目前，各种工程机械主要采用机械仪表显示液压系统的少数几个工况参数，不仅不能全面地反映整个系统的工作状态，也不能保存数据，难以了解工作过程中参数的变化规律，而且当液压系统状态急剧变化或在故障发生时更不能及时进行报警，以避免严重事故的发生。并且，在发生故障时只能完全依据维修人员的经验进行检修和故障排除，没有系统工况参数的历史数据可供参考，排除故障时往往由于液压系统的复杂性和封闭性，或是用时过多，或是对某些故障无法识别，延误了工作时间，造成大量的经济损失。因此，随着工程机械机-电-液一体化发展的趋势和传感器、计算机技术的发展，实施对王程机械特别是液压系统的在线状态监测与故障诊断目显迫切和重要。
1.在线状态监测系统的功能设计要求
要实现工程机械液压系统的在线状态监测，必须综合考虑多种因素，合理地规划状态监测系统的功能和目标。下面给出状态监测系统功能设计的一般要求：
①系统必须在线运行。
②系统必须在尽可能早的时间内对故障或失效进行报警。
③系统必须具备与工程机械运行动态特征相适应的能力。
④系统必须能表达故障与传感器信号间的复杂关系。
⑤系统必须能以恰当的故障概率值和故障传播速率的形式合理地使用诊断信息。
⑥系统必须具备多传感器信息融合的能力，将来自不同的传感器组、人工输入等信息融合成一个综合的诊断决策。
⑦系统必须考虑工程机械工作环境对元件故障或失效的影响。
⑧系统所需的传感器数量应最少。
⑨系统必须提供一个交互式界面，方便用户操作和输入从其它传感器得到的信息。
⑩系统的计算量不能太大，可以适时地进行状态监测和报警。
系统必须具备故障预测和趋势分析的功能。
2.在线状态监测参数的选择
对工程机械液压系统进行状态监测，首先要通过在线传感器获得反映系统状态的各种王况参数。对于在线状态监测特别是故障诊断而言，拥有的信息量当然是越多越好，允许信息冗余，但由于传感器的成本和数据处理等方面的原因使其在实践中是不可能实现的，因此必须选择合适的特征工况参数。若监测参数选择不当，不能全面反映系统的状态，就不能有效地进行在线状态监测，因此，监测参数的选择非常重要。作为一个原则，在选择液压系统的监测参数时，要考虑以下几点：
①由于各种不同的王况参数所容纳的信息量是不同的，所以应该选择那些最能确切反映系统客观状态的参数作为特征。对于液压系统而言，其根源性参数主要包括压力、流量和温度。
②优先采用那些有助于尽早发现故障的王况参数，利用振动信号可对液压泵早期的故障进行诊断，这方面国内外已有很多学者做了研究。
③所选取的特征应与系统状态之间呈单值关系，切忌出现模棱两可的现象。对于液压系统而言，由于系统的非线性特性，在故障与特征之间常常会出现"一对多"或"多对多"的情况，这在选择监测参数与后期诊断时需特别注意。
④在安装信号测量传感器时，应尽量不改变原有液压回路的结构，不干扰系统的正常工作。液压系统的压力测量相对来说较为．容易，一般系统设计时都会留有接口，即使没有预留接口也可通过在管路中加入三通接头来实现，不会影响系统的正常工作。而流量信号的测取相对较难，一方面是流量计一般体积都较大，在工程机械液压系统现有回路中难于安装；另一方面流量计的加入也会带来系统的压力损失，影响系统的正常工作。
⑤所选工况参数应便于测量、便于分析，使整个状态监测系统所需费用经济、合理。对于工程机械液压系统的在线状态监测，由于往往是在后期加上去的，特别要兼顾原有系统回路的结构特点和经济成本。
我们以QY40B型液压汽车起重机为例，具体说明其测量参数的选取原则。该机为全液压起重机，其液压系统主要包括液压泵、回转机构、伸缩机构、变幅机构和起升机构，其中液压泵为三联齿轮泵。在实际工作中，根据该机液压系统的特点，选择了以下参数作为监测与诊断的测量参数：
①开关量：回油滤油器堵塞指示、油箱油位过低指示、自由对中用两路电磁阀通断信号、最后三圈电磁溢流阀通断信号、安全和高度限位电磁溢流阀通断信号等。
②模拟量：压力(包括系统压力1、系统压力2、系统压力3、伸缩缸的进口和出口压力)、回转制动器进口压力、卷扬制动器进口压力、温度(油箱液压油温度)、振动加速度(泵1、泵2和泵3的泵壳振动信号)、液压油污染度、发动机转速和工作计时等。
3.在线状态监测系统的硬件设计
在线状态监测系统主要由三个部分组成(见图1)：在线传感器、信号采集单元和中心处理单元。根据所选择的监测参数选择和安装传感器，必要时可在液压系统上加装接口，如三通接头等。信号采集单元负责传感器信号的调理、采集及某些信号(主要是振动信号和动态压力信号)的特征提取，将信号发送给中心处理单元，同时在系统初始化时对传感器进行标定、校准和故障识别。中心处理单元主要负责对各采集单元发送来的数据进行分析处理，判断系统所处的状态，发出局部级或系统级报警信号，提醒操作人员注意或采取相应措施；或根据用户要求调用故障诊断模块进行故障分析和定位，给出维修措施或处理建议，并可进行离线趋势分析和故障预测。
(1)数据采集方式的选择
如果工程机械液压系统上需测量的信号较为集中，则数据采集单元和中心处理单元可以合二为一，采用集中数据采集的方式。但一般来说，监测时测点都较为分散，特别是大型的工程机械，如果采用集中数据采集的方式可能需要引入过多、过长的传感器信号电缆，信号电缆过多会影响整个液压系统的机动性、降低其可靠性和安全性，而且电缆过长也会引入大量噪声与干扰。因此一般采取分散测量的方式(见图1)，即系统中有若干个采集单元，每个采集单元采集就近传感器的信号，采集单元和中心处理单元之间采用现场总线进行连接。
(2)数据传输方式的选择
数据采集单元与中心处理单元之间的数据传输可采用现场总线的方式，如{RS485、BITBUS、CAN等方式，也可采用无线的方式。其中CAN(Controller AreaNetwork)总线是目前应用最为广泛的现场总线技术之一，是德国Bosch公司80年代初为解决现代汽车中众多控制与检测仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，由于采用了许多新技术和独特的设计，具有可靠性强、链路简单、支持优先级处理等优点。CAN的通信速率最高可达1 Mbps，节点数可达110个。此外CAN还具有以下特点：采用了CRC校验，有很强的容错能力，抗干扰性强，传输安全性高；提供多种接口标准，适应广泛；节点出错严重时，有自动关闭输出功能，而其他节点不受影响；可扩展性较好；具有一定的自诊断功能。
在线状态监测系统采用CAN总线的通讯方式，不仅可以提高数据的可靠性和传输速度，而且当某个采集单元的CAN通讯出现故障时，可及时报警、报告故障类型及故障节点，给以后系统的维护带来极大的方便。
(3)中心处理单元的选择与设计
中心处理单元一般位于工程机械的驾驶室或操作室内，可以选择普通计算机、工控机或嵌入式计算机作为硬件平台。由于整个监测系统为在线车载式，系统的抗震性和可靠性要好，对系统的性能和功能要求也较高，综合上述因素，我们可以选择PCI04总线的嵌入式计算机作为中心处理单元的硬件平台。
PCI04是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上是一种紧凑型的IEEE-P996标准，其信号定义和PC/AT的基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式系统，有极好的抗震性。PCI04嵌入式计算机模块系列是一整套低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的结构化模块系列。采用PCI04总线方案，可以把主要精力放在软件和接口的设计上。
下面给出一个应用实例。我们选择ADVANTECH公司的PCM3350作为CPU模块板，PCM3350采用CXl-300MHz作为板上处理器，并提供VGA和TFFIO/IOOBASE-T快速以太网(Fast Ethernet)芯片。同时选用PCM3730作为数字I/O板，控制报警面板上的LED指标灯和蜂鸣器，以实现系统的声光报警。另外，使用104总线CAN通讯卡PCM3680，以实现中心处理单元与各信号采集单元间的数据交换。中心处理单元的结构如图2所示。
(4)信号采集单元的设计
信号采集单元直接固定在工程机械液压系统的各主要部位上，完成液压系统工况参数采集、信号的特征提取、传感器的标定校准和CAN总线通讯。信号采集单元主要由传感器、信号调理、A/D转换、单片机(或DSP)、数字量输入模块、FLASH存贮器和CAN总线接口组成，其结构如图3所示。
信号采集单元又因中心控制器的不同而分为最小系统节点和智能节点。最小系统节点选择单片机作为处理器，完成基本的模拟量和数字量的采集及CAN总线通讯。智能节点采用DSP作为处理器，除了具有最小系统节点的功能外，还要对采集的信号(主要是振动信号和动态压力信号)进行数字滤波和特征提取，主要是FFT变换，这样可以减轻中心处理单元的计算量，提高响应速度。
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