CN201740542U - 编码器故障的自动诊断装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于计算机技术领域，本实用新型的目的是提供一种编码器故障的自动诊断装置及其诊断求解方法。该故障诊断系统由用户界面单元、模型描述单元、语言解析单元、冲突识别单元、诊断求解单元、故障定位单元和数字通信单元组成，系统的独特之处在于：根据编码器组成原理用模型描述语言说明性地描述编码器的结构、功能、部件行为，据此推断编码器在正常情况下的预期行为，故障发生时预期行为与实际观测有差异，再利用逻辑推理确定引发故障的元件集合。本实用新型从冲突识别到产生候选诊断，整个操作过程简单、用时短，系统对故障点的判别定位不依赖于操作人员或专家的经验，摆脱了传统诊断方法的局限性。

Description

编码器故障的自动诊断装置

技术领域

本实用新型属于计算机技术领域，涉及基于逻辑相容性的编码器故障诊断系统。

技术背景

编码器是将物理信号或数据进行编制并转换为可用以通信、传输和存储之形式的设备，是一种重要的用于测速和定位用途的传感产品。编码器是传感产品的一大重要分支，拥有十分广阔的市场，如机床工具、航空航天、铁道交通、新能源及港口机械等行业，都在使用着大量的编码器产品。

编码器是通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理量(角位移或直线位移)转换为机器码可读取的电信号，用以通讯、传输和储存。按照工作原理可将编码器可分为增量式和绝对式两类：增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小；绝对式编码器的码盘位置对应确定的数字码，它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

作为各种各样的大型复杂装备中的一个重要部件，编码器故障严重影响着这些装备的运行和维护，甚至于引起设备故障、导致生命财产损失。所谓编码器故障诊断是指在一定工作环境下查明导致编码器系统某种功能失常的原因或性质，判断劣化状态发生的部位或部件，避免由于状态劣化所造成的损失。编码器作为一种光电精密仪器，容易受到工作环境的影响。由于某些行业(如冶金、港口机械、纺织机械及风力发电等)的工作环境较为恶劣，编码器不免会受到干扰，从而影响处理电路、单片机板甚至程序逻辑，致使编码器功能失常，甚至导致关联设备的故障。

目前编码器产品普遍缺少甚至是没有错误/故障处理能力。随着编码器产品的应用越来越广泛，客户已不再满足于编码器仅能将物理信号转换为电信号，他们还要求编码器具备诊断功能，产品更加智能耐用；还希望编码器具有更丰富的接口方式，可集成性更高，使更多的关联设备实现智能化，甚至是在编码器的体积方面上也能有更广泛的选择空间。

诊断的目的就是找出有毛病的部件。早期的故障诊断主要依靠个体专家或维修人员通过感官、经验和简单仪表进行。例如故障树方法开始于症状或测试结果，再依据经验性的决策树判断，给出修理建议；对于专家系统来说，也是根据经验性的知识而设计的计算机程序，——当系统发生故障时，该程序是根据领域专家长期的实践经验、对系统结构和系统故障历史的深刻了解和大量的故障信息知识，来确定故障的原因和位置。这类诊断方法的难题是知识获取：一方面领域专家需要长时间积累才能获得诊断对象知识(事实上这些知识总是不完备的)；另一方面，从领域专家那里获得知识并将之转化成计算机系统可用的产生式规则也是一大问题。专家知识的形成、总结和积累需要一个较长的过程，等到专家知识积累起来，再依据这些知识研制出新的诊断系统，所要诊断的产品可能已经淘汰了，或者已经过时了。

近年来，基于模型诊断的研究与应用是诊断测试领域所关注的热点，发展很快，出现了多种解决方案。相容性诊断是一种典型的基于模型的诊断，其主要思想是：根据系统组成组件之间的连接关系建立待诊断系统的模型(如结构，功能，行为)，这种模型通常用一阶逻辑语句来描述，根据系统的逻辑模型以及系统的输入，我们能通过逻辑的推理理论推导出系统在正常情况下的预期行为，如果观测到的系统实际行为与系统预期行为有差异，就说明系统在逻辑上是不相容的，即存在故障组件，利用逻辑的推理理论，我们能够确定引发故障的组件集合。只要模型抽象的正确，就能诊断所有可能的故障，并且不但能处理新故障(传统诊断往往无能为力)，而且还能给出令人信服的解释。并且由于它把系统的推理内核与系统模型分开，具有设备独立性——只要更新系统模型就可用于诊断另外一种设备，因而可推广性好。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种编码器故障的自动诊断装置。旨在为编码器提供故障诊断功能，实现一种基于逻辑相容性的绝对式编码器的故障诊断。

本实用新型所述的编码器故障自动诊断装置是由故障诊断系统、编码器和伺服系统组成。按照自定义的通讯协议和命令约定，通过串行接口RS422，故障诊断系统可以向编码器发送命令帧，设定编码器的工作模式、获得编码器的运行状态数据，而伺服系统可以从编码器获得角度等电信号。编码器是由单片机板、高低信号处理电路、高低读数头光电信号、方位信号处理电路、方位读数头光电信号和机上时统等六个物理部分组成，其中单片机板上实现了RS422串行通信模块、命令执行模块、运行状态监控模块、格雷码编制模块等。

故障诊断系统包括用户界面单元、模型描述单元、语言解析单元、冲突识别单元、诊断求解单元、故障定位单元和数字通信单元，其中：用户界面单元用于以图形化的用户界面方式来进行输入模型描述、报告解析错误、设定命令代码、显示编码器运行状态数据、配置诊断系统运行参数等操作；描述配置单元负责用一种模型描述语言建立编码器的系统模型并以文件的形式存储；语言解析单元用于读取以文件存储的模型描述文件，经过单词扫描和语法解析，创建该描述文件的抽象语法树；冲突识别单元的主要作用是识别系统模型和编码器运行状态数据之间的冲突；诊断求解单元主要用于产生诊断候选，对冲突进行诊断；故障定位单元可以定位编码器系统模型下的可疑组件并突出显示。

本实用新型具有下述有益效果：

(1)为编码器提供故障诊断功能。作为各种各样的大型复杂装备中的一个重要部件，编码器功能失常严重影响着这些装备的运行和维护。具有错误/故障处理能力的编码器可以有效地预防和控制装备劣化，减少生命财产损失。使用本发明的方法，可以提高诊断测试效率，降低人力资源成本。

(2)相比于传统的诊断方法，近年来发展起来的基于模型的诊断具有明显的优势，即不依赖于经验、独立于设备、模型可以重用。只要更新系统模型就可用于诊断另外一种设备，因而具有设备独立性、可推广性好等优点。

(3)满足市场对智能化编码器的需要。从行业应用的角度来看，不同的行业对编码器的要求不尽相同，例如有的行业要求编码器的精度更高，有的要求编码器具有更强的坚固防护性能，有的要求编码器抗干扰、智能耐用，有的要求编码器要有很好的集成开放性，有的则对编码器的体积要求更小。智能化编码器响应了这种市场需求，功能需求类型的客户、安全攸关的行业应用都需要智能化的编码器。

附图说明

图1是本实用新型强调故障诊断部分的编码器故障自动诊断装置的示意图。指定图1为摘要附图

图2是本实用新型强调编码器部分的编码器故障自动诊断装置的示意图。

图3是本实用新型的故障诊断方法的一个实施例的流程图。

图4是本实用新型在诊断测试编码器时所使用的数据通信格式的一个实施例的示意图。

具体实施方式

本实用新型所述的编码器的故障诊断装置实现了基于模型的诊断过程，即模型表示、冲突识别、候选产生、故障定位等内容，此外本实用新型还给出了具有错误/故障处理能力的编码器的组成及接口关系。

图1给出了本实用新型编码器故障自动诊断装置的结构示意图，粗略地看它由故障诊断系统101、编码器102和伺服系统103组成，物理上故障诊断系统和编码器之间、伺服系统和编码器之间通过串行接口RS422相连，采用(双工)异步通讯方式，波特率为230.4K位/秒。逻辑上按照自定义的通讯协议和命令约定，故障诊断系统可以向编码器发送命令帧，设定编码器工作模式、获得编码器运行状态数据，而伺服系统可以从编码器获得角度等电信号。这里伺服系统只是一种遵守我们编码器通信协议约定的物理系统，严格地说不是本发明的必选部分，是可选的。

故障诊断系统101包括：用户界面单元101-1，用于以图形化的用户界面方式来进行输入模型描述、报告解析错误、设定命令代码、显示编码器运行状态数据、配置诊断系统运行参数等操作，由ModelUI、ErrReporter、Configurator、Commander、StatusViewer等类组成。模型描述单元101-2用于以图形化的方式模型化编码器系统，以文件的形式存储所建立的系统模型，由FileAccessor和Component及其子类组成，其中Component下有DComponent、DCSubcomponent、DCPort、DCConnection、DCTimer、DCPositionCard、DCAngleCard、DCSwitch、DCCircuitGD、DCCircuitFW、DCRS422类组成，其中每个类都实现了标准组件的功能，即正常工作模式下和故障模式下的行为。语言解析单元用于读取系统模型描述文件，它包含扫描器和解析器两部分，其中扫描器由GenericScanner、LogicScanner、GenericToken、KeywordToken、EOIToken、ErrorToken、IdToken类组成，解析器由LObject、LTruePredicate、LFalsePredicate、LVariable、LFunctor、LPredicate、LSentence、LSentences类组成。冲突识别单元的主要作用是识别系统模型和编码器运行状态数据之间的冲突，它在描述文件的抽象语法树上实现了前向式的推导算法和后向式的推导算法，由TPObject、MBDTheoremProver、TPProposition、TPRule、TPAssumption类组成。诊断求解单元主要用于产生诊断候选，对冲突进行诊断，由TPDiagnosor、HSTreeDiagnosor、BHSTreeDiagnosor、BADiagnosor、GADiagnosor、GenericNode、HSNode、BNSNode、GACoder、BADCoder类组成。故障定位单元主要用于定位并高亮显示编码器系统模型下的可疑组件，由Diagnoses、ValueHolder、DiagnosisPlacer类组成，用户还可对于诊断进行进一步的鉴别。

编码器102的组成如图2所示，它是由单片机板102-1、高低信号处理电路102-2、高低读数头光电信号102-3、方位信号处理电路102-4、方位读数头光电信号102-5和机上时统102-6等六个物理部分组成。其中单片机板102-1实现了RS422串行通信模块、命令执行模块、运行状态监控模块、格雷码编制模块等。

实施例1

本实用新型的第一优选实施例通过某型编码器的故障诊断来说明本实用新型方法的实施应用。应用本实用新型的故障诊断系统通过串口与被测编码器通讯，该系统发出命令帧，接受被测编码器的相应状态数据和输出，并与预期结果比较。在其它的实施例中，也可以通过网线、USB线等接口与被测编码器连接。

图3给出了实施应用本实用新型的故障诊断方法的流程，具体包括：

1)故障诊断系统启动后，用户使用对话框的指定位置打开一个系统描述文件；

2)若该位置上不存在一个合法的系统描述，就在指定位置上为用户新建一个系统描述。否则，执行第5步。

3)用户通过用户界面单元为编码器编写一个系统模型，描述编码器的组成及其接口关系，再设定该系统模型的输入值；

4)保存系统描述文件。保存的内容包括被测编码器的系统描述文件、系统描述文件路径和一些运行参数等；

5)选择系统描述文件、配置运行参数。运行参数配置包括编码器的输入值、诊断个数上限以及诊断算法选择等；用户选择要导入的系统描述文件，系统获得该文件的存放位置；

6)扫描解析系统描述文件。语言解析单元读取用户选择的系统描述文件，这时系统会扫描文件中关键词，再解析语言所认可的语法单位，创建系统描述文件所对应的抽象语法树；

7)建立与被测编码器的连接；

8)构造并发送诊断命令帧；

9)被测编码器收到诊断命令帧后，经过一系列运算或操作，返回运行状态数据(包括实际输出值和观测点上的实际观测值)；

10)故障诊断系统获得编码器运行状态数据，把它们和用户提供的系统输入和期望输出值一并作为系统模型的输入/输出数据；

11)执行系统模型，搜索引起矛盾的假说，汇总形成诊断算法所使用的冲突集合；

12)针对得到的冲突集合，使用用户选择的诊断算法进行诊断求解，计算可能的诊断候选；

13)根据诊断结果定位电路中的可疑组件，在系统模型上突出显示可疑组件；

14)需要进一步对候选诊断鉴别时，为用户指定进一步的观测点，用户选择观测点并指定期望的观测值，继续第8步；否则执行第15步；

15)汇总所有的诊断结果及其相关说明，并按格式生成一份完整的诊断测试报告。

实施例2

本实用新型的第二优选实施例通过某24位绝对式编码器的诊断测试来说明实施应用。生产现场的各种电磁干扰源以及机械震动，对编码器的光电检测产生干扰，导致输出波形发生畸变失真，导致控制系统不稳定或误动作，甚至引发事故发生。例如；在轧钢调速系统中，编码器是直接固定在电动机的外壳上。当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动，从而引起编码器的误动作，引发事故。应用本发明的方法对编码器进行诊断测试和过程控制，提高整机系统的可靠性。

假设本实施例有完整的编码器系统描述文件，于是对编码器进行诊断测试和过程控制的具体流程包括：

1)读取系统描述文件和运行参数。运行参数配置包括编码器的输入值、诊断个数上限以及诊断算法选择等；导入系统描述文件，为语言解析单元配置路径信息；

2)扫描解析系统描述文件。读取该描述文件时，系统会扫描文件中关键词，再解析语言所认可的语法单位，创建电路描述文件所对应的抽象语法树；

3)建立与被控编码器的连接；

4)构造并发送命令帧，以观察该24位编码器的运行状态；

5)被控编码器收到命令帧后，经过一系列运算或操作，返回运行状态数据，包括实际输出值和观测点上的实际观测值；

6)故障诊断系统获得编码器运行状态数据，把它们和用户提供的系统输入和期望输出值一并作为系统模型的输入/输出数据；

7)执行系统模型，搜索引起矛盾的假说，汇总形成诊断算法所使用的冲突集合；

8)针对某个冲突，相关组件被视为一个新的逻辑组件；

9)使用用户期望的输出值构造一个命令帧，发送命令帧以约束逻辑组件的输出值；

10)如果还有冲突，继续执行第8步，否则执行第11步；

11)汇总所有的诊断结果及其相关说明，并按格式生成一份完整的诊断测试报告。

图4给出了本实用新型在对该24位编码器进行诊断测试时所使用的命令帧结构的一个实施例的示意图。该24位编码器采用直接置数的电调零方式，能够接受数字通讯系统的控制命令，提供与采样脉冲同步的高低方位测角信息。为进行诊断测试，首先建立串口连接(方法是公知的)，建立连接后，构造并发送诊断命令帧以观察该24位编码器的运行状态，并获得观测点上的实际运行数值。如图4所示，本例中采用800Hz的负脉冲，于下降沿采样。结构上命令帧是由帧头和数据区组成的，其中帧头长度固定，包含命令字(命令含义，一个字节)、编码器参数(六字节，分别是AH、AM、AL、BH、BM、BL)和数据区长度(一字节)，而数据区的长度是可变的，由帧头中的数据长度指定。例如，检查方位进位是否正确时，一个命令帧的命令字字段填上0XC7，AH、AM、AL等处填上编码器的置数，数据区长度填上0，其它字节为空，接着这个命令帧将由故障诊断系统发送给编码器；编码器返回的结果帧与命令帧的结构是完全相同的，不同的是数据区返回了编码器的运行状态数据(包括实际输出值和观测点上的实际观测值)，数据区长度也因此设定。

应该注意，图4所示的帧结构可以依据本实用新型的原理对其进行修改，这对于本领域的技术人员来说都是显而易见的，因此这里不一一列举。

Claims (1)

1.一种编码器故障的自动诊断装置，由故障诊断系统S101、编码器S102和伺服系统S103组成，物理上故障诊断系统和编码器之间、伺服系统和编码器之间通过串行接口RS422相连，采用双工异步通讯方式，波特率为230.4K位/秒；逻辑上按照自定义的通讯协议和命令约定，故障诊断系统向编码器发送命令帧，设定编码器工作模式、获得编码器运行状态数据，伺服系统从编码器获得角度等电信号；编码器是由单片机板、高低信号处理电路、高低读数头光电信号、方位信号处理电路、方位读数头光电信号和机上时统六个物理部分组成，其特征是该故障诊断系统由用户界面单元、模型描述单元、语言解析单元、冲突识别单元、诊断求解单元、故障定位单元和数字通信单元组成，系统的独特之处在于：根据编码器组成原理用模型描述语言说明性地描述编码器的结构、功能、部件行为，据此推断编码器在正常情况下的预期行为，故障发生时预期行为与实际观测有差异，再利用逻辑推理确定引发故障的元件集合。

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