（机械工程专业论文）基于can总线的数控机床故障诊断及远程服务系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文介绍了一种工业控制领域颇具发展前景的热点技术现场总线， 讨论了现场总线的定义、技术特点和优点，其中着重介绍了实时局域网络c a n 总线的协议和技术特色。通过分析，提出了一种基于c a n 总线在数控机床故 障诊断及远程服务系统的网络结构，并从系统的总体、硬件、软件设计及安 装调试方面的设计开发工作进行了详细的研究，对该系统的未来发展、改进 提出了建议。 经过在实验室中的调试及长期运行表明，该系统达到了设计时的功能要 求，完全可以满足实际的需要。 关键词：现场总线，c a n 总线，故障诊断 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e san e w p r o m i s i n gt e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r y c o n t r o l a r e a - f i e l d b u s ，w h i i ed i s c u s s i n gi t sd e f i n i t i o na n dt e c h n i c a lf e a t u r e e s p e c i a l l y ， t h ed i s t i n c t p r o t o c o l s o ft h er e a l t i m el o c a lw e bc o n t r o la r e an e t w o r ki s e m p h a s i z e d o n t h r o u g ha n a l y z i n g ，t h ep a p e rb r i n gu pas t r u c t u r eo fn e t w o r ki n p r o b l e m d i a g n o s eo f n u m e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n et o o l sa n df a rd i s t a n ts e r v i c ei nc o n t r o l l e r a l e a _ n e t w o r k ，m a k ead e t a i l e ds t u d yo fw h o l es t r u c t u r e ，s o f t w a r e ，h a r d w a r ed e s i g n a n d d e b u g g i n g f i n a l l y , t h ep a p e rb r i n g su p c o n s t r u c t i v e s u g g e s t i o n a b o u tt h e d e v i c e sf u t u r ed e v e l o p m e n t a f t e rt h er u n n i n ge x p e r i m e n t si nl a b o r a t o r y , t h es y s t e mc o m eu pt ot h ef u n c t i o n o f t h ed e s i g n ，s oi tc a r lh i g he f f i c i e n t l ym e e tw i t ht h en e e do f p r o j e c t k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，c o n t r o l a r e an e t w o r k ，p r o b l e md i a g n o s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 开展本项目研究的意义 一台设备从设计、制造到安装、运行有许多环节，任何不应有的偏差都 可能造成设备的“先天不足”，从而造成设备带病运行。在运行时，设备可 能处于各种各样的环境中，其内部受到力、热、摩擦等多种物理、化学作用， 使其劣化，造成“后天故障”。为了消除故障，就必须建立一个合理科学的 设备管理体制，这个体制的核一b 就是设备的维修体制。 对设备的维修体制可分为三种方式，即：故障维修、定期维修和预知维 修。故障维修方式是一种传统的维修方式；它直至设备出现故障才进行维修。 这种方式往往会给设备带来难以预料的后果，有时甚至会严重影响生产和危 及人身安全。定期维修方式也属于一种传统的维修方式；该方式是建立在设 备故障率的统计分析基础上的，其维修周期小于最短的故障发生周期，因而 必然导致“过剩维修”，“过剩维修”一方面因打断连续生产带来损失，另一 方面又会因“过剩维修”导致维修费用增大和设备、材料的损耗加大而造成 损失，同时还可能因维修过程中人为的损坏而留下隐患。 设备维修的最合理方式是预知维修。预知维修是对设备进行测试分析， 根据设备分析结果证实有必要时才安排维修的一种维修方式。这种方式需要 定期或连续地对设备进行状态监测和故障诊断。因为故障从产生到最终爆 发，有一个过程。如果在故障的早期及时发现并采取措施消除( 可以称为消 除隐患) ，则一般不会产生大的危害；相反，若等到故障爆发才采取措施， 则可能造成生产系统的紊乱，使设备遭受损坏，甚至全线停工，造成巨大的 经济损失，还可能破坏环境，危及人身安全。据有关文献资料介绍，应用诊 断技术实行视情维修可减少事故率7 5 ，降低设备维修费用2 5 至5 0 ，因此 迫切需要建立一套系统，实现设备的故障诊断和服务。网络技术的发展，使 上述问题的解决成为可能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外的总体水平及发展趋势 1 2 1 远程诊断和服务技术的发展 设备的预知维修是建立在设备的故障诊断技术基础上的，在国外，远程 诊断和服务技术方面，美国开始研究比较早，而英国、日本在7 0 年代开始 研究的，在9 0 年代美国w h c c ( 西屋) 公司已发展成网络化的汽轮发电机组 智能化故障诊断专家系统。其它比较有影响的研究部门有：美国c s i 公司、 日本三菱公司、西德s c h e n c k 公司、美国s k f 公司等。在国内，设备的远程 诊断技术起步较晚，但发展速度很快，从8 0 年代开始，设备的远程诊断技 术开始受到一些大型企业的重视，借助于高校的科研力量，使诊断技术从理 论到实践都取得了巨大的成果。尤其是2 0 年来，随着技术的不断完善和发 展，特别是近年来其与计算机技术的融合其发展与普及正以前所未有的速 度全面展开。准确一点讲，设备的诊断技术与计算机相结合已经发展成为一 门较完整的边缘的、综合的工程学科。该学科以设备的管理、状态监测、故 障诊断为内容，以建立新的维修体制为目标，已经成为一门国际性的热门学 科。目前，在线监测、诊断局域网和远程网络已经有了成功的产品，而用于 全厂或全车间的在线监测分析、故障诊断和设备管理网络正成为目前该学科 的热门的前沿研究项目。 1 2 2c a n ( c o n t r oile ta r e 8n e t w o r k ) 总线的应用概况盥“”1 2 0 世纪8 0 年代，德国的b o s c h 公司首先应用c a n 总线于汽车内部的测控 通信。c a n 国际标准化的制定，更加推动了它的发展和应用，已有i n t e l 、 m o t o r o l a 、p h i l i p s 、s i e m e n s 等百余家国际大公司支持c a n 总线协议。 现在，在欧美等国c a n 总线己被广泛地应用于汽车、火车、轮船、机器人、 智能楼宇、机械制造、数控机床、各种机械设备、交通管理、传感器、自动 化仪表等领域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 从“九五”开始，我国政府就投资支持现场总线的开发。其中c a n 等总 线在国内已经得到较广泛的应用，被大量地应用于工农业监控、电厂测控、 火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控等。很多大专院校及科研单位也投入 大量的人力和资余加强现场总线，尤其是c a n 总线技术的研究和开发【6 ，7 】。 1 2 3 c a n 总线的发展趋势 从c a n 总线在各个领域的应用情况，可以预测c a n 总线将来的发展会有以 下趋势： 1 c a n 将在竞争中占有一定的优势“”1 。目前市场上的现场总线产品 除了国际标准i e c 6 1 1 5 8 中包含的8 种类型外，还有很多，重h l o n w o r k s 、 d e v i c e n e t 等。在今后一段时间内，这些总线产品将与c a n 总线共同发展， 互相竞争。由于c a n 总线所具有的高可靠性、实时性和灵活性等突出优点， 加上广泛的应用基础，预计c a n 总线将越来越受欢迎，并最终成为市场占有 率很高的主要总线产品之一。 2 与企业以太网( e t h e r n e t ) 的互联o ”1 。随着企业管理水平和信息化 水平的提高、集成电路技术和计算机技术的发展，必然要求处于底层的现场 总线测控网段与企业高层的管理网络互联，以便及时了解生产现场状况并实 现管理和控制现场的操作。因此，c a n 总线网络将迸一步发展，通过网关或 网桥向上与企业管理系统以太网联接构成管控一体化网络。 3 与模糊控制技术和智能技术的结合”“”。近年来，由于企业规模 的不断扩大，生产过程控制系统也越来越复杂，系统的非线性增强、时滞增 大，而且很难给系统的每个环节建立精确的数学模型，这就要求模糊逻辑控 制的应用。现场总线的强大网络功能实现集中化管理，而对必要的现场环节 实行分散的模糊控制。文献h o 对这一问题进行了探讨并给出了仿真结果。 文献 1 13 对于人工智能技术和现场总线的结合进行了讨论，并设计出基于i a ( i n t e l l i g e n ta g e n t ) 思想的现场总线控制系统。可以很好地提高系统的 可靠性和智能化水平。把智能控制技术和现场总线结合起来将会成为以后工 程控制中的主要研究和应用方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 课题的主要工作 本课程是针对南京数控机床有限公司c k l 4 1 6 高速高精度数控车床研制 的“基于c a n 总线的数控机床故障诊断及远程服务系统”课题。该课题是 江苏省十五重大攻关项耳，具体研制能实现数控机床的网络化远程诊断及 服务系统，即对机床的工作状态和主要工作部位进行在线监控，判断其是 否处于正常工作状态，并进行显示记录，对异常状态进行报警，以便操作 者进行及时处理：此外，该层还可以根据加工零件的需要，通过c a n 总线 向数控机床传送加工代码以及借助于通讯模块为企业局域网层提供机床状 态信息，使企业故障中心进一步对设备进行故障诊断。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章现场总线技术 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正 在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车 间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化 系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。 现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的 计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始， 并将对该领域的发展产生重要影响。 2 1 现场总线的定义及技术特点 2 1 1 现场总线的定义 什么是现场总线? 有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测 量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也有人把它称为开放 式、数字化、多点通信的底层控制网络。它广泛的应用于制造业、流程工业、 交通、楼宇等方面的自动化系统中。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都 具有了数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通讯任务的网 络节点。它们分别通过普通双绞线等多种传播介质进行信息传输联络，把多 个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统，把公开、规范的通 信协议，在位于生产控制现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与 用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适 应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成 网络节点，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来 了巨大的变化，如同计算机网络和因特网给单台计算机带来的变化等等。如 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 果说，计算机网络把人类引入信息时代，那么现场总线则使自控系统与设备 加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的低层，使企业信息沟通的覆盖 范围一直延伸到生产现场。因此把现场总线技术的出现说成是标志着一个自 动化新时代的开端并不过分。 现场总线技术的开发始于2 0 世纪8 0 年代。随着微处理器与计算机功能 的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，信 息沟通联络的范围不断扩大。而处于生产过程底层的测控自动化系统，由于 仍在通过开关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电流的模拟 信号进行测量控制，或者采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及 系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛y , b 严重制约了 其本身的发展。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设 计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、实时性强，造价低廉的通信 系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现 底层现场设备之间，以及自动化设备与外界的信息交换。现场总线就是在这 种需求的驱动下应运而生的。国际标准化组织、北美、欧洲等许多国家的仪 表控制领域，陆续开始着手现场总线标准制定与技术开发。由于行业、地域、 经济利益等多种原因，本应是统一标准、开放互联的控制通讯网络目前已经 在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列。它作为过程自动化、制造自动 化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程 现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动 化系统的信息孤岛创造了条件。 2 1 2 现场总线的特点与优点 2 1 2 1 现场总结系统的技术特点 现场总线控制系统在技术上具有以下特点： 1 系统的开发性：开放系统是指对相关标准的一致性、公开性，强调标 准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实 现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放 系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意 的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 2 互可操作性和互用性：互可操作性，是指实现互联设备间，系统间的 信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行更 换而实现相互替换。 3 现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量 处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅依靠现场设各即可完成自动控 制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4 系统结构的高度分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统 的体系结构。从根本上改变了现有的d c s 集中与分散相结合的集散控制系 统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现 场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、 红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实 现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 2 1 2 2 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系 统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 1 节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能 直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减小变送器的数量，不再需 要单独的调节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、 隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省 了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 2 节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电 缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥梁的用量大大减少， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 连接设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无 需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，即节省了投资，也减少了设 计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用 6 0 以上。 3 节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能 力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有 设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维 护停工时间，同时由于系统结构简化，连接简单而减少了维护工作量。 4 用户具有高度的系统集成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提供 的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备 的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。使系统集 成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 5 提高了系统的准确性和可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化、 与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。 同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减 少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于 重构等优点。 2 2 现场总线的拓扑结构 现场总线可提供多种拓扑结构。根据现场设备到控制器的连接方式， 现场总线可分为以下三种结构方式。 1 线形结构 在各种结构中，线形结构最简明、最常用。它用一条总干线从控制器 铺设到机械设备装置( 即控制对象) ，总线电缆从主干电缆分支到现场 设备处，控制器扫描所有i o 站上输入，必要时发送信息到输出通道。在 这种结构中，可实现多主式和对等式通信；两个控制器可以共享同一系 统中的信息和i o 站。而且，不必关闭总线系统就可以从总线上装上或拆 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 下一个i o 设备，因此系统易于维护。 2 树形结构 树形结构与线形结构类似，但树形结构允许分支。它主要用于包含智 能传感器和执行机构的系统中，总线电缆从控制器铺设到机械装置，根 据分支到i 0 端点，每个端点分别寻址。控制器扫描传感器的输出信号， 并在需要时给执行器发送输出信号。 3 环形结构 在环形结构中，所有i o 设备和控制器被连接在同一环中，所有信息 都从控制器出发通过每个i 0 站最后回到控制器完成一个循环。环形结构 的系统只能有一个控制器，总线从该控制器出发连接到第一个i o 站之前 与之进行对话。在信号传送到下一个i o 站之前，通常都进行放大或重复， 最后一个从站把信息传送给控制器，形成封闭环。 在每个循环周期中，控制器都能收到所有i o 站上的响应信息。因此 环上的每一个i o 站都工作正常，否则，即使一个i o 站响应失败，控制 器都会探测到，因此环形总线系统对设备的要求比较高。一方面，这类 系统可以更迅速的发现故障；另一方面系统对故障过于“敏感”，一个 站出错，整个网络都必须停下来，才能把故障从总线上卸下来。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第3 章，控制器局域网总线c a n 前一章介绍了整个现场总线的概况。几家总线标准各有千秋，c a n 总线作 为一种多主机、实时局域网络在工业自动化( 尤其在离散制造加工业领域) 、 各种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等部门得到广泛的 应用。基于它的如下技术特点和优点，本文作者结合课题的实际要求，在方 案设计中选择c a n 总线作为底层网络。下面将对c a n 总线作简要介绍。 3 1c a n 的特点 3 1 1 c a n 的性能特点 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和 灵活性。其特点可概括如下： 1 c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络 上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点 信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。 2 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 高优先级的数据最多可在1 3 4l as 内得到传输。 3 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继 续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的 情况下不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 4 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一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”。 5 c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速度5 k b p s 以下) ：通信速度最 高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 6 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达11 0 个；报文标 识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符合几乎 不受限制。 7 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 8 c a n 的每帧信息都有c r c 校验和其他检测措施，保证了数据出错率极 低。 9 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆和光纤，选择灵活。 1 0 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线 上其他节点的操作不受影响。 3 1 2 c a n 的技术特点 1 c a n 总线是一种q “载波侦听多路访问冲突检测”( c s 淞c d ) 的通信 模式。这就允许在总线上的任一设备有同等的机会取得总线的控制权来向外 发送信息。如果在同时刻有两个以上的设备欲发送信息，就会发生数据冲 突，c a n 总线能够实时地检测这些冲突情况并作出相应的仲裁而不会破坏待 传之信息； 2 信息报文在传送时不是基于目的站点地址，这就允许不同的信息以 “广播”的形式发送到所有节点并且可以在不改变信息格式的前提下对报文 进行不同配置； 3 c a n 总线是一种高速的、具备复杂的错误检测和恢复能力的高可靠性、 强有力的网络。 3 1 3 c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 这种控制方式对任何工作站都没有预约发送时间。工作站的发送是随 机的，必须在网络上争用传输介质。故称之为争用技术。若同一时刻有 多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上相互混淆而 遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波 监听”。 载波监听c s m a 的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听 总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的， 则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。当监听总线状 态后，可采用以下三种c g m a 峰持退避算法： 第一种为不坚持c s m a 。假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙 的，则等待一段随机时间，重复第一步。 第二种为卜坚持c s m a 。假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙 的，继续监听，直到介质空闲，立即发送。假如冲突发生，则等待一段 随机时间，重复第一步。 第三种为p 一坚持c s m a 。假如介质是空闲的，则以p 时概率发送，或以 ( 1 一p ) 的概率延迟一个时间单位后重复处理。该时间单位等于最大的传 输延迟。假如介质是忙的，继续监听直到介质空闲，重复第一步。 不坚持算法利用随机的重传时间来减少冲突的概率，这种算法的缺点 是：即使有几个站有数据要发送，介质仍然可能处于空闲状态，介质的 利用率较低。为了避免这种介质利用率的损失，可采用卜坚持算法。当 站点要发送时，只要介质空闲，就立即发送。这种算法的缺点是：假如 有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。p 一坚持算法 是一种折衷的算法。它试图降低像卜坚持算法的冲突概率，另一方面又 减少像不坚持算法中的介质浪费。 假如当介质忙时，有n 个站有数据等待发送，则当前的发送完成时， 有n p 个站企图发送，如果选择p 过大，使n p i ，则冲突不可避免。最坏的 情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为0 。所以必须选择p 值 使n p 非。蕾谩认可。麓闻空阐 ( b ) 。甘谡认可。披俩空闻 图3 - 1 1 帧间空间 间歇场由3 个隐位组成。间歇期间，不允许启动发送数据帧或远程帧， 它仅起标注超载条件的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 总线空闲周期可为任意长度。这时，总线是开放的，因此任何需要发送 的站均可访问总线，在其他报文发送期间，暂时被挂起的待发送报文紧随间 歇场从第一位开始发送。此时总线上的显位被理解为帧起始。 暂停发送场是指：错误认可站发完一个报文后，在开始下一次报文发送 或认可总线空闲之前，它紧随间歇场后送出8 个隐位。如果其间开始次发 送( 由其他站引起) ，本站将变为报文接收器。 3 5 错误类型和界定 在c a n 总线中存在5 釉错误类型( 它们并不互相排斥) 。 1 位错误：向总线送出一位的某个单元同时也在监视总线，当监视到总 线位数值与送出的数值不同时，则在该位时刻检测到一个位错误。例外情况 是，在仲裁场的填充位流期间或应答间隙送出隐位而检测到显位时，不视为 位错误。送出认可错误标注的发送器，在检测到显位时，也不视为位错误。 2 填充错误：在应使用位填充方法进行编码的报文中，出现出第6 个连 续相同的位电平时，将检出一个位填充错误。 3 c r c 错误：c r c 序列由发送器c r c 计算的结果组成的。接收器以与发 送器相同的方法计算c r c 。如计算结果与接收到的c r c 序列不相同，则检出 一个c r c 错误。 4 形式错误：当固定形式的立场中出现一个或多个非法位时，则检出一 个形式错误。 5 应答错误；在应答间隙，发送器未检测到显位时，则由它检出一个应 答错误。 检测到出错条件的站通过发送错误标志进行标定。当任何站检出位错误、 填充错误、形式错误或应答错误时，由该站在下一位开始发送出错标志。 当检测到c r c 错误时，出错标志在应答界定符后面那一位开始发送，除 非其他出错条件的错误标志已经开始发送。 在c a n 总线中，任何一个单元可能处于下列三种故障状态之一：错误激 活( e r r o ra c t i v e ) 、错误认可( e r r o rp a s s i v e ) 和总线关闭。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 检测到出错条件的站通过发送出错标志进行标定。对于错误激活节点， 其为活动错误标志；而对于错误认可节点，其为认可错误标志。 错误激活单元可以照常参与总线通信，并且当检测到错误时，送出一个 活动错误标志，不允许错误认可节点送出活动错误标志，它可参与总线通信， 但当检测到错误时，只能送出认可错误标志，并且发送后仍被错误认可，直 到下一次发送初始化。总线关闭状态下允许单元对总线有任何影响( 如输出 驱动器关闭) 。 为了界定故障，在每个总线单元中都设有两种计数：发送出错计数和接 收出错计数，这些计数按照下列规则进行( 在给定报文传送期间，可应用其 中一个以上的规则) 。 i 接收器检出错误时，接收器出错计数加l ，除非所检测错误是发送活 动错误标志或超载标志期间的位错误。 2 接收器在送出错误标志后的第位检出一个显位时，接收器错误计数 加8 。 3 发送器送出一个错误标志时，发送错误计数加8 。其中有两个例外情 况：一个是如果发送器为错误认可，由于未检测到显位应答或检测到一个应 答错误，并且在送出其认可错误标志时，未检测到显位。另一个是如果由于 仲裁期间发生的填充错误，发送器送出一个隐位错误标志，但发送器送出隐 位而检测到显位。 在以上两种例外情况下，发送器错误计数不改变。 4 发送器送出一个活动错误标志或超载标志时，它检测到位错误，则发 送器错误计数加8 。 5 接收器送出一个活动错误标志或超载标志时，它检测到位错误，则发 送器错误计数加8 。 6 在送出活动错误标志，认可错误标志或超载标志后，任何节点都允许 多至7 个连续的显位。在检测的第1 1 个连续的显位后( 在活动错误标志或 超载标志情况下) ，或紧随认可错误标志检测到第8 个连续的显位后，以及 附加的8 个连续的显位的每个序列后，每个发送器的发送错误计数都加8 ， 并且每个接收器的接收错误计数也加8 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 7 报文成功发送后( 得到应答，并且直到帧结束出现错误) ，则发送错 误计数减l ，除非它已经为o 。 8 报文成功接收后( 直到应答间隙无错误接收，并且成功地送出应答 位) ，则接收错误计数减1 ，如果它处于i 和1 2 7 之间。若接收错误计数为0 ， 则仍保持为0 ，而若大于1 2 7 ，则将其值计为1 1 9 和1 2 7 之间的某个数值。 9 当发送错误计数器等于或大于1 2 8 或接收错误计数器等于或大于i 2 8 时，节点为错误认可。导致节点变为错误认可的错误条件使节点送出一个活 动错误标志。 1 0 当发送错误计数大于或等于2 5 6 时，节点为总线关闭状态。 1 i 当发送错误计数和接收错误计数两者均小于或等于1 2 7 时，错误认可 节点再次变为错误激活节点。 1 2 在监测到总线上1 1 个连续的隐位发生1 2 8 次后，总线关闭节点将变 为两个错误计数器均值为0 的错误激活节点。 当错误计数数值大于9 6 时，说明总线被严重干扰。经提供测试此状态的 一种手段。 若系统启动期间仅有一个节点在线，此节点发现报文后，将得不到应答， 检出错误并重复该报文。它可以变为错误认可，但不会因此关闭总线。 3 6 c a n 总线协议的位定时与同步 有关c a n 总线中位定时要求包括如下一些重要概念。 1 正常位速率为在非重同步情况下，借助理想发送器每秒发生的位 数。 2 正常位时间即正常位速率的倒数。 正常位时间可分为几个互不重叠的时间段。这些时间段包括：同步段 ( s y n c - s e g ) 、传播段( p r o p s e g ) 、相位缓冲段1 ( p h a s e s e g l ) 和相位缓 冲段2 ( p h a s e - s e g 2 ) ，如图3 1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 步段l 传播段r _ 相位警枇0 等相位粤枇 ；葛! 羹l 尚刍藩卜一4 十时闻甜颤_ 叶一4 十时问份缸 一位时闻( 1 0 十时闻份氟) 图3 1 2 位时间的各组成部分 3 同步段用于同步总线上的各个节点，为处于此段内需要有一个跳变 沿。 4 传播段用于补偿网络内的传输延迟时间，它是信号在总线上传播时 间、转入比较器延迟和驱动器延迟之和的两倍。 5 相位缓冲段1 和相位缓冲段2 用于补偿沿的相位误差，通过重同步， 这两个时间段可被延长或缩短。 6 采样点它是这样一个时点，在此点上，仲裁电平被读，并被理解为 各位的数值，位于相位缓冲段1 的终点。 7 信息处理时间由采样点开始，保留用于计算子序列位电平的时间。 8 时间份额由振荡器周期派生出的一个固定时间单元。存在一个可编 程的分度值，其整体数值范围为卜3 2 ，以最小时间份额为起点，时间份额可 分： 时间份额- - m x 最小时间份额( 其中m 为分度值) 正常位时间中各时间段长度值数值为：s y n c s e g 为一个时间份额： p r o p s e g 长度可编程为1 - 8 个时间份额；p h a s e s e g l 可编程为卜8 个时间 份额：p h a s e s e g 2 长度为p h a s e s e g l 和信息处理时间的最大值；信息处理 时间长度小于或等于2 个时间份额。在位时间中，时间份额的总数必须被编 程为至少8 2 5 。 9 硬同步硬同步后，内部位时间从s y n c s e g 重新开始，因而，硬同 步强迫由于硬同步引起的沿处于重新开始的位时间同步段之内。 1 0 重同步跳转宽度由于重同步的结果，p h a s e - s e g l 可被延长或 p h a s e s e g 2 可被缩短。这两个相位缓冲段的延长或缩短的总和上限由重同步 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 跳转宽度给定。重同步跳转宽度可编程为l 和4 ( p h a s e s e g l ) 之间。 时钟信息可由一位数值到另一位数值的跳转获得。由于总线上出现连续 相同位的位数的最大值是确定的。这提供了在帧期间重新将总线单元同步于 位流的可能性。可被用于重同步的两次跳变之间的最大长度2 9 个位时间。 1 1 沿相位误差沿相位误差由沿相对于s y n c - s e g 的位置给定，以时间 份额质量。相位误差的符号定义如下： 若沿处于s y n c s e g 之内。则e = o ： 若沿处于采样点之前，则e o ： 若沿处于前一位的采样点之后，则e l ( 2 t ) 的频率成分时， 该高频信号被折迭到低频成分f 9 6 d b 倍频程) ；3 、低噪声与低失真；4 、对多通道信号 分析，每个通道的抗混滤波器的截止频率特性要完全相同。在实际应用中， 比较理想的是用多阶有源r c 伯特袄斯( b u t t e r w o r t h ) 滤波器。该滤波器以 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 高阶泰勒级数的形式逼近理想滤波器矩形特性。随阶次n 的增加，其特性愈 接近矩形滤波器特性。 实际应用中，只要条件许可，最好的办法是首先用高截止频率的模拟抗 混滤波器对连续信号进行滤波，然后进行高速采样得到离散时间序列，在根 据要求的频率分析上限，调整数字滤波器的参数对此序列进行数字滤波。后 继的数字频率分析即是对经数字滤波的新序列进行分析。该方法综合了前述 两种方法的优点，而避免了两者缺点。目前，随着数字电子技术的发展d s p ( d a t as i n g l ep r o c e s s ) 芯片已经很普及，所以很多信号处理工作可以很 方便地前端机中实现。 根据上述讨论，可以明确的肯定抗混叠滤波器在计算机应用的前向通道 中是很重要和很必要的。在我们设计的系统中，采样主要的方法是整周期采 样。如果能实现真正的整周期采样，那么为了保证采样数据的损耗尽可能少， 一般不采用抗混叠滤波器。但本系统在进行采样时采用了以额定转速为依据 实现整周期采样。很显然，这种情况下采样方式是准整周期采样。此时采用 固定上线的模拟抗混滤波器就很有必要了。数字滤波器一般总是很有必要 的，所以在后续处理中应考虑根据特殊的要求对采样序列实现数字滤波。这 是根据对象特点和系统特点所综合的一种较优的方案。 7 2 振动信号的预处理 在数据采集完成后，还必须进行预处理工作，然后才能进行正式的数据 处理分析。这样做的目的是检出在测量采样过程中混入原始信号中的误差。 这些预处理功能既可以放在采样前端中实现，也可以放在监控机中进行。由 于系统的采样前端中具有较大的数据处理能力，所以本系统中将数据预处理 工作放在采样前端中实现。这一方面可以充分发挥采样前端的能力，另一方 面可以减轻监控机计算机的负荷，从而有效的提高整个系统的功能。这些预 处理工作的主要内容有剔点、零均值等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 7 2 1剔点处理 在测试工作中，由于在试验数据的测量、记录、传输等过程中，有时因 突然受到严重干扰、信号丢失或传感器失灵等原因，导致记录数据中引入了 一些异常的虚假值，这些异常的虚假值渗入以后的表现为：使记录信号的时 域波形产生一些过高或过低的突变点。而这些突变点在实际系统中是不可能 出现的。这些虚假的采样点即称为剔点。如果剔点值很大，则会造成噪声水 平过高，不进行处理就将记录进入后续处理，则会造成虚假的分析结果。而 两个相距很近的剔点将在谱分析中产生许多虚假的频率成分。剔点工作的本 质是去除测试系统的偶然误差。另一方面，如果在一段连续的时间内，某通 道的测量结果中总有较多的剔点，则可认为该通道的测试系统存在故障。在 这种情况下，采样前端应能通知监控机系统有故障，以便有关人员及时采取 适当的措施。 剔点处理的方法可根据数理统计的方法解决，具体方法有均方值偏差判 断法，数据平滑估计法和衰减包络法线法。前两种方法均可用于周期信号， 而最后一种方法可适用于自由衰减信号。由于本系统监测的是典型的周期信 号，这里采用均方值偏差判断法。 考虑到在实际工况监视与故障诊断系统中，分析、诊断的实时性要求， 权衡处理方法的简便性和有效性，本文采用软件实现的处理方法，连续地产 生采样方差o ? 的更新值，即 式中由：，为前i 个采样值的均方值，肛，为前i 个采样值的均值， 开方得标准差o ，进行比较检查。如果 ( 7 - 1 ) 通过 则认为x 。是正常数据；否则x 。为异常点应予以剔除。一般k 取3 5 ， 文中k = 4 。异常点剔除后，为保证等间隔采样及数据长度的一致性，在剔除 点采用数据内插的方法补足数据点数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 8 页 洲； ：o oo oo oe 0 01 0 0 012 口o t ( a ) 异常值处理前波形 7 2 2 零均值处理 ( b ) 异常值处理后波形 图7 - 2 剔点处理前后波形 零均值处理也称为中心化处理。它的主要工作是将由于测试需要而导致 其均值不为零的测量结果转化为零均值数据，以简化其后的测量、计算工作： 也避免了引入直流分量的干扰。零均值的处理方法很简单。设一采样数据序 列为x n ( n = l ，2 ，n ) ，其均值为： i = 古石 ( 7 3 ) o o o 口o o o o：黧一一 ：=一at 西南交通火学硕士研究：生学位论文第5 9 页 经零均值处理臌，x n 就变成为一个均值为零的新信号u 。( n = l ，2 ， n ) ， u 。2 x n x ( 7 4 ) u 。的均值u = 0 。u 。即为尉继处理的新序列。 零甥值处理在援动检测系绫中具有特殊慧义。因为非零均值的数据黪到 相当予在信号上遮翔一个直流分爨，尤如一个矩形脉冲。藩不进行中心他处 理则会在低频段产生很大的误差，分析出来的结果就可能蕊目全非。在机械 振动照测系统中，商意义的频率主要分布在低频段，所以这步工作一定要进 行。 ( a ) 霉均值化娥联前波形圈 t ( 吣零均值亿缝琏舞波形雕 图7 3 零均值处理1 i 质波形 如图7 - 3 所示，壹线为均俊位置，零均饿髓u 。一8 。4 5 8 7 ，零均值处理 后u 。= 0 。 褥鬻交逶夫学矮士磷究奎学位论文第6 0 页 7 2 。3 对于消除趋鳄项的讨论 在实用的数据采集、监视、分析系统中，对采集数据的消除趋势项的处 璎怒缀重要的。因为在实际测量中，任德一个实际绩号都应该怒琏搬信号。 巍在麓税信号熬采样中往往出予灏试系缀中熬某些因素豹影桶两产生随对 间丽变化的变值系统误藏，其周期一般很长。这种周期远大于记录长度的频 率成分称之为趋势项。趋势项的存在会在棚燕分析或功率谱分析中出现很大 的畸变，甚至可以使低频时的谱分析完全必真。因此消除趋势项是一般数据 袋熬与整视分板中懿一项重要工作。 溪豫趋势顼在王稷上常采翊最小二黎法。该方法器可以濒豫离跨多项 式，又可以消除线形趋势项。但实际应用中，消除趋势项的处理会对原始数 据避成信息损耗。特别需要强调的是，消除趋势项是要消除系统误差造成的 趋纷项，而非实际系统存在的有价值的趋势项。而消除趋势项的处理会将两 者一褫同 二，一切瀵去。在我艇系统中不遴嚣该顼处理，理由楚：我翻处理 豹数据记录靖阗上长凌缀，在该情况下，装商误差趋势顼，英褒现应摇当予 营流分量，所以可以谯中心化处理中予以去除。 7 。3 幅域分析及在采样前端的实现 在税槭静状态麓灏中振动信号静鍪溺分手厅意义是菲鬻大豹。叛动信号豹 监测分析最基本、最通用的也是最简单的分析方法就是幅域分析。所谓信号 的幅域分析即是在信号幅值上对振动信号谶行各种处理。也有人士称之为振 平饿分析或振平值诊断法。 蕊号麓单匏幅城参数惫摇毽建、最大馕、最，l 、筵、缘方壤等。羞绩号x ( t ) 被采样襻赛一缀离数数据x ，、x ，、x 。赠这些参数豹诗算公式为： 均值 一x = 古x 扣lo 最大值x m a x - - - m a x 蚓 ( 洚l ，2 ，n ) 最小僮x r a i n = r a i n 吲 ( 扣l ，2 。，n ) ( 7 5 ) ( 7 6 ) ( 7 7 ) 西南交通犬学硕士研究生学位论文第6 1 页 均方根值 x 洲2 ( 古# ) “2 ( 7 8 ) 平均幅值 | 叉| = 专瞄f ( 7 9 ) 方根幅值 x ，= 陆粪佩 2： 蛐 均方根x 。德反映了信号的能量大小。若从连续信号的角度 来考察信号x ( t ) 的幅值分析参数，有 耍= 去墨( ) d t ( ? 一1 1 ) 甲j x 。，( 吉卜2 ( f ) 册) “2 ( 7 - 1 2 ) 7 。3 ，1 幅域参数的特点和幅域分携方法 噘域参数计算简单，但对敛簿有一定的敏感| 篷，匿藤一赢是篱荔秘精密 诊凝的一个重要缝成部分。露警辊辕振动状态豹国瑟；标准耧国家标准也主要 是以幅城参数为参考值制定的。假这些幅域参数究竟是以振动位移还是以振 动速度或加速度作为监测参数却没有具体规定。实际上国内外的有关振动烈 废稼港审帮育这三耱参鼗兹釜溺括漆。薅予一螽买薅豹橇器来说，究竟聚爝 什么参数作为监测标准是针对振动特点的。一般