基于BIT的挖掘机液压系统测试系统研究.pdf

机械制造 丁剑， 等 基于 B I T的挖掘机液压系统测试系统研究 基 于 B I T的挖掘机液 压 系 统测试 系统研 究 丁剑， 张琦 ， 徐宙， 袁博 解 放军理工大学 工程兵工程学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 0 7 摘要 主要介绍了B I T技术的性能、 特点、 结构。分析 了B I T技术在某型挖掘机测试性设计 中应用的意义， 并详细提出了基于B I T技术某型挖掘机测试性设计方案以及方案中的关键技 术和主要解决途径。研究结果表明此方案有效可行。 关键 词 机 内测试 B I T ； 挖掘 机 ； 测试 系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 3 0 1 ． 0 0 3 6 0 3 Re s e a r c h o n Te s t i n g Sy s t e m i n Ex c a v a t o r Hy d r a u l i c Sy s t e m Ba s e d o n BI T Te c hn o l o g y D I N G J i a n ． Z HA N G O i ． X U Z h o u ， Y U A N B o E n g i n e e r i n g I n s t it u t e o f E n g i n e e r i n g Co r p s ， Un iv e r s it y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y o f P L A， N a n j i n g 2 1 0 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e t e c h n ic a l c h a r a c t e r is t i c s a n d s t r u c t u r e o f BIT，a n a ly z e s t h e me a n i n g t h a t B I T t e c h n o l o g y is a p p l ie d in t h e t e s t i n g s y s t e m o f E x c a v a t o r H y d r a u l i c S y s t e m a n d p r o p o s e s t h e t e s t p r o j e c t b a s e d o n B I T s y s t e m，k e y t e c h n i q u e s a n d s olu t ion s in de t a i l ．This r es e a r c h r e s ult s h o ws t h a t t h e s c h e me iS f e as ible an d e ff ec t iv e． Ke y wo r d s B u il t - in t e s t ； e x c a v a t o r ； t e s t i n g s y s t e m 0 引言 工程机械是我军工程兵部 分 队实施工程保障的重 要装备之一， 是我军武器装备的重要组成部分。平时广泛 用于市政工程、 水利工程、 抢险救灾、 反恐、 维和等， 战时主 要用于构筑军路、 机场、 码头、 指挥所、 防御工事等， 担负遂 行战斗工程保障任务， 其发展水平直接影响着军队工程保 障能力。 随着现代技术的发展， 工程机械装备的可靠性 、 维修 性都有了相当程度的提高， 对工程机械的实时状态监测、 故障检测及诊断水平也提出了更高的要求。因此 ， 测试性 逐渐受到研究者的重视， 测试性设计已经成为了工程机械 设计中的一个重要内容。而机内测试 B I T 作为测试性 设计的重要组成部分， 作为一种重要的系统故障检测方 法 ， 是提高装备测试性水平的有效途径。 1 B I T技术 机内测试 B I T 即系统或设备内部提供的检测和隔 离故障的自动测试能力 ， 代表 了一种新的“ 可测试性设 计” 概念。它要求在系统和设备设计的开始就同时考虑 系统的测试问题 ， 并同时进行系统的可测试性设计。机内 测试通过良好的结构化和层次性设计， 对测试单元、 可置 换组件和系统等各级故障实现故障检测隔离 自动化， 大量 减少了维修资料、 通用测试设备、 备件补给库以及维修人 员数量， 从而降低产品全周期费用 。 机内测试是指系统和设备依靠 自身的电路和程序， 对 自身的状态进行检测和监控， 并对故障进行检测和隔离。 具有这种功能的设备叫做机 内测试设备 b u i h ． i n ． t e s t _ e _ q u i p me n t ， B I T E 。B I T在国内的翻译还有机 内自检测、 机 内自测试、 机内自检等。下面是美军 MI L - S T D 一 1 3 0 9 C对 B I T的定义 定义 1 B I T就是系统、 设备内部提供的检测、 隔离故 障的 自动测试能力； 定义 2 B I T的含义是系统主装备不用外部测试设备 就能完成对系统、 分系统或设备的功能检查、 故障诊断与 隔离以及性能测试， 它是联机检测技术的新发展。 2 研究的方案 2 ． 1 B I T测试系统总体设计 复杂系统的B I T设计一般采用分层集成式的系统结构。 系统由元件级 B I T ， 分系统级 B I T ， 系统级 B I T和外部测试设 备自上而下， 递阶而成。元件级 B I T主要指设计于元件内部 的自测试单元； 分系统级主要 由分系统级控制单元、 信息处 理单元、 故障俭测单元和测试总线构成； 系统级 B I T主要由系 统级控制单元、 故障检测隔离综合分析单元、 维修总线和智 能诊断系统构成； 外部测试设备主要进行综合智能诊断、 预 测和决策。各级之间通过总线相连接。 分层集成组织结构的 B I T， 可以综合利用下级 B I T较 强的信息获取能力和上级 B I T强大的信息处理能力， 用来 提高和改善 B I T的性能。该组织结构既有利于实现横向 各 B I T的并行测试 ， 又便于实现纵 向各级的测试复用， 提 高了测试效率 ， 进而提高了测试性水平。其结构如图 1 所示 ] 作者简介 丁剑 1 9 8 6 一 ， 男， 山西大同人， 硕士研究生， 主要研究机械电子。 3 6 h t t p ∥Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自 动化 机械制造 丁剑， 等 基于 B I T的挖掘机液压 系统测试系统研究 分系统级BI T 元件级B I T 图 1 分层集成式 B I T系统结构 2 ． 2 分系统级 B Ⅱ 设计 分系统 B I T采用 了单片机配合 P S D加 C P L D的结构 组合， 其主要包括数据采集模块、 检测模块、 参数装订模块 机及信息处理模块。与上层 B I T及同级 B I T之 间采用总 线通讯的形式传递测试数据、 参数信息、 控制信息等。其 核心数字电路包括单片机、 P S D ， C P L D ， A ／ D， D ／ A ， 输入通 道包括流量传感器信号调理电路、 压力传感器信号调理电 路、 温度传感器信号调理电路和开关量输入信号调理电 路 ， 输出通道包括开关量输出和模拟量输出驱动 电路 ， 由 其结构如图2所示 ， 其主要实现如下功能 1 B IT 功能。加电 B I T， 周期 B I T， 维修 B I T等功能； 2 存储功能。将检测到的故障信息进行存储； 3 通信功能。将信息通过总线或串行端 口传递给同 级或上级 B I T 。 图2 分系统级 B I T功能结构 由于采用微控制器加可编程外围器件 P S D和复杂可编 程逻辑阵列 C P L D的设计方案， 大大提高了系统集成度， 减少 自身的体积和质量， 提高系统硬件的可靠性及灵’活．性。 2 ． 3 通讯技术设计 控制线局部网 c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ， C A N ， 属于现 场总线的范畴， 它是一种有效支持分布式控制或实时控制 的串行通信网络， C A N的应用遍及从高速网络到低成本 的多线路网络。 某型挖掘机液压系统的 B I T系统， 采用分层集成式的 设计理念， 有大量的控制与测试信息传递。基于 C A N总 线分布式的控制与测试方案很好的解决了布线复杂、 安装 Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o m a t io n ， J u ．2 0 1 3， 4 1 J 3 6～ 3 8 空间紧缺等问题， 提升了系统 的可靠性。C A N总线将各 ● 个分系统级别的 B I T测试模块联接起来构成测控网络， 完 成复杂的控制以及故障诊断隔离决策的任务。其结构如 图 3所示 ． i ， I r l c an ,j ’ f l T ‘ 副 系 试 一 备 H 图 3 CA N总线结构 分系统级测试模块设计考虑了可测试性、 安全性以及 总线连接方式， 具备测试能力， 包括元件级测试和分系统 级测试， 以及相应的测试激励方案。这种设计将常规测试 与控制功能分散到各个智能节点 ， 每个节点具有 自检单 元 ， 按系统要求工作 ， 并将实时检测、 诊断等系统状态信息 通过 C A N总线发送给系统级测试处理器节点。系统级测 试处理器产生测试激励信号， 通过 C A N总线与其他分系 统级 B I T协作 ， 完成系统 的控制、 测试、 故障诊断、 故 障隔 离、 优化协调等工作。 3 关键技术 3 ． 1 主要关键技术 该方案的关键技术主要包括以下几个方面 数据采集单 元、 测试 的优化、 检测隔离诊断技术、 外部测试设备等。 1 数据采集单元。由于受到被测对象体积和质量的限 制， B I T及其自诊断技术必须解决数据采集系统的小型化， 以 及多通道高精度的A ／ D和 D ／ A变换等关键技术。 2 测试点的优化。测试点是故障检测及隔离的基础， 测 试点选择的好坏直接影响到被测系统测试性的水平。测试 点的选择原则是测点要能保证使 B I T故障检测率和隔离率 最优。测试点是测量系统或设备状态信息或特征量的位置。 合理的确定测试点， 既可以提高故障检测能力， 减少故障检 测及隔离时间， 也可以降低对测试设备的要求。 3 检测隔离诊断技术。软件 B IT 的实现主要是将诊断 算法内嵌在 B I T E处理芯片中， 采集到的数据不是传到外部 设备诊断， 而是由B I T自 身来实现诊断。因此， 为完成内装自 诊断， 必须解决故障知识库和故障字典建立等关键技术。 4 外部测试设备。外部测试设备与 B I T测试系统相 结合 ， 使得测试系统能够在短时间内处理大量信息， 提高 B I T 覆盖率 ， 使故障检测隔离更加准确、 迅速。外部测试 设备的设计必须解决 ， 接口通讯问题的解决和软件的设计 等关键技术。 3 7 ～ 一 一 骗 帽 一 ㈠H 机械制造 丁剑， 等 基于 B I T的挖掘机液压系统测试系统研究 3 ． 2 关键技术的解决途径 关键技术的解决途径如下 1 充分利用总线终端微处理器， 通过逻辑程序控制 采集单元的信号采集与处理。这样就不需要对各单机部 件增加太多的硬件电路， 只需增强软件的功能以达到采集 单元 的小型化 。 2 选用 I N T E L公司 l 6位单片机 ， 利用 8 0 C 1 9 6 K B自 带的 1 O位 A ／ D转换器和 P WM输出， 实现高精度 A ／ D转 换。其实现框图4如图所示 系统通 电 系统初始化 加电B I T 检测 启动周期 B I T 程序 检测时间到否 。 丫 一 土 一 检测各系统 ____________●●__●●____________ 人 是否正常 ．．．．．．．．．．．．．．．． I l ． ． ． ． ． ． ． ． 一 储存周期 B I T 检测信息 ___________-_______●__________ ．．．．．．．．．．．．．．． -I ． ． ． ． ． ． ． ． 一 完成一次周期 检测 三 图 5 周期 B I T实现流程 偿、 傅里叶分析、 自检、 自校准等复杂的操作， 并将来 自多 个传感器的数据信息进行融合处理， 通过人机界面， 系统 设置、 信号预处理、 故障特征提取和智能推理 ， 实现某型挖 掘机液压系统的进一步故障诊断隔离以及决策。 图4 高 精度A ／ D 转 化 流程 4 结语 3 对于测试点的优选 ， 首先对某型挖掘机液压系统 进行故障模式与影响分析 F ME A ， 分析表格中详细列出 故障现象、 故障影响、 检测方法等属性。然后对液压系统 的测试点进行初选 ， 并建立故障与测试的相关性矩阵。最 后， 利用 自适应免疫遗传算法， 以故障检测率、 故障隔离率 为约束， 以全寿命周期费用为优化 目标 ， 对初选测试点进 行优化 。 4 在自诊断过程中， B I T系统对系统各个部分进行 监测 ， 主要运用 3种 B I T模式， 即加电 B I T ， 周期 B I T， 维修 B I T， 其中周期 B I T的流程如图5所示。通过 3种模式 B I T 的综合运用 ， 有效监测系统运行状况。具体诊断方法可采 用基于故障字典的方法 ， 收集测试设备测试中故障状态的 信息和定位方法 ， 并对数据进行分类加工， 提取故障模式 和识别方法， 通过理论分析和设定故障的仿真， 建立一套 从系统到单机的故障信息库和故障字典； 建立故障判断和 推理机制 ； 基于所设计的故障判断和推理机制， 通过 B I T 单元获取测试信号中的故障特征， 在故障字典中进行匹配 搜索 ， 从而确定故障位置和故障原因。 5 外部测试设备可以选择使用安装虚拟仪器的便携 式 P C机， 通过总线适配器实现与系统的链接。其虚拟仪 器软件基于 L a b V i e w环境编写， 主要 由工况状态监测、 故 障诊断专家系统和数据管理等几个功能模块组成。P C是 整个 B I T检测系统的外部信息处理中心， 对采集信息的输 出信号进行智能化分析与运算， 包括数据线性化和温度补 3 8 组建基于 B IT技术的某型挖掘机测试系统总体方案 充分利用现有测试设备的固有资源， 在尽可能少的附加硬 件和软件基础上 ， 以最少的费用使系统达到测试性设计的 指标 ， 满足规定的测试性要求， 提高了设备的测试性水平， 为 B I T技术在工程装备测试中的应用奠定 良好的基础， 并 为将来智能 B I T技术的使用提供支持， 提高工程装备的信 息化水平 。 参考文献 [ 1 ]田仲， 石君友． 系统测试性设计分析与验证 [ M] ． 北京 北京 航空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] C a o P B， X i a o R B ． A s s e m b l y p l a n n i n g u s i n g a n o v e l i mm u n e a p p r o a c h [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v anc e d M a n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g Y ， 2 0 0 7， 3 1 7 7 7 0 7 7 8 ． [ 3 ]温熙森， 徐永成 ， 易晓山． 智能理论在 B I T 设计与故障诊断中 的应用[ J ] ． 国防科技大学学报， 1 9 9 9 ， 2 1 1 9 7 1 0 1 ． [ 4 ]S c i n v i v a s M， P a t n a i k L M ． A d a p t i v e p r o b a b i l i t i e s o f C r o s s o v e r and M u t a t i o n i n G e n e t i c A l g o r i t h m s [ J ] ． I E E E T r a m s S M C ， 1 9 9 4 ， 2 4 4 6 5 6 6 6 6 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 22 3 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u rn a 1 ． n e t ． e n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u m a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化