硕士学位论文全液压推土机状态监测与故障诊断系统研究.pdf

Y9 7 7 S S 4 长安大学 硕士学位论文 申请学位级别 塑学科名称 垫熊童墨墨整 论文提交日期2 Q Q 委：2 。2 2论文答辩日期 2 Q Q 亟3 。l Q 答辩委员会主席：龙水根教授 摘要 本文收集整理了国内外智能推土机研究的相关文献资料，综合分析了国内外 智能推土机的研究现状、发展趋势和前沿技术，论证了开发全液压推土机智能系 统的重要组成部分“全液压推土机状态监测与故障诊断系统”的必要性和可行性； 根据全液压推土机的结构、作业特点和作业环境，制定了全液压推土机状态监测 与故障诊断系统方案，确定了系统的结构组成；采用模块化设计方法，将整个系 统分成了显示、通信和故障诊断三个模块，给出了各模块功能的实现方法，确定 了各模块的关键技术参数；选用R C 6 - _ 9 和D 1 2 1 0 作为系统的控制器和显示器， 用C A N 总线搭建了系统的通信平台，完成了系统的硬件设计：确定了系统监测参 数和通信数据，对全液压推土机常见故障特征进行了分析，给出了3 4 种常见故 障的诊断方法；在B O D A S 软件和D P S 软件的集成编程环境下，编写了控制器和显 示器程序；设计并制作了工程机械控制系统模拟试验板，并在此基础上通过多次 的程序调试与试验，对所设计的全液压推土机状态监测与故障诊断系统功能的可 实现性、完备性、可靠性、稳定性和实时性进行了检验，证实了此系统的可行性， 并提出了进一步的改进方案和措施。 关键词：全液压推土机状态监测故障诊断通信 A b s t r a c t T h i sp a p e rc o l l e c t sa n ds o r t so u td a t aa b o u ti n t e l l i g e n tb u l l d o z e r b o t hh e r ea n da b r e a d A tt h es a m et i m e ，o nt h eb a s eo fa n a l y s i so ft h e p r e s e n ts i t u a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n d a n dt h el e a d i n ge d g et e c h n o l o g y ， t h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t ya b o u tt h ee x p l o i t a t i o no ft h ef u l lh y d r a u l i c b u l l d o z e r Ss a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mi sg i v e n ； A c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r e ，w o r k i n gf e a t u r ea n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，i t w o r k so u ts y s t e ms c h e m aa n ds y s t e mc o m p o s i t i o n ：T h es y s t e mi sd i v i d e di n t o d i s p l a ym o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n df a u l td i a g n o s i sm o d u l eb ym e a n s o fb l o c kd e s i g n ，t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o da n dk e yp a r a m e t e ra r ea l s o g i v e n ；I n1 i g h to ft h ef e a t u r e so ft h ef o l lh y d r a u l i cb u l l d o z e r ，t h es t a t e m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sp l a t f o r mc o m p o s e do fc o n t r o l l e rR C 6 9a n d d i s p l a yD 1 2 l Oi sd e s i g n e db a s e do nC A N B u sa n dt h eh a r d w a r ed e s i g ni s c o m p l e t e d ：I tl i s t st h em e a s u r e dv a l u e sa n ds t a t eo fm o n i t o r e dp a r a m e t e r s w h i c hs h o u l db er e a l t i m ed i s p l a y e di nm o n i t o r i n gm o d u l ea sw e l la st h e d a t aw h i c hw i i ib et r a n s m i t t e d ：F u r t h e r m o r e ，O nt h eb a s eo ft h es t u d yo f ， i tg i v e s3 4k i n d so fc o n s t a n tf a u l t s d i a g n o s i sm e t h o d s ：U s i n gB O D A S s o f t w a r ea n dD P Ss o f t w a r e ，i tc o m p i l et h ep r o g r a mc o d eo ft h ec o n t r o l l e r a n dt h ed i s p l a y e r ：A tl a s t ，t h i sp a p e rd e s i g na n dm a k et h es i m u l a t i o nt e s t d e v i c eo fc o n t r o ls y s t e mo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ，t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t ，t h er e a l i z a b i l i t y ，t h ec a t e g o r i c a l n e s s ，t h er e l i a b i l i t y ，t h e s t a b i l i t ya n dr e a l t i m ea r et e s t e d 。i na d d i t i o n 。t h ei m p r o v e dm e t h o d sa r e g i v e n K e yw o r d s ：f u l lh y d r a u l i cb u l l d o z e r s t a t em o n i t o r i n gf a u l td i a g n o s i s c o 嘞u n i c a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 郁镧 论文知识产权权属声明 护多年月侈日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名： 羽确 自6 年3 月哼日 。6 年7 月V 7 日 第一章绪论 1 1 智能推土机的发展现状和趋势 当前，工程机械向小型化及微型化方向发展的趋势和静液压传动的普遍应 用，以及传感器技术、微电子技术、通信技术的不断进步为智能化工程机械的发 展提供了良好的时机。特别是静液压传动技术的快速发展大大推动了工程机械的 智能化进程。 静液压传动主要有以下几个优点：在同等功率下，液压装置的体积小，质量 轻，结构紧凑；液压装置工作比较平稳；液压传动能在较大范围内实现无级调速， 它还可以在运行的过程中进行调速；液压传动实现直线运动远比机械传动简单； 液压装置易于实现过载保护；由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化， 液压系统的设计、制造和使用都比较方便；液压传动易于实现自动化，这是因为 它对液体压力、流量和流动方向易于进行调节或控制，当将液压控制和电气控制、 电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作， 接受远程控制；采用静液压传动后，泵与马达基本上都是变量的，且泵的出油方 向可变，可非常方便地实现电液变速操纵的电子控制，可与动力分配很好地配合， 保证在各种速度下得到尽可能大的牵引力，达到最佳的高效节能效果。静液压传 动这些优异的特性为工程机械的智能化奠定了基础“埘叫旧。 智能化工程机械是通过安装各种传感器来获取工作环境的信息，具有自我感 知、自主决策、自动控制的功能。智能化工程机械是智能机器人的一类，目前还 正处于探索阶段，预计在未来将具有广阔的前景。推土机的智能化主要体现在三 个方面，即单机集成化操作与智能控制技术；推土机的智能监控、检测、预报、 远程故障诊断与维护技术以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术。它具 有如下特点：( 1 ) 程序化作业；所有操作均可按预定程序进行；( 2 ) 智能化作业： 能根据作业环境自动选择最佳的作业速度；( 3 ) 智能诊断与报警：能对作业参数、 状态进行显示以及技术状态进行监控与报警 1 1 1 智能推土机国外研究现状及发展趋势 近年来，随着微电子技术向工程机械的渗透，国外推土机日益向智能化和机 电一体化方向发展。国外推土机产品以电子信息技术为先导，在计算机故障诊断 与监控，精确定位与作业、发动机电子控制和人机工程学等方面，进行了大量的 研究。国外在推土机智能化技术的研究主要表现在以下几个方面嘲： 。 一、G P s 在推土机上的应用 G P S ( G l o b a lP o s i t i o nS y s t e m ) 系统是由美国开发的通过卫星向全球用户 提供连续实时三维位置( 经度、纬度，高度) 、三维速度和时间信息的全球定位 系统近年来G P S 在工程机械的应用越来越广泛。主要用来确定和控制作业时工 程机械的位置和移动路径，确定和控制作业装置的位置和姿态，如刀板的位置和 倾角、铲斗斗尖的切削轨迹等。在G P S 定位和导向的指引下。在施工成形要求确 定和控制机械运动的方向和移动距离以及确定和控制作业装置的动作和运动轨 迹时，可以不用人工操纵或简化人工操纵，实现工程机械的自动化和无人驾驶 目前，C a t e r p i l l a r 公司、L e i c a 和T r i m b l e 导航设备有限公司均可独立提 供基于G P S 的推土机定位系统，大大提高推土机的作业生产率。C a t e r p i l l a r 的 D O Z S I M I 5 是一种极易使用的计算机程序，可计算推土机的作业生产率。该软件 包与W i n d o w s 兼容，采用3 D 模拟技术分析推土机距离、坡度、工场设计参数， 并可输出总土方量( 压实或松散) 、每趟移走的土方量、每小时移走的土方量、 每趟总耗时、每趟总成本、总系统生产率等大量信息，精度高于C A D 系统L e i c a 采用G P S 技术的D o z e r2 0 0 0 导航系统，在无需勘察标桩的情况下，允许司机精 确地控制推土机的铲刀板和机器的位置，实现虚拟推土作业。T r i m b l e 的产品是 S i t eV i s i o nG P S ，可实现坡度的精确控制，驾驶室内可视化显示系统指导司机 精确作业，精度可达c m 级。 二、计算机故障诊断系统 机载计算机可根据各种传感器的检测信号，结合专家知识库对机器的运行状 态进行评估，预测可能出现的故障，在出现故障时发出故障信息或指导驾驶员查 找和排除故障这样驾驶员就可全神贯注地工作而无需不断查看仪表读数 三、关键信息显示与管理系统 采用网络通信技术，在办公室的控制中心实时监控推土机的作业状态，据此 向司机提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。如：由欧盟资助的C I R C ( C o m p u t e rI n t e g r a t e dR o a dC o n t r a c t i o n ) 新一代路面施工工程机械监测系统， 该系统可以在施工机械之间以及施工机械与控制中心之间建立数据通信联系，实 现机群的协调作业。 四、柴油发动机控制管理系统 根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节发动机输出功率与转速，从 而降低燃油消耗及尾气排放，减少噪声，以满足不同作业工况的需要，提高燃料 的经济性系统是一个基于单片机的燃油喷射控制与发动机最佳性能调节系统， 2 其主要功能有循环供油、喷油定时、总体控制和故障诊断等。一般还可以通过 C A N 总线与其他设备进行通信，使整台机器构成一个完整的管理系统。 五、自动换档控制系统 根据机器的行驶速度与负载状态自动换档，并使发动机转速与运行工况相匹 配，达到节能的目的。 六、人机工程学的普遍应用 国外工程机械特别注重驾驶员与操作界面的协调，讲究操作的舒适性。文本 图形显示器、无线遥控器、多功能操作手柄应用普遍，操作面分布合理。 七、C A N 总线技术和C A N o p e n 协议在推土机上的应用 C A N 总线非常适合在条件恶劣的环境中使用，现已广泛应用于移动车辆、军 事设备、工程机械。尤其在欧美市场。C A N 总线几乎成为工程机械现场总线的唯 一选择。目前国外著名推土机厂家J o h nD e e r 、L i b b h e r r 等已在推土机控制系统 中采用C A N o p e n 协议的C A N 总线技术，可实现推土机的远程数据管理、智能故陌； 诊断、施工参数优化等功能。 八、推土机工作装置的自动控制技术 除了基于G P S 的推土机定位系统外，国外某些推土机也采用无线电遥控、激 光、电子技术、传感器技术、微机控制等先进技术，使工程机械的工作装置实现 了自动控制，如日本三菱公司的推土机作业激光自动调平装置、日本小松公司的 自动切土控制系统，利用传感器技术和电子计算机技术，使推土机实现了自动推 土作业另外，在1 9 9 7 年至1 9 9 9 年间，美国C A T 公司开发研制了车载式计算机 辅助土方系统。其技术核心是利用电子技术，将推土机的作业工况、作业介质和 机器状态，由计算机进行动态的评估计算，实现推土机作业的最佳功率输出，并 通过显示器提供给司机，以期得到最大作业生产率。 1 1 2 智能推土机国内研究现状及发展趋势 随着科学技术的不断进步和国内工程机械市场竞争的加剧，推土机这一传统 产品也得到了很大的发展。国内一些主要的工程机械生产和科研单位都已参加了 “智能化工程机械”的研究开发工作，如徐州工程机械集团有限公司、三一重工 股份有限公司、天津工程机械研究院，目前已经完成了道路施工机械中的装载机， 材料拌和站、自卸车、摊铺机和压路机等单机的智能化改造，初步掌握机群智能 化工程机械系统的设计和制造技术，但是在智能推土机的研究方面，国内还只是 处在涉及推土机某些局部装置智能化的水平。未来推土机智能技术发展趋势具体 表现在以下几个方面嘲； 一、推土机单机集成化操作与智能控制技术 推土机单机集成化操作与智能控制技术包括：机电液一体化控制技术、闭式 负荷传感系统、可编程控制与无人操作技术等。采用闭式负荷传感系统可以提高 液压操纵系统的性能，实现发动机工况控制、节能、降耗，达到最佳的经济匹配 与此同时，我国也在致力于遥感控制和无人驾驶技术的研究和开发。并取得了一 些成果，如徐州工程机械集团研制出了无人驾驶装载机无人驾驶技术也是推土 机的发展方向，但是我国推土机的无人驾驶技术还处于起步阶段。 二、智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术 电子监控与故障诊断技术主要指对推土机进行在线智能监控、检测，预报、 远程故障诊断与维护，实现推土机的监控与故障诊断智能化国外有关研究内容 及其今后的发展方向主要体现在智能化的电子监控系统和故障预测、诊断与维护 技术以及实现故障数据的记录存储和输出，从而能使维修人员根据故障代码，进 行分析，确定故障的类型和故障点相比之下，我国推土机这方面的研究与应用 还比较落后，电子监控与故障诊断技术正处于初始应用阶段。 三、基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等方面 近几年来国内在基于网络的机群集成控制与智能化管理技术( 机群优化配 置、智能调度、协同控制及数据通信技术) 方面做了大量研究，在理论上取得了 一些成果，如三一重工股份有限公司的智能压路机的研究。 四、C A N 总线技术 目前，C A N 总线技术在工程机械上的应用越来越普遍，国内三一重工股份有 限公司在摊铺机上已采用C A N 现场总线控制，大大提高了整机的可靠性、可检测 和可维修性，同时也提高了智能化水平但C A N 现场总线在推土机上还没开始应 用。 五、自动找平技术 随着微电子技术和计算机技术的发展以及成本的降低，数字式控制系统在现 代工程机械中得到了越来越广泛的应用，基于微处理器或单片机的控制系统在现 代工程机械中正在逐渐普及，并成为施工质量的保证数字化自动找平系统的应 用，不仅提高了系统的控制精度，而且也提高了系统的综合技术性能目前，非 接触式自动找平技术已经成为找平技术的主流。在推土机上主要用激光找平技 术，可在平地作业时根据基准要求自动控制推土铲的高度。国内也有厂家和学者 4 进行这方面的研究，但还没真正用于实际产品。 六、行走控制技术 国外推土机应用较多的为德国博世力士乐公司的眦、R C 行走控制器，但其 价格较高且技术保密，国内厂家不能自己进行二次开发。因此，实现行走控制器 的国产化是必由之路。 七、G P S t ；I S 技术 G P S G I S 在智能推土机中的主要作用是确定推土机的工作位置，向中央控制 系统发送推土机的位置信息、地理信息，以便于中央控制系统对工程进行智能管 理，它是机群控制系统得以实现的技术支持之一。国内对这方面的研究也处于起 步阶段。 八、友好的人机界面 人机界面应能进行文字、图形的动态显示，此外还应具有的功能有：( 1 ) 与 控制器的C A N 通信功能；( 2 ) 参数设定、学习功能、电位计的标定、P I D 调节霉 系统配置设定：( 3 ) 运行状态和主要参数显示、变量显示，如柴油机参数、行走 速度、故障诊断、时间功能、运行时间记录、各种故障发生时间；( 4 ) 具有良好 的人机交互界面，在线参数修改、标定功能。国内也有人在这方面做了一些研究 工作，但功能较简单。 总之，国内在推土机的C A N 总线技术、数字式自动找平、行走控制器、友好 的人机界面、自动故障智能诊断、G P S G I S 和无线通信方面还处于起步阶段。在 今后的发展中，我国应该采用自主创新和引进技术相结合的方式研究新一代智能 推土机，提高其智能化水平这样才能提高我国推土机的竞争力，才能在国际市 场的竞争中赢得先机。 1 2 课题的提出 国内非全液压履带式推土机已初步形成一定生产研制水平，且有了长足的进 步，但在静液压推土机研究上国内还处于研发起步阶段，与世界先进水平相比 还有较大差距。三一重工股份有限公司研制开发的T Q l 6 0 、T 0 2 3 0 、T Q 2 3 0 H 全液 压推土机，填补了国产推土机在这一领域的空白，代表了国内推土机的发展方向， 具有当代国际先进水平，但是其智能化水平与国外同类产品相比还存在较大的差 距近年来，国内在工程机械智能化方面的研究虽然取得了一定的成绩，开发了 具有一定智能水平的产品，但对工程机械智能化关键理论与技术的研究仍然处于 摸索阶段。为此，引进和借鉴国外先进智能化技术，开展全液压推土机智能系统 5 研究，对于提升全液压推土机的技术水平，增强我国全液压推土机的国际竞争能 力，具有重要的现实意义本文依托于长安大学与三一重工股份有限公司的合作 项目。智能推土机控制系统研究”，对全液压推土机智能控制系统的重要组成部 分“全液压推土机状态监测与故障诊断系统”进行了深入研究。 1 3 课题研究的目的 在进行此次课题之前，智能推土机控制系统已经具有了基本的行走智能控制 功能，而这些基本功能的实现还远远不能达到实际工程中所需要的智能化水平。 本课题的研究是在实现基本的行走智能控制基础上，对全液压推土机状态监测与 故障诊断系统进行进一步研究，从而提高整机的智能化水平具体应实现的功能 有： 1 ，具备良好的人机交互界面，显示系统应能将全液压推土机的相关信息以 图形、汉字、曲线等多种形式童观集中地显示出来，达到系统工作状态、主要参 数和故障信息的实时显示 2 、应能够实现主从控制器之间及其与显示器之间实时的数据通信，主控制 器按照内置程序将相互独立的各子系统有机的结合起来进行综合控制，可达到系 统之间的协调和优化，从而实现完整的控制功能 3 、为提高全液压推土机的作业效率及可靠性、安全性，状态监测与故障诊 断系统必须能够根据所监测的数据，进行故障诊断与报警，以便工作人员能及时 采取相应的措施。 要使全液压推土机状态监测与故障诊断系统实现上述功能，则必须对该控制 系统的显示模块，故障诊断模块及通信模块进行深入地分析和研究，而这正是本 文研究的核心内容。 1 4 课题研究的主要内容 为实现全液压推土机状态监测与故障诊断系统的上述功能，本课题主要做了 以下几项工作； 1 、收集整理国内外与工程机械状态监测与故障诊断技术研究有关的资料， 明确课题研究方向； 2 、制定了全液压推土机状态监测与故障诊断系统方案，确定了系统组成， 选择了适合于本系统的控制器和显示器，用C A N 总线搭建了系统通信平台； 3 、对控制器和显示器的针脚进行了分配，完成了系统外围电路的设计； 4 、给出了各模块功能的实现方法，确定了各模块的关键参数，完成了控制 6 器和显示器的软件设计； 5 、设计了控制系统模拟试验板，通过程序调试与试验，对系统功能的可实 现性、完备性、可靠性、稳定性和实时性进行了检验。 最后在总结本课题研究结果的基础上，提出了进一步完善的设想。 ， 擎 掣 ， V 吝 第二章全液压推土机状态监测与故障诊断系统方案 全液压推土机是一个集机、电、液于一体的大型复杂系统，且作业环境恶劣、 作业对象多变、工况复杂、载荷波动大为此，有必要对其作业过程中的重要参 数进行实时监测。以便使驾驶员能随时了解机器的工作状态，并根据监测结果做 出合理的操作，确保机器在任何状态下都具有较好的动力性和经济性，从而提高 推土机的作业效率和智能化水平此外，故障诊断系统可根据监测到的数据对故 障类型和位置做出快速准确的判断，并能通过历史数据捕捉早期故障征兆，避免 恶性故障的发生。缩短维修时间，降低维修成本。提高全液压推土机作业过程中 的安全性和可靠性。 2 1 状态监测与故障诊断系统功能 本状态监测与故障诊断系统可完成以下功能：工作状态的监控功能：为驾驶 员提供必要的工作数据，便于驾驶员的正确操作和及时发现故障；数据管理功能： 可将工作过程中的一些重要数据记录下来，供以后故障判断和进一步深入研究使 用；故障诊断及报警功能：提醒驾驶员系统出现故障，应及时进行修理，并在发 生重大故障时对推土机进行保护；通信功能：实现主从控制器、控制器和显示器 之间的信息交换徊蜘。 为实现上述功能，将整个系统分为显示模块、通信模块和故障诊断模块。 2 1 1 显示模块功能概述 显示模块是驾驶员与整个控制系统进行沟通的窗口，应能通过良好的人机界 面和交互方式完成对机器主要参数的显示、机器运行状态的显示、故障代码的显 示及参数设定和修改，以使操作人员实时掌握系统的工作状态，简化操作，实现 人机合一 因此，显示模块应实现的具体功能为：将控制器发送来的数据以图形、文字 等形式进行显示：一旦控制器识别到故障，显示器就将故障代码显示在显示屏上； 驾驶员可通过按键对显示界面进行选择：可对信息进行存储和删除，并可查看历 史数据记录；可进行参数设定和修改；可根据实际需要对显示语言、显示器的对 比度和背景灯光强度等进行选择和调节 2 1 2 通信模块功能概述 全液压推土机控制系统比较复杂，为完成监测任务，需要大量的传感器来获 取机器状态信息，因而输入信号种类和数量都比较多，此外还要求输出多种不同 的控制信号，故一个控制器很难完成所有的控制任务，而且还要通过显示器对作 S 业参数进行实时显示。这就涉及到控制器之间、控制器和显示器之间的通信问题。 由此可见，推土机状态监测与故障诊断系统能否在环境相当恶劣的条件下正常、 可靠、稳定地工作，很大程度上取决于各予系统能否进行实时、可靠、稳定的通 信。 为此，选用目前工程机械中比较常用的C A N 总线来实现通信模块的主要功 能，以保证通信的实时性、可靠性和稳定性。整个通信系统分为主从控制器间通 信子系统、控制器和显示器问通信予系统两个部分。控制器将采集到的传感器数 据及产生的一部分控制信息发送到显示器上，完成对推土机工作状态的监测；两 个控制器之间将自己采集到的传感器数据根据控制需要发送到对方，以便实现完 整的控制功能；通过显示器完成对控制器中相关的控制参数的修改及功能的实 现。 2 1 3 故障诊断模块功能概述 全液压推土机系统庞大，结构复杂，各环节相互影响，相互关联，因此故障 的实时监测和记录对故障的诊断和处理尤为重要。 因此要求相应的故障诊断系统必须具备以下功能：( 1 ) 通过相应的检测手段 和诊断程序，判断是否发生故障；( 2 ) 显示和记录故障代码、故障发生时间、故 障排除时间；( 3 ) 根据预先设定的报警级别实现声光报警；( 4 ) 具有一定的自学 习能力，能自动保存新的故障代码；( 5 ) 可对历史故障进行查询。 本故障诊断系统借助于显示器D 1 2 I O 和各种检测仪器，将各种常见故障及 时地显示和记录下来，供故障诊断分析使用，并提供发生故障部位的相关信息， 便于缩小故障查询范围，快速诊断故障。此外还设有总报警器和复位开关，一旦 系统发生某一故障，报警器就会发出警报，提醒操作者系统出现了故障，以提高 系统可靠性和作业安全性；排障期间或故障排除后按动复位开关，以解除声光报 警。 2 2 系统硬件的基本组成 全液压推土机智能控制系统是一个多输入多输出系统，且控制任务多，控制 精度要求较高而且，推土机作业环境恶劣。这就要求系统硬件不仅要具有较强 的数据处理能力和运算能力，还要在高温、强震、潮湿等环境下保持较高的可靠 性。 2 2 1 硬件选择 为了实现设计的功能，并满足实际工作要求，选用了德国博世力士乐公司生 产的R C 6 - 9 控制器和D 1 2 t O 显示器 一、控制器的选择 在工程机械领域，德国博世力士乐( B o s c hR e x o r t h ) 公司是一家专门从事 液压元件生产及与液压元件相配套的电子控制器件生产的知名厂商。眦R c 微控 制器是其专为行走机械开发的，是同类产品中功能较为完善、运用最为广泛的专 用控制器件。主要特点有忉： 一适用于行走机械的控制； 一高集成性：将A D 转换器、接口控制器、接口驱动器等都集成在控制器 的内部； 一高可靠性：内置监测软件，一旦控制器出现重大故障，则锁住所有的输 出，并能自动采取相应的措施l 内置硬件监测电路，可对输入输出口进 行错误检测；具有必要的输入输出保护电路； 一M c R C 控制器专用编程软件B O D A S 为用户提供了一个方便、友好的编程环 境； 一满足诸如环境温度、防水、防震及抗电磁干扰的相应防护要求：可长时 间在一4 0 + 8 5 温度范围内工作；采用双层铝壳封装，防止任何的水、 灰尘进入到控制器内部，保护等级高达I P 6 5 ( 包括接头在内) ；电磁兼容 性为l O o v m ； 一输入端处理来自诸如电位计、压力传感器、转速传感器或开关信号，并 为传感器提供O 5 V 、O 2 0 m A 的电源；输出端提供直接控制比例电磁铁 的调节电流和诸如继电器、开关电磁铁和指示灯等的开关电流； 一既可用于液压器件的闭环控制又可用于液压器件的开环控制； 一带有C A N B u s 总线接口。 作为眦系列控制器的换代产品，R c 系列微控制器的功能更加完备，内部的 存储器容量更大，输入输出端口也更加丰富其中R C 6 - 9 共有5 路转速传感器输 入端口、8 路电位计输入端口、4 路电流输入端口、8 路开关量输入端口和6 路 比例电磁铁控制电流( P W M ) 输出端口、9 路开关量输出端口，综合来讲符合全 液压推土机智能控制系统设计的要求，因此选用R C 6 - 9 作为系统的控制器 二、显示器的选择 为了简化操作，人机合一，全液压推土机状态监测及故障诊断系统应具备良 好的人机界面和交互方式因此选用的显示器既要能直观地显示推土机作业过程 中的各项参数、工作状态及故障信息；同时，还要便于操作，并应具有较强的对 环境的适应能力和较高的可靠性。 为此，选用博世力士乐公司生产的D 1 2 l O 显示器，它是一种适用于工程机 械的L E D 液晶显示器。主要特点有啪： 一内嵌微处理器具有5 1 2 K 的闪存、8 K 的E E P R O M 和2 5 6 K 的R A M ，可完成图 形显示、处理和控制、图形档案存储、点和矢量的产生； 一具有一个5 7 英寸L E D 型显示屏，七个可编程的功能键； 一内置C A N 处理器，具有一个基于C A N 2 O B 的C A N 接口； 一内部具有输入输出短路保护和极向错误保护； 一正面防护等级达到了I P 6 9 K ，背面防护等级达到了I P 6 5 t 一工作温度范围宽达一2 0 + 6 3 ，具有较强的抗冲击、抗潮湿、抗盐雾能 力和电磁兼容性； 一可根据实际需要对背光和对比度进行调节。 雾 2 2 2 系统组成 一、系统结构 整个系统由两个R C 6 - 9 控制器和一个0 1 2 1 0 显示器通过C A N - B u s 总线连接 而成。状态监测和故障诊断的主要功能由两个控制器完成，显示器主要完成监测 参数和故障代码的显示及参数修改。整个系统的组成如图2 一l ： ? 图2 - 1 控制系统组成 在本系统中，由两个控制器和一个显示器组成一个三节点局域网络。R C 6 - 9 控制器和D 1 2 1 0 显示器均带有C A N - B u s 总线接口，只要用C A N - B u s 总线将它们 n 连接起来，再根据设计要求编写相应的通讯程序，然后将程序通过P C A N - U S B 编 程线下载到控制器和显示器中，系统即可自动进行数据通信 二、控制器引脚分配 挖 左马达转速 右马达转速 发动机转速 速度电位计 转向电位计 行走系统压力( 左) 行走系统压力( 左船) 行走系统压力( 右姒) 行走系统压力( 右l i B ) 补油系统压力 油门位置 发动机冷却水水温 液压油油箱温度 速度电位计电流监测 转向电位计电流监测 髓 翘 匙 重 口 0 星 山 V V | 一 铎 解 删 雯 斗K 鲞 散 稚 = ， 呈 船 辍 门 州 鬣 蟹 V 甙 一 婚 吾 U 岛 一 蛊嚣 芑 。 阋 。 岛 0 白 V 一 黎 咖 K 泉 一 I 瑚 舞 壤 0 E 脚 左泵前进电磁阀 左泵后退电磁阀 右泵前进电磁阀 右泵后退电磁阀 左马达电磁阀 右马达电磁阀 制动油缸电磁阀 倒车报警 故障报警 C A N H l C N L l C 僦 c N L 2 增速 减速 制动 功率自适应 铲刀颧斜锁定 铲刀浮动 游清器阻塞 滹油嚣阻塞 机油压力 铲刀切削角 工作装置油泵压力 铲刀倾斜角 燃油油量 水箱水位 液压油油位 铲刀提升高度 翳 普 媾 藿 脚 0 昌 山 、， V丑 一 薅 躲 删 殳 斗K 蓬 隈 稚 = j2 船 辑 N 器 蟹 V 昏 一 婚 吾 U 留 一 皇誊 芑 。 喇 。 宙 o e 一 舞 栅 水 散 一 I N H 舞 蟋 O E 脚 故障报警 C 硼l C 棚L l C 舢 d 札2 1 4 - - _ - _ - - - _ o - _ o _ - - _ - _ - - _ _ _ _ - I _ _ _ - _ - - _ - _ - _ _ - - _ _ - _ - - - - _ - - - - - 。一一 2 3 系统软件设计方案 控制系统的软件设计就是在硬件设计的基础上，按照控制要求，使用特定的 编程软件编制合理的用户程序。在本设计中，控制器程序和显示器程序的编写是 分别在B O D A S 软件和D P S 软件的集成编程环境下完成的。 全液压推土机状态监测与故障诊断系统的开发和完善是一个循序渐进的过 程，为了便于对程序进行修改和完善，本系统的软件设计采用模块化设计方法， 将系统分成若干模块，分别实现各项任务：此外，采用模块化设计方法，在程序 调试过程中，还有助于发现错误，节约调试时间。因此，将整个软件分成了显 示、通信和故障诊断三个模块，软件的整体框架采用S F C 语言( 连续功能图表) 搭建，各分模块使用S T 语言( 结构化文本) 来编写。 软件的总体结构如图2 - 2 ： l c O B d l U O n D 1 2 1 C A N 1 e 盯o r I 图2 - 2 软件总体结构图 2 3 1 显示模块控制总流程 显示模块软件设计包括显示界面设计和显示器操作系统P A l 设计两个部分。 显示界面设计遵循直观、友好的原则，而显示器操作系统P A l 设计则要考虑如何 使操作更简单、方便。显示模块控制总流程如图2 3 ： 图2 - 3 显示模块控制总流程 2 3 2 通信模块控制总流程 通信模块包括控制器和显示器之间的通信和主从控制器之间的通信两部分 控制器和显示器之间通信的主要任务是将控制器采集到的传感器数据及发生的 故障信息发送到显示器上，完成对推土机工作状态的监测；主从控制器问的通信 主要是将自己采集到的传感器数据根据控制需要发送给对方，以便实现完整的控 制功能。通信模块控制总流程如图2 - 4 ： 图2 - 4 通信模块控制总流程 2 3 3 故障诊断模块控制总流程 故障诊断模块主要是将传感器采集到的数据在控制器中进行分析，并与标准 值进行对比，一旦识别到故障，就将故障代码发送给显示器进行显示，同时进行 声光报警显示器在显示故障代码的同时将故障发生时间、排除时间等信息存储 起来，以便进行更深入的分析和诊断故障诊断模块控制总流程如图2 - 5 ： 1 7 第三章系统显示模块的研究 全液压推土机状态监测与故障诊断系统应能对推土机作业过程中的主要参 数、运行状态进行实时监测，将各种信息以图形、文字、曲线等形式显示在显示 器上，并具有良好的人机界面和交互方式，从而简化操作，实现人机合一。为此， 要求所选择的显示器应具有大信息量、彩色化、人性化、实时显示化的特点；所 编写的显示程序应能使显示的信息更加直观、形象且便于实际操作；此外，在恶 劣的工作环境下整个显示模块还要始终保持良好的可靠性和稳定性。 3 1D 1 2 I O 显示器简介 在本系统中选用德国博世力士乐公司生产的D 1 2 I O 显示器来完成过程参 数、工作状态以及故障信息的显示及参数的设定与修改功能 3 1 1D 1 2 l O 显示器的特性 D 1 2 l O 显示器同控制器R C 6 - 9 相配合用于显示工作状态、过程参数以及故 障信息，其主要特性有册嘲； 一内嵌微处理器具有5 1 2 K 的闪存、8 K 的E E P R O - ! 和2 5 6 K 的R A M ，可完成 图形显示、处理和控制、图形档案存储、点和矢量的产生； 一可以以任意角度安装在仪表板或操作台上，合成材料壳体，薄膜型按键， 正面防水，并满足行走机械使用的要求； 一5 7 英寸L E D 型显示屏，显示屏有4 行，每行可显示2 0 个字，显示屏底 部发光照明； 一工作温度范围宽达一2 0 C + 6 3 C ，具有较强的抗冲击、抗潮湿、抗盐雾 能力和电磁兼容性； 一可直接采用车辆上的电网供电； 一内置C A N 处理器，具有一个基于C A N 2 O B 的C A N 接口，所有的输入和输 出参数均通过C A N - B u s 数据总线传送； 一内部具有输入输出短路保护和极向错误保护； 一通过操作区的按键可以启动特殊功能以及输入数值； 一可根据实际需要对背光和对比度进行调节； 3 1 2D 1 2 l O 显示器的结构和原理m 硼 D 1 2 I O 显示器原理图和接线图如图3 - 1 和图3 - 2 ： 广一l 图3 - ID 1 2 1 0 显示器原理图 0 1 2 1 0 内嵌的1 6 位微处理器具有5 1 2 K 的闪存、8 K 的E E P R O M 和2 5 6 K 的R A M ， 可完成文字、图形的动、静态显示及各种信息的存储；并且还将C A N 处理器和 C A N 接口驱动器集成在内部，通过C 州- H 和C A N L 与控制器C A N 接口相连，所有 的输入和输出参数均通过C A N - B u s 数据总线进行传送。接线图如图3 - 2 ： i I 一咎旦 _ _ I = ，I i _ 一： ! l 一互 5b n 【 连续- 供电 l i 2 i I 、8 l C A N H Ij 1 一。妻辛：J 1 1 0 。 l 洲。 Ii l ，6 I 。 Il l i 图3 _ 2D 1 2 1 0 接线图 D 1 2 I O 显示器直接采用车辆上的电网进行供电，当机器启动后，D 1 2 I O 显示器的内部时钟开始工作，同时将日期和时间显示在显示屏上，此外在进行信 息存储时也可将相关的时间信息一起存储起来。在D 1 2 l O 显示器的内部，供电 系统分为运行供电系统和连续供电系统两部分，运行供电系统用于显示器的正常 供电，而连续供电系统作为显示器的备用电源，在显示器由于某些特殊原因突然 断电时被启用，以便将一些重要的数据信息及时存储起来，避免数据丢失。 3 2D P S 显示器编程软件简介 显示器编程软件D P S ( D i s p l a yP r o g r a mS o f t w a r e ) 是用于对D 1 2 I O 显示 器进行编程的专用软件，它为用户提供了一个友好、方便的编程环境。D P S 将整 个显示程序设计分成显示界面设计和操作系统P A I 设计两部分，其中显示界面设 计部分用于设计编写用户显示界面，操作系统P A l 设计部分用于实现显示器人机 接口的操作控制和监测功能。 D P S 软件为用户提供了多达1 5 0 个用户显示界面，用户可以根据实际需要对，扩 这些界面进行设计和编写，在每个显示界面中均可对七个功能键进行单独定义， 以便实现不同显示页面之间的切换、数据的输入及一些其它的功能。 D P S 软件还为用户提供了丰富的变量格式，十四种变量格式可以使显示的信 “ 息更加直观和形象。在D P S 中可定义多达5 0 0 个显示变量，这些变量即可以以文 字形式显示，也可以以静态图形或F l a s h 图形形式显示，同时在变量显示的同时一一 可显示出变量的名称和单位。用户可以按照自己的意愿在用户显示界面中任意添 加各种变量嘲。 在输入信号的基础上，控制器对系统故障进行诊断，并将诊断结果发送给 D 1 2 I O 显示器。一旦识别到故障，就置位D 1 2 I O 显示器中故障诊断位数组的相 应位，并将故障代码显示在显示屏上，同时将故障发生的时间、排除时间和故障 持续时间一同存储到E E P R O M 中，以便对故障进行进一步的分析和诊断。D 1 2 I O 显示器最多可显示5 2 7 种故障信息。在D P S 软件中可对这些用户故障信息进行具 体的定义，对故障信息显示的优先级进行设置，同时也可在用户显示界面中使能 或屏蔽故障信息在线显示窗口脚 3 3 显示模块功能的实现 全液压推土机状态监测与故障诊断系统显示模块功能的实现是通过硬件和 软件相结合来实现，借助于D 1 2 I O 显示器的优异特性和D P S 显示器编程软件方 便、直观的编程环境，可以使各种信息的显示更加人性化、形象化和生动化 3 3 1 状态参数的监测 对全液压推土机进行状态监测与故障诊断，可以了解和掌握机器运行过程中 的状态，以便早期发现故障，查明原因，提高全液压推土机工作的安全性和可靠 性，改善其运行状况，最大限度地提高其使用效率由于全液压推土机结构和功 能比较复杂，依靠单一的传感器很难准确反映系统的实际状态，在进行状态监测 与故障诊断时必须使用大量的传感器，从多个不同的信息源获取有关机器状态的 特征参数，并将这些信息在R C 6 - 9 控制器中进行处理和分析，才能较为准确和可 靠地实现机器的故障识别、诊断和定位 尽管能反映全液压推土机状态的特征信息多种多样，但如果信息选择不当， 就不能有效地进行故障监测和诊断，因此，监测参数的选择非常重要，主要依据 了以下几个原则进行了选择州： 一由于各种不同的特征信号所容纳的信息量是大不相同的，所以应选择那 些最能确切反映机器客观状态的信息作为特征： 一优先采用那些有助于尽早发现故障的特征； 一所选取的特征应与系统状态之间呈单值关系，避免出现模棱两可的现象； 一所选信号测量传感器的安装尽量不改变机器原有的结构，不干扰系统的 正常工作，并且传感器本身应具有对环境的良好适应性和可靠性； 一所选特征应便于测量、便于分析，使整个状态监测系