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基于虚拟技术的柴油机状态监测与故障诊断系统的开发

基于虚拟技术的柴油机状态监测与故障诊断系统的开发
Development of a Comprehensive Fault Diagnosis System for Diesel Engine Based on Virtual Technique
作者:余永华 杨建国 单位:武汉理工大学能源与动力工程学院 应用领域:研究和开发 挑战:将计算机软硬件相结合, 挑战: 开发柴油机状态监测与故障诊 断系统。 该系统能采用多参数多 方法的故障诊断技术在线或离 线进行柴油机的状态监测与故 障诊断。 应 用 方 案 : 使 用 National Instruments 公司的 LabVIEW 和 PCI-MIO-16E-1 多功能采 集卡 研制柴油机的综合诊断系统。 在 LabVIEW 平台下开发出“多信 道数据采集预处理虚拟仪器” 完 成数据的采集与预处理并将其 作为子仪器, 在此子仪器的基础 上针对不同的柴油机监测部件 嵌入不同的 MATLAB 信号分析 程序使该系统具有振动法诊断 柴油机活塞-缸套磨损、气阀漏 气及主轴承磨损和瞬时转速法 诊断引起柴油机各缸功率不平 衡的各类故障的功能。 使 用 的 产 品 : BNC-2090; PCI-MIO-16E-1; LabVIEW 5.1 介绍:利用 LabVIEW 进行虚拟 介绍: 仪器的开发,具有开发周期短、 开发成本低、 功能易于扩展等优 点。本文介绍了利用 LabVIEW 开发平台研制的柴油机综合诊 断系统。该系统集数据采集、分 析及显示于一体, 具有振动法诊 断柴油机活塞-缸套磨损、气阀 漏气及主轴承磨损和瞬时转速 法诊断引起柴油机各缸功率不 平衡的各类故障。在实际应用 中, 该系统工作稳定可靠取得了 良好的诊断效果。 开发的背景及意义: 柴油机是一种量大面广的 动力机械,涉及到工业、农业、 纺织、 电力、交通、 石油、 化工、 国防等各行各业, 在我国国民经 济建设和国防建设中发挥着巨 大的作用。 其运行状态的好坏直 接影响着整个动力装置的安全 性和可靠性。 船舶柴油机是船舶 机械系统中故障率较多的系统 之一,据瑞典一船舶保险公司 (The Swedish Club)1998 年统 计,在 1988-1997 十年间由于机 械设备引发事故而赔偿的事件 占总赔偿事件的 38%, 其赔偿费 用占总赔偿费用的 22%。 而且随 着柴油机强载度的提高, 发生故 障的可能性也随之增大。 采用故 障诊断技术研制开发柴油机监 测与故障诊断设备可以对柴油 机进行实时监测, 可及早发现故 障征兆,及时修理、更换失效零 件,减少和避免恶性事故的发 生。这样,就可节省维修时间和 费用,保证运行状态良好,提高 柴油机的使用率, 延长柴油机的 使用寿命。 随着微电子技术、计算技 术、 网络技术在仪器仪表上的应 用,新的测试理论、测试方法、 测试领域以及仪器结构不断发 展和完善, 在许多方面已经冲破 了传统仪器的概念, 虚拟技术的 出现为仪器的开发提供了全新 的技术手段, 虚拟仪器已完全改 变了传统仪器的模式和功能。 虚 拟仪器的开发和应用起源于 NI (National Instruments) 公 司 1986 年 为 Macintosh 设 计 的
柴 油 机 传 感 器 二次 仪表

LabVIEW1.0。LabVIEW 和仪器 系统的数据采集、分析、显示部 分仪器协调工作, 是简化了而又 更易于使用的基于图形化编程 语言的开发环境,LabVIEW 集 成了很多仪器硬件库, 与传统的 编程方式相比使用 LabVIEW 开 发虚拟仪器可以提高效率 4~10 倍。同时,利用其模块化和递归 方式, 用户可以在很短的时间内 构建、 设计和更改自己的虚拟仪 器系统。柴油机结构复杂,需监 测的部件繁多, 传统的柴油机状 态监测与故障诊断仪结构庞大、 安装携带不便、开发成本较高、 仪器的功能更改扩展困难。 因此 选择在 LabVIEW 平台下开发基 于虚拟技术的柴油机状态监测 与故障诊断系统是解决传统仪 器开发不足的有效手段。 振动及瞬时转速诊断原理: 当柴油机运动件之间的间 隙、 固定件的配合状态发生变化 时, 会影响其激励的特性和传递 特性, 并在机器设备表面的振动 信号中表现出来。 因此振动分析 法是较为有效的手段之一。 特别 适用于柴油机的燃油系统、 气阀 机构、增压器、活塞缸套组件、 连杆轴承、 滑动主轴承等部件的 故障诊断。 由于柴油机是往复式 运动机械, 其工作时瞬时转速存 在着有规律的波动, 蕴含了非常 丰富的柴油机工作状态信息。 瞬 时转速分析法具有信号容易测 取、故障判据通用性强等特点, 适用于引起各缸功率不平衡表

柴油机状态监测 与故障诊断系统 虚拟仪器

图 1 柴油机状态监测与故障诊断系统框图

征的各类故障的诊断。 柴油机状态监测 监测系统框架: 与故障诊断系统框架如图 1 所 示。图 1 中柴油机为监测对象, 通过传感器 (或另加二次仪表) 拾取其运行时的状态信息, 这些 信息包括上止点、活塞-缸套振 动、主轴承座振动、缸盖振动和 瞬时转速信号, 根据不同的信号 选择不同的仪器则可完成柴油 机的状态监测与故障诊断。 柴油机状态监测与故障诊断分 析系统: 析系统 LabVIEW 可利用递归的方 法调用子虚拟仪器来开发复杂 的虚拟仪器系统。 将基本的功能 封装在子虚拟仪器中可减少代 码的重复以提高开发效率。 “柴 油机虚拟状态监测与故障诊断 分析系统”包括“多通道数据采 集仪” “活塞-缸套磨损监测分 、 析仪” “主轴承磨损状态监测 、 分析仪” “气阀漏气状态监测 、 分析仪”和“瞬时转速监测分析 仪” ,其前面板如图 2 所示。这 些虚拟仪器具有许多相同的特 征, 都必须对原始的模拟信号进 行采样转化为数字信号。 为了减 少程序代码的重复提高开发效 率,作者开发了具有通用性的 “多通道数据采集预处理虚拟 仪器” ,将其作为开发其它仪器 的基本仪器。 1、 “多通道数据采集预处 理虚拟仪器”:“多通道数据采 集预处理虚拟仪器” 是整个监测 系统的核心,它完成数据的采 集、预处理(增益和滤波) 、时 频域显示和数据保存的功能。 其 用户界面如图 3 所示, 其主要的 设计思路如图 4 所示。 原始的模 拟信号需经过 NI DAQ 进行采 样转化为离散的数字信号, LabVIEW 中封装了 NI-DAQ 软 件包, 并内含了数据采集虚拟仪 器库,利用 LabVIEW 数据采集 虚拟仪器库可大大简化程序编 制的过程。 “多通道数据采集预

处理虚拟仪器” 的参数设置模块 是 “多通道数据采集预处理虚拟 仪器”的基本组成部分,由参数 设置模块控制虚拟仪器的各项 功能。 在参数设置模块中有通道 设置、采样设置、输入设置和触 发设置。这些参数设置可调用 LabVIEW 内含的数据采集虚拟 仪器库内的子仪器来完成。 2 监测仪器:监测仪器有 “活塞-缸套磨损监测分析仪” 、 “主轴承磨损状态监测分析 仪” “气阀漏气状态监测分析 、 仪”和“瞬时转速监测分析仪” , 这些监测仪器都使用多通道数 据采集预处理虚拟仪器作为子 仪器来调用, 具有许多共同的特 征。由于篇幅原因在此只介绍 “主轴承磨损状态监测分析 仪” “主轴承磨损状态监测分 , 析仪”既可实时进行数据采集、 分析与处理, 又可回调存盘数据 进行后续分析与处理, 判别轴承 磨损状态。 其中的信号分析处理 部 分 由 MathWorks 公 司 MATLAB 完成。MATLAB 作为 一种科学计算语言提供了丰富 的数学计算和数字信号处理函 数,已被众多工程师所熟悉。 LabVIEW 中公式虚拟仪器库中 提供了 LabVIEW 与 MATLAB 的接口,使内嵌 MATLAB 程序 非常间便。 “主轴承磨损状态监 测分析仪” 的设计思路如图 5 所 示,其用户界面如图 6 所示。该 仪器的数据采集功能通过调用 “多通道数据采集预处理虚拟 仪器”完成。其中“多通道数据 采集预处理虚拟仪器” 的许多设 置(触发设置、采样设置、频域 分析设置、输入设置等)被设定 为默认值封装在程序里面, 用户 无法更改, 以确保程序安全可靠 运行。 其中通道设置、 示波控制、 增益和滤波的选择用户可以根 据需要随时更改。 用户还可以将 采集的数据存盘以便后续处理。 仪器中的数据回调功能通过调 用标准的 Windows 文件对话框
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完成对 打开已存盘的数据文件, 存盘数据的后续处理。 数据回调 功能无须数据采集卡的支持, 完 全可脱机使用。 仪器中的信号分 析与处理功能是将 LabVIEW 与 MATLAB 相结合,按照主轴承 监测的信号分析提取特征参数, 判别主轴承的磨损状态。 虚拟仪器的开发可克服传 结论: 统仪器开发的诸多不足, LabVIEW 作为虚拟仪器的开发 平台大大简化了开发过程, 降低 了开发成本、缩短了开发时间。 在 LabVIEW 平台下开发的虚拟 仪器用户界面友好、运行稳定、 性能可靠。


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