石家庄铁道大学毕业设计
基于MCGS的小松挖掘机 电液故障诊断系统软件设计
2012届 机械工程 学院 专 业 测控技术与仪器 学 号 20080829 学生姓名 贺艳 指导教师 高文中
完成日期 2012年 月 日
毕业设计成绩单
学生姓名 贺艳 学号 20080829 班级 机0804 专业 测控技术与仪器 毕业设计（论文）题目 基于MCGS的小松挖掘机电液故障诊断系统软件设计 指导教师姓名 高文中 指导教师职称 正高级工程师 评 定 成 绩 指导教师 评阅人 答辩小组组长 得分 得分 得分
成绩： 院长(主任) 签字： 年 月 日 毕业设计任务书
题 目 学生姓名 贺艳 基于MCGS的小松挖掘机电液故障诊断系统软件设计 学号 20080829 班级 石家庄铁道大学 导师 姓名 机0804 高文中 专业 测控技术与仪器 导师 职称 正高级工程师 承担指导任务单位
一、研究内容 1、研究分析挖掘机电控系统，本设计以日本小松挖掘机PC200-5C为研究对象； 2、设计出基于MCGS的日本小松挖掘机电液故障诊断系统，包括液压系统故障，发动机故障； 3、通过调试处理，完成挖掘机故障诊断软件系统。 二、基本要求 1、通过查阅文献了解小松挖掘机PC200-5C电控系统和液压系统； 2、研究分析挖掘机的各种故障，具体包括油温故障，发动机故障，油压故障等； 3、设计以MCGS为平台的挖掘机故障诊断系统； 4、能在计算机上显示故障诊断系统，包括用户窗口，实时运行策略，实时数据等。 三、主要技术指标 1、用户窗口通过动画显示挖掘机工作动态和故障显示； 2、实时数据库能够实时监测油温，发动机转速和液压油压力等实时数据和历史数据，以及故障出现时的数据； 3、运行策略窗口可以设置软件运行程序，保障整个诊断系统能够有效运行并进行故障诊断； 4、主控窗口可以显示个窗口和程序菜单，方便用户使用。 四、参考文献 [1] 张凤山，张春华．小松挖掘机维修手册[M]．北京：机械工业出版社，2009． [2] 陈新轩，许安. 工程机械状态监测[M]．北京：人民交通出版社，2004． [3] 张凤山，静永臣．小松挖掘机结构与维修[M]．北京：人民邮电出版社，2010． 五、进度计划 第 1周 - 第 3周 调研、查资料、外文翻译、确定研究方法和技术路线，熟悉软件 第 4周 - 第 8周 总体方案设计、系统分析、关键技术研究 第 9周 - 第 12周 软件设计、调试、系统优化 第 13周 - 第 14周 论文撰写，准备答辩 教研室主任签字 时 间 年 月 日 毕业设计开题报告 题 目 基于MCGS的小松挖掘机电液故障诊断系统软件设计 学生姓名 贺艳 学号 20080829 班级 机0804班 专业 测控技术与仪器
一、课题的目的和意义 挖掘机，又称挖掘机械（excavating machinery)，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械机型之一，是现代工程建设中的关键设备。但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性, 势必会出现大量的振动、可靠性等问题, 挖掘机损坏事故也时有发生, 给国家、企业带来巨大的损失。因此挖掘机的维修与故障诊断越来越被企业所重视。 MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。 在现代测量中，MCGS系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。基于MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)的挖掘机电液故障诊断系统可大大提高挖掘机的维修效率。 二、国内外研究现状 （一）现代挖掘机的发展趋势： 从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。机电一体化、机器人化目前已成为工程机械的发展方向。将微电子技术、工业传感技术、实时控制技术和现代化控制理论与机械、液压技术综合运用于工程产品上，可大大提高产品的自动化程度和作业效率；且能耗少，连续作业能力强。 （1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。 （2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。 （3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。 （4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。 （5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。 （6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。 （7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。 （8）更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。 （二）挖掘机故障诊断的国内外研究现状与发展： 就挖掘机故障诊断这一科学来说，重点在于研究故障诊断的方法。故障诊断过程由于其复杂性，不
可能只采用单一的方法，目前挖掘机械的常用诊断技术有以下几种： 1.故障的智能诊断 ：人工智能的目的是使计算机去做原来只有人才能做的智能任务，包括推理、理解、规划、决策、抽象、学习等功能。专家系统是实现人工智能的重要形式，目前已广泛用于诊断、解释、设计、规划、决策等各领域。2. 故障的数学诊断 ：包括基于模式识别诊断方法，基于概率统计的诊断方法，基于模糊数学的诊断方法，基于可靠性分析和故障树分析的诊断方法，以及神经网络、小波变形、分形几何等新发展的数学分支在故障诊断中的应用等等。 常用诊断方法：1.直观法（望闻问切）2.CNC系统的自诊断功能3.数据和状态检查：CNC系统的自诊断不但能在CRT上显示故障报警信息，而且还能以多页“诊断地址”和“诊断数据”的形式提供机床参数和状态信息。4.报警指示灯显示故障：除CRT软报警外，还有许多“硬件”报警指示灯，分布在电源、主轴驱动、伺服驱动I/O装置上，由此可判断故障的原因。5.备板置换法（替代法）：用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板。 MCGS嵌入版应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，MCGS嵌入版包括组态环境和运行环境两部分，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。 使用MCGS嵌入版组态软件能够避开复杂的嵌入版计算机软、硬件问题，而将精力集中于解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。 三、研究内容及拟采用的方法和手段 研究内容： 1、研究分析挖掘机电控系统，本设计以日本小松挖掘机PC200-5C为研究对象； 2、设计出基于MCGS的日本小松挖掘机电液故障诊断系统，包括油温传感器，转速传感器，信号调理电路； 3、通过调试处理，完成挖掘机进行故障诊断软件系统。 研究方法： 1、通过查阅文献了解日本小松挖掘机PC200-5C电控系统； 2、研究分析挖掘机的故障，选取检测所需传感器，如温度，转速，压力传感器等； 3、设计以MCGS为平台的软件故障检测程序； 4、能在计算机上显示诊断系统包括：压力开关、传感器、备用开关、控制面板、实时数据和监控系统等； 关键技术：MCGS软件的编程及菜单栏的创建 四、预期成果 1、提交挖掘机故障诊断系统软件系统；
2、提交软件设计说明书； 3、完成实验平台上的故障诊断试验。 五、工作进度计划 第1-2周：调研、查资料、熟悉软件；（论文综述，会使用MCGS软件） 第3周：外文翻译、确定研究方法和技术路线 第4-6周：总体方案设计、系统分析 第7-8周：关键技术研究（MCGS菜单、及编程） 第9-11周：软件设计（MCGS编程） 第12周：调试、系统优化（通过调试系统看是否能满足预期结果） 第13-14周：论文撰写，准备答辩 指导教师签字 时间 年 月 日
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第1章 绪论
1.1 挖掘机故障诊断系统研究的意义
挖掘机，又称挖掘机械（excavating machinery)，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械机型之一，是现代工程建设中的关键设备。但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性, 势必会出现大量的振动、可靠性等问题, 挖掘机损坏事故也时有发生, 给国家、企业带来巨大的损失。因此挖掘机的维修与故障诊断越来越被企业所重视。在现代测量中，MCGS系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。基于MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)的挖掘机电液故障诊断系统可大大提高挖掘机的维修效率。
加强和开展对挖掘机运行状态的研究，具有以下重要意义:
(1)可早期报警，以便采取措施，减少和避免故障扩大和机器损坏。提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降到最低。
(2)及时检测确诊，正确维修，以减少维修时间，提高维修质量，节约维修费用，应使重要的设备能按其状态进行维修（即视情维修或预知维修），随时掌握设备性能的发展变化情况，并逐步实现定期强迫维修制度向预知维修转变。
(3)取得设备寿命周期的大量数据，可充分了解设备性能，保证设备发挥最大的能力，制订合理的检测维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。
(4)作为一种科学的设备管理思想，它比传统的设备管理与维修更有效、更科学，大大提高了设备运行的可靠性、利用率及寿命，同时又大大降低了设备的维护费用，是一种更加积极、主动的设备管理新理念。
1.2 国内外发展动态
1.2.1 现代挖掘机的发展趋势
从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用
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化和自动化的方向发展。机电一体化、机器人化目前已成为工程机械的发展方向。将微电子技术、工业传感技术、实时控制技术和现代化控制理论与机械、液压技术综合运用于工程产品上，可大大提高产品的自动化程度和作业效率；且能耗少，连续作业能力强。
(1)开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25 m3以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅0.01 m3。
(2)迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好前提。
(3)重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。 (4)更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。
(5)加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。
(6)进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。
(7)迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。
(8)更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。
1.2.2 挖掘机故障诊断技术的国内外研究现状
挖掘机的故障诊断技术与传统挖掘机有着较大的区别, 需采用更为先进的故障诊断技术, 及时在线监测和诊断挖掘机的故障。随着集成电路和计算机性能／价格比的提高，近年来，国外已将一些新的概念和方法引入到诊断领域，使诊断技术上升到一个新的更高的阶段，这些新的诊断技术主要有：通讯诊断、自修复系统、具有入工智能功能的专家故障诊断系统、基于因特网的远程故障诊断系统、人工神经元网络(ANN)诊断等。
随着电子测量、信号处理、传感器、计算机等技术的发展，目前国内科研单位研究开发了一些针对不同应用场合的监测诊断系统。因特网的普及和局域网建设，为故障诊断技术的发展带来了新的思路与前景，将因特网计算机地用技术与故障诊断技术相结合，可构造一种全新的故障诊断系统，即基于因特网的远程故障诊断系统
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(Internet—based Remote Diagnosis System IRDS )。如，美国斯坦福大学和麻省理工学院已合作开发了基于因持网的下一代远程诊断示范系统。美国的DM2000系统和PDS系统都是基于网络环境，能同时对多台设备进行在线监测和智能诊断多种典型故障，具有远程通讯能力，能对企业的管理和控制系统联网通信，使企业不同部门都能同时获取设备运行状态信息，也能对不同地区、不同企业的设备进行监测和故障诊断等。在国内．西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学等已进行工业领域的远程诊断研究工作．并取得了初步成果；华中理工大学也于1997年初开始了前期研究工作，并在因特网上设立了—个远程诊断宣传站点，介绍远程诊断技术，以实验室的方式向用户提供远程诊断服务。
1.3 关键技术与技术难点
1.4 研究内容与方法
1.4.1 研究内容
(1)研究分析挖掘机电控系统，本设计以日本小松挖掘机PC200-5C为研究对象； (2)设计出基于MCGS的日本小松挖掘机电液故障诊断系统，对于不同的故障特征信号选取适合的传感器类型；对信号调理和数据采集设备进行分析比较，构建适合挖掘机故障诊断且便于携带、易于扩展的硬件系统。包括油温传感器，转速传感器，接口电路，信号调理电路，抗干扰电路等。
(3)采用有效地信号分析方法提取故障信息特征，找出故障诊断的判据，即建立故障和诊断信号之间的对应关系。
1.4.2 研究方法
(1)通过查阅文献了解小松挖掘机PC200-5C电控系统；
(2)研究分析挖掘机的各种故障，包括油温故障，行走故障，油压故障，监视器故障等，选取检测所需传感器。
(3)采用中泰板卡，设计以MCGS为平台的硬件检测系统。
(4)诊断电路为：启动/停车电路、电源电路、充电电路、压力开关、自动油门、比例阀、行走、回转、备用开关、控制面板和监视器等电路。
(5)选用适当的传感器，例如：温度传感器、速度传感器、压力传感器等；设计信号滤波电路电路图，对传感器采集的信号进行滤波处理；设计信号放大电路电路图，对微弱的信号进行放大处理，方便识别控制系统进行识别；设计信号抗干扰电路电路图，防止对输入输出信号产生干扰。
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第2章 主要技术指标及设计功能
2.1 技术指标 2.2 主要实现功能 2.3 预期达到成果形式
第3章 总体设计方案
3.1 设计思想 3.2 技术路线 3.3 设计原理 3.1 总体方案框图
电动机 转速传感器 信号变换电路 油箱 温度传感器 信号调理电路 计算机
液压系统 液压传感器 低通滤波器 中泰板卡 第4章 理论计算 第5章 硬件设计 第6章 系统调试 第7章 创新技术点 第8章 技术经济分析 第9章 推广运用前景
第10章 结论
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