探究物联网技术在工程机械故障诊断中的应用

魏亭 杨盛泉 刘萍萍

摘要：为了改变传统工程机械出现问题后故障诊断慢、查找原因困难、消除故障效率低下等落后状况，本文提出基于物联网技术探究工程机械故障诊断专家系统的设计。首先介绍了工程机械物联网宏观架构，它包括感知采集层、通信传输层、控制应用层，进而详细的讲述了物联网每一层的工作内容与原理，最后根据工程机械物联网测控特点与生产运行安全要求，设计出了完整的工程机械故障诊断专家系统。实践表明本故障诊断系统具有较为快速、精确、稳定的优点。

关键词：工程机械;物联网;专家系统;故障诊断

中图分类号：TP274                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）06-0229-02

0  引言

工程机械在我国制造业装备中具有非常重要的地位，它对基础设施、矿山机械、交通工程、工业生产等行业起到至关重要的作用[1]。工程机械在生产运行中，经常处于满负荷长时间的工作，传统的工程机械一般都是出现故障后，由工程技术人员去检查与维修，问题严重时往往耽误了企业生产，同时存在较大的安全运行隐患[2]。

物联网是物物相连的网络，是互联网的最新发展产物，其英文全称为Internet Of Things，简称IOT，其表达的意思是万物互联，它基于RFID技术、视频识别技术、红外感应、全球定位技术、激光扫描器技术在设备上安装各种信息传感器，并在内部或者外部部署ZigBee无线传感器网络、4G或5G网络，按标准约定的应用协议实现多个实体进行智能化识别、信息交换与测量控制。专家系统，其英文全称为Expert System，它是当代人工智能技术与计算机技术相互融合发展的最新技术，它可以聚焦领域专家的知识与经验，能够根据用户提出的问题，搜索其内置知识库，并进行各种复杂算法的人工智能逻辑推理，最后给出合理的判断结论或者较为正确的解决方案。因此，专家系统对于工程机械设备的故障诊断有着无可比拟的优势。

从而，结合物联网技术与专家系统技术设计与开发工程机械设备智能故障诊断专家系统，它可以实现工程机械设备运行出现故障前进行提前快速预警、防患于未然、提高工程运行效率，从而最大程度的保证企业安全生产有着非常重要的现实意义。

1  工程机械物联网宏观架构设计

根据工程机械的通用测量与控制特点，采用微电子芯片传感技术、微机电控制技术、有线或者无线通信技术，设计出如图1所示的工程机械物联网宏观架构，它包括感知采集层、通信传输层、控制应用层[3]，详细说明如下。

1.1 工程机械感知采集层

工程机械感知采集层主要是设备上布置若干的传感器，它作为物联网的采集信息的神经末梢，是整个物联网的测量、控制与故障诊断的数据基础。工程机械设备的感知层主要包括电子标签、电流变送器、电压变送器、状态传感器、位置传感器、疲劳度传感器、损伤探测传感器等组成。有了这些传感器，物联网系统可以随时掌握工程机械设备的运行健康状态，可以实现自动或者操作人员手动干预运行。大部分工程機械感知层节点内部主要由数据采集电路、数据转换电路、数据处理电路、数据传输通道以及电源能量供应单元组成。工程机械的感知层节点从原理上分类，主要有光敏、电压敏、热敏、力敏、气敏、磁敏和湿敏等等类别，特定的工程机械领域还需用特殊的传感器，如生物电子芯片等。目前工程机械领域的传感器节点应用了微电子嵌入式技术，需要对其进行编程并设置各种运行采集量程参数，适应各种运行场景进行故障诊断。

感知层的传感节点用于获取工程机械的各种被测信息，但是大部分工程机械运行环境恶劣，不可避免的受到各种环境干扰，这样在传感器的输入或输出信号中不可避免地包含杂波信号，信号幅度也不一定适合直接进行模数转换，所以需要将工程机械的原始采集信号进行调理。所以传感节点需要增加信号调理电路，其目的是完成滤波、幅度变换等功能，其内部一般由信号放大器、干扰滤波器等组成。

1.2 工程机械通信传输层

工程机械通信传输层也可以称为工程机械网络层。通信传输层主要解决感知采集层所获得的工程机械设备测量信号数据内部短距离或者外部长距离传输数据的问题，它是物联网的中间层。通信传输层是工程机械物联网健康稳定运行的保障。工程机械中布置的大量细节传感节点信息的需要通过快速、可靠、安全的方式通信传输到工程机械应用层。工程机械通信传输层可以采用无线传感器网络、无线WIFI、有线工业以太网、4G/5G或者串口RS485等通信形式。无线传感器网络英文为Wireless Sensor Networks， 简称WSN，该种通信方式在工程机械领域中使用较多，它是一项通过无线通信技术把较多的工程机械温度、压力、电流或者电压传感器节点进行组织与有序结合进而形成的小范围自主网络形式。

大部分工程机械通信传输层运行时采用Modbus RTU 或者Modbus TCP协议，Modbus RTU适用串口通信接口，Modbus TCP适用工业以太网的方式通信。Modbus是一种主从规约协议，它广泛的应用在工业通信控制中，采用CRC16校验，具备非常强的抗干扰功能，它支持读或写一个或多个WROD操作。Modbus信息交换是以主站采取主动实现的，即由主站启动交换。工程机械的通信传输上下层之间所有的一个完整通信数据交换由下行和上行两个报文组成：主站发出的一个下行读或者写报文请求;从站发回的一个数据反馈或者确认写成功或者失败的上行报文回答。

1.3 工程机械控制应用层

工程机械控制应用层，它位于物联网三层结构中的最顶层，其主要功能为控制应用，即通过高级信息处理与逻辑运算进行工程机械实时动作指挥控制或者故障诊断处理。控制应用层与最低端的感知采集层一起，是工程机械物联网的重点与核心。在通用的物联网中，应用层通过各种智能程序对感知层采集数据进行存储管理、科学计算、二次滤波处理和分类训练挖掘，从而实现对现实世界测控对象的进行动态管理、实时控制和科学决策等功能。

工程机械控制应用层运行时实时接收中间层通信传输层发送过来的感知层各个传感器数据，为了提高测控与故障诊断的可靠性与有效性，必须保证感知数据正确无误。应用层收到的数据需要经历校验、解包、反加密转换的步骤得到最终的工程量。应用层核心控制器得到这些工程数据后，然后通过专家系统中知识库与推理机进行人工智能故障诊断，如果发现某个状态参量异常，立刻驱动工程机械进行停机安全处理。由于专家系统的知识库中的知识是领域专家的经验输入形成，或者是专家系统自学习完善构成，当专家系统知识库不能诊断是否发生故障时，工程机械操作人员可以通过操作台、手机、平板等终端APP程序实时查看工程机械的运行状态，操作人员可以人工对工程机械的运行进行故障判断与合理操控，以最大程度保证工程机械的安全运行。

2  工程机械故障诊断专家系统设计

根据工程机械物联网测控特点与生产运行安全要求，设计出如图2所示的工程机械故障诊断专家系统宏观结构。它一个计算机智能控制程序，位于物联网控制应用层中，是系统应用层最为核心的组成单元。

该专家系统由六个部分组成，其包含：工程机械故障诊断专家终端人机界面、工程机械故障诊断解释机构、知识输入输出机构、故障诊断知识库、工程机械故障诊断推理机构、诊断评价与自学习机构。各个部分描述如下：

①工程机械故障诊断专家终端人机界面：为工程机械智能终端系统显示各种状态信息，包括机械设备的开关量、电流、电压、疲劳数据等，它实时反应工程机械的健康状态，同时它也是工程机械的操作员与专家系统的人机交互操作接口。

②工程机械故障诊断解释机构：本机构对工程机械产生的发生的故障进行合理的解释，并输出自动或者由用户处置的解决方案信息。解释机构主要是面向操作人员，给操作人员展现故障诊断的过程路线，以文字、流程图或者表格的形式将故障推理诊断结论给用户必要的、透明的、清晰的解释。

③知识输入输出机构：该机构实现将工程机械领域专家故障诊断经验知识以规范化的形式存入知识库中，也可以是工程机械操作员现场实践总结得到参数知识。领域专家与操作员的知识通过人机界面输入到本系统后，经由本机构进行规范化的处理，最终需要符合知识库的逻辑规则要求，另外也可以将知识库的知识通过本机构反转换成文字送到人机界面进行显示查看。

④故障诊断知识库：为本故障诊断专家系统的核心，它大部分采用IF-ELSE产生式规则表示，其存放了工程机械设备正常运行的电流、电压、疲劳度等状态合理的区间阈值。知识库可以通过领域专家输入，也可以通过后期运行自学习优化自动增加。工程机械故障诊断知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的推理速度与诊断质量水平。

⑤工程机械故障诊断推理机构：其功能是根据当前工程机械的感知采集数据状态，通过某种智能算法，快速检索知识库，判断是否发生故障。如果发生故障，需要进一步的查找原因并论证，然后进行合理的故障处理与设备动作，必要时使得工程机械安全停机。

⑥诊断评价与自学习机构：工程机械专家系统在运行过程中，随着设备使用环境的变化、以及设备运行时间的长短，知识库中的工程机械运行参数可能不一定完全适用，需要本机构进行周期性的动态评价其好坏，剔除不合适的知识，同时可以学习新环境的正常运行参数知识存入到知识库中。

3  结束语

本文提出基于物联网技术，结合先进的人工智能专家系统技术探究并设计工程机械故障诊断专家系统，它采用层次化的结构，将工程机械故障诊断推理复杂的问题简单化，可以发挥物联网技术与人工智能专家系统技术各自的长处与优点，系统具有较为快速、精确、安全、稳定的特点，具有较好的发展应用前景。

参考文献：

[1]夏伟云.工程机械设备智能化管理工作策略[J].中国设备工程，2020（12）：24-26.

[2]张昊宇，段克军.工程机械检测与故障诊断的探讨[J].工程机械与维修，2020（05）：40-41.

[3]杜珍萍.物聯网技术在机械设备管理中的应用与分析[J].施工技术，2020，49（S1）：448-451.