基于CAN总线的柴油机、液力变速箱故障诊断系统的设计

邓忠彬 张 亮 李 浩 王晓雷 王 涛

(1.中海油能源发展油建渤海装备分公司 天津) (2.安徽霍邱县庆发矿业有限公司 安徽霍邱)

基于CAN总线的柴油机、液力变速箱故障诊断系统的设计

邓忠彬1张 亮2李 浩1王晓雷1王 涛1

(1.中海油能源发展油建渤海装备分公司 天津) (2.安徽霍邱县庆发矿业有限公司 安徽霍邱)

文章介绍的柴油机和变速箱故障诊断系统是针对海洋钻修机柴油机和变速箱设计的集监测、预警及故障诊断于一身的全自动测控系统,能实时监控柴油机和变速箱的工作状态和关键的技术参数,对于超过警戒值的参数实现实时报警,给出故障代码,便于现场和远程维修。文章阐述了基于CAN总线的柴油机和变速箱故障诊断系统的设计原理及关键技术。

柴油机;液力变速箱故障诊断系统;数据采集器;CAN总线;节点

0 引 言

目前,在渤海油田的海洋钻修机动力系统中,大多是CAT3400系列柴油机和ALLISON液力变速箱。设备的完好与否直接影响了钻修井作业的效率,特别是冬天,设备的故障较为频繁,严重地影响了油田正常生产;因此,故障的快速诊断非常重要。由于目前还没有适合海洋油田使用的柴油机和液力变速箱故障在线诊断系统,所以,柴油机、液力变速箱故障诊断系统的设计研发就显得尤为迫切。

本文介绍的基于CAN总线的柴油机和变速箱故障诊断系统,能实时监控柴油机和变速箱的关键技术参数,对超过警戒值的参数实现实时报警,以便及时采取相应的措施,对设备进行保护,将设备事故解决在萌芽状态。

1 CAN总线的技术特点[1]

CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络,是一种具有国际标准的现场总线。它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1Mbps。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。由于其具有抗干扰能力强、可靠性高、实时性好和易于使用等特点,CAN总线越来越受到人们的重视并被广泛应用于航海、航空、医疗及工业现场领域。

CAN总线的技术特点:

1)通信方式灵活。可以采用多主通信方式,也可以采用单主多从的通信方式;

2)CAN总线采用非破坏性仲裁技术,从而大大节省了总线冲突仲裁时间;

3)通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据,无需专门的“调度”;

4)通信速率最高可达1 Mbps;

5)CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个;

为了便于传感器扩充和灵活使用,将CAN总线应用于柴油机和变速箱故障诊断系统具有较大的优势。

2 CAN总线测量原理

柴油机、液力变速箱故障诊断系统的测量采用CAN总线的数据采集方式,通过两个数据采集器对所有的传感器信号进行采集,并与计算机进行数据交换,完成计算、显示和状态指示,对超出设定值的信号实现声光报警。CAN总线数据收发由CAN控制器和CAN收发器完成。主机通过 ISA接口控制电路来访问CAN控制器最终完成数据通信。为了提高系统的抗干扰能力,CAN控制器和CAN收发器采用了光电隔离电路技术。CAN总线与计算机数据交换原理如图1所示[2]。

图1 CAN总线与计算机数据交换原理

CAN总线与传感器之间的数据交换原理如图2所示。

图2 CAN总线与传感器之间的数据交换原理

3 系统组成

柴油机、变速箱故障诊断系统由柴油机、变速箱故障诊断仪、柴油机数据采集器、变速箱数据采集器、声光报警器和四类变送器组成。系统组成如图3所示。

图3 柴油机和变速箱故障诊断系统

4 系统设计

4.1 柴油机、液力变速箱故障诊断仪设计

柴油机、液力变速箱故障诊断仪是一台能完成数据采集和处理的PC104嵌入式计算机系统。它采用CAN总线方式进行数据采集、显示并能实现声光报警。采用触摸屏方式,软件界面直观、实用,方便操作。可安装在钻台柴油机旁或司钻操作房内。它由军用级PC104嵌入式计算机系统、触摸式液晶显示器组成,能实时完成数据采集工作。

PC104嵌入式计算机系统由PC104CPU板和非智能CAN卡组成。非智能CAN卡的功能为CAN总线数据收发、并与PC104CPU板通讯。CAN总线数据收发由CAN控制器和CAN收发器完成。主机通过ISA接口控制电路来访问CAN控制器,完成数据通信。触摸式液晶显示器由防爆触摸屏和TFT液晶显示器组成[2]。

功能及特点如下:

1)采用PC104嵌入式计算机为核心的CAN总线设计,能独立完成数据采集,又能与后台计算机实现数据通讯。通过CAN总线实时采集各路参数原始数字值,通过计算转换成工程值,显示存储。

2)触摸屏操作简捷,能完成所有标配参数的刻度、节点ID的设置。

3)具有远程监控功能,远程用户只需输入本系统的IP地址和密码即可登陆该系统,可以通过网络监测发动机和变速箱的实时运转参数和状态。

4)满足防爆、防淋、防冻、抗震、抗干扰、耐高低温的要求。

4.2 柴油机数据采集器设计

柴油机数据采集器安装在钻台柴油机旁。柴油机数据采集器由各种CAN总线传感器节点和传感器组成。每个节点对应一个传感器。它能接收各种传感器的信号,将它们以总线的方式与柴油机、液力变速箱故障诊断仪进行数据交换。工作温度:-25～85℃。防爆等级:ExdⅡBT4。防护等级:IP65。目前安装了11个传感器:柴油机转速、机油液位、冷却液液位、机油压力、机油温度、燃油压力、空气增压压力、启动空气压力、冷却水温度、排气温度、进气温度。它们均安装在柴油机机身上。一旦柴油机在工作的中有异常情况产生,传感器很快将信号传到柴油机数据采集器,通过CAN总线传输到柴油机和变速箱故障诊断仪,由柴油机和变速箱故障诊断仪进行判断产生报警信号,并在显示器上显示出故障代码及故障原因。

4.3 液力变速箱数据采集器设计

液力变速箱数据采集器安装在钻台柴油机旁。变速箱数据采集器由各种CAN总线传感器节点和传感器组成。每个节点对应一个传感器。它能接收变速箱的各种变送器的信号,它们以总线的方式与柴油机、变速箱故障诊断仪进行数据交换。工作温度:-25～85℃。防爆等级:ExdⅡBT4。防护等级:IP65。目前安装了5个传感器:主油压、润滑油温度、闭锁压力、输出转速、润滑油液位。它们均安装在变速箱机身上,一旦变速箱在工作的中有异常情况产生,传感器很快将信号传到变速箱数据采集器,通过CAN总线传输到柴油机和变速箱故障诊断仪,由柴油机和变速箱故障诊断仪进行判断产生报警信号,并在显示器上显示出故障代码及故障原因。

4.4 传感器的选型设计

影响本系统设计的精度的关键是传感器的选型设计。要求传感器必须能满足以下条件:

1)工作温度:-25～85℃;

2)防爆等级:ExdⅡBT4;

3)防护等级:IP65;

4)抗震性能高;

5)安装方便。

本系统采用四种传感器:压力变送器、温度变送器、转速传感器、液位传感器。这些变送器完全能满足柴油机和变速箱监测的需要。具体技术指标如下:

1)压力变送器

测量方式:4 mA～20 mA;

测量范围:0.00～3.00 MPa;

测量精度:±1%F.S。

2)温度变送器

测量方式:K型热电偶;

测量范围:0.0～1000.0℃;测量精度:±1%F.S。

3)转速传感器

测量方式:脉冲式≤30 kHz;

测量范围:0～4 000 r/min;

测量精度:±0.5%F.S。

4)液位传感器

测量方式:4 mA～20 mA;

测量范围:0～2.00 m;测量精度:±0.1%F.S。

5 关键技术

5.1 CAN总线系统智能节点设计

CAN总线系统智能节点是传感器和PC104嵌入式计算机通讯的桥梁。它的可靠性设计是本项目的关键技术。因此,在电路设计上,采用可靠性比较高的AT89C51单片机作为节点的微处理器,在CAN总线通信接口中采用PHILIPS公司的SJA1000和82C250芯片。SJA1000是独立CAN通信控制器,82C250为高性能CAN总线收发器。为了增加智能节点的可靠性。在设计电路时,全部采用军品电子元器件。

5.2 抗高低温的措施

由于本系统工作在野外或海洋平台,冬天温度达到零下25℃,夏天温度达60℃。昼夜温差较大,因此抗高低温措施必不可少。控制措施主要在于电子元器件的选型。在设计电路时,全部采用宽温型和军品低功耗电子元器件,特别是选择宽温液晶显示器至关重要,它能保证在低温状态下能够正常显示。电源模块的选用也很重要,它的工作稳定性直接影响其它电子元器件正常运行。

5.3 抗振动的措施

由于本系统安装在柴油机上。系统的抗震性能至关重要。为了提高系统的抗振动性能,传感器、电路板的安装全部采用了抗振动结构,并对液晶显示器进行了有效地加固。这样即使有较大的机械振动,该系统也能正常、稳定地工作。由于采用了高性能的军用级PC104嵌入式计算机系统作为系统核心,并采用了贴片元器件,使其系统结构变得紧凑,进一步提高了可靠性和抗干扰能力。

5.4 防护性能的保证

为了适应海上油田钻修井现场的使用要求,本系统采用了防爆设计。满足防爆等级:ExdⅡBT4,防护等级:IP65。

6 结束语

柴油机、液力变速箱故障诊断系统研发成功后既能应用于陆地钻井现场,又能应用于海洋石油平台钻(修)井现场。故要求其满足陆地钻井现场和海洋环境的使用要求,能够防尘,防水,防腐,防爆。该系统与网络相连,能将实时信号传回基地供专家对故障进行诊断和分析。

柴油机、液力变速箱故障诊断系统的研发成功为钻(修)井机械师准确快速地查找故障原因提供了实时检测数据。指导维修人员对柴油机和变速箱做出维修保养决策,降低了设备风险,改变了故障诊断和维修模式,提高了生产效率。实验证明,该系统测量精度高,可靠性好,故障诊断准确率高,能够满足现场柴油机和变速箱故障诊断的需要,值得推广应用。

[1] 杨 明,郭海龙.CAN总线在测井仪器中的应用[J].石油仪器,2009,23(4)

[2] 邓忠彬,李 浩,鹿海田.钻井气体监测仪系统的研制[J].石油矿场机械,2010,39(11)

Design of diesel and transmission trou-bleshooting system based on CANbus.

Deng Zhongbin,Zhang Liang,Li Jie Wang Xiaolei and Wang Tao.

The diesel and transmission troubleshooting system introduced in this article is an automatic measurement and control system,and it is designed for the diesel and transmission of offshore work-over rig′s monitoring,early warning and troubleshooting.It can monitor diesel and transmission′s working condition and key technical parameters in real time.It can realize the real time alarm for the parameters which are higher than warning valve,and give out the faulty code,for the on-site and remote maintenance.This article introduces the design theory and key technology of diesel and transmission troubleshooting system based on CANbus.

diesel and transmission troubleshooting system;data acquisition;CANbus;node

TP274

B

1004-9134(2011)04-0007-03

邓忠彬,男,1968年生,首席工程师,1989年毕业于河北承德石油高等技术专科学校计算机及应用专业,现从事海洋钻修机设备的设计及管理工作。邮编:300452

2011-03-03编辑姜 婷)

PI,2011,25(4):7～9

·开发设计·