王學(xué)慧，于達(dá)

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

0 引言

傳統(tǒng)的液壓監(jiān)測系統(tǒng)主要采取DCS(分散控制系統(tǒng))，它仍需要一個中央計算機(jī)來集中地實現(xiàn)控制，采用的電纜比較多，而CAN 總線，既是一個開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)，它的出現(xiàn)得到了迅速的推廣，為此，在研究中引入現(xiàn)場總線技術(shù)。本文設(shè)計基于CAN 現(xiàn)場總線的液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測機(jī)器運行狀態(tài)、并顯示輸出其狀態(tài)參數(shù)，通過對狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析、診斷，進(jìn)而預(yù)報故障，查明原因并及時掌握故障發(fā)展的趨勢。

1 液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)要求

監(jiān)測系統(tǒng)是通過安裝在機(jī)器各個部位的傳感器，不斷監(jiān)測主要工作部件的工作狀態(tài)，并判斷狀態(tài)參數(shù)是否正常，在超過規(guī)定值時，發(fā)出聲，光報警等信號，提醒操作人員注意或采取相應(yīng)措施。因此需綜合考慮多種因素，合理規(guī)劃，下面給出一個實用的液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能是:

1)系統(tǒng)必須明確運行即時狀態(tài)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、液壓油溫等。

2)系統(tǒng)必須在盡可能早的時間對故障或失效進(jìn)行報警并提示故障原因和發(fā)生故障的部位，確保運轉(zhuǎn)可靠。

3)系統(tǒng)必須能表達(dá)故障與傳感器信號間的復(fù)雜關(guān)系。

4)系統(tǒng)必須具備多傳感器信息融合的能力，將來自不同的傳感器組、人工輸入等信息融合成一個綜合的診斷決策。

5)系統(tǒng)必須考慮液壓挖掘機(jī)惡劣的工作環(huán)境對元件故障或失效的影響。

6)系統(tǒng)所需的傳感器數(shù)量應(yīng)最少。

7)系統(tǒng)必須提供一個良好的人機(jī)交互式界面，方便用戶操作和輸入從其他傳感器得到的信息，并考慮較高的性能價格比。

8)系統(tǒng)的計算量不能太大，可以適時地進(jìn)行檢測和報警。

9)系統(tǒng)必須具備故障預(yù)測和趨勢分析的功能。

2 國內(nèi)外基于現(xiàn)場總線液壓挖掘機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)研究概況

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外的液壓挖掘機(jī)較早的采用電子監(jiān)測技術(shù)。例如德國公司開發(fā)的BORD 電子監(jiān)測系統(tǒng)，能監(jiān)測與液壓挖掘機(jī)作業(yè)過程和維修有關(guān)的全部重要參數(shù)。它利用微處理器檢查挖掘機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)、快速監(jiān)測、評估和顯示所計算的數(shù)據(jù)，可識別發(fā)生故障和超出極限值的趨勢，在重大事故前顯示報警信息。德國的博世－立士樂公司研制帶CAN總線接口的高性能閥和泵，現(xiàn)場總線接口是采用CAN bus，可以實現(xiàn)泵與閥與上位計算機(jī)以及其他智能單元的通信。傳感器制造商也對CAN 總線產(chǎn)生了極大興趣，MTE 公司推出帶CAN 總線接口的四通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每通道采樣頻率為16 MHz，可存儲2 MB 數(shù)據(jù)。A/D 轉(zhuǎn)換器為14 位，通過CAN 總線可將采樣通道擴(kuò)展到256 個，并可與帶有CAN 總線接口的PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究液壓挖掘機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)方面起步較晚。上海建筑機(jī)械廠和上海同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)研制了電子監(jiān)控裝置，主要是對液壓挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)和發(fā)生故障頻率比較高的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，對運行中的十二項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并以液晶屏幕顯示監(jiān)測結(jié)果，對異常情況可進(jìn)行簡單的故障診斷。

3 現(xiàn)場總線特點

3.1 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線應(yīng)當(dāng)是應(yīng)用在生產(chǎn)最底層的一種總線型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)，它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能。這是一項集嵌入式系統(tǒng)、控制、計算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為一體化的綜合技術(shù)。

從20 世紀(jì)80 年代現(xiàn)場總線技術(shù)才開始形成和發(fā)展，在十幾年的時間中，已經(jīng)出現(xiàn)了好幾種現(xiàn)場總線技術(shù)走向成熟，如FF(基金現(xiàn)場總線)，Lon Works，PROFIBUS，CAN等，下面以CAN 為例，說明一下現(xiàn)場總線的特點及其在液壓挖掘機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中的適應(yīng)性。

3.2 CAN 總線介紹

CAN 總線(controller area network)即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。起先，CAN 總線被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載電子控制裝置ECU 之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。

CAN 總線是一種多主方式的串行通訊總線，，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10 km 時，CAN 總線仍可提供高達(dá)5 kbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN 串行通訊總線具有這些特性，它很自然地在汽車、制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。

作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN 總線已被廣泛應(yīng)用到各個自動化控制系統(tǒng)中。從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用CAN 總線。例如，在汽車電子、自動控制、智能大廈、電力系統(tǒng)、安防監(jiān)控等各領(lǐng)域，CAN 總線都具有不可比擬的優(yōu)越性。

3.3 CAN 總線主要特征

1)CAN 是目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。

2)CAN 采用非破壞總線仲裁技術(shù)，即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會網(wǎng)絡(luò)癱瘓，極高的總線利用率。

3)CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速率在5 kbit/s以下);通信速率最高可達(dá)1 kbit/s(此時通信距離最長為40 km)。

4)CAN 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

5)CAN 總線具有較高的性價比，結(jié)構(gòu)簡單，器件容易購置，每個節(jié)點的價格較低，而且開發(fā)技術(shù)容易握，能充分利用現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)工具。

由以上分析可以看到CAN 特別適合于挖掘機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測，為此在液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中采用了CAN 總線。

4 基于CAN 現(xiàn)場總線的液壓挖掘機(jī)狀監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件由微控制器、傳感器，信號調(diào)理電路、CAN 通信和警報系統(tǒng)組成，如圖1 所示。為了克服機(jī)械儀表精度差、穩(wěn)定性不高、發(fā)熱量大、耗電大等缺點，系統(tǒng)中采用了穩(wěn)定性能良好的液晶顯示屏。不同類型的傳感器在液壓挖掘機(jī)各部位上采集運行狀態(tài)信號。一般來自傳感器的信號主要是模擬信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行濾波，放大處理之后，送入具有A/D 轉(zhuǎn)換功能的溫控制器單元的I/O 口。微控制器把采集的信號一方面控制液晶顯示屏顯示各種信息，另一方面，通過微控制器的SPI 將采集的數(shù)據(jù)傳遞給CAN 控制器MCP2515，數(shù)據(jù)經(jīng)CAN 總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，用以實時監(jiān)測液壓挖掘機(jī)的各個工作狀態(tài)參數(shù)。

圖1 液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 關(guān)鍵硬件設(shè)計

a)微控制器的選擇

本文所述是以三星公司推出的S3C2440A 芯片為中央控制單元。它是面向高端手持設(shè)備或一般應(yīng)用而設(shè)計的芯片。采用ARM920T 內(nèi)核，具有低功耗、高速的處理計算功能等特點。其片內(nèi)集成了通用I/O 端口，有24 個外部中斷端口和多功能輸入/輸出端口;RTC 中包含全面的時鐘特性，秒、分、時、日期，具有報警中斷和節(jié)拍中斷;16位看門狗定時器，在定時器溢出時發(fā)生中斷請求或系統(tǒng)復(fù)位;支持三種類型的STN LED 顯示屏和不同尺寸的液晶屏，并兼容2 通道的SPI 協(xié)議2.11 版。

b)CAN 通信

CAN 總線種種優(yōu)點上文已經(jīng)詳細(xì)的介紹，本文采用了Microchip 公司的MCP2515 是一款獨立CAN 協(xié)議控制器，完全支持CAN V2.0B 技術(shù)規(guī)范。該器件能發(fā)送與接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀。MCP2515 自帶的2 個驗收屏蔽寄存器和6 個驗收濾波寄存器可以濾掉不想要的報文。它還包括3 個發(fā)送緩沖器和2 個接收緩沖器，減少了主芯片負(fù)擔(dān)。MCP2515 與S3C2440A 的連接時通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口SPI 實現(xiàn)的。CAN 總線收發(fā)器TJA1050 是Philips 公司生產(chǎn)的高速CAN 總線收發(fā)器。該器件提供了CAN 控制器與物理總線之間的接口以及對CAN 總線的差動發(fā)送和接功能。它具有的主要特性，最高速率可達(dá)1 kbit/s，具有強電磁干擾，總線及電源及地之間的短路保護(hù)等等。

c)傳感器的選擇

液壓挖掘機(jī)需要實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)很多，所以在液壓挖掘機(jī)上安裝很多類型的傳感器，有溫度傳感器(水溫和油溫)、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和角度傳感器等。以下以溫度傳感器為例，進(jìn)行說明。程序?qū)崿F(xiàn)的部分代碼，實現(xiàn)不停循環(huán)監(jiān)測溫度值，通過串口傳出來，如下。

實現(xiàn)精確延時函數(shù)，代碼如下:

4.3 軟件開發(fā)

本系統(tǒng)中的軟件開發(fā)采用VB6.0。它采用了一種高級的出錯處理技術(shù)并且提供了種類多樣的控件，非常適合開發(fā)液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。VB 主要完成了各芯片的狀態(tài)控制與管理，各芯片之間的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)的軟件主要包括以下幾個模塊:監(jiān)控模塊，這是最重要的模塊，主要功能既是實時的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，控制計算與數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化控制、報警控制、運行參數(shù)的顯示畫面、參數(shù)修改等。維護(hù)模塊，監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件的運行狀態(tài)，提示系統(tǒng)是否需要維修，進(jìn)行簡單的診斷。數(shù)據(jù)管理模塊，進(jìn)行一系列的文件管理，數(shù)據(jù)庫管理和存取歷史記錄。

5 液壓挖掘機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)測試及結(jié)果

系統(tǒng)能實時的記錄多個傳感器所收集的記錄，以圖形或者是矩陣的形式表現(xiàn)出來。

圖2，3，4 是液壓挖掘機(jī)作業(yè)時各個參數(shù)顯示曲線。

6 結(jié)論

系統(tǒng)采用了高性能的嵌入式系統(tǒng)，其具有豐富的片內(nèi)資源，使外圍設(shè)備得到了最簡化，體積小，功能大。并且與快速發(fā)展的CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測。本系統(tǒng)對機(jī)器運行狀態(tài)、并顯示輸出其狀態(tài)參數(shù)，通過對狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析、診斷，進(jìn)而預(yù)報故障苗頭，最終實現(xiàn)減少對挖掘機(jī)進(jìn)行拆卸，大大縮短其故障停機(jī)時間，同時還能改善作業(yè)條件，提高作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

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