测报警模块采用单参数间值报警和多参数融合报警两种方式。单参数阈值报警是将单个工况参数的监测数据与其正常工作状态的标准阈值进行比较,根据差别程度的不同进行报警。多参数融合报警首先将几个关键工况参数的监测值与阈值的差值进行归一量化,然后用信息融合的方法(这里采用了神经网络)进行综合,给出系统级的状态指示。同时,监测报警模块根据具体工况恶劣程度的不同将报警分为三级,具体如下所示。
  ①第一级报警:在此种情况下机器还能工作一段时间。
  ②第二级报警:这种报警要求使用人员密切关注故障的发展,但不需要立即关机。
  ③第三级报警:当报警模块判断液压机系统故障严重时,采用第三级报警。对这级报警,操作人员应立即关机检查并修理。
  3)故障诊断模块
  液压机液压系统结构的复杂性使得其故障具有多层次性、模糊和不确定性等特点,很难用单一的判别方式将各种故障截然分开。因此,故障诊断模块采用了传统专家系统与神经网络相结合的诊断方式。
  该液压机系统的知识以两种方法表述,一是将专家经验形式化成规则,存储于知识库中;另一种是通过现场历史数据对网络进行训练,将难以形式化的专家经验以非线性映射的形式存储于神经网络的各节点上。诊断调度机构针对不同情况用规则和神经网络对液压系统故障进行诊断,得出相应的诊断结果。
  液压机故障诊断模块工作时,诊断调度模块将监测数据库的数据取出并进行分类,将与传统专家系统知识库中规则相匹配的部分交给传统专家系统处理,将剩余的部分交给神经网络专家系统处理。由于神经网络具有自学习的功能,诊断调度将在诊断过程中对神经网络不断归纳出的新的诊断规则进行整理,不断充实专家系统知识库的内容,因而不断扩大混合专家系统故障诊断的范围。这样既能充分发挥传统专家系统和神经网络各自的优势,又使二者相互协调工作;既扩大了混合专家系统的诊断范围,又使混合专家系统能快速诊断推理。
  系统诊断信息的获取包括自动获取和人工交互获取两种途径。自动获取是通过诊断调度模块调用监测数据库里的数据完成的,监测数据包括工况参数的原始信号和经DSP处理后的特征数据。人工交互获取是指通过人机交互界面将某些可观察故障特征输入诊断系统。
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