集中润滑系统智能故障诊断研究与实现

余建坤+余家宇

摘 要：本文以集中润滑系统为研究对象，探讨了利用嵌入式计算机技术来实现故障智能诊断与处理的途径和方法，并以SOPC为核心，利用检测传感电路、执行电路和输入输出电路，实现集中润滑系统故障的智能诊断与处理，该系统和智能润滑控制系统可以有机统一，保证润滑系统正常运行，减少维修工作量，降低设备运行成本，保障安全，保护环境，保证作业质量。对类似产品的研制，具有一定参考价值。

关键词：SOPC；智能控制；润滑控制系统

1 引言

集中润滑系统避免了人工加注时的各种缺点，能够按照预先设定的策略实现自动加注润滑剂到各润滑点，使各润滑点时刻保持良好的润滑状态，且在润滑全过程中零污染，得到了越来越广泛的应用。但集中自动润滑系统技术先进，维护管理比较复杂，现场处理也有一定难度，一旦出现故障，就会造成整个润滑系统瘫痪，造成设备损坏、停产，因此如何对集中润滑系统故障实现快速诊断和处理，是集中润滑系统的难点之一。

计算机在线故障诊断技术，在各行各业中都得到广泛应用，本文研究集中润滑系统智能故障诊断，就是利用集中润滑控制系统中各传感检测信号，通过计算机处理，对润滑系统进行适当的控制、处理和报警，并将故障状态记忆和显示出来，帮助快速恢复设备正常运行。

SOPC结合了SOC和PLD的优点，笔者利用它实现了机械润滑系统的智能控制，SOPC嵌入了微型计算机，因此也可以利用其实现在线故障诊断，并且可以和控制系统集成在一起，能根据用户要求定制，是个性化、过程化、精细化、准确化的多品种小批量产品的不二选择。

2 集中润滑系统组成及故障诊断技术原理

集中润滑系统一般由油箱、油泵、过滤器、冷却器、加热器、各种阀（包括安全阀、单通阀、双通阀等）、检测保护装置（油标、液位控制器、油流指示器、给油指示器、温度测量装置、油压检测装置等）及自动润滑控制系统组成。其中任何一个组成部分出现故障，都有可能引起集中润滑系统故障。

故障分析方法，常用的有FTA、FMEA、FMECA，FTA（Fault Tree Analysis，故障树分析）是通过故障现象分析故障原因的方法，FMEA（Fault Model Effect Analysis，故障模式影响分析）是在队故障出现后的影响进行分析，而FMECA在FMEA的基础上吧，增加了严重度分析。故障诊断，必须建立在对系统故障分析的基础上，为了做出合理的处理措施，本研究建立在FMECA的基础上。

故障自动诊断，通常分两部完成：首先是生成数据，即预先建立被诊断的对象故障模型，编制故障字典，然后输入测量数据，进行对比，给出诊断结果。故障自动诊断，现在常用计算机完成。诊断离不开测试数据和故障定位数据，集中润滑系统自动诊断更强调实时性，随着集中润滑系统规模增大，要求数据生成技术既能使诊断数据有较高的测试效率，又能尽量减少生成方法的计算复杂性，提高诊断实时性，当然，更完美的方法是采用硬件实现，SOC或SOPC是个不错的选择。

故障自动处理，通常根据故障模式和严重程度，利用控制系统采取相应措施，完成自动处理，集中润滑系统故障处理，也要求实时处理。集中润滑系统故障处理方法常见的有：停止主机运行、启用备用供油泵、增加油温、报警、显示故障和故障部位等。处理措施是根据故障严重程度自动执行的，比如，润滑系统已不起作用，为了保护设备，不能启动主机，运行中必须先停止主机运行，而如果只是润滑油位传感器检测到油位低于安全运行位，就只需发出声光报警，同时显示缺油。

3 系统硬件设计

3.1 计算机选择

计算机在线故障诊断，顾名思义，是必须用到计算机的，可以选用PC机、嵌入式系统、单片机，各有优缺点，但其实最好的选择是使用SOC，也就是专用芯片，或者SOPC，也就是可编程的SOC。但SOC不是一般情况下能采用的，必须是大规模生产才能考虑。本系统采用市面上易于获得的SOPC芯片。

3.2 SOPC选择及资源分配

考虑到与智能机械润滑系统集成，本设计选用低成本、低功耗的Cyclone系列FPGA芯片- CycloneIII EP3C55F484，内含55865个LCs，具有260万BIT内嵌RAM容量，4个锁相环（2KHZ-1300MHZ），484个IO引脚。可嵌入一个8051单片机系统、8088 IBM 计算机系统，或一个 32 位 Nios2 嵌入式处理器核及其整个应用系统（包括RAM/ROM 等），从而构成一个功能完备的单芯片式嵌入式系统。

确定芯片之后，接下来是芯片资源分配。本设计选用EP3C55F484内含的全兼容工业级8051核，其主频最高可达250MHz，配备内置的锁相环、数据RAM、程序ROM、接口模块、通信模块、显示控制模块、数据采样和信号发生模块等等，构成SOC系统。

3 系统软件设计

3.1 CPU核的定义和单片机最小系统实现

EP3C55F484的8051核是一个软核，名称为CPU8051V1，由VQM源码表述，文件名为CPU8051V1.VQM，在使用时，采用例化方式直接调用，配置260万BIT内嵌RAM和最大64KB的程序ROM。

3.2外部硬件驱动程序和应用程序设计

外部硬件通过各类接口连接到8051V1，使用时都必须有驱动程序，完成硬件初始化和硬件释放、数据输入输出和故障处理。限于篇幅，驱动程序的编写不作详细介绍。

应用程序的设计，主要包括：

（1）主程序设计

由于单片机是顺序执行的，编写主程序首先需要做的是对有关变量初始化，然后启动优先级最高的任务控制块，然后再启动其它任务内核。

（2）中断程序设计

在中断服务程序中，主要是中断向量表的调用和处理。

（3）子程序设计

应用程序设计，主要就是各个任务的编程，为了编程和调试方便，整个程序按任务划分成多个子程序。限于篇幅，不再赘述。

4 结论

本研究以EP3C55F484为核心，辅以检测电路，主机控制电路、备用油泵控制电路和声光报警电路，完成了集中润滑系统的智能故障诊断，能和控制系统集成在一起，抗干扰、成本低、体积小、易于扩展和升级，是传统机械润滑控制系统改造和智能润滑控制系统故障诊断的一个不错的选擇，对类似机电产品的开发，也有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 陈阳、余建坤.基于ARM+μC/OS-Ⅱ智能机械润滑控制系统设计[J]. 数字技术与应用，2014.4.

[2] 余建坤、余家宇. 基于SOPC的智能机械润滑控制系统的设计.

基金项目：湖南省教育厅科研课题07C681；湖南省高校科技创新团队支持计划。

作者简介：

余建坤（1966-），男，湖南娄底人，副教授，研究生毕业，硕士，研究方向：机电一体化、电子信息工程。