閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研制

1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063；2.中國船舶重工集團(tuán)公司711研究所 上海 200090

外部加熱的閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，具有熱效率高、振動噪聲低、排放清潔和可以采用多種形式燃料或加熱熱源等優(yōu)點(diǎn)，在未來的動力能源市場將具有廣闊的發(fā)展前景。開展對閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)監(jiān)測與診斷技術(shù)的探討，及時發(fā)現(xiàn)問題，減少故障和停車，對該技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

1 監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的組成

由于閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)工作環(huán)境的特殊性，監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的研制借鑒了一些內(nèi)燃機(jī)的監(jiān)測與診斷方法，如性能參數(shù)和瞬時轉(zhuǎn)速等監(jiān)測方法。

閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)主要包括性能參數(shù)和瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測子系統(tǒng)。PLC將采集的溫度、壓力、流量等參數(shù)通過監(jiān)控臺和TCP/IP通訊協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)將監(jiān)測參數(shù)傳送到監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速傳感器測量瞬時轉(zhuǎn)速和上止點(diǎn)信號，通過高性能采集卡采集信號，信號經(jīng)濾波、整周期平均等方法處理，獲得描述動力性能的特征參數(shù)，以對其工作狀態(tài)進(jìn)行綜合評價。監(jiān)測與診斷系統(tǒng)還包含了故障診斷、知識庫維護(hù)和數(shù)據(jù)庫查詢等3個子系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

圖1 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框

系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中性能參數(shù)和一些報警信息由PLC進(jìn)行監(jiān)控，然后由監(jiān)控臺采集后通過TCP/IP協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)焦た貦C(jī)。

1.2 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用LabVIEW[1], 數(shù)據(jù)管理和開發(fā)平臺采用SQL Sever2000，作為系統(tǒng)的后臺程序在開機(jī)之后自動啟動。各分系統(tǒng)主要完成7個主要功能：數(shù)據(jù)采集、分析處理、信息顯示、在線診斷、知識庫維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢及報表生成，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框

1.3 系統(tǒng)的組成模塊

系統(tǒng)主要有9個模塊，主要功能見表1。

表1 系統(tǒng)的組成模塊

2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

瞬時轉(zhuǎn)速是與缸內(nèi)壓力波動息息相關(guān)的，對影響缸內(nèi)壓力的功能性故障可在瞬時轉(zhuǎn)速信號中反映出來。系統(tǒng)以一個飛輪齒轉(zhuǎn)過傳感器端部鐵芯的微小時間間隔為一個瞬時轉(zhuǎn)速時間點(diǎn)來計算飛輪瞬時轉(zhuǎn)速。

圖3 直接采樣的瞬時轉(zhuǎn)速信

直接采樣的齒位移信號近似為正弦信波，如圖3所示，每個正弦波對應(yīng)一個飛輪齒，一個正弦波所包含的采樣點(diǎn)數(shù)不同，表示這個齒轉(zhuǎn)過傳感器的時刻飛輪的轉(zhuǎn)速不同。依據(jù)這個原理可以得到下面的計算公式：

式中：fs——采樣頻率；

Z——飛輪齒數(shù)；

n——瞬時轉(zhuǎn)速

K——一個正弦周期信號之間包含的采樣點(diǎn)數(shù)。

為消除計算出來的瞬時轉(zhuǎn)速波形中的噪聲干擾，便于故障模式的識別，采用了數(shù)字濾波、整周期平均和齒平均的方法來剔除瞬時轉(zhuǎn)速波形中的噪聲成份[2]。

3 系統(tǒng)信息的存儲

3.1 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成

作為監(jiān)測診斷系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫，信息來源是設(shè)計數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)時重點(diǎn)考慮的因素，數(shù)據(jù)庫由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、知識庫和采集信息存儲3個部分組成。參數(shù)設(shè)置表為系統(tǒng)初始化設(shè)定服務(wù)，知識庫存儲系統(tǒng)診斷的支持信息，采集信息表則存儲系統(tǒng)在監(jiān)測過程中采集的參數(shù)。

3.2 采集信息的存儲規(guī)律

日常數(shù)據(jù)的存儲為定時存儲，用戶設(shè)定起始存儲時間、存儲時間長度和時間間隔后，系統(tǒng)按此規(guī)律保存監(jiān)測數(shù)據(jù)。如果報警模塊判斷當(dāng)前運(yùn)行異常時將觸發(fā)故障數(shù)據(jù)的存儲進(jìn)程，將發(fā)生故障時監(jiān)測到的性能參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)表中。

4 系統(tǒng)知識庫的建立和維護(hù)

系統(tǒng)知識庫是推理機(jī)運(yùn)行時所需知識的集合，采用規(guī)則框架體系的方法表示知識，其基本思想是把規(guī)則和框架聯(lián)系起來反映工程中的設(shè)計問題。具體實(shí)現(xiàn)是一個具有如下形式的語句：“如果(條件)，那么(動作)”，即“IF(條件),THEN(動作)”。知識庫內(nèi)知識獲取是通過領(lǐng)域?qū)＜液凸こ處煹暮献鳎研畔⑥D(zhuǎn)換成系統(tǒng)的內(nèi)部表示形式。專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用故障樹知識和案例分析相結(jié)合的方法進(jìn)行故障機(jī)理分析，建立知識庫。知識庫分別由字典表和規(guī)則表組成，為了編輯推理方便，字典庫把知識按一定的編碼約定以代碼的形式存儲；規(guī)則表存儲由一定前提推出的確定結(jié)論，以及推理判斷的依據(jù)。在知識編輯器窗口，領(lǐng)域?qū)＜铱梢苑奖愕貙χR庫進(jìn)行增添、修改或刪除。

5 系統(tǒng)的故障診斷

根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速信號和性能參數(shù)各自的獲取特點(diǎn)及其在發(fā)動機(jī)性能評估上的側(cè)重點(diǎn)，系統(tǒng)充分汲取兩者的長處，采用兩種方法相結(jié)合的策略。分析發(fā)動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速的變化，可以診斷出與各氣缸功率不平衡的相關(guān)故障，進(jìn)行早期故障預(yù)警。而監(jiān)測發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)，則可以對發(fā)動機(jī)參數(shù)變化趨勢進(jìn)行整體預(yù)判，對已經(jīng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，有利迅速排除故障。

5.1 基于瞬時轉(zhuǎn)速的故障診斷方法

對于一個均勻發(fā)火的N缸機(jī),在一個循環(huán)中瞬時轉(zhuǎn)速會有N次明顯的波動。如果發(fā)動機(jī)工作正常,則N次波動的間隔和幅度應(yīng)大致相同；如果部分氣缸由于某種原因出現(xiàn)故障,就會影響瞬時轉(zhuǎn)速波動。如何從瞬時轉(zhuǎn)速波動中定量描述這種影響是診斷的關(guān)鍵。波形分析法就是直接分析與轉(zhuǎn)速有關(guān)的瞬時波形信號,從中提取對各種故障敏感的特征參數(shù),然后判斷故障，瞬時波形信號包括瞬時轉(zhuǎn)速、瞬時角速度、瞬時角加速度等，目前主要有均勻性向量法、差值比較法和時頻域分析法。本系統(tǒng)采用時頻域結(jié)合的分析方法。

進(jìn)行時頻域分析時，計算出各缸瞬時轉(zhuǎn)速上升值Δni，以及4次諧波與1次諧波幅值之比εf(εf=f1/f4)，作為瞬時轉(zhuǎn)速的特征參數(shù)。正常狀態(tài)下，在譜圖上只出現(xiàn)與缸數(shù)相一致的諧波分量(4次波、8次波)；在發(fā)生故障時，各缸由于氣體壓力作功引起的轉(zhuǎn)速上升不同，引起的瞬時加速度上升也有差異，在譜圖上除了有與缸數(shù)相一致諧波分量外，還出現(xiàn)了1次諧波分量，在故障特征明顯時，1次諧波分量幅值明顯大于4次諧波分量的幅值。因此通過計算εf值可判斷是否存在故障。確定熱氣機(jī)存在故障后，然后定位故障缸，比較各缸因氣體壓力做功引起的瞬時轉(zhuǎn)速上升值，可確定故障缸。

5.2 基于性能參數(shù)的故障診斷方法

考慮故障樹和專家系統(tǒng)法的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采取將兩者相結(jié)合的方法。故障樹分析法對可能造成系統(tǒng)報警故障的各種因素進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖(即故障樹)，逐級原因細(xì)化分析，得到故障的最底層原因。專家系統(tǒng)可分為基于規(guī)則的系統(tǒng)、基于事例的系統(tǒng)和基于行為的系統(tǒng)。由于基于規(guī)則的診斷系統(tǒng)具有表達(dá)直觀、形式統(tǒng)一、模塊性強(qiáng)和推理機(jī)制簡單快捷等特點(diǎn)，故本系統(tǒng)采用該種模式。按照規(guī)則模式的系統(tǒng)要求，知識工程師對故障樹知識進(jìn)行規(guī)則化整理，存入知識庫。系統(tǒng)充分汲取了故障樹法分析故障周密和專家系統(tǒng)編制程序容易的優(yōu)點(diǎn)。

5.2.1 診斷推理機(jī)制

常用的基于規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)有正向推理、反向推理和正反向混合推理[3]。由于正向推理機(jī)制效率高、實(shí)現(xiàn)容易，比較適合于機(jī)械的在線監(jiān)測和控制，因此監(jiān)測診斷系統(tǒng)的推理機(jī)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向推理方法，逐次判斷知識庫中的規(guī)則，向前層層推進(jìn)。系統(tǒng)從報警故障開始，按照故障樹分析法建立的規(guī)則，從全局?jǐn)?shù)據(jù)庫中獲取有用的判據(jù)，診斷出故障原因。如果全局?jǐn)?shù)據(jù)庫沒有充分的判據(jù)，將啟動人機(jī)對話，用戶根據(jù)推理機(jī)給出的可能原因和查找故障建議，確定原因后，推理機(jī)再次按規(guī)則從全局?jǐn)?shù)據(jù)庫獲取有用信息，進(jìn)行深層次診斷，直到獲得故障的最深底層原因?yàn)橹埂Ｍ评淼牧鞒桃妶D5。

圖5 診斷推理的流程

5.2.2 故障診斷實(shí)例

在發(fā)動機(jī)的日常管理中，可能會出現(xiàn)各種故障報警，例如管壁溫度、工質(zhì)壓力等，在此以常見故障 “管壁溫度超高”為例來說明診斷過程。故障的信息表示見圖6。

圖6 “管壁溫度超高”故障樹

系統(tǒng)顯示“管壁溫度超高”報警后，用戶啟動診斷程序。推理機(jī)從全局?jǐn)?shù)據(jù)庫中獲得了工作瓶壓力低于進(jìn)氣壓力的判據(jù)，診斷的可能原因是“工質(zhì)泄漏”或“操作人員未及時補(bǔ)氣”，系統(tǒng)給出的解釋是工作瓶壓力低于進(jìn)氣壓力。推理至此，由于全局?jǐn)?shù)據(jù)庫沒有相關(guān)的判據(jù)，啟動了人機(jī)交互，用戶根據(jù)系統(tǒng)提出的專家建議進(jìn)行自診斷，確認(rèn)在發(fā)動機(jī)管理過程中補(bǔ)氣及時，工作瓶壓力保持在較高值，在確認(rèn)原因是“工質(zhì)泄漏”后，系統(tǒng)推理出故障的原因是“工作瓶閥泄漏”等5種底層因素，根據(jù)系統(tǒng)建議，用戶逐一排查，最終診斷為“管道閥件泄漏”導(dǎo)致機(jī)械故障報警，至此診斷完畢。

6 結(jié)論

1) 閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)監(jiān)測診斷系統(tǒng)利用了性能參數(shù)和瞬時轉(zhuǎn)速信號，在管理中能提前預(yù)警重大的氣缸故障，對常見故障能夠及時診斷出故障深層次原因，便于排除故障，預(yù)判變化趨勢。

2) 從實(shí)際應(yīng)用來看，故障樹分析法和專家系統(tǒng)法相結(jié)合，能夠很好的發(fā)揮兩種方法的特長，既能做到分析故障全面細(xì)致，又能使系統(tǒng)的在線診斷靈活快捷。

3) 知識庫內(nèi)的知識還不夠充分，需要在以后的使用中不斷添加，才能更好地發(fā)揮在線診斷的作用。

[1] 楊樂平,李海濤,楊 磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2005：1-23.

[2] 濮立俊,楊建國,王志華,周軼塵,嚴(yán)新平.利用發(fā)動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速波動診斷氣門漏氣故障[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，2000，24(1)：60-61.

[3] Joseph Giarratano,Gary Riley.專家系統(tǒng)原理與編程[M].印 鑒，劉星成,湯 庸，譯,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：98-109.