基于LabVIEW的柴油機高速數據采集系統

沈旖旎，陳德富，楊 峰，袁成威，陳 驍

(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090；2.船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海 201108)

為驗證動力系統柴油機故障診斷模型可靠性和準確性，開展智能機艙故障診斷試驗，采集動力系統典型工況下柴油機正常和故障模式的特征參數，為故障診斷算法模型提供數據支撐。

柴油機氣缸缸內壓力和瞬時轉速是衡量柴油機工作狀況的重要參數，將其結合可進行特征分析[1]。柴油機氣缸壓力隨著曲軸轉角變化，最大爆發壓力及其出現在壓縮上止點后的位置是反映發動機缸內燃燒過程的重要指標[2]。柴油機缸內壓力可直接反映柴油機內部的熱力過程，其內部能量轉換的結果決定了柴油機氣缸內工作性能的優劣[3]。通過柴油機缸內壓力引起的轉速變化規律，可研究不同工況下曲軸信號的非均勻特征[4]。柴油機瞬時轉速隨著曲軸轉角的變化呈周期性變化，反映了氣缸內燃燒狀況，為柴油機故障診斷提供了依據[5]。而高速數據采集系統可提高實時采樣率，通過連續獲取和存儲采樣點，有利于提高系統分析參數細節的能力[6]。

通過測量柴油機燃燒循環內缸壓的變化，可判斷進氣、噴油、燃燒和排氣過程中的故障；通過測量柴油機燃燒循環內瞬時轉速的變化，可判斷故障缸。由于柴油機轉速較高，柴油機一個循環的時間較短，故數據采集系統需具備高速性。另外，為了提取和分析柴油機關鍵參數，使缸壓、瞬時轉速和曲軸轉角信號相對應，數據采集系統還需保持同步性。

針對此，提出了建立高速數據采集系統的方法。通過同步觸發采集缸壓、瞬時轉速、曲軸轉角和上止點等信號，采用雙傳感器采集曲軸轉角信號并作為基準的方法，實現瞬時轉速信號與各信號周期對應，同時加入預處理，可實時監測和分析瞬時轉速和缸內壓力之間的特征聯系。

1 數據采集系統硬件設計

高速數據采集系統結構如圖1所示，其硬件部分由工控機、信號采集箱和關鍵傳感器組成。監控系統上位機界面位于集控臺，通過以太網連接至NI采集機箱，實現高速數據采集。信號采集箱與試驗臺中各信號監測節點以硬線連接，通過NI采集機箱和內置的數據采集板卡，實現電壓信號與計數器信號的高速同步采集。

圖1 高速數據采集系統結構圖

1.1 信號采集箱

高速數據采集由信號采集箱實現，其中包括NI采集機箱、數據采集模塊、脈沖信號調理模塊、電流信號調理模塊等，其中NI采集機箱NI cDAQ-9185置于信號采集箱中，數據采集板卡NI 9205、NI 9222和NI 9411內置于NI采集機箱中。

1.2 關鍵傳感器

采用Kistler 6635A1缸壓傳感器，其測量范圍為0～350 bar，輸出的有源電流信號通過電流信號調理模塊轉換為電壓信號，并由板卡NI 9222采集。

此次試驗選用TBD234V6柴油機，其齒盤齒數為168齒。對于柴油機瞬時轉速的測量，常使用光電編碼器或磁電式轉速傳感器[7]。光電編碼器分辨率高，但抗震、抗干擾能力相對較差；而磁電式轉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磁電式轉速傳感器測量瞬時轉速，其輸出信號類似正弦波。需為其設置適合的限幅、濾波和整形電路，可實現對發動機有效的轉速測量[9]。通過脈沖信號調理模塊DIN11 IPO-S1-P1-O3可將信號整形為方波并輸出，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，A相、B相相位差為90°。A相、B相和Z相輸出信號由板卡NI 9411采集，從而得到曲軸轉角信號和上止點信號。

2 高速數據采集系統軟件設計

2.1 軟件功能

以NI LabVIEW為開發平臺，在線采集上止點、曲軸轉角、缸壓信號和瞬時轉速信號，實現對柴油機運行狀況的實時監測[10]。

高速采集系統程序設計結構如圖2所示，分別由事件處理循環、數據采集循環、數據記錄循環和數據顯示循環組成。此系統采用生產者-消費者框架，可實現多任務設計，提高采集處理效率[11]。各采集循環與數據記錄循環都具有獨立的消息隊列，因此各循環為獨立的并行結構。

圖2 高速采集系統程序設計結構圖

高速數據采集系統采用隊列框架，分別由消息隊列和數據隊列組成。通過事件處理循環，可控制檢測板卡和機箱、啟動采集、數據記錄、停止采集、退出采集等事件，并將當前狀態顯示至狀態框中。數據采集循環中分別設置模擬量通道和計數器通道參數，包括采樣率、時鐘、采樣數等。經過數據處理和濾波后，分別通過數據隊列和通知器傳送至數據記錄循環和數據顯示循環中，將數據保存至TDMS文件并顯示至監控界面中。

2.2 信號處理方法

(1)缸壓信號。

通過NI-DAQmx模塊采集缸壓信號(1～5 V)，映射至0～350 bar的范圍。由于變頻器的干擾作用，在采集缸壓信號的過程中，會引入過多的噪聲。對采集的缸壓、曲軸轉角和各特征參數進行分析和預處理，所得缸壓曲線光順且趨勢明顯[12]。故采用Savitzky-Golay濾波器進行預處理，用多項式實現滑動窗內的最小二乘擬合，可達到平滑除噪的效果。

(2)瞬時轉速信號。

運用磁電式轉速傳感器獲取脈沖輸出信號，計算其瞬時頻率，從而可獲取瞬時轉速[13]。通過NI-DAQmx模塊采集脈沖寬度信號，采用磁電式轉速傳感器，根據飛輪齒盤上兩齒的間隔計算頻率，得到瞬時轉速。提高瞬時轉速的測量精度可通過提高高頻時鐘的計數頻率或減少飛輪齒圈的齒數來實現。若齒數過多，則帶有噪聲信號；若齒數過少，則測量所得為平均轉速，通常選擇兩齒之間角度差為2°～3°[14]。柴油機飛輪齒盤為168脈沖/轉，兩齒間隔處于2°～3°之間，經過預處理后，其波形波動變化趨勢明顯。

(3)曲軸轉角與上止點信號。

由于光電編碼器Z相信號為采集起始點，并且啟用Z索引，在Z相信號脈沖信號輸出時，曲軸轉角標定為0°。通過對光電編碼器A相、B相脈沖信號的上升沿和下降沿計數，計算得出當前角位置。

(4)信號周期對應處理。

為使柴油機缸內壓力信號、瞬時轉速信號、上止點信號、曲軸轉角信號能夠周期性對應，以研究分析曲軸瞬時轉速與柴油機缸內燃燒故障之間的特征聯系，通過信號觸發的方法，使所有信號同步開始采集。若通過分頻信號觸發，需通過上位機控制，將原始采集信號分頻，控制較為復雜，并會造成信號延遲，降低精確度[15]。因此，采用外部接線端以實現觸發同步采集。設置以光電編碼器Z相信號觸發采集，以光電編碼器的B相作為時鐘源，每一個脈沖信號分別觸發采集一個缸壓信號、曲軸轉角信號和上止點信號，以720脈沖/轉的頻率采集，當轉速達到1500 r/min時，采樣率可達18000脈沖/s，以保證其采集高速性。而瞬時轉速采集時鐘為隱式時鐘，其時鐘源為采集所得的脈沖信號，即磁電式轉速傳感器輸出脈沖信號。每發出一個脈沖信號觸發采集一個脈沖寬度信號，因此瞬時轉速以168脈沖/轉的頻率采集，當轉速達到1500 r/min時，采樣率為4200脈沖/s，以保證瞬時轉速的有效采集。為使各信號周期性對應，同時以磁電式轉速傳感器輸出脈沖信號和光電編碼器B相脈沖信號觸發，分別獲取兩種觸發方式所得的曲軸轉角信號。以曲軸轉角信號作為基準，缸壓信號、上止點信號與光電編碼器B相觸發的曲軸轉角信號一一對應；瞬時轉速信號則與磁電式轉速傳感器觸發的曲軸轉角一一對應，從而實現瞬時轉速信號與缸壓、上止點信號周期性對應，信號對應關系如圖3所示。

圖3 信號對應關系圖

3 試驗結果分析

建立試驗平臺，運用LabVIEW設計柴油機高速數據采集系統，高速采集系統主要由數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊和數據顯示模塊組成。下面對正常工況和燃油系統故障工況的試驗數據進行分析驗證。

3.1 正常工況

在正常工況下，將負載功率調至120 kW進行試驗，此時轉速設置為1500 r/min，在3個柴油機循環內，缸壓、曲軸轉角、上止點和瞬時轉速信號波形如圖4所示。

圖4 正常工況信號波形圖

由圖4可知，正常工況下，負載調至120 kW時，在1個柴油機循環(曲軸轉角為720°)中，柴油機氣缸缸內壓力會達到1次峰值101.3 bar，與產品說明書相符。柴油機瞬時轉速信號在1500 r/min上下波動，測量所得瞬時轉速波動率為±6.7%。在1個柴油機循環中，有明顯的6次波動變化，并且會出現2次上止點信號。每經過360°，會輸出1次上止點信號，此上止點輸出在曲軸轉角為360°k(k=0,1,2,…)的位置。正常工況試驗證明各信號數值的正確性和可靠性，且數據變化規律一致，具有同步性，并能夠實現各信號周期性對應。

3.2 燃油系統故障工況

通過直接斷油的方法模擬失火故障，分析各信號的變化規律。對B1缸燃油斷供，將負載功率設置為空載，此時轉速設置為1500 r/min。在3個柴油機循環內，缸壓、曲軸轉角、上止點和瞬時轉速信號波形如圖5所示。

由圖5可知，在B1缸斷油故障工況下，負載調至空載時，柴油機氣缸缸內壓力達到峰值39.8 bar，與產品說明書相符。相較于正常工況，瞬時轉速波動率變化較小，但由于故障影響，諧波含量增多，缸內壓力峰值受到一定影響。但仍能夠保證在每1個柴油機循環中，出現6個瞬時轉速波動、輸出2次上止點信號以及1次缸壓峰值。上止點信號在曲軸轉角為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，各信號波形變化規律以及相對位置都能夠保持一致，且可保證同步開始采集。

圖5 燃油系統故障工況信號波形圖

通過正常工況和故障工況試驗證明了數據的正確性和可靠性，且數據變化規律始終能夠保持一致，并能夠保證各信號周期性對應，可用于故障診斷特征參數的提取與數據分析。

4 結束語

為進行故障診斷模擬試驗，搭建了試驗平臺，基于LabVIEW設計高速數據采集系統，采集柴油機氣缸缸內壓力、柴油機瞬時轉速、曲軸轉角和上止點等信號，傳輸至故障診斷服務器分析和提取特征參數，以實現故障診斷。經過試驗驗證，設計的高速數據采集系統所采集數據真實、可靠，所采用的信號處理方法滿足試驗需求，可用于故障診斷特征參數的分析和提取。