基于PC104总线的故障诊断装置的设计

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摘要：为了解决某装置故障诊断的难题，提出了一种基于PC104总线的便携式故障诊断装置的设计方案。分析了采用模块化结构设计的硬件，介绍了利用多媒体技术实现的专家系统。该装置也可为其它大型机电设备进行故障诊断提供参考。

    关键词：故障诊断 专家系统

某装置是集机、电、液一体化的大型复杂设备。该设备由计算机通过继电器控制电磁阀的闭合，进而控制液压系统，完成装置的调平、起竖、回收等功能；由温控系统控制发射筒内部温度，使其保持在一定范围内。整个系统逻辑关系复杂，信号路数繁多，使用中一旦出现故障，对其故障的定位和排队都十分困难。针对这种情况，研制了该设备的故障诊断装置，实现了对其不解体便能快速定位故障，并且采用专家系统与多媒体相结合的方式指导普通操作人员进行故障排除。还可将本装置接入网络，实现使用部队与院校或研究所之间的在线信息交流，充分发挥领域专家作用，进行故障的定位的排除。

图1

1 系统硬件组成主工作原理

本装置采用基于PC104总线的箱体式翻盖机械机构。按照实现功能的不同，该装置的硬件可分为两大部分：诊断调校部分及装置本身的温控部分。系统的硬件原理图如图1所示。其中，CZ1～CZ8为与设备相连的插座：CZ1用来检测电缆短路和断咱故障；CZ2、CZ3主要用来检测该装置的工作信号是否正常，或者检测给该装置施加激励信号后响应信号是否正常；CZ5、CZ6与压力传感器相连，对压力传感器供电，并采集压力信号；CZ7用于调校液体摆；CZ8用来转接手控台的电源，将手控台的27V电压引入系统作为诊断的参考地。

1.1 诊断装置的诊断调校部分

诊断装置的诊断调校部分的硬件按照结构与功能的不同可分成三大部分：专用工控机部分、数据采集部分和液体摆调校校准部分。

1.1.1 专用工控机部分

专用工控机部分的主要硬件采用研华公司的产品，经过实验验证各产品间不存在硬件冲突。ECM-3610是一块PC104主板，集成有VIA Eden ESP6000(667 MHz)EBGA低功耗板载CPU、Savage4 AGP 4X显卡的VIA VT8606芯片、AC 97 2.0声卡、两个板载10/100Base-Tx网卡等，可接入网络。

图2

    1.1.2 数据采集部分

为了保持装置的硬件兼容性，外围板卡部分也都采用研华公司的产品。主要有以下三种型号的板卡：PEM-AIO、PCM-3724、PCLD-788。PEM-AIO是一款采用PC104总线结构的A/D数据采集卡，A/D转换最多可接收十六个通道的单端模拟量输入，并将这些模拟输入量转换成12位的数据。它主要用来采集该装置电控、温控系统工作时的控制信号、液压系统传感器输出的压力信号以及液体摆输出的反映不同水平度的电阻信号，并给出具体的值。PCM-3724是基于PC/104总线的48路I/O板，仿真8255 PPI模式为0，输入输出TTL电平。它主要用来控制继电器、继电器板和自制的信号调理模拟电路板并检测电缆故障。PCLD-788提供16路输入通道及1路输出通道。它的16路输入通道与外部信号的输出端相连，1路输出通道与PCM-3724或PEM-AIO控制相应的通道，将待测试的信号输入到A/D数据采集板。装置中共采用两块PCLD-788，通过它们节省了所需的A/D转换通道数。

1.1.3 液体摆调校部分

该部分主要由信号调理模拟电路板、A/D数据采集板、插座和液体摆组成，用来调校液体摆。其调校原理如图2所示。信号调理模拟电路板发出1kHz的方波信号，经CZ7施加到的液体摆的输入端，液体摆反馈输出的信号经信号调理模拟电路板滤波、跟随、比较放大后送到A/D板的输入端，根据A/D采集到的结果对液体摆实现精确校准。

1.2 诊断装置的温控部分

诊断装置本身的温度控制部分包括一个单片机、两个温度传感器、四个散热风扇、六路继电器以及特制的加热电阻丝。其工作原理比较简单，其实就是一个由单片机控制的加温和散热系统：当温度低于0℃时，单片机控制继电器接通电阻丝加热电路；当温度高于15℃时，单片机控制继电器接通散热风扇。

图3

2 系统软件

故障诊断装置的软件设计是基于Windows98操作系统的，采用可视化编程软件Visual Basic6.0作为基本的编程环境，将自动测试技术和专家系统结合起来，建立了一个电控、温控及液压系统的故障诊断专家系统。

此专家系统主要由推理机、知识库、知识库管理系统、知识获取系统、动态数据库、汇总数据库、多媒体数据库、人机接口、解释模块等组成。各模块的关系如图3所示。其中，推理机是专家系统的“思维”机构，是构成整个系统的核心部分。推理机的任务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。本系统知识库主要包括经常出现的故障现象、引起每个故障发生的原因、各种原因引起该故障的可能性大小的经验数据、判断每一故障是否发生的一些充分及必要条件。知识获取系统和知识库管理系统的主要作用是建立和维护知识库，并能根据运行的中间结果及知识获取程序结构及时地修改和增删知识库，对知识库进行一致性检验。动态数据库主要用来记录系统推理过程中用到的控制信息、中间假设及中间结果。多媒体数据库存储了大量用于诊断中维修操作的指导性资料。汇总数据库用来存放诊断的最终结果等一些总结性材料。人机接口是人与系统进行信息交流的媒介，它为用户提供直观方便的交流手段。解释模块经人机接口向使用、维护人员提供诊断结果，给出必要解释，为用户了解推理过程以及系统的维护提供方便的手段。
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    这部分程序的特点主要体现在：以多媒体和图像的形式显示故障、定位故障及指导人员排除故障，取代了传统的以文字为主的专家系统界面，使故障诊断更加直观、形象、准确。程序的流程图如图4所示。

该装置操作简便、灵活机动、便于携带、适应性强，特别适合野外作业条件下的快速故障诊断及排除；同时具有联网功能，通过网络可实现使用部队与院校或研究所的在线信息交流。实验证明该诊断装置很好地解决了某装置故障诊断与排队的难题，对于其它大型机电设备的故障诊断也具有可借鉴的参考价值。