某型装备健康监测系统设计

潘 凡， 须 麒， 任俊宏

（1.陆军工程大学， 江苏 南京 210007； 2.钟山职业技术学院， 江苏 南京 210049）

引言

某型桥梁装备在保障军队机动能力方面起着不可替代的作用。由于现代战争所具有的突发性、局部性和高破坏性等特点，对军用桥梁等机动保障装备的机动性、功能多样性、执行任务的时效性与灵活性，以及结构的模块化、信息化、集成化、通用化等方面提出了更高的要求。上述多种因素使得当前桥梁装备的机、电、液、气和信息一体化程度日益增强，车辆总线技术、嵌入式技术、数据采集技术、智能化信息技术等在桥梁装备上得到了广泛应用，极大地提高了桥梁装备的保障能力，但也导致桥梁结构原理复杂，维修、训练和保障的难度增大[1-3]。

本文综合采用传感器、数据处理、模式识别和决策支持等先进技术，对桥梁装备实施状态监测与健康管理，监控重型支援桥的实时健康状态，同时可根据系统以前、现在的状态，预测装备的未来健康状态，根据预测结果进行必要的事前维护和精确保障，采用“基于状态的维修”和“预知维修”将故障消灭在萌芽状态，缩短装备任务准备、维修保障时间，提高战备完好率，满足实战化维修保障要求。

1 某装备液压和电气系统故障分析

某型装备由底盘、桥梁系统、架设系统、通信指挥系统和附属设备等组成，通信指挥系统与底盘车电系统、架设控制系统一起，构成轮式冲击桥综合电子信息系统，三者由CAN 总线互联实现数据共享与交流。本课题主要研究该装备上装部分健康参数的监测及自主式维修保障系统，即桥梁系统和架设系统，其中桥梁系统由桥跨和展桥机构组成，架设系统包含架设机构（舌形臂、翻转架）、液压系统和控制系统等。由于机械构件的健康监测与维修保障相对较简单，不作为主要研究内容，本文以架设系统中的液压系统和控制系统（含相关的底盘车电系统）作为主要研究对象，对其工作原理、故障特点、参数监测方法与自主式维修保障技术等进行分析，为整机健康管理和维修保障，以及其他工程装备的健康监测与自主式维修保障提供技术基础。

1.1 液压系统的故障模式与故障机理

该装备架设液压系统以其柱塞式液压泵为能源，以架设控制系统的控制电信号为控制指令，通过CAN 控制总线将信号传输至阀组控制箱，经处理变换后输出PWM信号至多路换向阀，由其将电信号转换为液压信号，利用液压执行机构（液压油缸）来驱动负载。其工作原理如图1 所示。

图1 电液系统工作原理

架设液压系统由控制元件（多路负载敏感换向阀）、液压执行元件（转臂油缸、展桥油缸、转架油缸、支腿油缸等）、位置和压力测量元件（压力传感器、位移传感器）组成。液压系统常见故障有电控部分短路、断路、参数漂移等造成的电路故障，也有因控制阀卡滞、堵塞，液压缸磨损、泄漏、卡死等造成的机械故障。另外，据数据统计，液压系统中因油液污染造成的系统失效占70%以上，因磨损故障造成的系统失效占20%。由于污染失效难以实时监测，并且油液污染常常直接造成多路阀或执行元件（液压缸等）卡死，因此在故障检测时除定期检测油液污染度之外，还可通过检测液压阀和执行元件的状态来实现油液污染的诊断，而液压系统的磨损可以通过检测泄漏实现故障诊断。

1.2 电气系统的故障模式与故障机理

由于该桥梁装备内部不仅同一系统的不同部分之间互相关联、紧密结合，而且不同系统或总成间也存在着紧密的联系，在运行过程中形成一个整体。在桥梁装备中，导致故障的各种因素相互交叉，时刻影响着装备的安全运行。有时一个传感器、一个ASIC 芯片或系统本身的微小故障，甚至一些偶然因素影响就会导致整个装备性能恶化，造成较严重的后果。对桥梁装备电气电子设备的故障模式进行分析是实现桥梁装备电气系统故障检测和诊断的前提。

桥梁装备常用电子元器件的失效模式大致可分为六类，即开路、短路、丧失功能、特性劣化、重测合格率低和结构不良等。常见的导致失效的原因有烧毁、管壳漏气、管脚腐蚀或折断、芯片表面内涂树脂裂缝、芯片黏接不良、键合点不牢或腐蚀芯片表面铝腐蚀、铝膜伤痕、光刻/氧化层缺陷、漏电流大、阈值电压漂移等[4]。

2 基于物联网技术的架设系统PHM 监测系统设计

2.1 总体结构设计

该装备架设系统PHM监测系统主要由架设液压系统、电控系统和液压泵振动测试系统等的PHM监测系统组成，其体系结构如图2 所示。

图2 架设系统PHM 监测系统总体结构

2.2 网络系统组态

2.2.1 无线路由器的选型

选用普联技术有限公司的TP-LINK 系列450 Mbit/s 无线路由器，其采用高规格的3 个数据流并发、3×3 MIMO 架构，3 个数据流通过3 根天线同时进行收发，能够大幅提升无线性能，同时提高信号强度，增大覆盖范围，增强连接稳定性。

2.2.2 串口Wi-Fi 转换模块的选型

架设液压系统状态参数监测传感器均选用了RS485 协议输出信号的传感器，因此传感器的RS485信号需转换为Wi-Fi 信号，才能传送至上位机进行处理。本课题选用了湖北宇联通信技术有限公司开发的RS232/RS485 to RJ45&Wi-Fi 数据转换器数据传输模块。

2.2.3 TCP Client 模式

数据转换模块Wi-Fi232S 在TCP 模式下，上电后根据自己的设置主动连接到TCP server 服务器端，然后建立一个长连接，之后的数据进行透明传输。此模式下，TCP server 的IP 需要对串口服务器可见，可见的意思是通过模块所在的IP 可以直接PING 通服务器IP，服务器端可以是互联网的固定IP，也可以是和模块同一个局域网的内网IP。图3 为Wi-Fi232S 的TCP Clinent 配置工作原理图。从图3 可以看出，在TCP Clinet 模式下，Wi-Fi232S 将串口设备（如流量传感器）输出的RS485 协议串口信号转换为Wi-Fi 无线信号，传送到数据采集控制器或维修中心的服务器等，而控制信息是反向传递的，数据采集控制器等终端设备通过Wi-Fi 信号下传至转换模块中。

图3 TCP Client 模式工作原理

3 监测系统软件开发

系统软件利用LabVIEW 语言开发，共分为三个主要模块，即液压泵健康监测与故障诊断模块、液压系统健康监测与故障诊断模块和电控系统健康监测与故障诊断模块[5]。本文以液压泵健康监测模块的设计为例进行阐述。

3.1 界面设计

该模块的功能是以示波器的形式显示传感器采集到的液压泵纵向和横向的振动数据、回油流量数据和污染颗粒数据等。液压泵健康监测的主界面显示区域分为四大块，分别为污染颗粒计数器、压力显示（液压泵入口压力、出口压力和滤油器的压差信号）、流量显示（回油流量和出口流量）、温度显示（液压油管路温度、油泵的出口液压油温度和液压泵的表面温度）。

3.2 颗粒计数传感器数据采集程序的开发

3.2.1 通信协议

LWL-5 在线油液颗粒计数器信号采用Modbus RTU 模式输出，支持Modbus 的功能码。传感器系统设置了参数寄存器，测试数据寄存器及仪器操作寄存器，以满足共通信功能。使用Modbus 通信规约的功能码03（读取单个或多个保持寄存器数据）、功能码06（设置单个保持寄存器）、功能码16（设置多个保持寄存器）、功能码05（写单个线圈寄存器）及功能码04（读取输入寄存器），即可与传感器系统正常交互。

3.2.2 程序框图（Block Diagram）开发

颗粒污染计数传感器系统数据采集程序采用LabVIEW 语言开发[6]，其框图程序如图4 所示。程序主要分为建立TCP 连接、向TCP 地址端口写入测试指令、读取TCP 地址端口数据和关闭TCP 资源等部分。

图4 颗粒污染计数传感器数据采集框图程序

4 结语

本文基于Wi-Fi 无线通信原理、RS485 总线Modbus RTU 通信协议、CAN 总线通信原理和武器装备健康管理PHM 技术，构建了某型装备架设系统PHM 监测与故障诊断和自主式维修保障硬件系统，完成了传感器选型、信号转换模块选型与配置、软件开发和硬软件集成等。该系统可在线监测装备架设液压、电控系统的工作状态，实时采集、存储和传输架设系统状态参数，实现对液压系统故障状态的实时监控和预测报警，诊断电控系统各个控制单元（节点）的故障状态和传感器的开路、短路故障状态，为桥梁装备的维修保障、作战行动、演训活动等提供自主式维修保障方案和事故预警，提高桥梁装备的作战保障能力和后勤保障水平。