ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(89)/2012 Ryszard Arendt 1, Ryszard Michalski 2 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 (u f ) powodującymi ograniczenie efektywności pracy (mocy, momentu, siły uciągu, prędkości roboczej, zużycia paliwa); emisyjnymi (u e ) wywołującymi wzrost emisji związków toksycznych i zużycia paliwa, spowodowane niezdatnością elementów układu zasilania, układu spalania silnika i zespołów przekazania napędu; 1 dr hab. inż. Ryszard Arendt, adiunkt Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej 2 prof. dr hab. inż. Ryszard Michalski, profesor Wydziału Nauk Technicznych w Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim 5
zagrażającymi bezpieczeństwu ruchu (u s ) ciągnika, występującymi w takich układach jak: hamulcowy, zawieszenia, kierowniczy lub oświetlenia; pogarszającymi dynamikę (u d ), 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 ω i (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
Sprzęgło ω7 Zwolnica koła prawego Silnik ω1 ω2 ω3 ω4 ω5 φ Skrzynia przekładniowa Reduktor Wał odbioru mocy Przekładnia główna z mechanizmem różnicowym ω6 ω8 Zwolnica koła lewego 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 Łącze USB Konwerter USB/CAN Komputer pokładowy Sieć CAN I Moduł wejść II Moduł we/wy III Moduł wejść SYGNAŁY we/wy: impulsowe analogowe analogowe 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
Tabela 1. Przewidywane procedury programu urządzenia diagnostycznego L.p. Nazwa procedury Priorytet 1. Procedury zbierania danych pomiarowych i wystawiania sygnałów I sterujących 2. Procedura obsługi klawiatury (panelu dotykowego) i przełączania II programu na procedury diagnostyczne dedykowane 3. Procedura szybkiej transformaty Fouriera (FFT) III 4. Procedura wyznaczania przyspieszeń kątowych wału rozrządu IV silnika 5. Procedury obliczania wybranych zmiennych stanów modeli V diagnostycznych 6. Procedury diagnostyczne VI 7. Procedura sygnalizacji stanów diagnostycznych VII 8. 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 t k 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 T 1 ; T 1 < T wyznaczono n chwil czasu: t 1, t 2, t 3 wczytywania pomiarów opisujących procesy dynamiczne. Na diagramie czasowym (rys. 3) przedstawiono prowadzoną akwizycję danych. Dane T 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, T 1 - okres cyklicznego zbierania danych procesów dynamicznych, t i - okres jednego cyklu zbierania danych z modułu I Najwięcej pomiarów wymaga analiza częstotliwościowa czujnika przyspieszeń (diagnostyka wibracyjna). Okres czasu T 1 wyznacza najmniejszą analizowaną częstotliwość widma, natomiast okres zbierania danych t i 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 t i, przez okres czasu T 1 : 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: [1] 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, Springer- Verlag, [9] User manual: Technical description of John Deere Tractors, models 6081, 1999, 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 (u f ) powodujące ograniczenie efektywności pracy, emisyjne (u e ) wywołujące wzrost emisji związków toksycznych, zagrażające bezpieczeństwu ruchu (u s ) ciągnika oraz pogarszające jego dynamikę (u d ). 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 (u f ), which inhibit performance, exhaust (u e ), which causes increase toxic emissions, that jeopardize driving safety (u s ) and defects that affect engine performance (u d ). 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