基于GSM网络的远程内燃机故障诊断系统

向守兵，董大伟，闫 兵

（1. 四川工程职业技术学院，德阳 618000；2. 西南交通大学，成都 610031）

0 引言

内燃机结构复杂，许多零部件处在高温、高压、高负荷及强烈振动的恶劣条件下工作，使得内燃机故障率较高，维修技术难度大[1]。目前国内内燃机故障诊断系统多为现场诊断仪器，并且操作较复杂，面对疑难故障，维修人员常常无法快速、经济地利用各方面的技术力量解决故障，而架设基于GSM网络的远程故障诊断系统，可以很好地为现场维修人员及时提供第三方的技术支持，这不仅为企业节约维修服务成本，提高服务效率，而且减少用户的经济损失。

1 系统组成

图1 系统原理框图

远程故障诊断系统由现场内燃机数据采集终端、GSM通信模块和故障诊断中心三大部分组成，如图1所示。数据采集终端安装在内燃机现场，主要完成对内燃机曲轴角振动信号的采集与调理，再送入单片机，利用单片机内部的定时器/计数器完成转速脉冲信号的采集，然后通过TC35i GSM通信模块将数据无线送到远程故障诊断中心，完成数据处理，对内燃机的工况进行分析，判断故障缸。

2 系统硬件设计

2.1 角振动信号采集硬件设计

综合考虑检测精度和系统成本的因素，系统采用磁电式传感器检测角振动信号。磁电式传感器结构简单，安装精度要求较低，传感器无需配备电源，且脉冲信号不因转速过高而减弱。它是由齿盘和感应磁头组成。齿盘是一个由铁磁材料制成的类似圆柱齿轮的齿盘，感应磁头是一个模拟交流信号发生器，当铁磁材料经过磁头时，它将产生交变电压信号，通常由带2个接线柱的磁芯及线圈组成。这2个线圈接线柱是传感器输出的端子，齿盘安装在被测轴系上，当齿盘转动经过传感器感应磁头时，线圈将产交流电压信号，输出的信号幅值与频率的大小正比于测速齿盘的转速。如齿盘有N个齿，齿盘每转过1圈，感应磁头就产生N个幅值为300～800mV的近似正弦信号[2]。

图2 数据采集电路

数据采集电路如图2所示。磁电传感器感应磁头产生的交变信号经硬件电路处理后送单片机系统采集。但考虑到实际应用中现场较强的电磁干扰，为进一步提高测速系统的抗干扰性能，将磁电传感器产生的模拟信号经过LM324构成比较电路整形处理，转化为数字信号，由此提高系统的抗干扰能力，再由光电耦合隔离器件TLP521隔离后送施密特非门触发器74HC14进一步整形，通过74LS74双D型触发器对信号进行二分频，最后送入单片机，利用单片机内部的定时器/计数器完成转速脉冲信号的采集。

图3 TC35i与单片机的接口电路

单片机选用STC公司生产的超低功耗、高性能8位单片机STC89C52。该器件采用第六代加密技术，超强抗干扰能力，片内含有256字节的RAM，8K的ROM，3个16位定时器，6个中断源，32个I/O口线，支持在线编程。

2.2 TC35i接口电路设计

系统采用西门子TC35i[3]工业级GSM通信模块实现远程数据传输,数据接口可通过AT命令双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s～115kb/s，性价比高，性能可靠。TC35i与单片机的接口电路如图3所示。

TC35i提供40个外部引脚, 通过一个ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。本系统主要使用以下引脚:1～5脚为电源电压输入端；6～10脚为接地端；24～29为SIM卡引脚，分别为CCIN、CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND；15脚为启动信号IGT，TC35i通电后必须给IGT一个大于100ms低电平，模块才启动；18、19脚分别为串行数据输入端和串行数据输出端，分别与单片机的TXD和RXD端相连接。单片机与TC35i之间通过串口通信，符合ITU-T RS232接口标准，它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位。

2.3 RS232接口电路设计

在诊断中心，TC35i接收到的数据需要送给诊断计算机进行分析，由于TC35iRXDO和TXDO端为TTL电平，因此需要在TC35i模块与计算机之间增加RS232电平转换电路，系统采用MAX232芯片，如图4所示。

3 系统软件设计

图4 RS232接口电路

系统中的软件设计主要包括数据采集终端软件和诊断上位机软件两部分。由于内燃机转速较低，考虑编程及单片机的执行速度，数据采集终端软件采用T法对内燃机的角振动信号进行测量。

诊断上位机软件用C++语言编制而成，中文界面，鼠标选择式操作。具有操作简便、功能完善、输出资料完备，不用人工整理数据的特点。对各工况、各测点可作如下分析[4]：

1）实测转速及扭振时域波形分析；

2）扭振信号的幅值谱和功率谱分析；

3）扭振分谐次(≤24个)和总幅值随工况(转速、功率)变化规律分析；

图5 发送和接收中断处理流程

4）三维(幅值、频率、转速)谱阵分析；

5）双测点间的扭角差时域波形分析；

6）扭角差随工况(转速、功率)变化规律的分析。

TC35i提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范。GSM07.07中定义的AT命令[5]接口提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口，数据终端设备通过标准AT命令与GSM网络引擎进行相互通信和交换数据。为降低功耗，数据的发送和接收以中断形式进行处理，程序流程如图5所示。

4 结论

根据上述思路设计的内燃机远程故障诊断系统，以6135柴油机为对象，进行了工况实验，故障诊断准确率高，系统抗干扰能力强，经用户使用效果良好，缩短了售后服务周期，降低了服务成本。系统也可用于内燃机远程监控、无人值守等领域，具有一定推广价值。

[1] 董大伟.基于曲轴角振动诊断内燃机各缸作工状况的研究[D].西南交通大学,2002．

[2] 曾新,董大伟,向守兵,闫兵.基于AVR单片机的内燃机曲轴角振动诊断仪研制[J].机械与电子,2007．

[3] Siemens.TC35iHardwareInterfaceDescription[J].2003．

[4] 董大伟,闫兵,谭明达.PC仪器扭振测量系统[J].仪表技术与传感器,2001．

[5] European Telecommunications Standards Institute.Digital cellular telecommunications system(phase 2+),at command set for GSM mobile equipment(ME)[EB/OL],1999．