状态监测装置在液压挖掘机上的应用

国外的挖掘机如日本小松、美国卡特等都有各自风格的监控装置，不仅具有显示功能，还具有提高发动机功率利用率以及故障自诊断功能。而国内生产的挖掘机多处于起步阶段，工作参数采用仪表显示，智能化程度不高。为徐州矿山机械厂生产的挖掘机配套的状态监测装置，是以美国卡特320B挖掘机为蓝本，经过改进而综合设计的一套适合国产挖掘机的监控装置。

1、系统功能分析

在液压挖掘机上应用状态监测技术，可以实现检测机器运行的状态，并可显示其状态参数，通过对状态参数的相关数据进行自动分析、诊断，进而确定其整体或局部是否正常，以便早期发现故障，查明原因和掌握故障发展的趋势，大大缩短其故障停机时间，提高挖掘机的经济效益，也为进一步的自动控制打下基础。监测装置的结构框图如图1所示。

(1)数据采集功能。

在挖掘机各部分安装的传感器用来检测发动机、液压系统等装置的工作状态。该装置有8路模拟量传感器输入通道，有10路开关量传感器输入通道。

模拟量输入：发动机水温(热敏电阻)、液压油温(热敏电阻)、柴油油位(浮子、滑线电阻)、充电电压(发电机输出电压)、机油压力(压力传感器)等。

开关量输入：电瓶充电指示、机油油压、空气滤清器污染检测、发动机水位、机油液位、液压油位、预热提示、液压油滤清器污染检测、制动压力、齿轮箱温度等。

(2)数据处理功能。

自动进行采集数据的处理，包括清除误差、曲线拟合等，并生成数据文件存储起来供二次处理使用。

(3)输出控制功能。

开关量输出：行走高低速切换、车窗玻璃喷水、雨刷、工作灯、风扇、报警蜂鸣器等。

(4)键盘及LCD显示功能。

键盘电路设置8个按键，分别定义为：雨刷开关、车窗玻璃清洗泵开关、工作灯(远、近光)开关、空调开关、蜂鸣器禁止开关、柴油加油机开关、时间设置键，一个备用开关。

LCD显示屏的驱动器采用OKI公司的MSM5265，能够驱动80个液晶显示段(静态)或160个液晶显示段(动态)。设计中使用了80个液晶显示段，分别显示日期、故障代码、发动机水温、液压油位和柴油油位，以及报警图标和案件图标。

2、系统工作原理

系统测试原理如下：将传感器检测到的发动机转速、发动机水温、液压油温、柴油油位、机油压力、行走速度开关等参数值输入微机，进行分析计算，并将实测值与内置的标准值比较，判断液压挖掘机运行状态是否良好，并将异常征兆用发光二极管、闪光报警灯和报警喇叭进行报警，同时将相关数值保存下来传送到上位机进行曲线绘制、趋势分析和打印输出。

2.1模拟量输入电路

由于挖掘机可能会移动到各种电磁环境下工作，如移动通讯、电台的大功率发射天线附近等，而挖掘机上使用的继电器、电磁铁、直流电机等装置在各个线路上会耦合许多干扰信号，为保证测量精确度及系统的可靠运行，在模拟量输入通道上采用了二阶滤波电路，如图2所示。该电路采用的是压控电压源低通滤波电路，由二阶RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其优点是输入阻抗高、输出阻抗低。

在挖掘机使用过程中，会发生模拟量信号线接地或接电源的故障，为了保证在故障情况下不损坏CPU中的A/D转换器，设置A/D转换器保护电路，即在二阶滤波电路的输出电路上，设置一个上拉到5V电源的二极管，使A/D输入的电压不大于5.7V，保证A/D转换器不会损坏。上拉二极管后，设置了一个阻容滤波电路，用来进一步减小A/D输入电压的波动范围，提高检测精度。在A/D转换器读取信号时，需要的电流从滤波电容是取得，避免A/D读入电流时输入电压下降，影响A/D转换精度。

2.2工作参数的显示(报警)原理

当挖掘机某个装置的工作状态发生变化时，相应传感器的输出值也会变化。如随着发动机工作强度的加大，发动机冷却水的温度会逐渐升高，水温传感器的电阻值相应性变化，在温度传感器中有1个标准的电阻与热敏电阻分压，温度的变化就表现为2个串连分压电阻中点电压的变化。该电压值经过二阶滤波，去除输入电压上叠加的干扰杂波后，送入80C196KC的A/D转换器，把模拟信号转变为数字信号，送LCD显示。显示方式有两种：

(1)CPU查询预先存储在程序存储器中的温度传感器的特性曲线表(温度——液晶屏显示格数)，查出屏幕上应该显示的状态，按照串行方式将显示内容传输给LCD驱动芯片，将冷却水的温度显示在LCD屏上。

(2)如果检测的温度不以刻度方式显示，而只有正常或报警两种显示，其信号处理方式是：将经过A/D转换的传感器电压值与报警电压相比较(斯密特式)，如果传感器电压超标，则通过LCD驱动器使屏幕上相应的报警信号闪烁。

开关量信号经过滤波与光电耦合电路，送入单片机，当单片机检测到输入电压处于非正常状态时，则使屏幕上相应的报警信号闪烁。

2.3输出信号处理电路

单片机根据流程执行不同的处理子程序，子程序运行结果改变单片机相应输出引脚的状态。输出信号处理电路的作用是联系协调单片机和执行器，虽然单片机的输出口电路有较强的驱动能力，但为了确保CPU不发热、运行可靠，设计中采用了外部器件做大功率驱动。继电器状态锁存器选用74HC273，确保CPU由于某种原因被看门狗MAX705重新启动时，不会影响工作继电器的状态。驱动器选用ULN2003，由7路达林顿放大电路集成在一起，驱动能力可达500mA，耐压55V，并且可与74HC系列直接相连。

2.4抗干扰处理

由于干扰主要通过电磁干扰、供电系统干扰与过程通道干扰6条渠道窜入系统，系统在设计时将模拟信号和数字信号的地线分离，采用双线制输入方式：对于高频电路，采用就近多点接地的方法处理，而低频电路采用一点接地;同时，考虑到电源问题，对输入端进行反接保护处理，对高压瞬态脉冲信号进行隔离。

3、系统软件设计

根据结构化设计的思想，将系统软件程序的按照各子程序完成的功能划分为主程序、参数测试程序、显示程序、报警程序等。图3和图4分别给出主程序流程和测试各特征参数模块流程，主程序的主要功能是完成系统上电之后的初始化以及和子程序的调用工作，特征参数测试模块主要完成模拟量和开关量的采集工作。

该装置经徐州矿山机械厂实际投产应用证明，可集中显示工作参数，减少了各种显示仪表，精简了系统;较好地保证了各部分协调工作，提高了发动机的功率利用率;能够及时、准确地显示故障类型，节约了维修人力和物力。经过几年的运用，取得了良好的经济效益。