基于BIT的工程机械智能在线检测方法研究与实现

刘敏

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410014）

基于BIT的工程机械智能在线检测方法研究与实现

刘敏

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410014）

以某工程机械为研究对象，研究基于CAN总线的嵌入式BIT智能检测方法，研制具有高可信度的工程机械智能故障诊断仪，以提高工程机械作业的可靠性和安全性。

机内测试;CAN总线;在线检测

工程机械作为一种大型机电设备，具有功率大、启动功耗大、维护困难的特点。随着此类大型设备智能化程度的提高，对其检测手段提出了新的要求，即快速性好、稳定性高、适应性强。在检测技术不断发展的条件下，新型、智能化程度高的检测技术——BIT技术（Buit－in Test，智能机内测试）应运而生，BIT技术能够极大地提高设备的工作可靠性和检测的及时性。

1 BIT及智能BIT技术

BIT是指系统或设备依靠自身的电路和软件，能对其状态进行检测和监控，并对故障进行自检测、自诊断和自隔离。BIT技术主要包括信号检测技术、信号处理技术、故障判断和识别技术及预测及故障处理技术四个方面。按照工作扫描周期的不同，可分为周期BIT和启动BIT。通过BIT技术，可以提高系统的工作可靠性和可测试性，提高诊断能力，简化测试设备，减少技术保障，降低维修费用。

智能BIT是将包括专家系统、神经网络、模糊理论、信息融合等智能理论应用到BIT，提高BIT综合效能。包括BIT的智能设计、智能检测、智能诊断、智能决策四方面的内容，四方面是相互补充、相互融合的关系。智能BIT技术是复杂机电装备状态监测、故障诊断方面的关键技术，能显著改善装备或系统测试性与诊断能力。［1］

2 工程机械作业故障诊断技术

2．1 对象系统建模分析

对象系统的建模分析的目的是通过失效模式及后果分析（FMEA，Failure Mode and Effects Analysis），掌握对象状态模式相关的测试信息，即故障模式空间、测试空间及其相互关联关系，这是保证对系统故障覆盖的前提下进行传感器选择和传感器优化布局的基础。

对于本文研究的某工程机械系统，将其表示为包含有限p个组件元素c（i=1，2，…，p）的集合ME，记为ME={c1，c2，…，cp}，同时模型中的每个组件元素具有特定的属性信号，这些信号是系统中各种故障状态的反映，是BIT系统进行检测和诊断时需要获取的信息。所有属性信号构成包含有限M个元素的信号集合S，S={s1，s2，．．．，sM}，（M＞1），每个组件元素i对应其中的一个子集SC （Cj），这些信号的表现形式是对应组件元素的功能或状态的反映，为实现对工程机械运行状态的检测和诊断，需尽可能获取各组件元素关联的信号，这些信息将通过测试点采样获得。因此，系统中必须具有包含有限K个元素的测试点集T，T={t1，t2，…，tk}，每个测点对应一个信号子集ST（tj）。

FMEA分析后得到系统属性信号集合和故障模式集合，需要确认系统中的每一个故障源能从这些测点中得到观察，即得到故障源与属性信号之间的因果关系，建立测试信息的因果矩阵。

设该工程机械建模分析得到n个故障模式FNi，i=1，2，…，n，系统的故障模式集为FN= {FNi}。由FMEA确定的系统测点集合为{si}，i =1，2，…，m，则可得到故障模式—测点的因果矩阵D=FN×S。D为一个n×m的矩阵，其中n表示待监测系统中存在的故障模式数，m表示采用的检测传感器数目，即有：D={dij，i=1，2，…，n;j= 1，2，…，m}。故障模式集合为F={FNi，i=1，2，…，n}，传感器集合为S={Sj，j=1，2，…，m}。若有dij=1，则可知对应的故障模式FN，可用传感器Sj进行检测。因此，从因果矩阵D中进行分析，可保证对待检测的机电系统的整体故障模式的覆盖。该矩阵描述了检测信息与故障模式之间的对应关系，有利于保证BIT设计结果实现对系统故障模式集合的覆盖，如表1所示。［2］

表1 因果矩阵

由以上分析可知系统故障模式与测点信号之间的关联关系，从而发现系统所有故障模式是否可检测、可辨识。

2．2 BIT传感层系统优化设计

工程机械作业控制BIT故障诊断中，测点的选择、传感器的优选和传感器系统的优化布局，对于提高BIT系统的故障检测率，保证较低的虚警率具有重要意义。其处理流程模型如图1所示。

图1 工程机械BIT传感层系统优化设计的一般流程图

2．3 基于CAN总线的嵌入式BIT智能诊断方法

CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，现已成为ISO－11898国际标准。CAN总线采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰的环境下工作，具有较高的可靠性。此外，CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术，可以满足不同的实时要求。［3］

在该工程机械BIT检测系统中，各功能模块通过CAN总线连接在一起，运用总线结构可以提高该工程机械的工作效率、工作稳定性、检测的方便性。由于总线具有结构紧凑，效率高的特点，在该工程机械中运用CAN总线可以使该工程机械的性能得到很大地提高。在工程机械中使用CAN总线主要是为了进行信号和数据的传输，如图2所示。

图2 CAN总线结构

人机接口设备是操作者对作业过程进行干预的主要手段;检测装置负责感知系统的状态（主要是液压系统检测装置）;执行器负责完成经主控制器处理后的动作;显示仪表作为人机界面，可以用文字或图形的方式告知操作者系统目前的状态、故障源、故障危害程度等信息;PLC作为故障判断的处理器主要进行故障的判断及可修复故障的修复操作。［4］考虑到可能存在的恶劣环境且干扰因素较多，在CANH和CANL信号线与地线之间并联两个电容，滤去噪声，使信号传输平稳。双屏蔽电缆可设两套，在两套介质上同时进行信号传输。接收方只用一个介质，在冗余和非冗余段的连接临界点进行切换。

3 工程机械BIT系统设计

3．1 工程机械BIT整体系统架构

结合工程机械作业故障诊断的模型，分析作业控制器、传感检测机构及作业执行机构的功能特性，研究工程机械基于CAN总线的BIT检测协同的体系架构，设计工程机械BIT智能监测和诊断装置系统构架。工程机械中需要检测的部分的系统结构大致包括控制用PLC模块、CAN总线、其他设备（主要是液压系统），如图3所示。在该工程细节BIT系统中，顶层PLC模块将处理结果输出到显示界面上，为维修人员维修提供实时的数据和故障信息。

图3 工程机械BIT整体系统图

3．2 工程机械BIT系统结构

工程机械BIT系统由传感器（包括在其他设备中）、PLC（检测用CPU）、CAN总线、CAN总线检测电路、液压系统检测电路及其外围电路组成，如图4所示。该工程机械BIT系统主要由CAN总线的BIT检测分系统和液压系统的BIT检测分系统组成。底层PLC将从总线或者液压系统传来的数据进行简单的处理之后传给顶层PLC。顶层PLC作为决策核心接收来自底层PLC的数据并通过与故障数据库的比较判断出系统的故障情况。CAN总线的BIT检测分系统运用PLC作为检测核心，通过软件并结合外围电路实现对CAN总线的检测。液压系统的BIT检测分系统运用PLC作为检测核心，通过软件并结合传感器及外围电路实现对液压系统的检测。

图4 工程机械BIT系统构成

3．3 故障分析处理

判断机制采用故障树的形式，通过顶层PLC与数据库之间的数据结合，设置自顶向下的判断流程进行故障判断。采用这种判断方法的好处在于可以客观、及时地发现故障源，并凭借数据库信息对故障的危害程度进行及时的评判。

在该BIT检测系统中，检测的数据需要在比较的同时备份到故障数据库中。结合故障数据库的信息对可能出现的故障在显示屏上显示并报警。显示屏作为人机交互界面提供一个直观的故障判断结果，为维修人员进行维修提供依据，使故障维修能够及时、高效地进行。

测试点是故障检测及隔离的基础，合理地选择测试点可以提高检测精度，缩短检测时间。［5］在工程机械BIT检测系统中，CAN总线上的测试点是有源和无源测试点，液压系统上的测试点是有源测试点。有源和无源测试点主要用在数字总线结构中，有源测试点主要用在对模拟量的采集中。

4 结束语

工程机械复杂程度和技术含量的提高，其维修性、测试性对装备的工作能力、机动性、维修人员、保障经费产生了越来越重要的影响。引入BIT技术可以很大程度上提高工程机械的可测试性、可维修性和可靠性。在工作过程中，工程机械通过BIT技术的应用来加强其自动化程度，摆脱对人力的过分依赖，提高其工作效能、降低对使用者的要求。有资料显示，在应用了BIT技术后降低了40%的维修费用。

［1］潘俊荣．装备自治性维修保障体系研究［D］．长沙：国防科学技术大学，2002．

［2］杨光．机电产品BIT系统传感层降虚警的理论与技术研究［D］．长沙：国防科学技术大学，2003．

［3］沈冬祥．工程设备CAN总线控制系统设计［J］．微计算机信息，2008，（2）．

［4］毕翔，张建军，王跃飞．基于CAN总线的PLC－PC控制系统研究［J］．合肥工业大学学报（自然科学版），2005，（6）．

［5］唐力，张琳娜，张晓冬．基于现代信号处理方法的动态测量误差分析［J］．机械设计与制造，2009，（9）．

［编校：邓桂萍］

Study and Imp lementation of BIT－based Intelligent Online Detection of Mechanical Engineering

LIU Min
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410014）

With some engineeringmachinery for the study object and based on CAN bus embedded BIT intelligent detection method，the research developed an intelligent fault diagnostic machinery with high confidence to improve the reliability and security ofmechanicalwork．

Built－in Test（BIT）;CAN bus;online detection

TP374+．5

A

1671－9654（2011）04－047－04

2011－11－18

刘敏（1972－），男，湖南长沙人，副教授，研究方向为自动化测控技术。

本文为湖南省教育厅资助科研项目“基于BIT的工程机械智能在线检测方法研究”（编号：09C1056）阶段性研究成果。