STRUCTURE OF DIAGNOSTIC SYSTEM FOR WHEELED TRACTOR

STRUCTURE OF DIAGNOSTIC SYSTEM FOR WHEELED TRACTOR

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
3(89)/2012
Ryszard Arendt1, Ryszard Michalski2
STRUKTURA SYSTEMU DIAGNOSTYCZNEGO CIĄGNIKA KOŁOWEGO
1. Wstęp
Wymagania ekologiczne wpłynęły na obowiązkowe wyposażenie samochodów i
innych pojazdów w urządzenia monitorujące proces spalania. Przyjęte regulacje prawne
zobowiązały producentów pojazdów, do wyposażenia samochodów w rozbudowane
systemy diagnostyki pokładowej, nazwane w zależności od regionu wprowadzenia:
OBD II (USA), EOBD (Wspólnota Europejska), JOBD (Japonia). System OBD (On
Board Diagnostics) definiuje zestaw procedur diagnostycznych pozwalających możliwie
wcześnie wykrywać usterki mogące mieć wpływ na emisję toksycznych związków w
spalinach [5].
W chwili obecnej problem diagnostyki ciągników kołowych sprowadza się do
okresowej kontroli na stacjonarnych stanowiskach diagnostycznych w stacjach kontroli
pojazdów. W trakcie użytkowania monitorowane są tylko niektóre parametry
funkcjonalne ciągnika. Stosowane na nielicznych typach ciągników systemy diagnostyki
pokładowej zaimplementowane są na komputerach sterujących proces wtrysku paliwa.
Diagnostyka w tym przypadku jest jedynie dodatkowym procesem absorbującym wolne
moce obliczeniowe komputera, z wykorzystaniem czujników użytych do sterowania
procesu spalania paliwa [9]. Można stwierdzić, że diagnostyka ciągnika ograniczona jest
jedynie do kontroli działania systemu elektroniki (łatwy pomiar sygnałów), pomijając
możliwe mechaniczne przyczyny niewłaściwej pracy ciągnika [7].
Ciągnik kołowy realizuje wiele funkcji użytkowych w zależności od
zapotrzebowania. Prowadzona diagnostyka powinna obejmować ocenę:
jakości realizacji funkcji w zadaniach transportowych i operacyjnych,
parametrów efektywności pracy,
bezpieczeństwa w ruchu drogowym i polowym,
emisyjności spalin w trakcie użytkowania.
Tworzony model mechatronicznego systemu diagnostycznego ciągnika kołowego
ukierunkowany jest na monitorowanie i diagnozowanie, sprowadzone do kontroli stanu
technicznego i lokalizacji elementów uszkodzonych ciągnika w trakcie eksploatacji.
Założono możliwość wykrywania i lokalizowania uszkodzeń podzielonych na klasy
związane z następującymi skutkami:
funkcjonalnymi (uf) powodującymi ograniczenie efektywności pracy (mocy,
momentu, siły uciągu, prędkości roboczej, zużycia paliwa);
emisyjnymi (ue) wywołującymi wzrost emisji związków toksycznych i zużycia
paliwa, spowodowane niezdatnością elementów układu zasilania, układu
spalania silnika i zespołów przekazania napędu;
1
2
dr hab. inż. Ryszard Arendt, adiunkt Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej
prof. dr hab. inż. Ryszard Michalski, profesor Wydziału Nauk Technicznych w Uniwersytecie
Warmińsko-Mazurskim
5
zagrażającymi bezpieczeństwu ruchu (us) ciągnika, występującymi w takich
układach jak: hamulcowy, zawieszenia, kierowniczy lub oświetlenia;
pogarszającymi dynamikę (ud), mającymi wpływ na parametry takie jak:
zmniejszenie przyspieszenia, opóźnienie reakcji na zmianę ruchu,
nierównomierność lub znaczny spadek mocy, momentu siły napędowej itp.
W artykule przedstawiono przyjęte założenia, strukturę systemu mechatronicznego
oraz wstępną organizację stosowanego programu diagnostycznego. Praca jest
realizowana w ramach programu badawczego Nr N N504 513740 Ministra Nauki i
Szkolnictwa Wyższego.
2. Pomiary parametrów ciągnika kołowego
Tworzony model mechatronicznego systemu diagnostycznego ciągnika kołowego
ma być bazą dla dalszych prototypów urządzeń testujących. Na obecnym etapie badań
przyjęto następujące założenia dotyczące pomiarów parametrów ciągnika kołowego:
istotnym elementem ciągnika jest wysokoprężny silnik spalinowy, jego praca
powinna być monitorowana przez system diagnostyczny;
ważnym elementem ciągnika jest układ napędowy (przenoszenia napędu);
należy uwzględnić szereg podzespołów (elementów) ciągnika wpływających
bezpośrednio na bezpieczeństwo ruchu.
Przy pomiarach wysokoprężnego silnika spalinowego przyjęto pomiary:
- temperatury: związane z płynem chłodzącym, olejem smarowania i wybranymi
punktami silnika;
- temperatury gazów wylotowych poszczególnych cylindrów;
- poziomu oleju w silnika;
- ciśnienia oleju w silniku;
- podciśnienia w układzie dolotowym do turbosprężarki;
- przyspieszeń korpusu silnika, w celu analizy drgań silnika;
- napięć sterujących zawory wtryskiwaczy w układzie CommonRail.
Przy pomiarach związanych z przenoszeniem napędu mierzone są prędkości
obrotowe poszczególnych wałów ωi (rys. 1). Dodatkowo określany jest kąt położenia
wału silnika φ.
Przy pomiarach parametrów ciągnika kołowego wpływających na bezpieczeństwo
ruchu uwzględniono:
- luzy w parach kinematycznych układu kierowniczego (pomiar kąta obrotu wału
kierownicy);
- ciśnienie powietrza w poszczególnych kołach;
- zużycie okładzin ciernych hamulców pojazdu (czujniki odległości);
- przepływ prądu i obecność napięcia, diagnozujące pracę reflektorów, wycieraczek
i innych urządzeń elektrycznych;
- wychylenie pojazdu w osiach X-Y (inklinometr);
- poziom i ciśnienie płynu hamulcowego.
6
ω7
Zwolnica
koła
prawego
Sprzęgło
ω1 ω2
Silnik
ω3
ω4
Reduktor
Skrzynia
przekładniowa
φ
Wał
odbioru
mocy
ω5
Przekładnia
główna z
mechanizmem
różnicowym
ω6
Zwolnica
koła
lewego
ω8
Rys. 1. Pomiary układu napędowego ciągnika kołowego
3. Struktura części hardwarowej systemu diagnostycznego
Podstawowym elementem systemu diagnostycznego (rys. 2) jest komputer
pokładowy, z ekranem dotykowym, chłodzeniem pasywnym w wykonaniu odpornym na
drgania i wstrząsy. Komputer połączony jest łączem USB z konwerterem protokołu USB
na DeviceNet (rozszerzony protokół CAN), pracującym jako master. Sieć CAN łączy
konwerter z trzema modułami akwizycji danych (moduły slave) z wybranych punktów
ciągnika kołowego. Każdy z modułów rozróżniany jest przez adres ID i pracuje w
swoim trybie obsługi danych. Moduł wyposażony jest w cztery karty pomiarowe wejść
(wyjść), dobrane stosownie do zakresów i typów mierzonych sygnałów [1]. Prędkość
przesyłania danych w sieci CAN jest duża i wynosi 500kb/s.
I moduł wejść pracuje z największą prędkością zbierania danych i obsługuje
czujniki związane z pomiarami dynamicznymi prędkości obrotowych (impulsowe
czujniki typu „pick up”) oraz czujnikami przyspieszeń, które umożliwią diagnostykę
wibracyjną ciągnika. Moduł zbiera również dane opisujące chwilowe położenie wału
silnika i napięcia sterujące zawory wtryskiwaczy w systemie CommonRail.
II moduł wejść/wyjść ma wolną (średnią) prędkość zbierania danych. Zbiera
pomiary z ciągnika obejmujące: ciśnienia, poziomy płynów w zbiornikach, wartości
napięć i prądów. Jedna z czterech kart modułu została przeznaczona do sterowania
elementami wykonawczymi ciągnika przy realizacji zadanych programów testów i w
stanach awaryjnych.
III moduł wejść ma niedużą prędkość zbierania danych. Obsługuje czujniki pomiaru
temperatur (typu Pt-100) z wybranych miejsc silnika oraz czujniki temperatury
(termopary) gazów spalinowych poszczególnych cylindrów. Ze względu na znaczne
stałe czasowe nie przewiduje się częstego powtarzania pomiarów, najwyżej kilka razy na
sekundę. Jedna z kart III modułu została użyta do diagnozowania obecności napięć i
przepływu prądu w obwodach elektrycznych.
7
Oprogramowanie
Komputer pokładowy
Łącze
USB
I Moduł
wejść
Sieć
CAN
SYGNAŁY
we/wy:
impulsowe
analogowe
analogowe
II Moduł
we/wy
Konwerter
USB/CAN
III Moduł
wejść
analogowe
analogowe
Rys. 2. Struktura modelu mechatronicznego systemu diagnostycznego
4. Programy systemu diagnostycznego
System pracuje w środowisku programu Windows XP (ewentualnie
Win98/Win2000/WinNT). Do obsługi konwertera USB/DeviceNet należy zainstalować
stosowny driver.
W mechatronicznym systemie diagnostycznym zbieranie i przetwarzanie danych
musi odbywać się w czasie rzeczywistym. Urządzenie cyklicznie co przedział czasu T
zbiera dane, przetwarza je, oblicza zmienne stanów stosowanych modeli, uruchamia
procedury diagnostyczne, procedurę obsługi klawiatury i sygnalizację stanów
diagnostycznych. Praca w czasie rzeczywistym oznacza, że suma odcinków czasu pracy
komputera poświęcona na obsługę procedur zbierania danych i pozostałe procedury jest
mniejsza od przyjętego przedziału czasu T.
Przyjęto, że oprogramowanie urządzenia będzie złożone z procedur, których
przeznaczenie i priorytet realizacji zestawiono w tabeli 1.
Procedury zbierania danych pomiarowych i wystawiania sygnałów sterujących mają
najwyższy priorytet wykonania i wyzwalane są sygnałem zegara komputera. Sygnał
zegara wewnętrznego przerywa wykonywanie wszystkich procedur o niższym
priorytecie i uruchamia proces zbierania danych. Przyjęto przedział czasu T (aktualnie
1s) pracy urządzenia diagnostycznego - cyklicznego dokonywania pomiarów wybranych
wartości danych oraz wykonywania wszystkich założonych obliczeń numerycznych.
Wielkość przedziału czasu wiąże się z liczbą i częstością dokonywanych pomiarów,
prędkością przesyłania danych w sieci CAN oraz liczbą i złożonością stosowanych
procedur diagnostycznych.
8
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Tabela 1. Przewidywane procedury programu urządzenia diagnostycznego
Nazwa procedury
Priorytet
Procedury zbierania danych pomiarowych i wystawiania sygnałów
I
sterujących
Procedura obsługi klawiatury (panelu dotykowego) i przełączania
II
programu na procedury diagnostyczne dedykowane
Procedura szybkiej transformaty Fouriera (FFT)
III
Procedura wyznaczania przyspieszeń kątowych wału rozrządu
IV
silnika
Procedury obliczania wybranych zmiennych stanów modeli
V
diagnostycznych
Procedury diagnostyczne
VI
Procedura sygnalizacji stanów diagnostycznych
VII
Inne procedury nie ujęte w zestawieniu
VIII
Przyjęto następującą metodę zbierania danych pomiarowych: co T wysyłane jest
żądanie przesłania danych ze wszystkich modułów (poll message ID-I, ID-II, ID-III).
Liczba przesyłanych bajtów informacji wynosi 3 moduły x 64 bajty, czyli 192 bajty.
Przy protokole DeviceNet na 8 bajtów ramki użyteczna zawartość wynosi co najmniej 7
bajtów. Należy co 1s przesłać (8/7)192 bajtów informacji, przy transmisji danych z
prędkością 500 kb/s, (odległości przesyłania danych nie są duże).
Po chwili czasu tk uruchamiane są procedury cyklicznego wczytywania danych
modułu I – czujników prędkości obrotowych, położenia wału, czujników przyspieszeń i
napięć sterujących zawory wtryskiwaczy (cyclic message ID-I). W przedziale czasu T1;
T1 < T wyznaczono n chwil czasu: t1, t2, t3 … wczytywania pomiarów opisujących
procesy dynamiczne. Na diagramie czasowym (rys. 3) przedstawiono prowadzoną
akwizycję danych.
T
Dane
T1
ti
n pomiarów
t
Rys. 3. Diagram czasowy akwizycji danych w systemie diagnostycznym; gruba linia
– czas przesyłania wszystkich dostępnych danych, cienka linia – czas przesyłania
danych modułu I, T – okres pracy systemu diagnostycznego, T1 - okres cyklicznego
zbierania danych procesów dynamicznych, ti - okres jednego cyklu zbierania danych z
modułu I
Najwięcej pomiarów wymaga analiza częstotliwościowa czujnika przyspieszeń
(diagnostyka wibracyjna). Okres czasu T1 wyznacza najmniejszą analizowaną
częstotliwość widma, natomiast okres zbierania danych ti wyznacza największą
częstotliwość widma [2].
9
W modelu mechatronicznego systemu diagnostycznego przyjęto założenia
dotyczące dokonywania następujących pomiarów:
- pomiary wykonywane cyklicznie co T:
prędkość obrotowa kół i wałów (do 20 pomiarów);
położenie wału silnika (1);
temperatura układu napędowego (10);
temperatura wylotu spalin (8);
poziom cieczy (3);
ciśnienie w oponach (4);
ciśnienie w kolektorze ssącym (2);
ciśnienie oleju i płynu hamulcowego (2);
przemieszczenie liniowe (4);
pochylenie pojazdu (2);
przepływ prądu (30).
- pomiary wykonywane cyklicznie co ti, przez okres czasu T1:
wybrane prędkości obrotowe kół i wałów (do 20 pomiarów);
położenie wału silnika (1);
wibracje silnika (1);
napięcie zasilania zaworów wtryskiwaczy (do 8).
- pomiary wykonywane jako oddzielne testy diagnostyczne:
pomiar luzu układu kierownicy (1 pomiar).
Zakończenie zbierania danych procesów dynamicznych uruchamia procedurę
szybkiej transformaty Fouriera – wyznaczenia widma drgań. Wyznaczone parametry
widma są używane w procedurach diagnostycznych.
Po zakończeniu obliczeń widmowych obliczana jest zależność przyspieszenia
kątowego, prędkości obrotowej i położenia wału silnika w funkcji czasu. Podobnie
tworzona jest funkcja sterowania zaworami wtryskiwaczy i położenia wału silnika w
funkcji czasu.
Procedury obliczania wybranych zmiennych stanów modeli diagnostycznych mogą
dotyczyć obliczania wartości zmiennej wyjściowej danego procesu, czy też zmiennej
stanu (zmiennej niedostępnej do bezpośrednich pomiarów). W pierwszym przypadku
porównanie mierzonej zmiennej wyjściowej procesu z wielkością modelowaną
(wzorcem) daje informację diagnostyczną. W drugim przypadku wartość obliczona
zmiennej stanu zastępuje wykonywanie pomiaru [3, 4, 8].
5. Uwagi i wnioski
Aktualnie prowadzone prace są związane z tworzeniem modelu mechatronicznego
systemu diagnostycznego ciągnika kołowego i dotyczą pisania i testowania programów
komputerowych. Akwizycja danych pomiarowych oparta została na trzech modułach
CAN8424 wyposażonych w karty pomiarowe oraz konwerterze USB/DeviceNet firmy
ICP DAS.
W dalszym etapie prac system diagnostyczny zainstalowany zostanie na wybranym
typie ciągnika pracującym na stacji prób. Na podstawie przeprowadzanych testów
określone zostaną relacje diagnostyczne i przeprowadzona zostanie weryfikacja
stosowanych modeli.
10
System diagnostyki technicznej ciągnika kołowego zorientowany na identyfikację
czterech klas uszkodzeń jest rozwiązaniem oryginalnym. Standardowa diagnostyka
ciągników kołowych dotyczy jedynie oceny podstawowych parametrów roboczych
silnika oraz wybranych zespołów i ogranicza się do monitorowania parametrów
niezbędnych z punktu widzenia sterowania pracą silnika. System OBD II pozwala na
50% wzrost wielkości mierzonych względem stanu dopuszczalnego dla danego pojazdu,
zanim zostanie zasygnalizowana usterka [5].
Literatura:
Arendt R.: Projekt wstępny części hardwarowej systemu mechatronicznego do
diagnostyki ciągnika kołowego. Praca wykonana w ramach Projektu Badawczego
Nr N N504 513740 Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Gdańsk listopad
2011,
[2] Cempel C. Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. Warszawa 1982,
WNT,
[3] Kościelny J. M.: Diagnostyka zautomatyzowanych procesów przemysłowych.
Warszawa 2000, Wyd. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT,
[4] Korbicz J., Kościelny J. M., Kowalczuk Z., Cholewa W.: Diagnostyka procesów,
modele, metody sztucznej inteligencji, zastosowania, Warszawa 2002, WNT,
[5] Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów
samochodowych, Warszawa 2000, WKŁ,
[6] Michalski R.: Diagnostyka maszyn roboczych, Olsztyn 2004, Wyd. ITE Radom,
[7] Michalski R., Janulin M.: Analiza diagnostyki użytkowej ciągników kołowych,
Konferencja TEROTECHNOLOGIA, Kielce 29.09.2011,
[8] Natke H. G., Cempel C. Model-Aided Diagnosis of Mechanical Systems:
Fundamentals, Detection, Localization, Assessment, Berlin 1997, SpringerVerlag,
[9] User manual: Technical description of John Deere Tractors, models 6081, 1999,
[1]
Streszczenie
Systemy diagnostyczne OBD (On Board Diagnosis) są coraz częściej stosowane w
pojazdach. Tylko niektóre ciągniki kołowe są wyposażone w systemy diagnostyczne.
Dotychczas stosowana diagnostyka pokładowa pojazdów jest silnie związana z
wymaganiami emisyjnymi i nie obejmuje innych ważnych funkcji pojazdu.
W tworzonym systemie diagnostycznym ciągnika kołowego, ze względu na
możliwe skutki przyjęto cztery grupy uszkodzeń: funkcjonalne (uf) powodujące
ograniczenie efektywności pracy, emisyjne (ue) wywołujące wzrost emisji związków
toksycznych, zagrażające bezpieczeństwu ruchu (us) ciągnika oraz pogarszające jego
dynamikę (ud). System diagnostyczny tworzy komputer pokładowy z
wyspecjalizowanym oprogramowaniem, moduły akwizycji danych pracujące w sieci
CAN z protokołem DeviceNet, czujniki pomiarowe (sensory) oraz elementy
wykonawcze (aktuatory).
W artykule przedstawiono przyjęte założenia, strukturę systemu mechatronicznego
oraz organizację programu diagnostycznego. Praca jest realizowana w ramach programu
badawczego Nr N N504 513740 Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
11
Słowa kluczowe: System diagnostyczny, OBD, ciągnik kołowy
STRUCTURE OF DIAGNOSTIC SYSTEM FOR WHEELED TRACTOR
Abstract
Diagnostic systems OBD (On Board Diagnosis) are more frequently used in
vehicles. Only some tractors are equipped in diagnostic systems. So far used on board
diagnosis is strongly connected with emission demands and does not concern other
important vehicle functions.
In the developed mechatronic diagnostic system, based on generated consequences,
four groups of defects are accepted: functional (uf), which inhibit performance, exhaust
(ue), which causes increase toxic emissions, that jeopardize driving safety (us) and
defects that affect engine performance (ud). The diagnostic system consists of a board
computer with specialized programs, acquisition data modules working in CAN net with
protocol DeviceNet, measuring sensors and actuators. In the paper accepted
assumptions, a structure of mechatronic system, organization of diagnostic program are
presented. This study was supported by research grant No. N N504 513740.
Keywords: Diagnostic system, OBD, wheeled tractor
12