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基于虛擬技術的柴油機狀態監測與故障診斷系統的開發

基于虛擬技術的柴油機狀態監測與故障診斷系統的開發
Development of a Comprehensive Fault Diagnosis System for Diesel Engine Based on Virtual Technique
作者:余永華 楊建國 單位:武漢理工大學能源與動力工程學院 應用領域:研究和開發 挑戰:將計算機軟硬件相結合, 挑戰: 開發柴油機狀態監測與故障診 斷系統。 該系統能采用多參數多 方法的故障診斷技術在線或離 線進行柴油機的狀態監測與故 障診斷。 應 用 方 案 : 使 用 National Instruments 公司的 LabVIEW 和 PCI-MIO-16E-1 多功能采 集卡 研制柴油機的綜合診斷系統。 在 LabVIEW 平臺下開發出“多信 道數據采集預處理虛擬儀器” 完 成數據的采集與預處理并將其 作為子儀器, 在此子儀器的基礎 上針對不同的柴油機監測部件 嵌入不同的 MATLAB 信號分析 程序使該系統具有振動法診斷 柴油機活塞-缸套磨損、氣閥漏 氣及主軸承磨損和瞬時轉速法 診斷引起柴油機各缸功率不平 衡的各類故障的功能。 使 用 的 產 品 : BNC-2090; PCI-MIO-16E-1; LabVIEW 5.1 介紹:利用 LabVIEW 進行虛擬 介紹: 儀器的開發,具有開發周期短、 開發成本低、 功能易于擴展等優 點。本文介紹了利用 LabVIEW 開發平臺研制的柴油機綜合診 斷系統。該系統集數據采集、分 析及顯示于一體, 具有振動法診 斷柴油機活塞-缸套磨損、氣閥 漏氣及主軸承磨損和瞬時轉速 法診斷引起柴油機各缸功率不 平衡的各類故障。在實際應用 中, 該系統工作穩定可靠取得了 良好的診斷效果。 開發的背景及意義: 柴油機是一種量大面廣的 動力機械,涉及到工業、農業、 紡織、 電力、交通、 石油、 化工、 國防等各行各業, 在我國國民經 濟建設和國防建設中發揮著巨 大的作用。 其運行狀態的好壞直 接影響著整個動力裝置的安全 性和可靠性。 船舶柴油機是船舶 機械系統中故障率較多的系統 之一,據瑞典一船舶保險公司 (The Swedish Club)1998 年統 計,在 1988-1997 十年間由于機 械設備引發事故而賠償的事件 占總賠償事件的 38%, 其賠償費 用占總賠償費用的 22%。 而且隨 著柴油機強載度的提高, 發生故 障的可能性也隨之增大。 采用故 障診斷技術研制開發柴油機監 測與故障診斷設備可以對柴油 機進行實時監測, 可及早發現故 障征兆,及時修理、更換失效零 件,減少和避免惡性事故的發 生。這樣,就可節省維修時間和 費用,保證運行狀態良好,提高 柴油機的使用率, 延長柴油機的 使用壽命。 隨著微電子技術、計算技 術、 網絡技術在儀器儀表上的應 用,新的測試理論、測試方法、 測試領域以及儀器結構不斷發 展和完善, 在許多方面已經沖破 了傳統儀器的概念, 虛擬技術的 出現為儀器的開發提供了全新 的技術手段, 虛擬儀器已完全改 變了傳統儀器的模式和功能。 虛 擬儀器的開發和應用起源于 NI (National Instruments) 公 司 1986 年 為 Macintosh 設 計 的
柴 油 機 傳 感 器 二次 儀表

LabVIEW1.0。LabVIEW 和儀器 系統的數據采集、分析、顯示部 分儀器協調工作, 是簡化了而又 更易于使用的基于圖形化編程 語言的開發環境,LabVIEW 集 成了很多儀器硬件庫, 與傳統的 編程方式相比使用 LabVIEW 開 發虛擬儀器可以提高效率 4~10 倍。同時,利用其模塊化和遞歸 方式, 用戶可以在很短的時間內 構建、 設計和更改自己的虛擬儀 器系統。柴油機結構復雜,需監 測的部件繁多, 傳統的柴油機狀 態監測與故障診斷儀結構龐大、 安裝攜帶不便、開發成本較高、 儀器的功能更改擴展困難。 因此 選擇在 LabVIEW 平臺下開發基 于虛擬技術的柴油機狀態監測 與故障診斷系統是解決傳統儀 器開發不足的有效手段。 振動及瞬時轉速診斷原理: 當柴油機運動件之間的間 隙、 固定件的配合狀態發生變化 時, 會影響其激勵的特性和傳遞 特性, 并在機器設備表面的振動 信號中表現出來。 因此振動分析 法是較為有效的手段之一。 特別 適用于柴油機的燃油系統、 氣閥 機構、增壓器、活塞缸套組件、 連桿軸承、 滑動主軸承等部件的 故障診斷。 由于柴油機是往復式 運動機械, 其工作時瞬時轉速存 在著有規律的波動, 蘊含了非常 豐富的柴油機工作狀態信息。 瞬 時轉速分析法具有信號容易測 取、故障判據通用性強等特點, 適用于引起各缸功率不平衡表

柴油機狀態監測 與故障診斷系統 虛擬儀器

圖 1 柴油機狀態監測與故障診斷系統框圖

征的各類故障的診斷。 柴油機狀態監測 監測系統框架: 與故障診斷系統框架如圖 1 所 示。圖 1 中柴油機為監測對象, 通過傳感器 (或另加二次儀表) 拾取其運行時的狀態信息, 這些 信息包括上止點、活塞-缸套振 動、主軸承座振動、缸蓋振動和 瞬時轉速信號, 根據不同的信號 選擇不同的儀器則可完成柴油 機的狀態監測與故障診斷。 柴油機狀態監測與故障診斷分 析系統: 析系統 LabVIEW 可利用遞歸的方 法調用子虛擬儀器來開發復雜 的虛擬儀器系統。 將基本的功能 封裝在子虛擬儀器中可減少代 碼的重復以提高開發效率。 “柴 油機虛擬狀態監測與故障診斷 分析系統”包括“多通道數據采 集儀” “活塞-缸套磨損監測分 、 析儀” “主軸承磨損狀態監測 、 分析儀” “氣閥漏氣狀態監測 、 分析儀”和“瞬時轉速監測分析 儀” ,其前面板如圖 2 所示。這 些虛擬儀器具有許多相同的特 征, 都必須對原始的模擬信號進 行采樣轉化為數字信號。 為了減 少程序代碼的重復提高開發效 率,作者開發了具有通用性的 “多通道數據采集預處理虛擬 儀器” ,將其作為開發其它儀器 的基本儀器。 1、 “多通道數據采集預處 理虛擬儀器”:“多通道數據采 集預處理虛擬儀器” 是整個監測 系統的核心,它完成數據的采 集、預處理(增益和濾波) 、時 頻域顯示和數據保存的功能。 其 用戶界面如圖 3 所示, 其主要的 設計思路如圖 4 所示。 原始的模 擬信號需經過 NI DAQ 進行采 樣轉化為離散的數字信號, LabVIEW 中封裝了 NI-DAQ 軟 件包, 并內含了數據采集虛擬儀 器庫,利用 LabVIEW 數據采集 虛擬儀器庫可大大簡化程序編 制的過程。 “多通道數據采集預

處理虛擬儀器” 的參數設置模塊 是 “多通道數據采集預處理虛擬 儀器”的基本組成部分,由參數 設置模塊控制虛擬儀器的各項 功能。 在參數設置模塊中有通道 設置、采樣設置、輸入設置和觸 發設置。這些參數設置可調用 LabVIEW 內含的數據采集虛擬 儀器庫內的子儀器來完成。 2 監測儀器:監測儀器有 “活塞-缸套磨損監測分析儀” 、 “主軸承磨損狀態監測分析 儀” “氣閥漏氣狀態監測分析 、 儀”和“瞬時轉速監測分析儀” , 這些監測儀器都使用多通道數 據采集預處理虛擬儀器作為子 儀器來調用, 具有許多共同的特 征。由于篇幅原因在此只介紹 “主軸承磨損狀態監測分析 儀” “主軸承磨損狀態監測分 , 析儀”既可實時進行數據采集、 分析與處理, 又可回調存盤數據 進行后續分析與處理, 判別軸承 磨損狀態。 其中的信號分析處理 部 分 由 MathWorks 公 司 MATLAB 完成。MATLAB 作為 一種科學計算語言提供了豐富 的數學計算和數字信號處理函 數,已被眾多工程師所熟悉。 LabVIEW 中公式虛擬儀器庫中 提供了 LabVIEW 與 MATLAB 的接口,使內嵌 MATLAB 程序 非常間便。 “主軸承磨損狀態監 測分析儀” 的設計思路如圖 5 所 示,其用戶界面如圖 6 所示。該 儀器的數據采集功能通過調用 “多通道數據采集預處理虛擬 儀器”完成。其中“多通道數據 采集預處理虛擬儀器” 的許多設 置(觸發設置、采樣設置、頻域 分析設置、輸入設置等)被設定 為默認值封裝在程序里面, 用戶 無法更改, 以確保程序安全可靠 運行。 其中通道設置、 示波控制、 增益和濾波的選擇用戶可以根 據需要隨時更改。 用戶還可以將 采集的數據存盤以便后續處理。 儀器中的數據回調功能通過調 用標準的 Windows 文件對話框
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完成對 打開已存盤的數據文件, 存盤數據的后續處理。 數據回調 功能無須數據采集卡的支持, 完 全可脫機使用。 儀器中的信號分 析與處理功能是將 LabVIEW 與 MATLAB 相結合,按照主軸承 監測的信號分析提取特征參數, 判別主軸承的磨損狀態。 虛擬儀器的開發可克服傳 結論: 統儀器開發的諸多不足, LabVIEW 作為虛擬儀器的開發 平臺大大簡化了開發過程, 降低 了開發成本、縮短了開發時間。 在 LabVIEW 平臺下開發的虛擬 儀器用戶界面友好、運行穩定、 性能可靠。


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