故障诊断机制测试系统简介与实现论文（共10篇）
关键词：:整车控制器;故障诊断机制测试;CAPL编程
引言
在电动汽车中，整车控制器作为整车的控制系统，是影响整车性能、安全的关键零件。合理、正确、完整的故障诊断机制能够准确无误地记录故障码并反馈对应故障处理信号给上层软件，使整车控制器能准确执行故障策略，保证车辆及车上人员安全;同时，故障码及其状态能指导售后维修人员快速定位故障原因。通过故障诊断机制测试系统，设计人员可以验证设计定义的诊断机制是否满足设计要求、存在缺陷，减少实车验证时间。
1纯电动汽车整车控制器简介
整车控制器是纯电动汽车的核心控制器，主要功能为采集车辆信息、识别驾驶员意图、控制车辆运行、诊断车辆故障。整车控制器通过自身I/O口、CAN、LIN、硬线等通信线路与其他控制器通信，通过I/O采集传感器信号，并控制执行器、开关、继电器的开启关闭从而实现对整车功能的控制。图1所示为整车控制器功能示例。
2故障诊断介绍及其意义
汽车故障诊断是指在不拆解车辆零件的前提下，通过一定的技术方法，确定汽车当前状况，查明故障部位及故障原因的汽车应用技术。故障诊断意义在于当车辆某些零部件存在问题时，可在不拆解零件的前提下快速判断及识别故障并制定对应措施，减少故障排查的工作量及获取车辆的技术状况。
3整车控制器故障类别及诊断机制简介
3.1整车控制器故障类别简介
故障诊断处理为诊断执行器、传感器、电源供电电压是否有故障，从通信报文中判断其他控制器是否有故障，并执行相应的故障处理措施;按规定的格式存储故障码、清除故障码。整车控制器诊断故障类别主要有以下两大类:
(1)通信类故障。一般是由CAN总线上的其他电子控制器检测其零件本身是否有问题并通过CAN报文将其本身的状态告知CAN总线上的VCU(VehicleControlUnit);VCU通过自身的策略去判断其他电子控制器是否存在故障。
(2)电气类故障。主要判断传感器、执行器零件本身是否有故障;线束连接上是否有开路等故障存在。
3.2整车故障诊断机制简介
文中描述的整车故障诊断机制包括如下4点:
(1)整车控制器初始化完成后，故障诊断功能处于关闭状态。当诊断故障码运行条件满足后，整车控制器的诊断功能才会开启。
(2)诊断功能开启后，在满足故障码设置的条件后，才能设置故障码并执行该故障码对应的操作;满足故障码恢复的条件后，故障码可以恢复;对于特别严重的故障可定义故障码除手动恢复外，其他条件不允许恢复故障。
(3)清除故障码。在多个驾驶循环内，整车控制器都没有检测到故障才能将该故障清除;对于特别严重的故障，可以定义只能手动清除。
(4)需要根据每个故障的实际情况定义故障码运行条件、故障设置条件、故障恢复条件，否则容易出现故障误报情况。图2为整车控制器故障诊断机制状态图。
4故障诊断机制测试系统简介及实现
4.1故障诊断机制测试系统简介
故障诊断机制测试系统即经过对整车故障诊断机制分析，利用常用的软件资源(INCA、CANOE)及模拟负载设备建立测试环境，设计好它必须覆盖的测试项目，并对故障诊断机制进行测试，记录测试过程，回放测试记录，分析测试结果，得出测试结论，才能判断VCU故障诊断机制能否准确地运作。以下为故障诊断机制测试系统必须包含的测试项目:
(1)故障发生时，故障诊断机制测试系统能否将故障正确上报并储存。
(2)无故障时，故障诊断机制测试系统是否会误报故障。
(3)故障码是否按照规定的格式存储。
4.2故障诊断机制测试系统实现
文中提到的故障诊断机制测试系统硬件搭建包括安装了Vector公司的CANOE软件及ETAS公司的INCA软件、电脑、CANOE、INCA以及负载模拟盒。整车控制器故障诊断机制测试系统如图3所示使用CANOE中带有的CAPL工具编写测试用例脚本模拟节点工作正常、故障时发送报文，以及测试中各个测试时间节点的故障码及其状态信息，使用CANOE本身的记录、回放报文功能去分析各个测试时间节点整车控制器回复的故障码及状态信息是否正确以及采用INCA记录和MDA分析记录报文来确认整车控制器其故障诊断机制是否满足设计要求。对于整车控制器需要识别的两大类故障，主要通过以下方式去模拟它们故障产生的方式。
(1)对于通信类故障，采用CANOE中的CAPL工具模拟其他节点发送报文，模拟诊断仪发送诊断命令以读取故障码及故障码状态。
(2)对于电气类故障，用模拟负载盒制造电气故障，用CAPL编写的测试用例脚本去读取故障码及其状态。
5结论
1 基于模型诊断相关算法的研究
1.1 可满足性算法
可满足性算法的基本思想为:将任何一个逻辑命题转化为一个子句集,通过各种可满足性方法判定该子句集是否可满足从而决定该命题是否成立[2]。为了判定一个部件是否为故障元件,其实就是判定该组件的正常行为描述与相关的系统描述及观测描述是否逻辑一致,只需将该部件相关的系统描述与观测描述代入Mini SAT求解器,将判断部件是否存在故障转换为SAT求解问题[3]。如果可满足,Mini SAT求解器得到结果判定命题公式是真的;如果不可满足,说明该部件是个故障元件。
1.2 判定算法Is DS的研究
以与门部件为例,使用Is DS算法判定与门部件是否出现故障。判定部件为故障元件的Is DS算法为:
输出:BOOL值,若为冲突集则返回“真”,否则返回“假”。
以与门为例说明如何使用Is DS判定算法判定故障集。设1,2 分别表示与门的两个输入节点变量,3 表示输出节点变量,输入输出正值表示高电平,负值表示低电平,4 表示组件变量,当组件变量取正值表示部件正常工作,取负值表示部件不正常工作。当与门部件正常工作时,输入1,2 时,输出为3,其逻辑描述为:OK(4)∧1∧2→3,将其转换为范式的形式(将蕴含符号→去掉)变成-OK(4)∨-1∨-2∨3。考虑与门不同输入所产生的不同逻辑描述,则与门的合取范式(CNF)表达如下:(-OK(4) ∨ -1∨ -2 ∨ 3)∧(-OK(4) ∨ 2 ∨-3)∧(-OK(4)∨1∨-3)。与门的系统描述、组件正常行为描述的CNF文件如下:
-1 -2 -4 3 0
2 -4 -3 0
1 -4 -3 0
类似的,可以给出观测的CNF文件描述,当1,2 输入节点变量为低电平时,观测到的输出节点变量如果为高电平,则观测的CNF文件如下:
-1 0
-2 0
3 0
组件为正常组件的CNF文件如下:
4 0
基于IIs CS判定算法使用SAT求解器求解过程如下:
Step1:首先新建一个文本文档,根据当前组件子集Sub COMP的系统描述、组件的正常行为描述以及观测描述,该组件为正常组件描述CNF文件追加到文档中;
Step2:调用SAT求解器,求解CNF文件,求解结果为UNSAT;
Step3:判定上述CNF是否可满足,若不满足说明该组件为不正常的组件,若满足说明该组合满足逻辑表达式,该组件为正常组件;
Step4:结果分析,观测值为-1,-2,3,对于一个无故障的与门输入为-1,-2,输出为3,该器件应该是存在故障,使用Is DS算法,SAT求解器求解的结果为不可满足,说明该组件存在故障为故障点。此算法通过SAT求解器返回的结果即可判定是否是故障组件。
1.3 产生所有的极小诊断算法
使用Is DS算法能判定某一个部件是否存在故障,但是在智能消防小车中由很多个门电路构成组合逻辑电路,如何快速找出该电路系统中存在故障的部件,本文利用CSSE⁃tree方法[4]结合Is DS判定算法搜索出智能消防小车中的故障元件。Is DS判定算法使用SAT求解器,将集合内所有部件是否正常转换成是否可满足,若部件正常则SAT求解器求解结果为SAT,若出现故障求解结果为USAT,那么与之相关的其他电路元件构成的CNF文件(SD,COMPS,OBS)求解的结果必定为USAT,因而无需对其进行扩展即能判定为故障部件。某一个部件CNF文件(SD,COMPS,OBS)求解结果是SAT,即不是故障元件,那么需引入其他元件的CNF文件,对其进一步扩展,直至求解结果为USAT或遍历完所有元件。
2 系统设计
2.1 系统方案论述
本文所设计的智能消防小车故障诊断系统是基于模型诊断算法的电路故障诊断系统。该系统包括智能消防小车电路系统,诊断系统及电路系统与诊断系统之间通信的通信系统,如图1 所示。该系统的具体功能为:将小车在人为设计的地图中行驶,在探测火源的过程中自主寻找路径行驶,遇到障碍物能够绕开障碍物行驶,找到火源后能够迅速灭火。在小车执行任务的过程中,将小车的系统描述、组件的正常行为描述以及观测描述、该组件为正常组件的描述的(SD,COMPS,OBS)三元组CNF文件发送到PC机中,利用Is DS判定算法结合CSSE⁃tree算法使用Mini SAT求解器判定是否存在故障,如有硬件电路故障则能显示故障元件。
2.2 智能消防小车电路系统
智能消防小车由处理器、寻迹传感器、避障传感器、直流电机、火焰传感器、灭火风扇、电源及串口通信模块八大部分构成[5]。小车由3 节4.5 V的电池供电,使用宏晶公司研发的STC89C52 单片机作为处理器处理接收红外火焰传感器、红外光电开关避障传感器及光电寻迹传感器的信号结合程序要求控制直流电机驱动及风扇的运行,智能消防小车硬件电路图如图2 所示。根据智能消防小车系统的每个部件之间的电路连接关系建立系统模型,同时建立合取范式的描述文件,文件里包含系统描述子句、正常行为描述子句、观测描述子句。
2.3 通信系统
Mini SAT求解器是一款运行在Linux操作系统下的求解器,接收DIMACS CNF简单文本格式的文件。Is DS判定算法需要将(SD,COMPS,OBS)三元组信息输入求解器,通过求解器判定其可满足性。三元组信息与智能消防小车的运行状态有关,因此通信系统主要任务是将小车所构建的三元组信息上传给PC机,同时将求解器求解的结果下传到小车,实现上、下位机之间的通信。
本系统下位机利用printf()函数将小车构建CNF形式的三元组描述文件转变成C语言,将初始化函数uar⁃t Init(),发送函数send(),接收函数receive()通过单片机的RS 232 与上位机进行通信。由于Python语言能与其他语言进行无缝连接,其次该语言的运行环境与Min⁃i SAT求解器相同等优点,因此上位机的开发语言选择Python,利用发送接收函数read Uart()与下位机进行数据交换,利用minisat_execute()函数调用Mini SAT求解器。
2.4 诊断系统
诊断系统利用Is DS诊断算法根据智能消防小车电路系统建立的三元组(SD,COMPS,OBS)即电路系统描述,电路系统组件,观测描述输入Mini SAT求解器中求解。将智能消防小车每一个功能模块生成一组三元组CNF描述文件,诊断模块根据求解器求解的结果结合CSSE⁃tree算法以及其修剪规则决定是否需要发送下一组三元组数据直至遍历完所有的组件。如果求解结果为“U”则表示该模块为故障源,如果求解结果为“S”则需要发送下一组三元组数据。
3 系统测试
通过两个阶段对该系统进行测试:第一阶段测试小车在地图中是否能够实现寻迹,避障,灭火功能;第二阶段测试系统能否诊断人为设置L298为故障元件并指示故障元件。经测试,小车在正常状态下能够自主寻找火源,在运行过程中始终保持在地图黑线中央,遇到障碍物能够调整行驶方向顺利避开障碍物,最终顺利到达火灾现场执行灭火任务。在第二阶段测试过程中,小车元件L298一直报障,经过测试表明当小车左轮压白线时无法调整行驶方向,其他小车右轮压白线,小车直行及小车停止三个过程正常,经过检查是L298OUT2口存在故障。
4 结论
本文设计的基于智能消防小车的故障诊断系统,包括智能消防小车电路系统,通信系统以及诊断系统。本系统利用Is DS判定算法借助Mini SAT求解器对根据小车电路结构连接信息及观测信息构建的三元组进行判定故障元件,结合CSSE⁃tree算法遍历小车电路中的所有元件。该系统使用方便,诊断效率较高,独立性强,电路系统与系统推理内核相互独立。系统完成后,使用者只需要启动运行开关,有故障时电路系统自动报障指出故障元件,使用者及时更换元件即可。
摘要：为了使电路故障诊断系统更加智能化、高效化,将基于模型诊断的故障诊断技术应用在智能消防小车电路中。根据小车的系统行为信息对小车进行建模,利用串口模块将描述文件在线输入到计算机中,再根据IsDS算法以及带有终止节点的CSSE-tree算法调用MiniSAT求解器求解诊断结果。实验表明,该系统能够迅速指示故障元件,诊断效率较高,具有较好的应用前景。
关键词：基于模型诊断,MiniSAT求解器,电路故障诊断系统,串口模块
参考文献
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【关键词】数控机床；控制系统；故障；诊断系统
数控机床是典型的机电一体化系统，随着数控技术的迅速发展，数控机床的普及逐渐成为机械行业的潮流。这对数控机床制造行业在研发、生产、维护等方面以及如何提高效率、提高质量提出了越来越高的要求。因此，对数控机床的控制系统和故障诊断系统的研究和分析就显得尤为必要。通过对数控机床的控制系统的分析以及对其故障诊断系统的设计与实现能有效提高数控机床的运行效率。
一、数控机床的发展及特点
早在20世纪40年代的机械工程师就提出用数字控制技术进行机械加工的思想，1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近40年来，微处理机数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，第五代数控系统也应运而生。随着计算机以及科学技术的不断发展，数控机床控制系统呈现出网络化和智能化的新特点：一、数控系统向网络化方向发展。新一代数控系统采用开放式体系结构，利用PC机丰富的软硬件资源，使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性和扩展性，并向智能化和网络化方向大大发展，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。二、数控系统向智能化方向发展。随着人工智能在计算机领域的渗透发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面更加友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并优化调整参数。
二、数控机床的控制系统分析
数控机床的控制系统分为三个部分：机床的电气控制、机床的PMC顺序控制和机床的运动伺服控制。
（一）机床的电气控制
机床利用数控CNC系统，配置数控伺服放大器组合模块，控制数控交流主轴和伺服电机，利用电机编码器实现了闭环和半闭环控制；在主水箱配置自动排屑机和大功率送水泵，在纸带过滤水箱配置主轴中心出水、机床冲洗、切削冲洗、排屑机冲洗水粟和液位、压力控制系统，通过PMC实现了顺序控制。对于刀臂旋转马达，采用变频器驱动，利用数控256位绝对式编码器检测旋转位置，通过PMC程序控制换刀动作。对于各油压泵、水泵等的控制均采用接触器通过PMC程序控制。各电磁阀、继电器和传感器、按钮开关等的信号线经过I/O Link系统连接到CNC，通过PMC程序控制机床的各个动作。
（二）机床的PMC顺序控制
对机床的PMC一级程序的控制：首先对润滑油的压力和液位以及气压进行检测，并借助计时器和计数器给出相应报警，接下来对程序类别和门开请求进行设置，并设置主轴暂停转动和恢复转动的条件和命令，再对急停信号、伺服就绪、节能模式和各轴正、负方向运动等进行处理。接着对ATC刀臂位置编码器信号进行译码、处理，判断刀臂在不同运动模式下的位置区域，從而给出相应的动作指令，并对刀臂的运动状态进行判断，给出相应的报警信。对机床的PMC二级程序的控制主要包括工作模式设置、M/S/T指令处理、加工程序运行处理、安全保护设置、主轴运动处理、进给轴运动处理、刀库和ATC动作处理、附加装置处理等子程序段。
（三）机床的运动伺服控制
进给伺服系统的设置首先要进行伺服参数的初始设定，需确认以下信息：NC的机型名称，伺服电机的型号名称，电机内置的脉冲编码器的种类，分离式位置检测器的有无，电机每转一圈的机床移动量，机床的检测单位，NC的指令单位等。对于主轴伺服系统的设置，首先进行与主轴相关的CNC型号、主轴电机、共用电源、主轴放大器、检测器系统等的规格确认，进行电气连接的确认，进行PMC梯形程序的准备和确认；接着确认在使用a i系列串行主轴时的CNC参数设定，进行a i系列串行主轴参数的自动初始设定处理；最后设定与检测器相关的参数，确认检测器的反馈信号波形。
三、数控机床的故障诊断系统分析
数控机床是综合应用微电子、计算机、自动控制、自动检测、液压传动和精密机械等技术的最新成果而发展起来的新型机械加工设备。它的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及使用方便、可靠性高。要达到这些要求，就需要对机床的维护保养、日常检查、故障诊断等复杂、有效的工作。在生产过程中，数控机床频繁地发生故障，必然影响产品的加工质量和生产效率，影响数控机床效益的发挥。因此，必须对出现的故障进行广泛深入的研究，找出其原因和规律，不断积累经验，采取有效措施，对故障进行预防、预测，建立一套排除故障的有效方法。数控机床的有些故障可以根据故障现象和机床电气原理图，查看PLC的相关输入输出状态即可诊断故障。但这需要有关人员对于设备的电气控制等比较熟悉，而且很多故障也不能完全根据顺序控制程序加以诊断排除，这就对相关人员提出了比较高的要求，需要维修的相关人员具备多方面的故障诊断知识，做出合适的诊断故障，并采取相应的故障排除措施。通过利用数据库技术和面向对象编程技术，将设备故障诊断和维修等知识系统的组织成知识库，通过数据库应用程序实现了故障的诊断查询、故障树分析、故障树管理等功能，帮助维修人员不断提高维修水平，丰富完善知识库。
参考文献
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作者简介
结合多年研究和实践,对电控发动机的故障诊断和排除进行地分析、介绍,便于专业及维修人员进行参考,并提高工作效率.
作 者：潘海涛 史雷鸣 PAN Hai-tao SHI Lei-ming 作者单位：潘海涛,PAN Hai-tao(郑州日产汽车有限公司,河南,郑州,450009)
史雷鸣,SHI Lei-ming(河南交通职业技术学院,河南,郑州,450052)
随着航空科学技术的发展,大量先进的机载设备装备在飞机上,使飞机的综合化、自动化程度日益提高。这些机载设备完全依靠电力工作,使得飞机机载电源类型繁多,配电网络结构复杂,对飞机电源系统的可靠性、安全性和维修性提出了更高的要求[1,2]。准确、快速的故障诊断和故障排除,使电气设备恢复到良好工作状态,对提高飞机出勤率和战备完好率及保障飞行安全具有重要的意义。
为提高飞机电源故障诊断的可靠性、智能性,本文针对某型飞机电源系统中多发性、典型性故障,建立了电源系统故障树模型,并采用基于知识规则的故障树分析技术进行故障诊断。
1 系统设计
飞机电源系统故障专家诊断系统结构如图1所示,本系统中用户、知识工程师和电气领域的专家通过人机交互式界面与系统进行信息交换,知识工程师和领域专家通过人机接口进行知识库的维护,用户通过接口将故障数据输入到动态数据库中;推理模块是诊断专家系统的核心,由推理机和解释机组成,推理机采用故障树方法进行,以故障事件作为起点,采用正向推理和反向推理相结合的方法,若事件完全匹配规则,找出故障和引起故障的部件,并给出故障诊断结论和维修建议;动态数据库是存储用户通过人机接口输入的故障数据;知识管理模块主要用于对知识库中的规则及故障树进行添加、删除和修改等各种操作;知识获取模块是专家系统和领域专家、知识工程师的接口,本系统使用的知识获取方式是,首先由知识工程师从领域专家或有关技术文献那里获取知识,然后再由知识工程师将获取的知识用知识表示语言表示称为可被系统接受的形式[3]。
1.1 电源系统故障树的建立
系统知识库中的知识来源于故障树[4,5],某型飞机电源系统常遇故障有发电机不供电、发电机供电电压不稳定、发电机供电电压过高、飞机蓄电池不供电、二次电源不供电、地面电源不供电等,其中发电机不供电故障发生次数较多且危害较大,特别是发生在空中,会直接危及飞行安全。下面以发电机供电系统故障为例,建立其故障树如图2所示。
其中:E表示顶事件;T表示中间事件,X表示底事件。该系统中T1表示发电机发电不输出故障,T2表示发电机不发电故障,T3表示发电机电压过高故障,X1表示发电机输出电路故障,X2表示控制输出的电门电路部分故障,X3表示发电机励磁线圈故障,X4表示过压保护器故障,X5表示调压器炭柱故障,X6表示12Y保险丝熔断,X7表示反流割断器故障,X8表示系统中断路故障,X9表示电压失调故障,X10表示发电机“+”、“B”接线柱短路故障,X11表示调压器工作点选择不当。
1.2 故障树模型分析
根据串并联系统确定故障树结构函数的方法,可以直接写出图2的结构函数为:
E=T1∪T2∪T3=x1∪x2∪x3∪x4∪x5∪x6∪x7∪x8∪x9∪x10∪x11 (1)
但是,这样的结构函数的缺点是不便于定性分析,更不便于定量计算。为了能方便地进行故障树的定性分析和定量分析,引入最小割集。可用下行法( Fussel-Vesely 算法)或上行法[5]。本系统采用下行法来求解最小割集。由于飞机电源系统故障树中绝大部分是“或”的关系,故障树的最小割集即为:{X1},{X2},…,{X11},故用几个相容事件概率公式来计算顶事件发生概率[6]。
其中,E代表顶事件。当最小割集的不可靠度相对很小,而顶事件发生的概率计算结果收敛很快时,顶事件发生的概率可近似为:
则所有最小割集ki=(1,2,…,n)的重要度Ii可表示为:
1.3 面向故障树的专家系统规则库
规则库的建立就是将故障树转化为知识库中的规则。由于飞机电源系统的故障诊断是一种模糊知识,不具有精确定义和严肃分析,往往存在多果多因的现象,因此,本文中的规则描述采用文献[7]的产生式规则来反映故障树中模块间的逻辑结构,表示飞机电气系统中故障原因和故障结果之间的关系。产生式规则的一般表达式为:R# IF A THEN B with CF(B,A),其中,R#表示规则号,IF部分是故障的各种表现(事实),THEN部分是产生这些表现的原因。CF为规则的权值,表示A对结论B的支持程度,取值范围在[0,1]之间。这种表示方法接近人类的思维和会话形式,并易于理解,也能够有效地表达知识。
1.4 知识库的设计
基于故障树的专家系统知识库的建立,实际上就是将故障树模式转换成数据库形式,并从数据表中获得规则。根据对故障树与专家系统的分析,结合Rete匹配原则[8],运用E-R关系数据库模型设计了3张相关联的数据表,即规则参数表(表1)、故障树表(表2)及诊断结论表(表3)。主要以故障现象的编号为关键字进行知识的查询,建立3张数据表之间的联系。
表1中Rule为规则编号,ID为故障编号; Fault故障模式现象,Condition引起故障原因;Active该故障规则是否被执行;Used表示规则被执行的次数。
表2用来存储故障模式,ID表示故障编号编号,Falut为故障现象;Weight 表示权重,Information表示故障的描述;Advice表示维修建议。
表3存储最终提供给用户的故障结论,ID表示最终专家系统给出的故障原因的编号;Causation表示故障结论的具体文字描述;Rule表示连接该故障结论的规则号;Explain存储了对该故障的维修建议。
表1,表2,表3,分别列出了以故障树的树枝为例的知识库的构造过程,知识库在设计上借鉴了Rete匹配算法,主要以ID号作为索引,建立了3个数据库之间的联系。
1.5 推理机的设计
推理机是专家系统的核心,在本系统的知识库的设计中,已将故障树知识转化成了基于规则的专家系统知识,故采用正、反向及混合推理相结合进行故障诊断。具体诊断流程为:先系统初始化,结合电源故障诊断专家的经验,根据故障树结合的重要度、设备重要度及故障紧急程度等因素,确定故障树中各事件的重要度,即权重值;然后通过人机接口获取故障现象并读入,通过检索条件表中的记录是否包含存在故障事实,进行规则匹配,寻找故障原因。如果在诊断时,有多条规则同时匹配成功时(此情况称为冲突),采用权重最大化策略,即规则表中选择权重大的规则;诊断完毕后,给出诊断结论和维修建议。其主程序流程如图3所示[9]。
2 系统开发与实现
2.1 系统开发
本系统采用Viusal Basic 6.0作为软件开发工具,Visual Basic是一种可视化、面向对象和调用事件驱动方式的结构化高级程序设计,功能强大且效率高。VB具有人工智能语言的某些特征,它能进行关系、逻辑运算,有较强的符号处理能力,可以直接访问编辑多类型的数据库,也可直接创建及维护数据库,利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具,使用Windows内部的应用程序接口(API)函数,以及动态链接库(DLL)、动态数据交换(DDE)、开放式数据访问(ODBC)等技术,可以高效、快速地开发出Windows环境下图形界面丰富的应用软件系统。
系统知识库采用Access数据库的形式,分为事实库和规则库,事实库用于存储静态或动态的事实,规则库用于存储静态的规则。推理进行所需的所有事实存放于事实库中,这是一个动态库,它将随着推理的进行不断更新、添加和删除事实。用规则不仅可以表达事实,而且可以附上权重表示对事实的相信程度,这就实现了专家系统中的非精确推理。
对于电源系统大的故障类型,可依据“发电机故障信号灯的亮灭”、“电压表的指示值”、“大功率用电设备工作情况”三条规则来判定,具体判定方法如表4所示。
若飞行状态下,发电机故障信号灯亮、电压表指示低于27伏、大功率用电设备(如电台)不工作,则可判定为发电机供电故障。对于发电机供电系统故障,可用“反流割断器F点电压”这一规则来进一步分类,电压“0伏～5伏”、“28.5伏”和“5伏～10伏”这三条事实分别对应“发电机不发电故障”、“发电机发电不输出故障”、“发电机电压过高(过压保护器动作)”三类故障。目前,知识库中共有44条规则,100余条事实,可实现电源系统常遇故障的分析与判断。
2.2 系统实现
系统用户界面主要由故障诊断、系统知识、系统设备参数、知识库维护等模块组成,故障诊断部分的界面如图4所示。
在故障诊断界面下完成电源系统故障现象描述与匹配、故障诊断、诊断结论与维修建议等功能。当输入故障现象并点击确认后,系统采用模糊匹配查询规则,显示详细的故障描述,用户选择相应的故障后,系统会根据故障代码在知识库内找出具体的诊断方法,根据故障的不同并请用户给出诊断测试的结果后,判断故障所在,用户可根据故障判断进行维修,最后进行检验。
图5以发电机电门接触不良导致的发电机发电不输出故障为例,说明系统诊断推理过程。
3 结 语
以某型飞机电气维修资料作为电源故障诊断的主要知识来源,把故障诊断知识通过故障树的形式直观、明了地显示出来,再转换成计算机能够识别的诊断知识库。通过人机界面与用户交流,采用正、反向和混合推理方式相结合的方法确定最终的故障源,并给出诊断结论和维修建议。该系统诊断结果与故障事实基本相符,提高了飞机电源故障诊断自动化与智能化水平。
该诊断系统也适用于其他机型电源系统,只需建立相应的知识库,即可实现对多种机型电源系统的故障诊断,具有较好的通用性和扩展性。
摘要：为了准确、快速地对飞机电源系统故障进行诊断和排除,在分析某型飞机电源系统的失效模式和故障机理的基础上,建立故障树,采用基于规则的故障树分析技术对故障模型进行分析,引入正向推理和反向推理两种推理机制,研究了基于数据库技术的知识库的构建方法,设计某型飞机电源故障诊断专家系统。结果表明,该故障诊断系统的推理结果符合实际情况,提高了飞机电源系统故障诊断的智能化水平。
关键词：专家系统,电源系统,故障树,故障诊断
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一、数控系统的故障诊断
１.报警处理
（１）系统报警。数控系统发生故障时，一般在操作面板上给出故障信号和相应的信息。通常系统相关手册中都有详细的报警号、报警内容和处理方法，维修人员可根据警报后面给出的信息与处理办法自行处理。
（２）机床报警和操作信息。根据机床的电气特点，应用PLC程序，将一些能反映机床接口电气控制方面的故障或操作信息以特定的标志，通过显示器给出，并可通过特定键，看到更详尽的报警说明。
2.故障诊断
（１）仪器测量法。系统发生故障后，采用常规电工检测仪器、工具，按系统电路图及机床电路图对故障部分的电压、电源、脉冲信号等进行实测判断故障所在，用可编程控制器进行PLC中断状态分析，或者检查接口信号。
（２）诊断备件替换法。电路的集成规模越来越大，技术越来越复杂。有时，很难把故障定位到一个很小的区域，可以根据模块的功能与故障现象，用诊断备件替换。
（３）利用系统的自诊断功能。现代数控系统，尤其是全功能数控，具有很强的自诊断能力，通过实施监控系统各部分的工作，及时判断故障，给出报警信息，做出相应的动作，避免事故发生。
3.用诊断程序进行故障诊断
所谓诊断程序，就是对数控机床各部分包括数控系统本身进行状态或故障检测的软件。当数控机床发生故障时，可利用该程序诊断出故障源所在范围或具体位置。
二、数控系统的常见故障分析
1.位置环
常见故障包括：位控环报警，可能是测量回路开路；测量系统损坏，位控单元内部损坏；不发指令就运动，可能是漂移过高，正反馈，位控单元故障；测量元件故障，一般表现为无反馈值；机床回不了基准点；高速时漏脉冲产生报警可能的原因是光栅或读头脏了；光栅坏了。
2.伺服驱动系统
主要故障是：系统损坏，一般由于网络电压波动太大，或电压冲击造成；无控制指令，而电机高速运转，这种故障的原因是速度环开环或正反馈；加工时工件表面达不到要求，走圆弧插补轴换向时出现凸台，或电机低速爬行或振动，这类故障一般是由于伺服系统调整不当，各轴增益系统不相等或与电机匹配不合适引起；保险烧断，或电机过热，以至烧坏，这类故障一般是机械负载过大或卡死。
3.电源部分
电源失效或故障的直接结果是造成系统的停机或毁坏整个系统。中国由于电源波动较大、质量差，还隐藏有如高频脉冲这一类的干扰，加上人为的因素（如突然拉闸断电等），这些原因可能造成电源故障监控或损坏。
4.可编程序控制器逻辑接口
数控系统的逻辑控制，主要由PLC来实现。要完成这些控制，就必须采集各控制点的状态信息。
三、故障排除方法
故障排除方法有以下几种：初始化复位法；参数更改，程序更正法；调节，最佳化调整法；备件替换法；改善电源质量法；维修信息跟踪法。
四、维修中应注意的事项
第一，取线路板时，应注意其相对应的位置，连接的电缆号，对于固定安装的线路板，还应按前后取下相应的压接部件及螺钉作记录，避免装配出现问题。第二，电烙铁应远离维修线路板，烙铁头应做适当修整，以适应集成电路的焊接，并避免焊接时碰伤别的元器件。第三，测量线路间的阻值时，应断电源。测阻值时应红黑表笔互换测量两次，以阻值大的为参考值。第四，线路板上大多刷有阻焊膜，因此，测量时应找到相应的焊点作为测试点，不要铲除焊膜，有的板子全部刷有绝缘层，则只有在焊点处用刀片刮开绝缘层。第五，不应随意切断印刷线路。数控设备上的线路板印刷线路细而密，一旦切断不易焊接，且切线时易切断相邻的线，有时在切断某一根线时，并不能使其和线路脱离，需要同时切断几根线。第六，不应随意拆换元器件。有的维修人员在没有确定故障元件的情况下，只是凭感觉元件坏了，就立即拆换。这样，误判率较高，拆下的元件人为损坏率也较高。第七，拆卸元件时，应使用吸锡器及吸锡绳，切忌硬取。第八，更换新的器件，其引脚应做适当的处理，焊接中不应使用酸性焊油。第九，查清线路板的电源配置及种类，根据检查的需要，可分别供电或全部供电，而应注意高压，需适当绝缘，操作时应特别注意。
关键词：矿井；提升系统；监控与故障；诊断
中图分类号： X752 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）18-187-2
0 引言
随着煤矿事故的不断发生，为能够确保提升机在矿井的生产运作过程中，正常安全地运行，需要着重对提升机系统有一个精确的监控，以用高效的故障诊断技术，从而对于矿井提升系统的安全生产起到一定的积极作用。本文结合目前矿井提升系统的监控与故障诊断技术的现状，进行分析，并对一些常见的故障形式采取相应的措施方法。
1 矿井提升系统监控与故障诊断的技术现状
1.1 矿井提升系统监控技术现状
对于矿井提升系统的监控技术主要包括以下几个方面。其一，对于矿井提升机的运行状态，可以从提升机的提升方向、高度以及速度等方面来进行监测；其二，提升机的液压制动系统的监控，具体包含有制动的力矩、液压油油温和油压，以及空运时间等这些重要的参数；其三，提升机钢丝的监测，主要是从钢丝绳的张力、直径以及钢丝绳的润滑等这些方面进行监控；其四，提升机的电动力以及传动部分的监测，主要是通过提升机的工作电压、电流以及电动机的功率、减速器油压等这些方面来进行监控。
由于国外对矿井提升系统监控的研究时间比早，因而现在已经达到了比较高的水平，不仅使得矿井提升系统在设计上更加地合理，而且還能够通过对提升机系统的重点环节进行监控，从而实现一种双重保护的效果。虽然国外的这种矿井提升系统监控稳定性非常地好，但在价格上还是比较昂贵的，因而对于国内一些小的矿井而言还是难以承受的。
1.2 矿井提升系统故障诊断现状
随着网络技术与信息化的不断普及，矿井提升系统的故障诊断也有用了网络技术与计算机技术，以及测试的技术信号分析，数据处理技术等，通过对数据的相关分析处理，从而及时、准确地判断出矿井提升系统的故障所在，包括故障的类型、所发生部位与原因，从而提出相关的维修建议。通常情况下表现为以下三种方法。
1.2.1 对于模型的解析法
采用传感、摩擦理论以及机械振动的理论知识，从而达到对矿井提升系统的故障模型分析，建立起矿井提升机齿轮箱动力学的一种模型，对于矿井提升机的变载荷齿轮减速箱的故障诊断非常地有帮助。
1.2.2 信息处理法
小波神经网络的方法可以对矿井提升机的钢丝绳的磨损度以及空动时间、残压、制动的盘偏摆度等这些关键性的参数起到一定的故障预报效果，通过对信息的处理，能够准确、合理地诊断出矿井提升机在运行过程中早期出现的故障，并且其分辨率非常地高。
1.2.3 采用知识法
把神经网络与专家的系统相融合，然后再有效地结合矿井提升系统所常出现故障的深浅知识，然后用深度优化的搜索，进行正反向混合推理的策略，从而建立起一种故障树的模型，有效的运用于矿井提升系统故障诊断系统的设计方法中来。除此之外，在近几年来的国内外学者对于矿井提升系统故障的诊断，还有效的利用了现代的诊断技术，如数学模型、人工智能以及新型的信息手断等，进行了有效的研究，由于不是很成熟，很少能够被成功地运用于实际工作中。
2 矿井提升系统监控与故障诊断的发展趋势
如果把矿井提升系统监控与故障诊断技术有效地运用于实际工作中，从而可以有效地提高矿井提升机的安全可靠运行，为矿井的安全生产提供一份保障。随着人们对于矿井提升系统监控与故障诊断技术的不断深入研究，采用了各种科学的方法进行相互融合、渗透的方法，所提出了智能化监控与诊断技术，并且被广泛的所运用。其具体体现在以下几个方面。
2.1 结构
对于矿井提升机系统的监控与故障诊断的技术正在逐渐地向网络化方向转变发展。
2.2 监测方式
对于矿井提升机的监测方式，采用了一种新型的在线监测，从而成功的替代了传统的巡回、定期监测，有效地提高了对设备的监测效率，并且可以做到实时故障诊断。
2.3 软件设计
在软件的设计上，采用了多任选并行的处理系统，从而取代了陈旧的单任务系统，并且在软件的设计过程中增加了数据库存设计、通讯处理以及推理设计等，并且对其分布进行了具体的优化处理。
2.4 监测参数
由之前的单参数监测逐渐地转变成为多系统多参数的一种监测参数设置，从而能够为后期的故障诊断提供最为原始的数据分析。
2.5 系统功能
对于矿井提升机的系统功能渐渐地向智能化、快捷、灵敏的方向发展，并且其诊断方式有现场诊断与远程诊断相融合。
2.6 故障诊断方法
在原来单参数单诊断的方法基础上，采用了多诊断多方法的故障诊断系统进行互补，从而使得故障诊断方法更加有效、精准。
3 常见的故障形式
在矿井中经常会由于不同的原因而发生故障，下面以具体的事故来了解一下常见的故障形式有哪些？
3.1 过卷事故
这种事故的发生可以分为上提过卷和下放过卷两种，其中的上提过卷是由于矿井提升机的提升容器在到达地面时没有停止，从而超过井口的位置保持继续地上行，从而造成一定的事故，最后导致把井架拉倒，或者是由于钢丝绳的断裂而把提升容器掉入到井底。而下提过卷则是当矿井提升机的提升容器到达井底时，还没有减速停止，导致与井底的其他装置发生碰撞。对于运行过程中的矿井提升机，其提升容器的速度过快、过慢以及停止的位置不准确，都会导致事故的发展，而其中最为严重的故障之一就是过卷情况。
3.2 断绳事故
断绳的故障会给矿井带来致命的经济损失，在这个故障的发生过程中，可能会涉及工人的生命安全。而断绳故障的发生往往是由以下几个原因所造成。一是钢丝绳在使用过程中受到锈蚀，从而降低了钢丝绳的抗冲击力度。二是由于钢丝绳的磨损。三是长时间的反复弯曲导致了钢丝绳的疲劳，使得其强度降低。四是钢丝绳在使用过程中经常会受到冲击与振动。五是钢丝绳的超越。除此之外，对于设备的不及时检修、操作不当等原因都会导致钢丝绳在使用过程中会出现故障。
4 提升矿井提升系统监控与故障诊断效果
4.1 对于提升机常见的故障形式与代码进行提升
对于在矿井提升机运行过程中所出现的故障，如空动时间过长、轴承过热、电机超速等故障形式，建立起一个数据库存，并且针对不同的机械故障形式进行代码编制，从有助于提升机诊断系统的建立，如在进行编码过程中，对于代码的编制可以采用故障发生的部位与故障形式的汉语拼音相结合的方式。
4.2 矿井提升机监测与故障诊断的硬件系统的合理性
矿井提升机监测与故障诊断的硬件系统通常包括有传感器、采集卡以及计算机设备等，当传感器的输出与采集卡输入的电气特性相匹配，需要有一个合理的信号调理电路来做支撑，与此同时，还能够提高系统的抗干扰能力。
4.3 矿井提升机监测与故障诊断软件系统的有效性
对于监测与故障诊断的系统软件设计方案，可以设置多个功能，如参数的管理、在线的监测以及故障诊断、系统管理等，并且设置一定的权限管理，对于使用者，要进行先注册登记，并且其所提供的资料真实有效。另外就是对于故障与历史数据的查询功能，对于其诊断分析非常的有帮助，而对于提升机的监测与故障诊断系统的报表可以自动生成功能，并进行打印，从而方便了各个部门之间的资源共享与交流。而对于参数管理模块的设置，都是需要通过硬件系统在运行过程中所采集到了相关数据，来进行正确的设置。
随着科学技术与信息化的不断发展，对于矿井提升系统的监測与故障诊断方案除了需要有扎实的理论做基础之外，渐渐地运用了科学技术与信息化的方法，从而能够更加精准的预测与判断出矿井提升机运行过程中的问题与故障，并采取相应的方案进行解决，从而把故障降到最低，有效提高提升机在矿井运作过程中的安全性，减少一些不必要的经济损失。
参 考 文 献
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1 远程故障诊断系统的设计与实现
1.1 系统构架设计
系统构架如图1所示, 在远程故障诊断系统中的应用数据库技术, 能够实现异地有效故障诊断。
基于模糊规则的推理机是故障诊治模块的核心部分, 推理机是整个专家系统的控制中心, 控制知识库、人机交互接口、数据库和其它机构的运行, 解决用户提出的问题。推理机构的控制方式被称为推理机制, 亦称控制策略, 目前比较成熟也较通用的控制策略主要是推理策略, 即根据因果关系进行分析、推断推理机处理所输入的参数, 在知识库进行搜索, 并获取参数对应的权值, 结合匹配公式, 对相应的隶属度进行计算, 计算的结果用于最后决策。
1.2 网络接口设计
软件系统故障诊治专家系统的模型数据库主要维护以下几种数据表文件, 分别是环境因子表存储了系统运行环境、网络结构等数据项目。系统因子表存储了信息系统运行参数等数据项目, 还有中间变量, 故障规则, 模型参数等。其中故障规则表中存储着软件系统故障的所有信息, 包括故障分类号, 故障事实描述, 前提条件ID, 后续结论ID, 还包括事实可信度, 以及阈值、权值等。
1.3 系统关键技术的实现
1) 软件系统故障模糊知识库的建立
设备故障的原因往往是多方面的, 多种故障结果也可能来自一种故障原因, 因此专家系统的知识库构建是十分关键的, 本课题构建知识库的思路阐述如下。
知识获取是故障专家系统中的重要流程, 通过知识获取, 可以从众多的知识源处提炼出专门用于软件系统软件系统故障诊治的专门知识, 然后将其转化为程序。本系统采取人工获取方式、半自动获取方式以及全自动获取方式获取知识, 并经整理分析后存储入数据库。数据库中的一条记录对应于知识库中的一条事实规则。
结合模糊专家系统的特点和软件系统软件系统故障诊治的实际需求, 构建以下的事实结构类:
2) 推理机的设计
a) 推理方式的选择
在不确定性推理过程中, 为计算双方相似的程度, 本文设计了计算两者匹配相似程度的算法, 同时指定一个相似度的阈值, 以判定双方的相似度是否在限定范围之内。定义模糊集合A, B贴近度为: (A, B) H=1-δH (A, B)
式中, A, B的汉明距以δH (A, B) 表示, 其值反映了特征元素对模糊集的隶属度。
通过基于模糊规则的推理机, 处理输入参数, 并在知识库中进行搜索, 获取权值与可信度, 结合匹配公式得出隶属度, 进行判决。考虑到软件系统故障诊断相应结论较少, 症状较多, 本文选取的是反向推理模型。直接从目标结论出发, 紧紧围绕着能证明目标结论的方向进行推理, 与求证目标无关的事实和规则不必参与运算, 因此反向推理的效率更高, 推理的目的性更强, 特别适合于故障诊断系统。
b) 软件系统故障模糊推理机的设计
在专家系统的设计中, 结合模糊推理机的工作特点, 为使之易于实现并具有清晰的逻辑结构, 引入面向对象的设计方法。模糊推理机收到用户输入软件系统故障具体症状信息的激励, 在系统的全局数据库中进行搜索, 然后从相关知识库中提取出没有匹配成功的规则, 并将这些提取出的规则与已有事实进行匹配, 将实现了成功匹配的规则选取出来, 采用按匹配度排序的冲突消解策略以及基于可信度表示的不确定性推理方法, 对其可信度传播值进行计算, 将可信度传播值以及匹配次序号和成功匹配的规则等信息输出至用户面对的人机界面, 此即本次推理所得的防治措施结论。图2所示为模糊推理机的工作流程。
在本系统的实现中, 冲突消解策略选取的是按匹配度排序的方法。这种方法需要对两个模式的相似程度进行计算, 如果所得的相似度超过了设置的阈值, 即判定二者匹配。选择模糊推理机的加权因子中较大的规则, 并将其作为被激活的规则。
2 结束语
远程故障诊断系统结合了故障诊断技术、计算机科学以及通信技术, 采用开放式体系结构, 在网络的支持下实现了异地故障判定与处理, 远程故障诊断与传统的故障处理方法相比, 跨越了时空限制, 避免了人员的流动, 减少了维护成本, 提高了诊断的及时性和准确性。
摘要：远程故障诊断系统在网络的支持下实现了异地故障判定与处理, 减少了维护成本, 提高了诊断的及时性和准确性。该文在阐述远程故障诊断系统的框架的基础上, 深入剖析了远程故障诊断专家系统关键技术的实现。
关键词：远程故障诊断,专家系统
参考文献
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汽车诊断 (Vehicle Diagnosis) 是指对汽车在不解体 (或仅卸下个别零件) 的条件下, 确定汽车的技术状况, 查明故障部位及原因的检查。随着现代电子技术、计算机和通信技术的发展, 汽车诊断技术已经由早期依赖于有经验的维修人员的“望闻问切”, 发展成为依靠各种先进的仪器设备, 对汽车进行快速、安全、准确的不解体检测。
为了满足美国环保局 (EPA) 的排放标准, 20世纪70年代后和80年代初, 汽车制造商开始采用电子控制燃油输送和点火系统, 并发现配备空燃比控制系统的车辆如果排放污染超过管制值时, 其氧传感器通常也有异常, 由此逐渐衍生出设计一套可监控各排放控制元件的系统, 以在早期发现可能超出污染标准的问题车辆。这就是车载诊断系统 (On-Board Diagnostics, 缩写为OBD) 。OBD系统随时监控发动机工况以及尾气排放情况, 当尾气超标或发动机出现异常后, 车内仪表盘上的故障灯 (MIL) 或检查发动机灯 (Check Engine) 亮, 同时动力总成控制模块 (PCM) 将故障信息存入存储器, 通过一定的程序可以将故障码从PCM中读出。根据故障码, 维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位。OBD-II是20世纪90年代推出的新的ODB标准, 几乎提供了完整的发动机控制, 并监控底盘、车身和辅助设备, 以及汽车的诊断控制网络。
2、汽车诊断接口
OBD-II的规范规定了标准的硬件接口--16针 (2x8) 的J1962插座。OBD-II接口必须在方向盘2英尺范围内, 一般在方向盘下。
SAE的J1962定义了OBD-II接口的引脚分配如下:
3、与汽车诊断有关的主要通信协议
20世纪90年代中期, 为了规范车载网络的研究设计与生产应用, 美国汽车工程师协会 (SAE) 下属的汽车网络委员会按照数据传输速率划分把车载网络分为Class A、Class B、Class C三个级别。
目前OBD使用的通信协议主要有5种:ISO9141、KWP2000、SAEJ1850 (PWM) 、SAEJ1850 (VPW) 、CAN。大部分车辆只实现了某一种协议, 我们可以根据J1962插座上有哪些引脚来推断所使用的协议。下面对KWP2000、SAEJ1850 (PWM) 、SAEJ1850 (VPW) 和CAN进行简单的介绍。
3.1 KWP2000
KWP2000 (Keyword Protocol 2000) 欧洲汽车领域广泛使用的一种车载诊断协议, 该协议实现了一套完整的车载诊断服务, 并且满足EOBD标准。
KWP2000最初是基于K线的诊断协议, 由于K线物理层和数据链路层在网络管理和通讯速率上的局限性, 使得K线无法满足日趋复杂的车载诊断网络的需求。而CAN网络 (Controller Area Network) 由于其非破坏性的网络仲裁机制、较高的通讯速率 (可达1M bps) 和灵活可靠的通讯方式, 在车载网络领域广受青睐, 越来越多的汽车制造商把CAN总线应用于汽车控制、诊断和通讯。近年来欧洲汽车领域广泛采用了基于CAN总线的KWP2000, 即ISO15765协议, 而基于K线的KWP2000物理层和数据链路层协议将逐步被淘汰。
基于K线的KWP2000协议
基于K线的KWP2000协议波特率为10.4 kbps, 用单线 (K线) 通信, 也可用双线 (K线和L线) 通信, 目前多用单线通信。K线本质上是一种半双工串行通信总线。
基于K线的KWP2000协议的报文包括报文头、数据域和校验和三部分, 如表3所示。
表3中各参数含义如下:
报文头:Fmt-帧字节;Tgt*-目标地址;Src*-源地址;Len*-附加长度字节。
*可选字节, 取决于格式字节Fmt的A1A0位
数据域:Sld-服务标识符, 数据域的第一个字节;Data-数据字节;。
校验和:CS。
在开始诊断服务之前, 诊断设备必须对ECU进行初始化, 通过ECU的响应获取ECU的源地址、通讯波特率、支持的报文头格式、定时参数等信息。ECU所支持的报文头和定时参数信息包含在ECU返回的“关键字 (Key Word) ”中 (这也是协议命名的由来) 。关键字由两个字节构成, 关键字的低字节中各位的含义如表4所示。
诊断设备可以采用两种方式对ECU进行初始化——5Baud初始化和快速初始化, 对于这两种初始化的时序在数据链路层协议中均有明确规定。
基于CAN总线的KWP2000协议[7]
基于CAN总线的KWP2000协议是把KWP2000应用层的诊断服务移植到CAN总线上。数据链路层采用了ISO 11898-1协议, 该协议是对CAN2.0B协议的进一步标准化和规范化;应用层采用了ISO 15765-3协议, 该协议完全兼容基于K线的应用层协议14230-3, 并加入了CAN总线诊断功能组;网络层则采用ISO 15765-2协议, 规定了网络层协议数据单元 (N_PDU, 如表5所示) 与底层CAN数据帧、以及上层KWP2000服务之间的映射关系, 并且为长报文的多包数据传输过程提供了同步控制、顺序控制、流控制和错误恢复功能。
1) 地址信息:包含源地址 (SA) 、目标地址 (TA) 、目标地址格式 (TA_Type) 和远程地址 (RA)
2) 协议控制信息:有四种帧格式, 即单帧 (SF) 、第一帧 (FF) 、连续帧 (CF) 和流控制帧 (FC)
3) 数据域:KWP2000服务标识符 (Service ID) +服务参数
应用层协议规定了四种服务数据结构,
从上面的服务流程可以看出, 基于CAN总线的KWP2000协议支持多包数据传输, 并且多包数据的管理和组织是在网络层完成的, 应用层不必关心数据的打包和解包过程。
3.2 SAE J1850
SAE J1850协议有两种, J1850 (脉宽调制编码方式PWM-Pulse Width Modulation) 和J1850 (可变脉宽调制编码方式VPM-Variable Pulse Width Modulation) 。它们所采用的编码方式不同, 因此有着不同的物理层, 但应用层和数据链路层相同。
SAE J1850 PWM:福特公司采用的标准, 采用双线传输, 通信速率为41.6Kbps。[1]
pin 2:Bus+;pin 10:Bus–;高电压为+5V;报文长度限制为12个字节, 包括CRC
采用非破坏性仲裁的载波侦听多路访问 (CSMA/NDA) 的多主仲裁机制
SAE J1850VPW:通用公司采用的标准, 采用单线传输, 通信速率为10.4Kbps。[1]
pin 2:Bus+;总线空闲状态为低电平;高电压为+7 V;决策点是+3.5V;报文长度限制为12个字节, 包括CRC;采用非破坏性仲裁的载波侦听多路访问 (CSMA/NDA) 的多主仲裁机制
J1850协议规定网络的最大节点数为32个 (包含车内ECU和车外诊断设备) 。车内的最大网络长度为40米, 车外最大网络长度为5米。车外诊断设备最小等效电阻为10.6K欧, 最大等效电容为500p F。
J1850数据传输网络中的数据通常是按照以下格式传输的, 参见图4:
其中各元素的定义如下
Idle:总线空闲, 总线处于空闲状态时, 任何节点都可以占用总线来发送数据。
SOF:帧起始标志。不计入CRC码。
DATA_N:报文数据。
EOD:数据结束标志。数据帧发送方用EOD表示数据发送结束。
NB:标准位。仅在VPW编码方式中有效。
EOF:帧结束标志。IFR:帧内快速应答。
IFS:帧内分割标志。
CRC:CRC错误校验位。
3.3 CAN
CAN总线是20世纪80年代才开始形成和发展的新一代总线技术。最初由BOSCH汽车公司提出。在20世纪90年代初, CAN总线被提交作为国际标准。
CAN总线协议是一种可以满足控制系统所需的中等通信速率的通信协议, 尤其适用于车身功能和车辆舒适功能的管理, 同样其较高的速率也可满足车辆内部系统功能管理的需求。
CAN是为连接各个复杂通信系统为目的研发的, 各电控单元按照总线-树型拓扑结构相互连接。CAN能够使用多种物理介质, 例如双绞线、光纤等, 最常用的是双绞线。CAN网络的传速速度最快可达1Mbit/s。
CAN网络中有两种不同的帧格式, 标准帧格式和扩展帧格式, 不同之处为标准帧为11位标识符, 而扩展帧有29位标识符。如图5和图6所示。
在CAN网络中有四种不同类型的帧:数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。其中数据帧和远程帧可以使用标准和扩展两种格式。
CAN协议具有以下特点[3]:
(1) 多主:当总线空闲时, 连接到总线上的各单元都可以开始发送消息。第一个开始发送消息的单元获得发送权。如果多个单元同时开始发送, 具有最高优先级的单元获得发送权。
(2) 报文传输:所有的渻都按预定的格式传输。
(3) 系统的灵活性:连接到总线上的单元没有类似于地址的识别信息。因此, 当一个单元添加到总线上或从总线上移走时, 不需要改变任何其它设备的软件、硬件或应用层。
(4) 通信速度:可以设定为任意的通信速度以可适合网络的大小。但在一个网络中, 所有单元必须使用统一的通信速度。
(5) 远程数据请求:可以向其它单元发送“远程帧”请求数据传输。
(6) 具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。
(7) 错误隔离:CAN有区分暂时故障和持续故障的功能, 这有助于降低易出故障的单元的优先级以防止阻碍正常单元的通信。
(8) 连接:CAN总线允许同时连接多个单元。然而, 实际可以连到总线的单元数受电力负荷和延迟时间的限制。
在汽车诊断网络中, J2480和ISO15765协议都是基于CAN的。包括KWP2000、SAE J1850等数据网络都逐渐被CAN网络所代替。
4、车载诊断系统在中国
2005年4月5日, 国家环保总局发布批准《轻型汽车污染物排放限值及测量方法 (中国III、IV阶段) 》 (GB18352.3-2005) 等五项标准为国家污染物排放标准。OBD作为强制性要求首次出现在我国的法规标准中。
此项标准是通过修改采用欧盟 (EU) 对70/220/EEC指令进行修订的98/69/EC指令以及随后截止至2003/76/EC的各项修订指令的有关技术内容产生的。主要的修改内容包括包含M1和M2类车型的分组、燃料的技术要求等5个方面, 而OBD部分基本照搬了欧盟的标准 (EOBD) 。
5、汽车诊断技术发展趋势
5.1 发展中的OBD-III
OBD-II虽然可以诊断出排放相关故障, 但是无法保证驾驶者接受MIL的警告并对车辆故障及时修复。这就是下一代OBD系统要重点解决的问题。OBD-III以无线传输故障信息为主要特征, 能够利用小型车载无线收发系统, 通过移动通信网络、卫星通信或者GPS系统将车辆的VIN、故障码及所在位置等信息自动上报管理平台。管理部门根据该车辆排放问题的等级对其发出指令, 包括去何处维修的建议、解决排放问题的时限等。这些信息可用于根据相关法规对造成过多排放污染的车辆所有者进行惩罚。[9]
OBD-III不仅需要相关通讯技术、标准和法规的不断成熟, 对OBD系统诊断功能本身的准确性和可靠性也是一个更高的要求。可以设想, 随着OBD-III的成熟和应用, 将带来汽车诊断服务模式的巨大变革。
5.2 对新的通信协议的支持
【关键词】矿井提升机；系统故障；分析诊断
一、矿井提升机的使用现状
西方的先进工业国如英国、德国对矿井提升机的安全性十分重视，大多已通过PLC设计了矿井提升机的电控系统，通过多种方式（如继电器、PLC+继电器、PLC+PLC）构成了能独立工作的双通道安全监控与安全回路，且在有关软件的设计中也采用了多种监视保护手段，系统安全性与可靠性大为增加。我国当前的提升机电控系统大多仍由继电器与由电子元件组成的控制单元组成，虽然设有安全电路，但系统内外电缆众多，联锁点密集，再加上矿井工作环境恶劣，粉尘污染和点蚀较多，常导致触电闭合或断开异常，频繁发生线路故障，极大的影响了整个系统的可靠性，与国际先进水平还有较大的差距。矿井提升系统通常由机械、电气和液压三部分组成，矿井提升机发生的故障大致可分为机械故障与电气故障两类，机械故障主要包括制动事故、过卷事故和断绳事故，电气故障主要包括主回路电流、低压电源漏电和控制电源失压等。这些事故不仅会影响矿井的正常作业，也造成矿井设备的损坏和人员的伤亡。
二、机械故障的诊断与分析
（1）过卷事故。过卷事故是指在矿井提升机的作用下容器超过正常航程的现象，通常表现为上行容器过卷和下行容器下放，其发生的主要原因为：一是制动系统发生故障导致制动力不足；二是减速段时超速保护装置失灵，导致超速。（2）断绳事故。随着多绳摩擦提升的使用，断绳事故的发生率已大幅降低，然而，因提升系统设计缺陷、产品结构缺陷以及操作工人操作不当与管理缺失等因素导致的恶性断绳事故仍时有发生，造成断绳事故的原因除过卷外，制动和保护装置失效、司机操作不规范和滑动也是重要因素。且多绳提升也放宽了罐笼防坠器的使用。对于该类事故，最佳的解决方案便是避免超速、过卷，对超载、滑动和制动进行动态监视，并制定科学的保护措施。（3）制动器失效。制动器是矿井广泛使用的机械制动装置，是矿井提升系统减速、刹车以及在发生故障的情况下进行紧急制动的最后手段。盘式制动器是当前使用较为广泛的制动器，其采用弹簧制动和液压松闸的方式工作，其工作原理如图所示：
其中，1为滚筒，2为制动盘，3为闸瓦，4为活塞，5为蝶形弹簧。当油缸油压最小时，蝶形弹簧的预压缩恢复张力将阐瓦压向制动盘，使制动盘获得垂直作用力，为全制动状态；油压升高时，液压油推力增大，弹簧力被部分克服，对制动盘的作用减小，降低了制动力矩，待油压升高至u以克服弹簧时，制动解除。制动失效主要表现在三个方面：一是制动力矩过大，制动张力过大引起滑动；二是制动初速过大、超载导致电路跳闸，下次开车时司机将方向开反，等发现时速度已经较快，再实施制动常发生制动不住的现象；三是制动力矩较小。可见，制动正压力过大和过小都会导致制动故障，因此，在提升机的工作过程中应注意制动正压力的范围，进行即时监测。（4）摩擦提升机故障。摩擦提升机效率高，近年来得到了较快的发展，尤其适用于大型煤矿，由与摩擦提升是以钢丝绳和摩擦衬垫产生的摩擦力传递动力，也存在着较大的安全隐患。其主要产生原因如下：一是超载；二是钢丝绳或衬垫有油污，新购进的钢丝绳上的油污未洗涤干净，其次是维修时使衬垫或钢丝绳沾染上油污；三是起动时制动力矩大导致加速度、减速度较大，使得张力差大而引起滑动。
三、电气故障
电气故障主要包括直流电枢回路故障、交流电枢回路故障、控制回路故障和磁场回路故障。直流电枢回路故障包括直流电书接地跳闸、直流电枢回路过电流、热过载和电动机超温等；交流电枢回路故障包括高压开关柜过负荷保护动作、高压开关柜电流脱扣、跳闸和电枢整流变压器超温报警等；控制回路故障主要包括调节器板输出监视、控制电源监视和计算机硬件故障监视等；磁场回路故障包括磁场变压器过电流、低压开关柜过流、磁场变压器超温跳闸等。
参 考 文 献
[1]汝岑.关于矿井提升机盘式制动器的工作可靠性分析研究[J].中小企业管理与科技（上旬刊）.2011（6）
[2]刘峰.对现代矿井提升机盘式制动器可靠性的技术改进[J].机电产品开发与创新.2011（3）
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