嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

?摘要：針對(duì)柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)無法對(duì)柴油機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，以及無法對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷的問題，提出運(yùn)用信息融合原理，利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)和現(xiàn)有巡回監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的熱工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)的綜合診斷和趨勢(shì)分析。介紹了一種基于TMS 320C 2407a的嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。該裝置是船舶發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)中的核心部分，可以實(shí)現(xiàn)船舶發(fā)電柴油機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，同樣可作為獨(dú)立的監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置用于機(jī)車、汽車及其他場(chǎng)合。

? 柴油機(jī)故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握柴油機(jī)在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部是否正常或異常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)[1]。以船舶系統(tǒng)為例，現(xiàn)代船舶發(fā)電柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)一般由機(jī)艙巡回監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但系統(tǒng)不能對(duì)柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，更不能對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷。

1 監(jiān)測(cè)裝置功能及原理

?圖1 是一種船舶發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的硬件圖(圖中虛線左側(cè)為機(jī)艙，右側(cè)為集控室)。該系統(tǒng)是運(yùn)用信息融合原理，利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)和現(xiàn)有巡回監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的熱工參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)的綜合診斷和趨勢(shì)分析。船舶發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)主要包括：1)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，拾取發(fā)電柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)；2)嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)(也可以采集熱工參數(shù)信號(hào))進(jìn)行信號(hào)處理，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)診斷，通過現(xiàn)場(chǎng)總線將診斷數(shù)據(jù)輸送到上位微機(jī)系統(tǒng)；3)信號(hào)接口裝置，采集船舶電站系統(tǒng)已有的熱工參數(shù)，并完成與系統(tǒng)的隔離；4)嵌入式在線監(jiān)測(cè)與診斷裝置，是一個(gè)以嵌入式工業(yè)微機(jī)為主體的數(shù)據(jù)處理和故障診斷專家系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)管理和故障診斷功能。

圖1 在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)硬件原理框圖

? 嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置為船舶發(fā)電柴油機(jī)故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)的采集，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)輸送到嵌入式微機(jī)系統(tǒng)。它是以TMS 320C 2407a數(shù)字信號(hào)處理器(簡(jiǎn)稱DSP)為主的現(xiàn)場(chǎng)采集和數(shù)據(jù)處理的小型專家系統(tǒng)。DSP將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一體，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案[2]。其主要功能：通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和熱工參數(shù)(功率、排氣溫度、增壓壓力、潤(rùn)滑油進(jìn)出溫度和壓力、空氣進(jìn)機(jī)溫度、主軸承溫度、淡水進(jìn)出溫度、海水溫度等)的采集，由自身的小型專家系統(tǒng)，診斷出柴油機(jī)的狀態(tài)是否有故障。

? 該裝置診斷原理：DSP以定頻率采集柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行齒平均、數(shù)字濾波和整周期平均計(jì)算，求取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)作快速傅里葉變換，求出頻域相關(guān)特征值。DSP結(jié)合熱工參數(shù)，由專家系統(tǒng)得到結(jié)果。

2 監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

?? 裝置硬件組成原理如圖2所示。圖中作為輔助分析的熱工參數(shù)通過信號(hào)調(diào)理模塊，由DSP的A/D模塊轉(zhuǎn)換即可。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是通過安裝在飛輪處的磁電傳感器獲取，發(fā)火上死點(diǎn)由輸油管上的壓力傳感器經(jīng)過電荷放大器獲取。裝置工作流程：1)DSP的A/D模塊采集熱工參數(shù)；2)DSP的A/D模塊結(jié)合其時(shí)鐘管理器參考油壓觸發(fā)信號(hào)以定頻率采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；3)由DSP對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理，結(jié)合輔助熱工參數(shù)由DSP內(nèi)部專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析，得出柴油機(jī)是否有故障。如有故障，則專家系統(tǒng)列出所有可能故障，分析其原因，確定處理方案；4)通過DSP的CAN模塊，將故障數(shù)據(jù)，以及專家系統(tǒng)分析出的方案上傳給上位微機(jī)，做數(shù)據(jù)保存及日后分析。DSP外擴(kuò)了SRAM，使得DSP對(duì)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及短時(shí)間在片保存的實(shí)現(xiàn)成為可能。

圖2 監(jiān)測(cè)裝置硬件原理框圖
3 程序設(shè)計(jì)

? 監(jiān)測(cè)裝置的程序設(shè)計(jì)可分為4 部分：1)熱工參數(shù)采集；2)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速提取；3)專家系統(tǒng)分析；4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳。其各部分實(shí)現(xiàn)方法為：

1)將信號(hào)調(diào)理到A/D轉(zhuǎn)換模塊合適的幅值范圍，利用DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱工參數(shù)的采集。

2)利用DSP的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)合定時(shí)器功能，實(shí)現(xiàn)以一定頻率采集柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)。過程為：(1)設(shè)置全局通用定時(shí)器控制寄存器GPTCONA 的位8或7通用定時(shí)器；(2)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換事件(T1TOADC)由周期中斷標(biāo)志來啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換；(3)設(shè)置定時(shí)器的周期寄存器。具體大小應(yīng)通過DSP的外部時(shí)鐘源及內(nèi)部鎖相環(huán)的值而定；(4)設(shè)置定時(shí)器控制寄存器，確定記數(shù)模式為連續(xù)增，調(diào)整輸入時(shí)鐘的欲定標(biāo)系數(shù)以及時(shí)鐘源(本系統(tǒng)采用的是內(nèi)部CPU時(shí)鐘)；(5)清零記數(shù)器，屏蔽事件管理器中斷；(6)復(fù)位ADC模塊，設(shè)置轉(zhuǎn)換通道個(gè)數(shù)及排序器順序，禁止ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。

具體代碼為

void adinit( void )
{
* GPTCONA = 0x0100；
* T1PR = 0x018f；
* T1CON = 0x100c；
* T1CNT = 0x 0000；
* EVAIMRA = 0x0000；
* EVAIFRA = 0xffff；
* ADCTRL1 = 0x4000；
* MAX_CONV = 0x0001；
* CHSELSEQ1 = 0x3221；
* ADCTRL1 = 0x0000；
* ADCTRL2= 0x4300；
}

?? 完成對(duì)定頻率采集的DSP初始化設(shè)置后，可以通過啟動(dòng)定時(shí)器和查詢ADCTRL2的PS9位狀態(tài)來得到采集結(jié)果。

3)專家系統(tǒng)是由推理系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)、知識(shí)獲取系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫5個(gè)模塊組成[3]。這里，數(shù)據(jù)庫是指經(jīng)過處理的采集數(shù)據(jù)(瞬時(shí)轉(zhuǎn)速頻域參數(shù)值以及熱工參數(shù))，而知識(shí)庫是固化在DSP中的判斷條件。

?? dSP通過數(shù)據(jù)庫中的處理數(shù)據(jù)，利用本身的知識(shí)庫即可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的故障分析。當(dāng)然知識(shí)庫是在大量的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的。專家系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。DSP系統(tǒng)是一個(gè)小型的處理系統(tǒng)，其在片的資源遠(yuǎn)沒有系統(tǒng)微機(jī)完備，所以，它只能完成專家系統(tǒng)的部分功能。整套的專家系統(tǒng)還是要結(jié)合上位微機(jī)來實(shí)現(xiàn)。例如：測(cè)量各缸爆發(fā)壓力時(shí)，輔機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，推理時(shí)可以只要調(diào)用當(dāng)前的其他參數(shù)；而維修時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，需要調(diào)用歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來綜合診斷，此時(shí)單憑DSP已經(jīng)無能為力，所以推理系統(tǒng)是由上位機(jī)進(jìn)行。知識(shí)庫獲取系統(tǒng)也必須要通過上位機(jī)在保存大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出新的知識(shí)后通過升級(jí)DSP的診斷程序來達(dá)到。

圖3 專家系統(tǒng)的工作流程圖
4)數(shù)據(jù)上傳主要實(shí)現(xiàn)DSP于上位微機(jī)的數(shù)據(jù)交換。具體實(shí)現(xiàn)可參見CAN總線相關(guān)資料[4]。

4 結(jié) 語

?該套嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置能夠運(yùn)用自身的專家系統(tǒng)獨(dú)立實(shí)時(shí)在線診斷柴油機(jī)工作狀態(tài)，并通過其CAN總線接口將數(shù)據(jù)上傳給上位診斷系統(tǒng)，減少上位系統(tǒng)工作[5]。該套監(jiān)測(cè)裝置若配有顯示模塊，同樣可作為獨(dú)立的監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置用于機(jī)車、汽車及其他場(chǎng)合。