基于LabVIEW的柴油機(jī)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

沈旖旎，陳德富，楊 峰，袁成威，陳 驍

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090；2.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 201108)

為驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)柴油機(jī)故障診斷模型可靠性和準(zhǔn)確性，開(kāi)展智能機(jī)艙故障診斷試驗(yàn)，采集動(dòng)力系統(tǒng)典型工況下柴油機(jī)正常和故障模式的特征參數(shù)，為故障診斷算法模型提供數(shù)據(jù)支撐。

柴油機(jī)氣缸缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是衡量柴油機(jī)工作狀況的重要參數(shù)，將其結(jié)合可進(jìn)行特征分析[1]。柴油機(jī)氣缸壓力隨著曲軸轉(zhuǎn)角變化，最大爆發(fā)壓力及其出現(xiàn)在壓縮上止點(diǎn)后的位置是反映發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的重要指標(biāo)[2]。柴油機(jī)缸內(nèi)壓力可直接反映柴油機(jī)內(nèi)部的熱力過(guò)程，其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果決定了柴油機(jī)氣缸內(nèi)工作性能的優(yōu)劣[3]。通過(guò)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力引起的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，可研究不同工況下曲軸信號(hào)的非均勻特征[4]。柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化呈周期性變化，反映了氣缸內(nèi)燃燒狀況，為柴油機(jī)故障診斷提供了依據(jù)[5]。而高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可提高實(shí)時(shí)采樣率，通過(guò)連續(xù)獲取和存儲(chǔ)采樣點(diǎn)，有利于提高系統(tǒng)分析參數(shù)細(xì)節(jié)的能力[6]。

通過(guò)測(cè)量柴油機(jī)燃燒循環(huán)內(nèi)缸壓的變化，可判斷進(jìn)氣、噴油、燃燒和排氣過(guò)程中的故障；通過(guò)測(cè)量柴油機(jī)燃燒循環(huán)內(nèi)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化，可判斷故障缸。由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較高，柴油機(jī)一個(gè)循環(huán)的時(shí)間較短，故數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需具備高速性。另外，為了提取和分析柴油機(jī)關(guān)鍵參數(shù)，使缸壓、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)相對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還需保持同步性。

針對(duì)此，提出了建立高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法。通過(guò)同步觸發(fā)采集缸壓、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)角和上止點(diǎn)等信號(hào)，采用雙傳感器采集曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)并作為基準(zhǔn)的方法，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)與各信號(hào)周期對(duì)應(yīng)，同時(shí)加入預(yù)處理，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)壓力之間的特征聯(lián)系。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其硬件部分由工控機(jī)、信號(hào)采集箱和關(guān)鍵傳感器組成。監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)界面位于集控臺(tái)，通過(guò)以太網(wǎng)連接至NI采集機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。信號(hào)采集箱與試驗(yàn)臺(tái)中各信號(hào)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以硬線連接，通過(guò)NI采集機(jī)箱和內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集板卡，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)與計(jì)數(shù)器信號(hào)的高速同步采集。

圖1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 信號(hào)采集箱

高速數(shù)據(jù)采集由信號(hào)采集箱實(shí)現(xiàn)，其中包括NI采集機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集模塊、脈沖信號(hào)調(diào)理模塊、電流信號(hào)調(diào)理模塊等，其中NI采集機(jī)箱NI cDAQ-9185置于信號(hào)采集箱中，數(shù)據(jù)采集板卡NI 9205、NI 9222和NI 9411內(nèi)置于NI采集機(jī)箱中。

1.2 關(guān)鍵傳感器

采用Kistler 6635A1缸壓傳感器，其測(cè)量范圍為0～350 bar，輸出的有源電流信號(hào)通過(guò)電流信號(hào)調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并由板卡NI 9222采集。

此次試驗(yàn)選用TBD234V6柴油機(jī)，其齒盤(pán)齒數(shù)為168齒。對(duì)于柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，常使用光電編碼器或磁電式轉(zhuǎn)速傳感器[7]。光電編碼器分辨率高，但抗震、抗干擾能力相對(duì)較差；而磁電式轉(zhuǎn)速傳感器可靠性更高，能在惡劣條件下工作[8]。因而采用MP-981/AP-981磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，其輸出信號(hào)類似正弦波。需為其設(shè)置適合的限幅、濾波和整形電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效的轉(zhuǎn)速測(cè)量[9]。通過(guò)脈沖信號(hào)調(diào)理模塊DIN11 IPO-S1-P1-O3可將信號(hào)整形為方波并輸出，并由板卡NI 9411采集。

選用OMRON增量式光電編碼器，其分辨率為720脈沖/轉(zhuǎn)，A相、B相相位差為90°。A相、B相和Z相輸出信號(hào)由板卡NI 9411采集，從而得到曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)和上止點(diǎn)信號(hào)。

2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能

以NI LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在線采集上止點(diǎn)、曲軸轉(zhuǎn)角、缸壓信號(hào)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[10]。

高速采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，分別由事件處理循環(huán)、數(shù)據(jù)采集循環(huán)、數(shù)據(jù)記錄循環(huán)和數(shù)據(jù)顯示循環(huán)組成。此系統(tǒng)采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者框架，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)設(shè)計(jì)，提高采集處理效率[11]。各采集循環(huán)與數(shù)據(jù)記錄循環(huán)都具有獨(dú)立的消息隊(duì)列，因此各循環(huán)為獨(dú)立的并行結(jié)構(gòu)。

圖2 高速采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用隊(duì)列框架，分別由消息隊(duì)列和數(shù)據(jù)隊(duì)列組成。通過(guò)事件處理循環(huán)，可控制檢測(cè)板卡和機(jī)箱、啟動(dòng)采集、數(shù)據(jù)記錄、停止采集、退出采集等事件，并將當(dāng)前狀態(tài)顯示至狀態(tài)框中。數(shù)據(jù)采集循環(huán)中分別設(shè)置模擬量通道和計(jì)數(shù)器通道參數(shù)，包括采樣率、時(shí)鐘、采樣數(shù)等。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和濾波后，分別通過(guò)數(shù)據(jù)隊(duì)列和通知器傳送至數(shù)據(jù)記錄循環(huán)和數(shù)據(jù)顯示循環(huán)中，將數(shù)據(jù)保存至TDMS文件并顯示至監(jiān)控界面中。

2.2 信號(hào)處理方法

(1)缸壓信號(hào)。

通過(guò)NI-DAQmx模塊采集缸壓信號(hào)(1～5 V)，映射至0～350 bar的范圍。由于變頻器的干擾作用，在采集缸壓信號(hào)的過(guò)程中，會(huì)引入過(guò)多的噪聲。對(duì)采集的缸壓、曲軸轉(zhuǎn)角和各特征參數(shù)進(jìn)行分析和預(yù)處理，所得缸壓曲線光順且趨勢(shì)明顯[12]。故采用Savitzky-Golay濾波器進(jìn)行預(yù)處理，用多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)窗內(nèi)的最小二乘擬合，可達(dá)到平滑除噪的效果。

(2)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)。

運(yùn)用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器獲取脈沖輸出信號(hào)，計(jì)算其瞬時(shí)頻率，從而可獲取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速[13]。通過(guò)NI-DAQmx模塊采集脈沖寬度信號(hào)，采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，根據(jù)飛輪齒盤(pán)上兩齒的間隔計(jì)算頻率，得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。提高瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度可通過(guò)提高高頻時(shí)鐘的計(jì)數(shù)頻率或減少飛輪齒圈的齒數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。若齒數(shù)過(guò)多，則帶有噪聲信號(hào)；若齒數(shù)過(guò)少，則測(cè)量所得為平均轉(zhuǎn)速，通常選擇兩齒之間角度差為2°～3°[14]。柴油機(jī)飛輪齒盤(pán)為168脈沖/轉(zhuǎn)，兩齒間隔處于2°～3°之間，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，其波形波動(dòng)變化趨勢(shì)明顯。

(3)曲軸轉(zhuǎn)角與上止點(diǎn)信號(hào)。

由于光電編碼器Z相信號(hào)為采集起始點(diǎn)，并且啟用Z索引，在Z相信號(hào)脈沖信號(hào)輸出時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角標(biāo)定為0°。通過(guò)對(duì)光電編碼器A相、B相脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿計(jì)數(shù)，計(jì)算得出當(dāng)前角位置。

(4)信號(hào)周期對(duì)應(yīng)處理。

為使柴油機(jī)缸內(nèi)壓力信號(hào)、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)、上止點(diǎn)信號(hào)、曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)能夠周期性對(duì)應(yīng)，以研究分析曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒故障之間的特征聯(lián)系，通過(guò)信號(hào)觸發(fā)的方法，使所有信號(hào)同步開(kāi)始采集。若通過(guò)分頻信號(hào)觸發(fā)，需通過(guò)上位機(jī)控制，將原始采集信號(hào)分頻，控制較為復(fù)雜，并會(huì)造成信號(hào)延遲，降低精確度[15]。因此，采用外部接線端以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)同步采集。設(shè)置以光電編碼器Z相信號(hào)觸發(fā)采集，以光電編碼器的B相作為時(shí)鐘源，每一個(gè)脈沖信號(hào)分別觸發(fā)采集一個(gè)缸壓信號(hào)、曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)和上止點(diǎn)信號(hào)，以720脈沖/轉(zhuǎn)的頻率采集，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500 r/min時(shí)，采樣率可達(dá)18000脈沖/s，以保證其采集高速性。而瞬時(shí)轉(zhuǎn)速采集時(shí)鐘為隱式時(shí)鐘，其時(shí)鐘源為采集所得的脈沖信號(hào)，即磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號(hào)。每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)觸發(fā)采集一個(gè)脈沖寬度信號(hào)，因此瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以168脈沖/轉(zhuǎn)的頻率采集，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500 r/min時(shí)，采樣率為4200脈沖/s，以保證瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的有效采集。為使各信號(hào)周期性對(duì)應(yīng)，同時(shí)以磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號(hào)和光電編碼器B相脈沖信號(hào)觸發(fā)，分別獲取兩種觸發(fā)方式所得的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)。以曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)作為基準(zhǔn)，缸壓信號(hào)、上止點(diǎn)信號(hào)與光電編碼器B相觸發(fā)的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)一一對(duì)應(yīng)；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)則與磁電式轉(zhuǎn)速傳感器觸發(fā)的曲軸轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)與缸壓、上止點(diǎn)信號(hào)周期性對(duì)應(yīng)，信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

建立試驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)用LabVIEW設(shè)計(jì)柴油機(jī)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊組成。下面對(duì)正常工況和燃油系統(tǒng)故障工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 正常工況

在正常工況下，將負(fù)載功率調(diào)至120 kW進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500 r/min，在3個(gè)柴油機(jī)循環(huán)內(nèi)，缸壓、曲軸轉(zhuǎn)角、上止點(diǎn)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 正常工況信號(hào)波形圖

由圖4可知，正常工況下，負(fù)載調(diào)至120 kW時(shí)，在1個(gè)柴油機(jī)循環(huán)(曲軸轉(zhuǎn)角為720°)中，柴油機(jī)氣缸缸內(nèi)壓力會(huì)達(dá)到1次峰值101.3 bar，與產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)相符。柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)在1500 r/min上下波動(dòng)，測(cè)量所得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率為±6.7%。在1個(gè)柴油機(jī)循環(huán)中，有明顯的6次波動(dòng)變化，并且會(huì)出現(xiàn)2次上止點(diǎn)信號(hào)。每經(jīng)過(guò)360°，會(huì)輸出1次上止點(diǎn)信號(hào)，此上止點(diǎn)輸出在曲軸轉(zhuǎn)角為360°k(k=0,1,2,…)的位置。正常工況試驗(yàn)證明各信號(hào)數(shù)值的正確性和可靠性，且數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致，具有同步性，并能夠?qū)崿F(xiàn)各信號(hào)周期性對(duì)應(yīng)。

3.2 燃油系統(tǒng)故障工況

通過(guò)直接斷油的方法模擬失火故障，分析各信號(hào)的變化規(guī)律。對(duì)B1缸燃油斷供，將負(fù)載功率設(shè)置為空載，此時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500 r/min。在3個(gè)柴油機(jī)循環(huán)內(nèi)，缸壓、曲軸轉(zhuǎn)角、上止點(diǎn)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)波形如圖5所示。

由圖5可知，在B1缸斷油故障工況下，負(fù)載調(diào)至空載時(shí)，柴油機(jī)氣缸缸內(nèi)壓力達(dá)到峰值39.8 bar，與產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)相符。相較于正常工況，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率變化較小，但由于故障影響，諧波含量增多，缸內(nèi)壓力峰值受到一定影響。但仍能夠保證在每1個(gè)柴油機(jī)循環(huán)中，出現(xiàn)6個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)、輸出2次上止點(diǎn)信號(hào)以及1次缸壓峰值。上止點(diǎn)信號(hào)在曲軸轉(zhuǎn)角為360°k(k=0,1,2,…)處輸出，且與缸壓峰值的位置偏差始終能夠保持一致。與正常工況相比，各信號(hào)波形變化規(guī)律以及相對(duì)位置都能夠保持一致，且可保證同步開(kāi)始采集。

圖5 燃油系統(tǒng)故障工況信號(hào)波形圖

通過(guò)正常工況和故障工況試驗(yàn)證明了數(shù)據(jù)的正確性和可靠性，且數(shù)據(jù)變化規(guī)律始終能夠保持一致，并能夠保證各信號(hào)周期性對(duì)應(yīng)，可用于故障診斷特征參數(shù)的提取與數(shù)據(jù)分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

為進(jìn)行故障診斷模擬試驗(yàn)，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，基于LabVIEW設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集柴油機(jī)氣缸缸內(nèi)壓力、柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)角和上止點(diǎn)等信號(hào)，傳輸至故障診斷服務(wù)器分析和提取特征參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)故障診斷。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，所采用的信號(hào)處理方法滿足試驗(yàn)需求，可用于故障診斷特征參數(shù)的分析和提取。