（动力机械及工程专业论文）基于模糊诊断算法的柴油机故障诊断技术研究.pdf

摘要 柴油机作为一种重要的动力机械，广泛应用于各个行业，在国民经济和日常 生活中起着举足轻重的作用。柴油机集往复、回转、冲击等运动部件于一体，具 有结构复杂、工作条件恶劣、运用负荷范围大的特点。对柴油机的状态进行追踪 并进行故障诊断可以有效提高柴油机运行效益。 本文针对这种需求，提出了基于模糊故障诊断技术的柴油机故障诊断方法， 并研究开发了柴油机状态智能跟踪及故障诊断系统。柴油机故障种类繁多，故障 现象模糊，并且故障原因与故障征兆之间的关系错综复杂，简单的故障诊断专家 系统不能满足其准确故障诊断的要求。模糊故障诊断技术通过模拟人的思维方 式，可以有效解决复杂系统的故障征兆与故障原因之间的模糊关系，实现故障的 准确诊断。 通过采集缸内压力数据，求解内燃机燃烧放热模型数学方程，提取出了表征 柴油机工作状态本质信息的特征参数。引入了数理统计的方法，分析各参数分布 特性，确定了柴油机的故障征兆隶属函数，即柴油机各故障征兆的强化程度。利 用专家经验知识与试验数据统计分析相结合的方法建立了柴油机模糊故障诊断 矩阵。并通过人为设置故障的方法对模糊诊断模型进行了标定，最终实现了基于 模糊诊断算法的柴油机故障诊断。 系统硬件采用基于p c i 0 4 数据总线的嵌入式工业组件模块设计，满足电磁 兼容性能国家标准：软件采用面向对象的软件设计方法开发，便于维护和升级。 整个系统使用方便，在恶劣环境下运行可靠、稳定。地面数据分析管理系统主要 进行数据传输、数据可视化分析、故障诊断、修程管理、状态趋势跟踪等功能， 可以实现对柴油机维修、质量的综合管理。 关键字：模糊故障诊断、数理统计、数据总线、电磁兼容、软件设计 a b s t r a c t d i e s e le n g i n e sa r ew i d e l yu s e da si m p o r t a n tp o w e r - s u p p l ye q u i p m e n t si nm a n y f i e l d s a n db e c a u s eo fi t sc o m p l e x i t yi ns t r u c t u r e ，h i 曲p o w e ro u t p u ta n dp o o r w o r k i n ge n v i r o n m e n t ，i n t e l l i g e n t a n dc o s t - e f f e c t i v em a i n t e n a n c et e c h n o l o g yi s u r g e n t l yw a n t e d i no r d e rt of i l lt h i sb l a n k ，ad i e s e le n g i r ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nf u z z y d i a g n o s i st e c h n i q u ew a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h i st h e s i s b ys o l v i n gt h ef u z z y r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf a u l t sa n df a u l ts y m p t o m s ，i t l sc o m p e t e n tf o rd i e s e le n g i n e i n t e l l i g e n tc o n d i t i o nt r a c k i n ga n dq u i c kf a u l td i a g n o s i s t h r o u g hc o l l e c t i n gi n c y l i n d e rp r e s s u r ed a t a , s o l v i n gt h ec o m b u s t i o na n db e a t r e l e a s em o d e l s ，t h ef u l lw o r k i n gp r o c e s si n f o r m a t i o no ft h ed i e s e le n g i n ec a r lb e f l n t h e r d e d u c e d b ym a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，c h a r a c t e r i s t i c f u n c t i o n so ff a u l t s y m p t o m sw e r ed e r i v e d ，t h a tp r e s e n tt h ef a u l ts y m p t o m s i n t e n s i t i e s e m p l o y i n gt h e e x p e r i e n c e so fe x p e r t sa n dp r e c i s ea n a l y s i so ft h ed a t a , t h ed e p e n d e n c yo ft h ef a u l t s y m p t o m so nt h ef a u l t sw a sd e c i d e d ，a n dt h ef u z z yf a u l td i a g n o s i sm a t r i xw a s f o u n d e d t h r o u g hp r e c i s ec a l i b r a t i o no ft h ef u z z yf a u l td i a g n o s i sm o d e laq u i c ka n d c o r r e c tf a u l td i a g n o s i sw a sr e a l i z e d t h ed i a g n o s i sd e v i c ew a sd e s i g n e db a s e do np c i 0 4i n d u s t r ye m b e d d e d c o m p u t e rd a t ab u s ，a n dt h ew h o l ed e v i c em e tn a t i o n a ls t a n d a r df o re m c i t ss o f t w a r e w a sd e v e l o p e db yo o pm e t h o d ，w h i c hm a k ei te a s i l ym a i n t a i n e da n de x t e n d e d ，t h e s y s t e mi se a s yt ou s e ，r e l i a b l ea n ds t e a d yi no p e r a t i o n t h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mo n g r o u n ds e i v c sf o rm e a s u r e dd a t at r a n s f e r s ，g r a p h i ca n a l y s i so fd a t a , f a u l td i a g n o s i s ， a n de n g i n ec o n d i t i o nt r a c k i n g k e y w o r d s ：f u z z yf a u l td i a g n o s i s ，m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c ，d a t ab u s ，e m c ，s o f t w a r e d e s i g n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：从肛噬孽签字日期： 土。口罗年，。月7 毕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：从胎老孥新签名绎捌u 1 f 签字日期：知一5 年加月i 中日 签字日期： 伊年口月，乒日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 机械设备故障诊断技术( m e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i s ) ( 简称故障诊断技术) 是通过检测机械设备在运行条件下的状态信息，并对其进行分析和处理，结合诊 断对象的历史状况，来定量识别机械设备及其零、部件的实时技术状态，并预知 有关异常、故障和预测其未来技术状态，从而确定必要对策的技术啪1 。从学科的 定义可知，故障诊断技术是一门将机械设备从设计、制造、使用、维修等寿命周 期中的各个方面加以统一研究，并融合了各种相关学科理论、方法与手段的综合 性应用学科。该学科具有基础理论新、体系边界模糊、实施技术繁多、工程应用 广泛、发展日趋迅速以及与高科技密切相关等特点。 本文采用近些年迅速发展起来的模糊理论及故障诊断专家系统，研究基于内 燃机工作过程参数和数理统计与模糊故障诊断技术的柴油机故障诊断的理论与 方法，并建立了柴油机状态智能跟踪及故障诊断系统。 1 2 内燃机故障诊断技术概述 内燃机作为一种重要的动力机械，广泛应用于工业、农业、化工、冶金、电 力、交通等部门或行业，在国民经济和日常生活中起着举足轻重的作用。从结构 上看，内燃机集往复、回转、冲击等运动部件于一体。据统计，一台6 缸柴油机 有运动副6 0 0 对以上。由于结构形式、工作方式和作用负荷等的特点，使得内燃 机的故障形式多种多样，维修工艺复杂。加之，内燃机常常是机械系统( 如汽车、 船舶、火车等) 的“心脏”，其可靠性无论从安全的角度还是从经济、技术的角 度都显得十分重要。因此，开展内燃机故障诊断工作对提高经济性和安全性，具 有非常重要的意义。近些年来，世界各国特别是工业发达国家对内燃机故障诊断 技术给予了巨大的关注，逐步形成了各种各样的诊断方法和手段，并取得了许多 成功的应用，显示了其重大的经济效益和社会效益。 内燃机故障诊断技术正在逐步发展和不断完善，其常用的内燃机故障诊断方 法有直观检查法、热工参数监测法、油液监测法、振动监测法以及瞬时转速监测 法等。 ( 1 ) 直观检查法 直观检查法是指检查人员通过内燃机及其零部件的外观色泽和表面状态来 进行故障分析和诊断。对于机体内部件，可借助于各种光学仪器( 如工业内窥镜 等) 进行直观检查。这种方法简单、实用，但要求检查人员具有丰富的经验才能 做出正确的判断。 第一章绪论 ( 2 ) 热工参数监测法嗍 热工参数监测是内燃机最常用的监测方法之一。这种监测方法是从与内燃机 热工参数的变化中，找出内燃机的潜在故障。热工参数监测内容也比较多，一般 可分为以下几个子监测系统： 内燃机温度的监测，如排气温度等； 内燃机热量传递状况监测，如冷却水、润滑油的进出口温度等： 各缸爆发压力平衡的监测； 燃油喷射系统的监测； 增压系统的监测： 进、排气系统的监测； 润滑油系统的监测； 冷却水系统的监测等。 每个子系统内均包含很多个零部件，只要其中一个零部件失效，都将对内燃机性 能产生明显的影响。为此必须监测大量的参数，一台大型内燃机的监测参数将多 至百余个。监测参数有压力、温度、流量等。 ( 3 ) 油液监测法m h 1 油液分析是内燃机故障诊断的最常用方法之一。零部件磨损失效是内燃机最 常见、最主要的故障形式，油液监测技术通过采集内燃机在用润滑油样品，分析 其理化性能和携带的磨损微粒，定性和定量地评价内燃机的磨损状态，并预测其 发展趋势。光谱油料分析是较早应用于内燃机磨损监测的方法，最初主要应用于 机车柴油机。7 0 年代中期，铁谱分析技术得到了迅速发展和应用。目前，这两 种分析技术都已成为内燃机故障诊断的重要方法。与其它监测方法一样，油液监 测法也存在着一些困难和局限： 油液监测只能确定异常磨损零件的种类，而无法指出具体部位： 铁谱分析技术对非磁性材料磨粒的检测效率较低，影响了分析的精度； 油液监测方法以离线监测为主，在线监测尚在开发中； 无法对无润滑部件的损坏实施监测。 ( 4 ) 振动监测法旧“力n 町删 由于磨损、腐蚀等作用，内燃机各运动件之间的间隙会增大，固定件装配配 合状态也会发生改变，这些变化都会在内燃机表面振动信号中有所反映。振动监 测法通过检测和分析内燃机表面振动信号，对其主要运动部件的机械状态进行监 测和诊断，并预报其发展趋势。 但是，这种方法大多局限于在实验室对零部件单一模拟故障的诊断方面，距 实际应用还有一定距离。主要困难有： 2 第一章绪论 柴油机是一种复杂设备，表现在：柴油机是一个由曲柄连杆机构、气门 机构、燃烧系统、润滑系统、冷却系统等组成的多层系统，具有系统级、子系统 级、部( 组) 件级及零件级4 个层次；柴油机的结构异常复杂，加之输入、输出不 明显，因而无论是定量还是定性都难以用比较完备、准确的模型对其结构、功能、 以及状态等进行有效的表达；柴油机的故障及产生故障的原因有的是模糊不清 的，一个故障可能是多种故障综合做用的结果，这比简单的因果对应关系复杂得 多。 柴油机的结构、运动状态复杂、型号众多，而共性归纳不够，所以适应 于某台、某型号柴油机振动信号的分析法，对另一型号的柴油机未必可行；对同 一机型取不同的测点进行测量、即使故障类型相同，所测过的结果都有可能是矛 盾的。 柴油机振源多，系统传递路径复杂，故障既有“纵向性”又有“横向性”， 这特性带来了柴油机这个复杂系统中多个故障并存的现实。多故障的同时诊断 导致对故障能否准确定位这一十分困难的诊断问题。 柴油机各类故障所对应的振动频率，无论理论中还是实践中都较难明确 确定、目前所采用的谱分析故障诊断方法，只是根据功率谱的形状特征，用相似 比较的办法进行确定。在不同的故障形式产生相似形状功率谱图时，有可能发生 误诊，给实际判断工作造成很大困难。 ( 5 ) 瞬时转速监测法恤船埘儿衢1 柴油机曲轴的瞬时转速波动信号能反映机器的工作状态、通过对瞬时转速波 动信号的分析可以得到机器运行状态和相关故障的丰富信息：正常工况下，各缸 的动力性能基本一致，柴油机运转平稳，各缸瞬时转速波动虽有差异，但总在一 个不大的范围内，并呈现某种规律性；但当某个气缸工作不正常时，动力的一致 性遭到破坏，柴油机运转平稳性性差，转速波动信号会产生严重变形。据此可以 判断其缸内工作过程的好坏，不足之处在于： 利用瞬时转速波动虽然能够确定工作不正常的缸位，但不能确定造成故 障的原因。例如，缸内压力降低造成曲轴瞬时转速变化，可能是活塞环或缸套磨 损引起气密性变差所致，也可能是燃油系统故障造成燃烧不充分所致等等。 由于要反映一周内角速度的变化，就要求采用高频率响应、高精度的瞬 时转速测量仪，设备费用会很高；另外，现场安装、调试使用均较困难。 由于内燃机故障诊断一直是设备诊断学的重点和难题，而上述各种监测方法 是按照各自的工作原理，从不同的角度获得内燃机部分不同性质的信息，它们各 有所长也各有所短。这些方法从很多方面丰富了内燃机故障诊断的技术手段，为 今后的实用化奠定了基础。就目前来看，这些方法大多仅利用部分信息，单从某 第一章绪论 个角度对内燃机某类特定故障实施诊断，缺乏对多源信息的协同处理和综合利 用，因而在准确性、可靠性和实用性等方面都存在着不同程度的缺陷。 1 3 模糊故障诊断方法心钉b 阳 我们把故障信号( 现象) 看作一些“症状”，如发动机爆发压力低、油耗过高 等，而把故障原因，即产生这些症状的根据，如喷油器雾化不良、供油过晚或过 早等看作是各种“病症”。诊断的目的是当系统出现异常现象时，根据这些症状 ( 征兆) 来识别是哪一种病症( 原因) 。 由于柴油机结构的多样性以及故障症状( 征兆) 与故障原因之间关系的复杂 性，即同一种故障症状( 征兆) 往往对应着多种故障原因，同一种故障原因又对 应着多种故障症状( 征兆) ，使传统的诊断方法在实际应用中暴露出它们的局限 性。而模糊诊断方法是以模糊数学为基础的故障识别方法，所要解决的问题是通 过对柴油机工作状态参数进行观察所得到的症状( 征兆) 来判断所发生的故障。 由于这种诊断方法采用多因素诊断，并模拟了人类的思维方法，能克服机器设备 复杂所带来的困难，因此在复杂系统的故障诊断中具有较高的精度。 1 4 本学位论文的主要工作及论文内容 本论文建立的柴油机故障诊断系统通过采集柴油机各缸气缸压力数据，获得 各缸示功图，对缸内压力数据进行处理计算获得峰值压力、压缩压力、峰值压力 相位、压力升高率曲线、压缩过程多变指数、进排气过程多变指数变化情况及平 均有效压力等发动机工作关键性能参数；应用所建立的满足工程应用精度的单区 零维燃烧模型“1 、热力学模型，将示功图作为输入数据做相应计算，得到反映柴 油机本质工作状态的参数，如燃烧始点、燃烧持续期、预混燃烧强度、扩散燃烧 强度、后燃强度、总放热量等。 通过对采集得到的大量数据进行处理计算和分析，选择对故障原因敏感的参 数建立与各个故障原因相关的故障征兆群。对选定的参数及故障征兆进行统计分 析获得其正常值的分布范围，应用模糊诊断方法对这些参数进行模糊化，获得各 个故障征兆的隶属度，即该故障征兆出现的程度。如通过统计各缸最大爆发压力 的波动得到其正常波动范围，然后应用该范围对故障征兆模糊化，得到每一缸最 大爆发压力偏离正常值的程度即其隶属度。对于故障原因与故障征兆之间的关 系，通过机理分析与统计分析相结合的方法，确定了各个故障征兆针对每一故障 原因的隶属度即为模糊故障诊断矩阵，即各个故障原因出现时对应于各个故障征 兆可能出现的程度。 经采集计算获得了反映柴油机本质工作状态的一系列特征参数后，对各个参 数进行模糊化，并根据上面确定的模糊故障诊断矩阵应用模糊故障诊断方法实现 4 第一章绪论 对柴油机的故障诊断。 本系统由便携式柴油机故障诊断仪及相应的外围传感器和地面数据分析管 理系统组成，便携式故障诊断仪硬件采用基于p c i 0 4 控制总线的嵌入式工业组件 设计实现，具备性能可靠、工作稳定、抗工业恶劣环境的特点“，软件采用面 向对象设计方法设计实现“”“”，诊断仪完成数据采集、分析、处理以及故障诊断 的功能。地面数据分析管理系统主要进行数据传输、数据可视化分析、柴油机状 态档案管理、故障趋势分析等功能，是诊断仪功能的扩展。 经过对该系统实验验证和实际使用表明，该系统能够对柴油机进行快速检 测、故障诊断和运行状态判断，在定期修程制中的检修质量监控，柴油机工作状 态优化调整方面能发挥巨大作用，同时本系统还实现了柴油机运行状态跟踪监测 和故障趋势分析。 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统 软硬件设计与实现 2 1 柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统总体方案设计 通过充分调研，确定了本系统的使用环境、方式、方法和应用目标。确定了 实现快速、便捷、准确的内燃机故障诊断的目标。通过现场采集柴油机各缸缸内 压力数据，应用所构建的发动机燃烧放热模型对数据进行处理计算，即时给出整 机各缸工作状态特征参数及所出现的故障和相应的维修建议。将数据上传至上位 机，设计相应的上位机软件对数据进行更相信的处理计算、分析，如可视化曲线 分析，报表分析对比等。围绕上述目标对系统软硬件进行了总体方案设计。 2 1 1 工作原理矧州 内燃机工作过程中燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所进行的工作循环转 化为机械能的，内燃机气缸内部实际进行的工作循环非常复杂，为获得正确反映 气缸内部实际情况的实验数据，通常要采集相对于不同活塞位置或曲轴转角时气 缸内工质压力的变化，所得到的结果即为p v 示功图或p 一巾示功图( 如图2 1 所示) 。单从示功图上可以获得的信息很少，只有进气压力、排气压力、最高爆 发压力及其相位等。图2 2 是通过热力学模型对示功图进行分析后所得到的反映 缸内燃烧情况的放热率历程，根据计算结果可以得到燃料总放热量、燃烧始点、 燃烧持续期、喷油始点、喷油持续期等反映发动机工作品质的内在信息，而且还 可以对非正常燃烧进行判断。 2 1 2 方案设计及功能 本系统包括故障诊断仪，其系统总体布置如图2 3 所示，故障诊断仪通过数 据线与压力传感器相连，压力传感器通过一个专用接头与柴油机气缸示功阀相 接。在发动机检查过程中，可连续采集数十个工作循环的压力数据。发动机曲轴 上粘贴反光带，用于确定压力数据的相位。采集过程通过按采集键开始，采集后 自动停止，重复上述过程，完成各个气缸的数据采集工作。采集过程可由液晶屏 显示，采集停止后，屏幕显示各缸平均示功图。 各个气缸的压力采集完毕之后，通过基于内燃机燃烧放热模型的物理数学模 型对示功图进行处理，获得可以诊断发动机故障的本质信息，并调用故障诊断软 件进行运算。最后给出诊断结果列表。具体可准确诊断如下故障： 增压器工作失常； 各缸进气、排气管路故障； 6 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 各缸气门间隙不正常； 各缸缸内漏气； 油泵供油量过大或过小： 油泵供油定时过早或过晚： 各缸喷油器雾化质量差： 各缸喷油器起喷压力异常； 各缸存在的其它故障隐患。 图2 1 四冲程内燃机实际循环的p 一巾图和卜v 图 图2 - 2 通过示功图可以计算得到的信息 7 14va 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 另外，该仪器还给出柴油机各缸工作过程内部参数，这些参数可在仪器上实 时显示，也可传送至p c 机存档，供检修技术人员作机车状态进行更详细的分析、 对比。其中在仪器上实时显示的相关信息有： 整机各缸最大爆发压力及相位对比； 整机各缸压缩压力及对比； 整机各缸燃烧始点相位对比； 整机各缸总放热量及对比； 整机各缸密封性指数及对比。 图2 3 故障诊断仪系统总体布置示意图 2 2 柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统硬件选型、开发及标定 2 2 1g p u 、采集卡的选型及功能开发 仪器的总体方案要求硬件系统应具有以下功能特性： 快速、准确采集气缸压力及其相位： 对所采集的示功图进行快速计算、分析、处理； 便于实现原始数据和处理数据的离线存储： 提供方便的人机接口，图形化输出； 8 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 自成系统，体积小，便携； 硬件系统工作可靠，抗高温恶劣环境。 硬件系统的功能主要是数据的采集、分析处理、存储和显示，这就要求系统 必须具备大量数据的高速处理、存储和显示能力，同时还要求便携、可靠，本研 究采用了高性能嵌入式计算机系统方案。嵌入式计算机系统的实现通常有两种方 案：一种是采用单片机或d s p ，从芯片级开始开发，搭建简单的用于特定应用的 计算机系统；第二种是采用发展很成熟的p c i 0 4 标准模块，加上自行开发的各种 专用外围处理电路、接口，组成高性能的用于特定应用的相对完整的计算机系统。 前者的优点是结构简单，适合在简单任务场合下应用。在大量数据的高速处理、 存储和显示等综合应用方面存在一定局限性，而且硬件开发的时间长、难以保证 可靠性。p c i 0 4 标准模块发展很成熟，基于该标准的c p u 模块基本上为一个独立 的计算机系统，所以在数据的高速处理、存储和显示等方面的综合性能优越，其 机械尺寸和功耗也能满足嵌入式的要求，而且硬件开发的时间短、成本低、可靠 性高。 因此在本仪器的硬件设计中我们采用了成熟的p c i 0 4c p u 模块及数据采集模 块，外加上自行开发的用于本仪器应用的外围处理电路和接口，实现了仪器总体 方案所要求的功能和特性，整个硬件系统基于p c l 0 4 总线。 1 ) p c i 0 4 总线规格标准及其应用模式“1 p c i 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，p c i 0 4 实质上就是 一种紧凑型的i e e e - p 9 9 6 ( p c 和p c a t 工业总线规范) ，其信号定义和p c a t 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 入式控制系统。 p c i 0 4 与普通p c 总线控制系统的主要不同是： 小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3 6 3 8 英寸，即9 6 9 0 m m ( 见 图2 - 4 ) ： 堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层 叠连接，即p c i 0 4 总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔 相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性； 轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4 m a 总线驱动即可使模块正 常工作，每个模块1 - 2 瓦能耗。 9 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 图2 4p c i 0 4 模块的基本尺寸 用p c 1 0 4 模块构成系统的具体方式没有限制，通常有二种基本的用法： 第一，模块栈接自成系统。 图2 5 是模块自我堆栈的示意图，将p c 1 0 4 模块当成无需底板，背板及卡 槽的特别紧凑的总线板，这样p c 1 0 4 栈接模块可以用螺栓固定在嵌入式系统的 机箱里，仅占用一小块空间。用这种方式，一个完整的p c 就被直接嵌入到系统 中，而不是在外部装置一台与系统共用若干引线相连的p c 机。 图2 - 5 模块自我堆栈 第二，“宏部件”应用方式。 图2 6 是“宏部件”应用方式的结构示意图。p c 1 0 4 模块可以当作有很多 1 0 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 芯片的“宏部件”插在应用系统的某块基板上。一块典型的应用基板上包括应用 系统所需的各种接口和电路，如电源电路、信号调理电路等等。这种方法是在特 定的t o 中插入嵌入式计算机( p c 1 0 4 宏部件) 而代替以往将i o 扩展板插入到 算机中的办法，它体现了嵌入式系统的设计方法。采用此策略，可以将更多的精 力投入至0 应用设计中去，通常在应用基板上多设计几个p c 1 0 4 连接位置，它允 许p c 1 0 4 模块水平摆放，降低系统截面高度，同时它为系统以后的扩展和升级 提供了空间。 图2 - 6 模块“宏部件”应用方式示意图 p c i 0 4 标准为嵌入式系统开发提供了一套低成本、高可靠、能迅速配置成产 品的集成化的结构模块。此外，由于与p c a t 标准的兼容，可以很快地掌握其硬 件的开发，而且费用低，不存在风险，使用p c i 0 4 模块可以大大地缩短产品开发 周期、降低开发成本。而且可以选用常用的实时操作系统( 包括d o s 、l i n u x 、 v x w o r k s 等) 来搭建系统所需要的软件平台。 2 ) 系统各模块的选型 一、p c i 0 4 标准c p u 模块的选型： c p u 模块我们选用了一款高性能的嵌入式4 8 6 处理器，工作频率3 3 m 1 3 3 m h z ，内置数学协处理器，1 6 m 字节的在板r a m ，支持完整的e m s ，可支持固 态盘，带扩展的工业标准b i o s ，标准d m a 中断定时控制器，v g a 支持彩色和单色 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 l c d 、e l 平板显示器以及模拟c r t ，工作温度范围一4 0 + 8 0 。 此c p u 模块的运算速度和内存容量能很好的满足现场示功图的采集、分析处 理要求，标准的中断控制器保证了示功图采集的实时性，配上3 2 m 宽温固态盘能 实现现场数据的离线存储，另外，3 2 m 宽温固态盘和1 6 m 内存也能满足系统和应 用软件的可靠运行。 二、p c i 0 4 标准数据采集模块的选型： 所选用的数据采集模块主要性能指标如下： 模拟量输入部分： 输入通道数：单端1 6 路，双端8 路 输入信号范围：o i o v ，一5 v + 5 v ，一1 0 v + 1 0 v 输入精度：1 2b i t 增益范围：1 1 0 0 0 硬件增益 a d 采样频率：i o o k h z a d 转换启动方式：软件启动定时启动外触发 a d 转换结束识别：查询方式中断方式 计数部分： 使用器件：8 2 c 5 4 计数通道：3 路 最大计数频率：i o m h z 此数据采集模块采样频率完全可以实现示功图的高速、实时采集；同时，a d 转换的启动、结束方式灵活，我们在系统的设计中，结合模块自带的计数通道， 对采集功能进行了二次开发，实现了多种示功图采集方案的硬件兼容，这种灵活 的a d 转换方式为系统的采集方案的扩展提供了很大空间。 三、系统其他辅助模块的选型： 系统的辅助模块主要包括显示器、电源。考虑到便携、可靠、使用方便的设 计原则，显示器采用的是c p u 模块直接支持的工业级宽温e l 平板显示器，分辨 率3 2 0 * 2 4 0 ，工作温度一4 0 + 8 5 ；电源由2 5 2 v 2 a h 可充锂离子电池及智能 电源管理模块组成，电源可以保证系统连续工作两小时以上，同时也提供灵活的 外接电源接口。 2 2 2 硬件系统开发 硬件系统构成除了标准p c i 0 4c p u 模块和数据采集模块外，还包括输入信号 调理及数据采集辅助模块、小键盘管理模块和电源管理模块，因此我们将标准 p c i 0 4 模块作为“宏部件”应用，插在所设计的应用系统基板上，基板上包括了 系统所需要的各种接口和辅助模块，基板的设计工作主要包括个辅助功能模块的 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 设计。 1 ) 输入信号调理及数据采集辅助模块的设计 此模块实质上是对采集功能的二次开发，系统的输入信号包括：上止点或角 标信号( 脉冲信号) ，气缸压力信号( 模拟信号) ；示功图的采集要求采集气缸压 力信号并根据上止点或角标信号标记出压力数据的相对物理位置；对每缸连续采 集3 0 个循环，每循环均匀采样7 2 0 个点，并且实现3 0 个循环原始数据的离线存 储：单缸采集数据量为3 0 爿c 7 2 0 木2 = 4 3 2 0 0b y t e 约为4 3 k 字节，假设转速最高为 1 0 0 0 r m 时采集总时间为3 6 s ，则单次采样间隔时间为1 6 7 m s 即采样频率6 k 。 在所选用的数据采集模块基础上设计的信号调理及数据采集辅助模块示意图，如 图2 - 7 所示。 触发信号经调理后直接进入p c i 0 4 总线，触发c p u 系统中断，触发信号的脉 冲间隔由计数器0 和计数器1 来计数，中断处理程序读取计数结果并经计算转换 得出当前时段的平均转速，由转速确定a d 的采样频率，根据采样频率给计数器 2 置适当计数初值，定时器2 的o u t 端按计数初值发生启动a d 转换所需的脉冲 信号，从而按所需要的频率自动完成对压力信号的采样，同时在中断处理程序中 也对当前转换完的压力数据点作相应标记，以标记所采集的压力数据的相对物理 位置。 图2 - 7 信号调理及数据采集辅助模块示意图 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 2 ) 小键盘管理模块的设计 系统人机界面输入接口采用1 6 ( 4 * 4 ) 键接触式小键盘，为减小c p u 资源的开 销，小键盘管理模块采用键盘显示控制芯片8 2 7 9 实现小键盘的扫描、消抖、多 键保护等的控制，8 2 7 9 与p c l 0 4 总线直接相连。图2 8 是小键盘管理模块硬件 示意图，图2 9 、2 - 1 0 分别是键盘初始化程序和键盘查询程序流程图。 图2 - 8 小键盘管理模块硬件示意图 初始化8 2 7 9 v 置清0 命令字 置时钟分频命令字 置工作方式命令字 图2 - 9 键盘初始化程序框图 1 4 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 图2 - 1 0 键盘输入查询程序流程图 3 ) 电源管理模块的设计 电源管理模块主要完成的功能包括：电压转换、后端电路保护、电池电量监 测等功能，模块示意图如下： 图2 - 1 1 电源管理模块不惫图 所采用的电源转换芯片为宽范围d c 2 4 v ( 1 8 v 3 6 v ) 输入，因此可以满足电 池供电和外接直流电源供电的需要：保护电路有效的提高了系统的可靠性；电池 电量监测则更好的保证了电池的有效可靠的工作。 2 2 3 传感器的选型及标定汹m 1 缸内压力传感器是故障诊断系统的关键部件，其性能直接影响所采集的压力 数据的精度和可信度。用于内燃机缸内压力测量的传感器要经受高压、高温和瞬 间火焰冲击等恶劣环境的考验，所以对传感器性能指标的要求相当苛刻。目前实 验室研究中用于测量缸内压力的传感器基本都是压电式的，这种采用压电晶体作 为压力感应元件的传感器具有耐高温、热稳定性好、线性度好等的特点，但大多 数在应用中仍需要采用循环水冷的方式强制冷却，以保证传感器的性能稳定，延 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 长其使用寿命，传感器后端用于信号放大的电荷放大器一般体积较大，使用中也 有预热、接地等准备工序。 本系统中故障诊断仪为便携式检测设 备，传感器及其配套信号部件的体积、使用方 式也受限于这一原则，大多数使用现场不能提 供循环水冷的条件，使用中会遇到恶劣的工业 环境( 如不洁、潮湿等) ，而且也要求传感器 长期稳定工作。这给压力传感器的选型带来很 大挑战。我们反复测试了多种形式的压力传感 器，结果均不能满足耐高温、便携性要求，最 后我们选择了一种专为内燃机机缸内压力采 集设计的压力传感器，该传感器具有热冲击误 差小，寿命长、抗工业恶劣环境等优点，而且 不需水冷，传感器体积较小，外形如图2 1 2 所示，性能指标如表2 1 所示。经过实验证 实，该传感器各项性能能够满足本系统要求 图2 1 2 压力传感器 表2 - 1 压力传感器性能参数表 性能指标单位数值性能指标单位数值 测量范围 b a r0 2 5 0 传感器前端 - 5 - 0 3 5 0 部分标定量程 b a r3 0 0 工作温度六角螺母到接头5 0 1 5 0 灵敏度 m v ，b a r2 0 电子部分 - 5 0 9 0 固有频率 k h z= 7 02 0 0 士1 5 0 垒3 灵敏度漂移 线性，全量程f s o妻田5 2 0 0 士5 0 1 输出阻抗欧姆 1 0 0热冲击( 在15 0 0 r p r a ， p b a r 0 3 时间常数 s1 8 0 0i m e p = 9b a r ) i m e p 2 相位传感器用于确定所采集的压力数据的相位，用一个激光管作为光源， 发出波长为6 5 0 r i m 的点式激光，经发动机曲轴输出端上贴的反光带反射，到达 光敏二极管经调理、放大、整形得所需同步脉冲信号，脉冲产生的时刻和频率与 旋转轴上贴的反光带位置、轴转速相对应。通过此脉冲信号可以确定上止点的位 置和压力数据的采样频率。该传感器工作原理示意图如图2 1 3 所示。 1 6 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 光 电 传 感 器 图2 一】3 光电式相位传感器工作原理示意图 转轴 光带 2 2 4 系统电磁兼容性设计即删 由于本系统使用环境存在大量的电气设备和控制电路，存在较强的电磁环 境，而且作为一个计算机测控系统，本系统还可能对机车上的其它设备产生电磁 骚扰。因此在设计过程中要综合考虑本系统抗外界电磁干扰的能力并要消除本系 统对外电磁辐射对其它设备的影响，保证设备及其本系统的运行安全。 1 ) 电磁干扰简介 电磁骚扰( e l e c t r o n i cd i s t u r b a n c e ) ：是任何可能引起装置、设备或者系 统性能降级或者对生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是 电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。 电磁干扰( e l e c t r o n i ci n t e r f e r e n c e ) ：是电磁骚扰引起的设备、传输通道 或者系统性能的下降。电磁骚扰仅仅是电磁现象，即客观存在的一种物理现象， 它可能引起设备性能的降级或者损害，但不一定已经形成后果，雨电磁干扰是由 电磁骚扰引起的后果。 电磁干扰三要素：不论复杂系统还是简单装置。任何一个电磁干扰效应必须 具备三个基本条件：首先应该有电磁干扰源，即要有产生电磁能量的物体或现象。 如日光灯的开关、汽车的点火系统、雷达、大功率用电设备、处理数字信息的设 备、雷电放电等；其次要有传输干扰能量的途径( 或通道) ：第三还必须有被干 扰对象( 敏感设备) 的响应。被干扰对象可以是一个很小的元件或者电路板组件， 也可以是一个单独韵用电设备，甚至可以是一个大系统。电磁干扰源是指产生电 磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或者自然现象。使电磁干扰能量传输至敏 感设备的通路或媒介则被称为干扰传播途径( 或耦合途径、耦合通道) 。电磁干 扰三要素示意图，如图2 一1 4 所示。 图2 1 4 电磁干扰三要素示意图 1 1 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软碗件设计与实现 2 ) 系统抗电磁干扰设计 由于系统应用环境比较恶劣，干扰严重；但整个系统要求便携式设计，结构 要求轻便，这就要求系统既有较强的抗电磁干扰能力，且使用的硬件资源又要求 尽量少。为此在系统抗电磁干扰设计中采用了下列方法： 精心选择元器件 元器件是构成部件或系统的基础。选择集成化程度高、抗干扰能力强、功耗 小的电子器件。 元器件要精密调整 元器件的精度是保证系统完成既定功能的重要保证。选择精度高的元器件， 并对元器件的参数进行精密调整。如，电位器阻值的精确调整。 采用硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术可以有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。运用了滤波技术、 去耦技术、屏蔽技术、隔离技术和接地技术。可以有效抑制绝大部分干扰。 采用软件抗干扰技术 在软件设计过程中，充分考虑了可能的电磁干扰造成的数据失真。运用了数 字滤波、信息传送过程的自动检测、系统运行状态监视及发生故障时的自动恢复 等技术。 2 3 柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软件系统设计与实现 系统软件设计主要包括两部分，一是便携式故障诊断仪的软件设计，二是地 面数据分析管理系统的软件设计。 2 3 1 便携式故障诊断仪软件系统设计州 诊断仪硬件系统采用基于p c i 0 4 总线的c p u 模块和数据采集模块来设计实 现，所选用的4 8 6 d x 级c p u 模块运算处理能力比较强，所以可以选用常用的实时 操作系统( 包括d o s 、l i n u x 、v x w o r k s 等) 来搭建系统所需要的软件平台。 d o s 操作系统在硬件端口操作，中断响应、资源管理方面具备实时操作系统 的一般特点，能够满足本系统的需要，d o s 与w i n d o w s 相兼容的文件系统，使得 软件的开发和数据的存储管理更加方便，d o s 系统的不足的地方是其单任务模 式，但由于本系统主要以数据采集、存储、分析为主，这一点并未对本系统的实 现构成约束。软件设计的语言工具采用的是d o s 下的主流开发工具t u r b o c + + 3 0 ， 该工具对c 和c + + 语言兼容，软件开发语言采用面向对象的c + + ，整个软件系统也 采用了面向对象的软件设计方法m 3 进行设计，使得整个软件系统更易于理解和实 现，提高了代码的可重用性，简化了开发过程，缩短了开发周期。 1 ) 诊断仪软件系统需求分析 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软硬件设计与实现 便携式故障诊断仪软件系统主要功能及需求如下： 完成对发动机各缸缸内压力数据的采集、存储。控制采集流程； 提供友好的人机接口，要求中文图形界面： 对所采集压力数据的进行预处理、热力过程分析、燃烧学分析计算，并 显示、存储计算结果： 进行实时故障分析，并显示结果； 提供方便可靠的数据传输接口。 2 ) 诊断仪软件各子系统设计 按整个软件系统的功能，可将诊断仪软件划分为数据采集子系统、入机交 互子系统、压力数据处理子系统、故障诊断子系统和数据传输子系统，如图2 1 5 所示。 图2 1 5 诊断仪软件子系统构成 人机交互子系统是诊断仪与操作人员之间的接口，主要负责人机交互管理， 包括操作指令的输入、检测分析结果的显示、系统参数的设置等：数据采集子系 统主要负责缸内压力数据及其相关数据采集、存储：压力数据处理子系统主要完 成缸内压力数据的预处理、热力过程分析计算、燃烧模型分析计算并存储计算结 果；故障诊断子系统完成故障诊断功能；数据传输子系统与上位机数据传输程序 通信将所采集的数据及相关信息传输至上位机。其中数据采集子系统由于和硬件 关系密切在硬件设计部分已给出其工作流程；故障诊断子系统将涉及到故障诊 断方法，本文将在第四章详细讨论。 一、人机交互子系统设计 1 9 第二章柴油机状态智能跟踪与故障诊断系统软碗件设计与实现 人机交互子系统是诊断仪与操作人员之间的接口，因此要求界面友好，使用 方便。子系统界面采用图形界面，而且考虑到使用者的实际情况。文字信息均采 用汉字显示。该子系统主要由窗口类、菜单类、汉字类、对话框类等基类元素组 成。 ， 窑口类 、 大小位置 背景色，状态 初始化 显示 清除 反显 ， 汉字类 、 汉字内客首地址 字数 大小、位置 颜色 显示 l 蚕罢 7 菜单类 、 菜单项数 各项内客 各项响应函数 扶杰 初始化 响应按键 厂 对话框类、 返回值 类型 初始化 显示 清除 图2 1 6 人机交互子系统主要基类的定义 图2 1 6 为人机交互子系统主要基类的定义，窗口类的各个对象将界面划 分为不同的显示