工程机械状态监测与故障智能化诊断系统研究

尹明贤

（中铁十一局集团第二工程有限公司 442000）

工程机械状态监测与故障智能化诊断系统运用微机处理、传感器等技术智能监测工程机械的运行状态，实时采集相关数据，利用专家分析系统智能分析相关参数，以便及早发现异常，排查潜在故障，有效减少故障发生率。同时在工程机械发生故障时，维护人员可借助该系统快速诊断排除故障。

1 工程机械的状态监测与故障智能化诊断系统的设计

系统主要由机监测与故障诊断系统、机群故障诊断系统、通信系统等部分构成。其中机监测与故障诊断系统主要作用是采集、分析工程机械设备的运行参数，并识别其运行状态；然后由机群故障诊断系统进一步分析设备故障数据，作出故障诊断决策；者两者之间的通信由通信系统完成。

1.1 单机监测与故障诊断系统

单机监测与故障诊断系统是指工程机械状态监测与故障智能化诊断系统中用于单个工程机械设备状态的监测与故障诊断的子系统。通过在工程机械机群中的各个单机配置智能监控仪器，实现以下几个功能：监测单个工程机械设备的运行状态和故障信息，并将相关数据传输至机群故障诊断系统，一旦系统发现存在异常参数就会发送报警信息；接收机群故障诊断系统发来的诊断决策数据并加以显示。每一台工程机械设备上都配置了单机监测与故障诊断系统，它是构建整个系统的基础，是工程机械状态监测与故障诊断的关键一环，因此，单机监测与故障诊断系统必须具备精准实时获取单个工程机械设备运行状态数据的能力，同时还必须能将数据及时传送至机群故障诊断系统。

1.2 机群故障诊断系统

机群故障诊断系统的核心作用是进行故障诊断决策，首先接收单个工程机械设备发来的数据信息，并进行分析处理，判断单个工程机械设备的故障原因，并给出故障诊断决策，发送至单个工程机械设备，帮助维护人员开展维修作业；记录故障的相关初始数据以及对应的诊断结果.智能化是故障诊断技术的发展趋势，现阶段使用较多的是专家系统(ES)、人工神经网络这两个方法实现故障智能诊断。工程机械设备的故障原因很多，要想准确诊断其故障必须具备非常专业的知识和实践技能，因此推荐使用专家系统的方式实现工程机群的故障智能化诊断。基于专家系统的机群故障诊断系统负责分析工程机械设备的故障信息，在此基础上给出故障诊断结果。机群故障诊断系统主要包括解码程序、专家系统、接口程序、数据库、部分。其中数据库包括原始信息数据库、故障诊断信息数据库，前者用于存放单个工程机械的故障信息以及和单个机械的故障诊断结果。而解码程序主要作用对通常机械设备的初始状态参数、故障信息编码与解码，将数据转换为统一的输入制式。

1.3 通信系统

通讯系统负责单个工程机械设备状态监控与故障诊断子系统与机群故障诊断系统之间的通信。近年来，随着移动通信技术的发展，无线通信系统日趋完善，其优势不断凸显，因此，被广泛应用于工程机械机群状态监测与故障智能化诊断系统中，很好地满足了工程机械维护工作的自动化，智能化发展要求。

2 工程机械状态监测与故障智能化诊断系统的实现

2.1 工程机械单机改造

工程机械单机改造是指在单个工程机械设备上增设单机监测与故障诊断系统以便监测单个工程机械设备的运行状态，对其进行智能化故障诊断。在改造时通常选用基于CAN总线的上位机、下位机的构架，其具体实现方式如下。

2.1.1 单机监测与故障诊断系统的下位机

在单机监测与故障诊断系统中，下位机的作用是采集单个工程机械的运行状态参数，并将其发送到上位机。本次研究的单机监测与故障诊断系统使用Epec3G+控制器，控制器工作在温差大、湿度大、振动大的恶劣环境中，因此需要具备很高的可靠性，稳定性。Epec3G+控制器中包含了性能强悍的微型处理器，CAN接口，全封闭轻铸铝外壳，具有良好的可靠性。因此，基于 Epec3G+控制器可以构建安全可靠的单机监测与故障诊断系统的下位机，通过在单个工程机械的关键位置安装传感器实时采集工程机械的状态参数，通过CAN总线通讯方式实现下位机与上位机的通信。

2.1.2 单机监测与故障诊断系统的上位机

嵌入式微处理器、实时操作系统是单机监测与故障诊断系统的核心部件，在此基础上进行接口、外部设备的扩展，其外部接口功能主要包括(1)人工输入故障信息；(2)获得下位机采集的单个工程机械的运行状态参数；(3)连接通讯模块、GPS模块；(4)传输程序、数据。采用QC/OS-II作为上位机的实时操作系统内核，开发出适合用于工程机械状态监测与故障智能化诊断的操作系统，该系统应该具备反应灵敏、应用程序独立等等优点。

2.1.3 GSM/GPRS无线通信系统的实现

本次研究的工程机械状态监测与故障智能化诊断系统中的无线通信系统使用GSM/GPRS技术。具体实现方案是在单个工程机械以及机群故障诊断系统中安装GSM/GPRS模块，单个工程机械通信模块通过RS-232串行接口与单机监测与故障诊断系统连接，机群故障诊断系统的通信模块通过通过RS-232串行接口与PC机相连。

2.2 GPS定位系统实现

GPS定位是现阶段应用最广泛的定位技术，其原理是借助卫星的坐标和卫星到接收机的距离确定待测点位置。GPS定位系统精度高、可以全天候工作。考虑到系统的实现成本以及定位精度的要求，本文给出了两种定位方案，即五米左右的低精度定位和亚米级别的高精度定位。GPS接收机也通过RS232接口传输信号，可以通过串行接口连接单机监测与故障诊断系统上位机。

2.3 工程机械机群故障诊断中心实现

通常工程机械机群故障诊断系统位于施工现场，用于分析、诊断工程机械的故障信息，并给出诊断决策，再通过通信系统将诊断决策发送到单机。

2.3.1 工程机械机群故障诊断系统的硬件平台

整个机群中的工程机械的故障信息都需要通过工程机械机群故障诊断系统来处理，因此，该系统必须具备足够的运算能力以及可靠的通信能力才能精准高效地给出诊断决策，通工程机械机群故障诊断系统构建可以采用以下的技术路线

（1）租借一台服务器用作远程服务器，工程机械机群故障诊断系统的数据库位于该服务器中用来连接系统和单个工程机械。

（2）用一台计算机A实现通信、数据库等功能，用一台计算机BP监测工程机械的运行状态，诊断故障，用一台计算机调控 P机群，以有效程机械机群故障诊断系统的工作效率和稳定性。

（3）用 1000M网连接各个计算机构建高速局域网，确保通信速度和通信稳定，是系统的各个模块能够协调顺畅地运行，使用大屏幕显示电子地图直观呈现工程机械的分布情况和运行状态。

3 结束语

综上所述，工程机械状态监测和故障诊断系统打破了传统的故障出现之后再维修的被动局面，实现了主动发现故障隐患，及时排除故障隐患的目的，通过主动维修的方式及时有效地排除工程机械的故障，大大延长了工程机械的使用寿命。现阶段，该技术尚处于初级发展阶段，尤其是远程专家系统功能还需要不断地完善。