基于PXI总线的山地挖掘机故障检测系统开发

彭 川， 杨小强， 杨海山， 欧阳鹏程， 朱保国

（1.陆军工程大学野战工程学院， 江苏 南京 210007； 2.工程兵军代局， 北京 100093）

引言

山地挖掘机是典型的机、电、液一体化装备，技术性能先进，自动化、信息化程度高。该装备采用全液压驱动和复合式行走机构，使得其液压与电控系统结构原理尤为复杂。因此采用传统的故障检测手段和通用的故障检测仪器设备，难以对山地挖掘机的动力系统、液压系统、转向制动系统、工作装置与液压操纵以及电气系统进行有效、及时的故障检测、诊断与排除。

1 山地挖掘机电控与液压系统故障分析

山地挖掘机由动力系统、液压系统、转向与制动系统、工作装置与液压操纵系统、电气系统、冷却加温系统和附属装置组成。

1.1 液压系统常见故障及其诊断流程分析

液压系统的故障现象复杂多变，但从总体上可分为6大类，即执行元件、操纵阀、异响、油液泄漏与温度异常、原动机以及其他类，如图1所示。

液压系统的故障最终均反映在液压回路元件的工作状态上，比如元件损坏、密封失效、弹簧断裂、液压缸划伤、元件表面胶合、点蚀、疲劳断裂等。这些故障可能伴随有油液泄漏、系统温度异常、非正常振动、噪声等现象，导致液压系统不能正常工作。采取观察和仪器检测相结合的方法，对山地挖掘机液压系统在多种工况下的故障特点进行研究分析，确定了液压系统故障诊断的逻辑流程图，如图2、图3所示分别为右手柄和脚踏板的故障诊断流程[1]。

图1 山地挖掘机液压系统原理框图

图2 山地挖掘机右手柄故障诊断流程之一

图3 山地挖掘机脚踏板故障诊断流程之一

1.2 电气系统常见故障及其检测流程分析

山地挖掘机电气控制系统由基础电气系统和控制电气系统两大部分组成。

山地挖掘机电气控制系统的常见故障现象可分为供电系统、照明系统、控制系统等几个方面，具体表现为电气设备工作异常、灯光不亮、电机等执行机构不工作、监控器或启动电磁铁不工作等。对于这些故障，本文列出了部分电气控制系统元器件的检测流程和激励信号定义，如下页表1所示，依此流程可对其故障进行检测、诊断和排除。

2 故障检测系统硬件设计与开发

硬件平台主要由现场检测诊断平台（主控计算机）、适配器、信号连接装备和传感器等附件组成。其中现场检测诊断平台主要包括PXI机箱、嵌入式控制器、数据采集卡、接口模块和VPC连接器等组成。适配器主要用于信号的多路转换、信号调理与信号转接等，是山地挖掘机被测对象与检测硬件间连接的桥梁。

表1 电气系统故障检测流程样表

根据测试平台的信号采集功能需求，选用了NI PXI-8187嵌入式控制器作为核心控制器[2]；数字信号采集卡选用了NI PXI-6509数字I/O模块；模拟信号采集卡选用了M系列的NI PXI-6259型数据采集卡[3]，该模块提供了32位模拟输入，最高采集频率1.25 MS/s，4路模拟输出，48路双向数字输入输出通道；信号切换开关模块选择NI PXI-2530B模块，其多路复用器包括 128×1（1线）、64×1（2线）、32×1（4线）或8组16×1（1线）的模式，矩阵则包括4×32（1线）、8×16（1线）或 4×16（2线）的模式。

根据硬件平台的总体设计方案要求，故障检测诊断平台能与PC机配合使用实现检测诊断功能，选用PXI-1042主机箱作为虚拟仪器平台。其核心设备为虚拟仪器平台，为满足系统开放性和可扩展性的要求，虚拟仪器平台采用了“PXI机箱+主控计算机+PXI模块化仪器”[4]的硬件结构，该虚拟仪器平台通过VPC接口板与故障检测适配器相连，PXI系统的集成图如图4所示。

图4 配件系统PXI总线模块化仪器集成

PXI总线模块化机箱系统是检测系统的核心设备，该平台相当于一台安装了特定采集板卡的计算机，运行有windows操作系统。为保证适配器能与其配合使用，硬件上采用RS232通讯方式与虚拟仪器平台进行交互，因此PXI机箱内专门配置了串行通讯卡，所选择的是NI PXI-8430卡，软件上基于其操作系统进行开发[5]。接口设备主要指从PXI计算机系统到适配器的信号连接设备，包括各板卡的配套连接端子和VPC90系列连接器。

3 故障检测系统软件设计与开发

LabWindows/CVI在仪器控制、虚拟面板设计、信号分析与处理、硬件访问方面具有强大功能，因此山地挖掘机故障检测系统的软件基于微软件的WindowsXP/Win7系统运行，采用Labwindows/CVI程序语言进行开发[6]。

根据故障检测平台的设计需求，结合山地挖掘机使用维修单位的意见和建议，确定该软件的基本功能，主要包括人机交互、设备测试、故障分析、维修辅助以及记录保存等功能，功能框图如图5所示。

图5 软件的功能框图图

根据功能需求设计了中心调度模块、数据采集模块、故障检测模块、数据库管理模块、故障诊断和维修指导模块。下页图6为中心调度模块的运行界面，左侧树形控件主要用于故障检测时选择检测项目，“测试”按钮和“历史记录”按钮在点击时触发按键事件，从而转入对应模块。液压系统故障检测功能模块通过读取各测点的压力、温度、流量参数，实时显示并与数据库中存储的故障标准数据进行对比，可以确定液压系统的故障原因，利用可视化维修指导功能，根据故障现象进行故障排除维修。并记录保存采集的数据，同样，该界面也提供了故障模拟与联机数据检测两种模式供用户选择操作。

图6 山地挖掘机故障检测系统入口界面

建立了记录查询数据库Rec.mdb和故障维修数据库Repair.mdb。数据库格式为微软的ACCESS格式[7]。程序通过CVI/SQL工具箱，用SQL语言实现对记录的保存、分类和查询。记录查询数据库主要用于存储每次测试测试对象的器件编号、测试类型、测试日期、测试人员、检测的信号以及信号状态的判断准则、参数测试结果、检测结论和错误代码，通过对检测时间、检测人员、检测类型和被检设备的选择，从索引表中选出符合条件的项，方便了对记录的检索。维修指导数据库主要存储了各种故障的故障代码、故障现象、检测流程和维修步骤等，实现对检出故障的维修指导。

故障检测软件采用系统管理控制、检测功能模块、板卡硬件驱动和诊断维修数据库等相结合的多层次的模块化结构体系，数据库可根据需要进行补充、增添相应的记录项，完善检测诊断软件的诊断维修性能，软件层次清晰，移植性好、开放性强，具有较好的软件升级性能[8]。

4 结论

经过集成与调试，整个系统能够稳定可靠地完成对山地挖掘机的故障检测和维修指导，达到了预期的效果。本文设计的山地挖掘机故障检测系统贴近部队实际需要，可为部队基层维修站和基地维修站提供一套智能化的检测诊断设备，满足部队对山地挖掘机电气控制系统和液压系统状态检测、故障诊断的需求，可对电气控制系统进行战备完好性检测和故障诊断，故障定位到独立设备；可基于装备预埋的检测端口对液压系统的状态参数进行检测，为故障诊断提供数据依据，有效促进了我军装备维修保障领域的开发与建设，对实现我军装备保障系统信息化和数字化建设具有重要意义。

[1] 杨小强，韩金华，李华兵，等.军用机电装备电液系统故障监测与诊断平台设计[J].工兵装备研究，2017，36（2）：61-64.

[2] Dunia H,Qin S J,Edgar T F,et al.Identification of faulty sensors using principal component analysis[J].AICHE J.1996,42（10）：2797-2812.

[3] Qin S J.Recursive PLS Algorithm for adaptive data modeling[J].Computers and Chem.Eng.,1998,22：503-514.

[4] Willsky A S.A survey of design methods of failure detection in dynamic systems[J].Automatica,2009,45（7）：1593-1600.

[5] Himmelblau D M.Fault detection and diagnosis in chemical and petrochemical processes[M].Amsterdam:Elsevier Press,1978.

[6] Isermann R.Fault diagnosis of machines via parameter estimation and knowledge processing tutorial paper[J].Automatica,1993,29（4）：815-835.

[7] Frank P M.Fault diagnosis in dynamic system using analytical and knowledge based redundancy-A survey and some new results[J].Robotics Mechatronics&Manufacturing Systems，1990，26（3）：459-474.

[8] 秦红磊，路辉，郎荣玲.自动测试系统硬件及软件技术[M].北京：高等教育出版社，2007.