向守兵，董大偉，閆 兵

（1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000；2. 西南交通大學(xué)，成都 610031）

0 引言

內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，許多零部件處在高溫、高壓、高負(fù)荷及強(qiáng)烈振動(dòng)的惡劣條件下工作，使得內(nèi)燃機(jī)故障率較高，維修技術(shù)難度大[1]。目前國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)故障診斷系統(tǒng)多為現(xiàn)場診斷儀器，并且操作較復(fù)雜，面對疑難故障，維修人員常常無法快速、經(jīng)濟(jì)地利用各方面的技術(shù)力量解決故障，而架設(shè)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，可以很好地為現(xiàn)場維修人員及時(shí)提供第三方的技術(shù)支持，這不僅為企業(yè)節(jié)約維修服務(wù)成本，提高服務(wù)效率，而且減少用戶的經(jīng)濟(jì)損失。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)原理框圖

遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)由現(xiàn)場內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集終端、GSM通信模塊和故障診斷中心三大部分組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集終端安裝在內(nèi)燃機(jī)現(xiàn)場，主要完成對內(nèi)燃機(jī)曲軸角振動(dòng)信號的采集與調(diào)理，再送入單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器完成轉(zhuǎn)速脈沖信號的采集，然后通過TC35i GSM通信模塊將數(shù)據(jù)無線送到遠(yuǎn)程故障診斷中心，完成數(shù)據(jù)處理，對內(nèi)燃機(jī)的工況進(jìn)行分析，判斷故障缸。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 角振動(dòng)信號采集硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮檢測精度和系統(tǒng)成本的因素，系統(tǒng)采用磁電式傳感器檢測角振動(dòng)信號。磁電式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝精度要求較低，傳感器無需配備電源，且脈沖信號不因轉(zhuǎn)速過高而減弱。它是由齒盤和感應(yīng)磁頭組成。齒盤是一個(gè)由鐵磁材料制成的類似圓柱齒輪的齒盤，感應(yīng)磁頭是一個(gè)模擬交流信號發(fā)生器，當(dāng)鐵磁材料經(jīng)過磁頭時(shí)，它將產(chǎn)生交變電壓信號，通常由帶2個(gè)接線柱的磁芯及線圈組成。這2個(gè)線圈接線柱是傳感器輸出的端子，齒盤安裝在被測軸系上，當(dāng)齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過傳感器感應(yīng)磁頭時(shí)，線圈將產(chǎn)交流電壓信號，輸出的信號幅值與頻率的大小正比于測速齒盤的轉(zhuǎn)速。如齒盤有N個(gè)齒，齒盤每轉(zhuǎn)過1圈，感應(yīng)磁頭就產(chǎn)生N個(gè)幅值為300～800mV的近似正弦信號[2]。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。磁電傳感器感應(yīng)磁頭產(chǎn)生的交變信號經(jīng)硬件電路處理后送單片機(jī)系統(tǒng)采集。但考慮到實(shí)際應(yīng)用中現(xiàn)場較強(qiáng)的電磁干擾，為進(jìn)一步提高測速系統(tǒng)的抗干擾性能，將磁電傳感器產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)過LM324構(gòu)成比較電路整形處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由此提高系統(tǒng)的抗干擾能力，再由光電耦合隔離器件TLP521隔離后送施密特非門觸發(fā)器74HC14進(jìn)一步整形，通過74LS74雙D型觸發(fā)器對信號進(jìn)行二分頻，最后送入單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器完成轉(zhuǎn)速脈沖信號的采集。

圖3 TC35i與單片機(jī)的接口電路

單片機(jī)選用STC公司生產(chǎn)的超低功耗、高性能8位單片機(jī)STC89C52。該器件采用第六代加密技術(shù)，超強(qiáng)抗干擾能力，片內(nèi)含有256字節(jié)的RAM，8K的ROM，3個(gè)16位定時(shí)器，6個(gè)中斷源，32個(gè)I/O口線，支持在線編程。

2.2 TC35i接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門子TC35i[3]工業(yè)級GSM通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)接口可通過AT命令雙向傳輸指令和數(shù)據(jù),可選波特率為300b/s～115kb/s，性價(jià)比高，性能可靠。TC35i與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

TC35i提供40個(gè)外部引腳, 通過一個(gè)ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。本系統(tǒng)主要使用以下引腳:1～5腳為電源電壓輸入端；6～10腳為接地端；24～29為SIM卡引腳，分別為CCIN、CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND；15腳為啟動(dòng)信號IGT，TC35i通電后必須給IGT一個(gè)大于100ms低電平，模塊才啟動(dòng)；18、19腳分別為串行數(shù)據(jù)輸入端和串行數(shù)據(jù)輸出端，分別與單片機(jī)的TXD和RXD端相連接。單片機(jī)與TC35i之間通過串口通信，符合ITU-T RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗(yàn)位。

2.3 RS232接口電路設(shè)計(jì)

在診斷中心，TC35i接收到的數(shù)據(jù)需要送給診斷計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，由于TC35iRXDO和TXDO端為TTL電平，因此需要在TC35i模塊與計(jì)算機(jī)之間增加RS232電平轉(zhuǎn)換電路，系統(tǒng)采用MAX232芯片，如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 RS232接口電路

系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集終端軟件和診斷上位機(jī)軟件兩部分。由于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速較低，考慮編程及單片機(jī)的執(zhí)行速度，數(shù)據(jù)采集終端軟件采用T法對內(nèi)燃機(jī)的角振動(dòng)信號進(jìn)行測量。

診斷上位機(jī)軟件用C++語言編制而成，中文界面，鼠標(biāo)選擇式操作。具有操作簡便、功能完善、輸出資料完備，不用人工整理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。對各工況、各測點(diǎn)可作如下分析[4]：

1）實(shí)測轉(zhuǎn)速及扭振時(shí)域波形分析；

2）扭振信號的幅值譜和功率譜分析；

3）扭振分諧次(≤24個(gè))和總幅值隨工況(轉(zhuǎn)速、功率)變化規(guī)律分析；

圖5 發(fā)送和接收中斷處理流程

4）三維(幅值、頻率、轉(zhuǎn)速)譜陣分析；

5）雙測點(diǎn)間的扭角差時(shí)域波形分析；

6）扭角差隨工況(轉(zhuǎn)速、功率)變化規(guī)律的分析。

TC35i提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。GSM07.07中定義的AT命令[5]接口提供了一種移動(dòng)平臺與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通用接口，數(shù)據(jù)終端設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)AT命令與GSM網(wǎng)絡(luò)引擎進(jìn)行相互通信和交換數(shù)據(jù)。為降低功耗，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以中斷形式進(jìn)行處理，程序流程如圖5所示。

4 結(jié)論

根據(jù)上述思路設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，以6135柴油機(jī)為對象，進(jìn)行了工況實(shí)驗(yàn)，故障診斷準(zhǔn)確率高，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)用戶使用效果良好，縮短了售后服務(wù)周期，降低了服務(wù)成本。系統(tǒng)也可用于內(nèi)燃機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控、無人值守等領(lǐng)域，具有一定推廣價(jià)值。

[1] 董大偉.基于曲軸角振動(dòng)診斷內(nèi)燃機(jī)各缸作工狀況的研究[D].西南交通大學(xué),2002．

[2] 曾新,董大偉,向守兵,閆兵.基于AVR單片機(jī)的內(nèi)燃機(jī)曲軸角振動(dòng)診斷儀研制[J].機(jī)械與電子,2007．

[3] Siemens.TC35iHardwareInterfaceDescription[J].2003．

[4] 董大偉,閆兵,譚明達(dá).PC儀器扭振測量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2001．

[5] European Telecommunications Standards Institute.Digital cellular telecommunications system(phase 2+),at command set for GSM mobile equipment(ME)[EB/OL],1999．