船舶柴油機監測系統的開發與應用

武漢理工大學 能源與動力工程學院 武漢 430063

傳統的船舶柴油機監測方法是通過測量柴油機氣缸最高壓力和排氣溫度等常規熱力參數對其性能和工作狀態進行分析判斷。現代電子信息技術特別是虛擬儀器技術在智能化程度、處理能力、性能價格比和可操作性等方面均有明顯的技術優勢，可降低儀器的開發成本，縮短開發周期，將虛擬儀器技術應用于船舶柴油機監測及診斷系統中有著十分重要的實踐意義[1]。

1 虛擬儀器開發平臺

虛擬儀器的開發平臺主要有LabVIEW、AgilentVEE、Visual C++、LabWindows /CVI等，其中LabVIEW自帶數據采集、分析等集成庫，并且提供了動態連接庫(DLL)調用、CIN節點和MATLAB節點和儀器驅動程序，使軟件與其他外部程序或外部設備的連接更加方便，還可以通過網絡、ActiveX共享數據庫和結構化查詢語言(SQL)等方式與其他數據源相連[2-3]。

船舶柴油機進行監測及診斷需要完成各種信號采集和分析處理，LabVIEW開發軟件能夠解決信號采集、分析與處理問題，故選其為船舶柴油機監測系統的開發平臺。

2 船舶柴油機監測系統的設計

2.1 測量參數的確定

測量主要參數包括柴油機氣缸壓力、瞬時轉速、熱力參數和軸功率等，以及高壓燃油系統、增壓系統和進排氣等主要系統的相關參數。

2.2 系統的硬件組成

柴油機監測系統的硬件由傳感器、數據采集設備和計算機組成，監測系統硬件見圖1。

圖1 監測系統硬件組成

1) 傳感器。選用上止點傳感器、轉速傳感器、氣缸壓力傳感器、溫度傳感器和油管壓力傳感器等。上止點傳感器和轉速傳感器選用的均是磁電式轉速傳感器，氣缸壓力傳感器選用壓電式傳感器，油管壓力傳感器選用壓阻式傳感器，中低溫度的測量選用熱敏電阻傳感器。

2) 數據采集設備。選用美國NI公司的NI-PCI6259型高性能數據采集卡，以實現對信號的采集和數據傳輸。

3) 計算機。計算機安裝監測系統和分析軟件，實現對信號采集控制、數據分析和存儲。

2.3 系統軟件功能設計

系統主要功能包括數據采集、數據分析處理、數據存儲、報表生成和數據查詢，程序結構見框圖2。

圖2 數據采集監測結構

MAN B&W 6L16/24型柴油機已安裝了一套常規參數的監測系統，可采集滑油系統、燃油系統、冷卻水循環系統、排氣和增壓空氣系統和速度控制等系統相關的常規參數。在系統設計中采用了串口通訊方式將常規參數直接導入到監測系統，其它信號通過數據及設備采集，并進行濾波、平均化和積分運算等信號預處理，輸出氣缸壓力示功圖、振動頻譜圖和等曲軸轉角供油規律曲線等特征參數數據。

監測系統的軟件主要由以下幾個程序模塊組成。

1) 數據采集模塊。設置設備號、采樣通道號、掃描次數、采樣點數、掃描速率等測量控制參數。采集的信號包括油管壓力、氣缸壓力、中冷器前進氣溫度、瞬時轉速、中冷器前進氣壓力、上止點和進排氣壓力等參數。采集的信號波形可用不同的顏色顯示，還可對信號波形實時存儲和歷史數據回放。

2) 數據分析處理模塊。數據分析處理包括柴油機性能參數分析、燃油系統分析、增壓系統分析、潤滑與冷卻系統分析和軸功率測試分析等子模塊。根據氣缸壓力示功圖可計算出平均指示壓力、指示功、氣體膨脹壓力、氣體爆發壓力、燃燒起始點等特征參數。圖3是燃油系統分析模塊繪制的示功圖、針閥升程、高壓油管壓力曲線和上止點信號。

a) 界面

b) 信號分析曲線圖3 燃油系統數據分析顯示圖

3) 數據存儲模塊。使用的數據庫SQL server2000將柴油機的各個性能參數、計算結果、示功圖的波形數據、瞬時轉速的波形數據等存儲。

4) 報表生成模塊。為了便于關鍵數據的查詢、分析及資料的管理，可將所有的監測情況和各參數以及計算的結果生成Word文件，并將原始數據和計算結果制成表格。

5) 數據查詢模塊。從數據庫中調出柴油機的試驗數據以及信號的波形，包括主機原始數據查詢、主機特征數據查詢、振動信號參數查詢和主機報警記錄查詢等。

3 系統主要數據的處理

監測系統主要數據的處理包括瞬時轉速的計算和氣缸壓力示功圖的平均處理等。

3.1 瞬時轉速的計算

將磁電式轉速傳感器正對飛輪齒安裝，以一個飛輪齒轉過傳感器區域的微小時間間隔為一個瞬時轉速時間點來計算飛輪瞬時轉速。

圖4 瞬時轉速信號的原始波

圖4中齒輪上的每個齒切割磁力線形成近似為正弦信號的波形，每個正弦波對應一個飛輪齒，一個正弦波包含的采樣點數不同，表示這個齒轉過傳感器的時刻飛輪的轉速不同。由此可以得到：

(1)

(2)

式中：fs——采樣頻率；

Z——飛輪齒數；

n——瞬時轉速；

K——一個正弦周期信號之間包含的采樣點數。

從上式可以看出瞬時轉速的測量誤差主要來自于采樣率和飛輪齒數。

由于兩個角標信號間的時間間隔不一定恰好等于采樣周期(采樣頻率的倒數)的整數倍，因此會產生計數K的誤差。絕對誤差范圍為±1，數學表達式為：

(3)

從上式可以看出在飛輪齒數一定的情況下，提高采樣率能減小測量誤差，當平均轉速nm為：

nm=1 500r/min，100≤Z≤250時，

取fs=100 kHz，誤差僅為0.04%～0.10%[4]。

3.2 氣缸壓力示功圖的處理

氣缸壓力示功圖的數據處理主要有氣缸壓力示功圖的等曲柄轉角處理；從等曲柄轉角的P-Ф圖，結合柴油機結構參數得到P-V示功圖，如公式(4)所示；從等曲柄轉角的P-Ф圖，結合柴油機結構參數，得到其單缸的指示壓力、指示功、氣體爆發壓力和膨脹壓力等主要性能參數[5]。

(4)

式中：D——氣缸直徑；

λ——曲柄半徑/連桿長度；

ε——壓縮比，

S—沖程。

4 試驗驗證

在MAN B&W 6L16/24型船用柴油機上對該系統進行了現場考核。進行了推進特性和負荷特性的試驗，其中示功圖只測取了第四缸的壓力。表1是推進特性試驗所測得的第四缸相關的一些參數，表2是推進特性試驗中監測的主要參數值。試驗表明，監測系統的精度和可靠性滿足監測系統的技術要求，可實現船用柴油機性能的綜合評價。

表1 第四缸測試參數推進特性

表2 推進特性主要參數

5 結論

1) 監測系統的測量精度滿足技術要求，可實現船用柴油機性能的綜合評價。

2) 采用基于LabVIEW的虛擬儀器技術開發船舶柴油機監測分析具有設計開發直觀簡單、硬件支持結構開放、開發效率高等特點，系統具有實時性好、分析處理能力強和易于擴展的優點。

[1] 李 鐵,劉時風,李路明.基于LabVIEW的虛擬儀器技術在無損檢測中的應用[J].無損檢測,2001,23(6):240-242.

[2] 侯國屏,王 昆. LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京:清華大學出版社, 2005.

[3] 楊樂平, 李海濤,楊 磊. LabVIEW程序設計與應用第2版，[M].北京:電子工業出版社, 2005.

[4] 郭文勇,樸甲哲,張永祥.基于瞬時轉速的內燃機故障診斷方法[J].海軍工程大學學報,2001,13(6):55-58.

[5] 高孝洪.船舶內燃機仿真及其應用[M].北京:人民交通出版社,1993.