嵌入式柴油機工作狀態監測裝置設計

?摘要：針對柴油機故障診斷系統無法對柴油機的工作狀態進行綜合評估，以及無法對故障進行預測和診斷的問題，提出運用信息融合原理，利用瞬時轉速信號和現有巡回監測與報警系統的熱工參數，實現對發電柴油機技術狀態的綜合診斷和趨勢分析。介紹了一種基于TMS 320C 2407a的嵌入式柴油機工作狀態監測裝置。該裝置是船舶發電柴油機運行狀態在線監測與故障診斷系統中的核心部分，可以實現船舶發電柴油機工作狀態實時監測和故障診斷，同樣可作為獨立的監測報警裝置用于機車、汽車及其他場合。

? 柴油機故障診斷技術是一種了解和掌握柴油機在使用過程中的狀態，確定其整體或局部是否正常或異常，早期發現故障及其原因并能預報故障發展趨勢的技術[1]。以船舶系統為例，現代船舶發電柴油機的運行狀態一般由機艙巡回監測報警系統進行監測。但系統不能對柴油機的技術狀態進行綜合評估，更不能對故障進行預測和診斷。

1 監測裝置功能及原理

?圖1 是一種船舶發電柴油機運行狀態在線監測與故障診斷系統的硬件圖(圖中虛線左側為機艙，右側為集控室)。該系統是運用信息融合原理，利用瞬時轉速信號和現有巡回監測與報警系統的熱工參數，可以實現對發電柴油機技術狀態的綜合診斷和趨勢分析。船舶發電柴油機運行狀態在線監測與故障診斷系統主要包括：1)磁電式轉速傳感器，拾取發電柴油機瞬時轉速信號；2)嵌入式柴油機工作狀態監測裝置，采集瞬時轉速信號(也可以采集熱工參數信號)進行信號處理，進行現場數據診斷，通過現場總線將診斷數據輸送到上位微機系統；3)信號接口裝置，采集船舶電站系統已有的熱工參數，并完成與系統的隔離；4)嵌入式在線監測與診斷裝置，是一個以嵌入式工業微機為主體的數據處理和故障診斷專家系統，完成數據管理和故障診斷功能。

圖1 在線監測與故障診斷系統硬件原理框圖

? 嵌入式柴油機工作狀態監測裝置為船舶發電柴油機故障診斷和狀態監測系統的核心。可以實現對柴油機轉速、溫度、壓力等參數的采集，并通過現場總線將數據輸送到嵌入式微機系統。它是以TMS 320C 2407a數字信號處理器(簡稱DSP)為主的現場采集和數據處理的小型專家系統。DSP將實時處理能力和控制器外設功能集于一體，為控制系統應用提供了一個理想的解決方案[2]。其主要功能：通過對現場柴油機的瞬時轉速和熱工參數(功率、排氣溫度、增壓壓力、潤滑油進出溫度和壓力、空氣進機溫度、主軸承溫度、淡水進出溫度、海水溫度等)的采集，由自身的小型專家系統，診斷出柴油機的狀態是否有故障。

? 該裝置診斷原理：DSP以定頻率采集柴油機瞬時轉速信號數據，并對數據進行齒平均、數字濾波和整周期平均計算，求取瞬時轉速數據作快速傅里葉變換，求出頻域相關特征值。DSP結合熱工參數，由專家系統得到結果。

2 監測裝置硬件設計

?? 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通過信號調理模塊，由DSP的A/D模塊轉換即可。瞬時轉速是通過安裝在飛輪處的磁電傳感器獲取，發火上死點由輸油管上的壓力傳感器經過電荷放大器獲取。裝置工作流程：1)DSP的A/D模塊采集熱工參數；2)DSP的A/D模塊結合其時鐘管理器參考油壓觸發信號以定頻率采集瞬時轉速；3)由DSP對瞬時轉速進行處理，結合輔助熱工參數由DSP內部專家系統進行診斷分析，得出柴油機是否有故障。如有故障，則專家系統列出所有可能故障，分析其原因，確定處理方案；4)通過DSP的CAN模塊，將故障數據，以及專家系統分析出的方案上傳給上位微機，做數據保存及日后分析。DSP外擴了SRAM，使得DSP對大量的實時數據處理及短時間在片保存的實現成為可能。

圖2 監測裝置硬件原理框圖
3 程序設計

? 監測裝置的程序設計可分為4 部分：1)熱工參數采集；2)瞬時轉速提取；3)專家系統分析；4)實驗數據上傳。其各部分實現方法為：

1)將信號調理到A/D轉換模塊合適的幅值范圍，利用DSP的A/D轉換模塊可實現對熱工參數的采集。

2)利用DSP的A/D轉換結合定時器功能，實現以一定頻率采集柴油機瞬時轉速信號。過程為：(1)設置全局通用定時器控制寄存器GPTCONA 的位8或7通用定時器；(2)啟動模數轉換事件(T1TOADC)由周期中斷標志來啟動模數轉換；(3)設置定時器的周期寄存器。具體大小應通過DSP的外部時鐘源及內部鎖相環的值而定；(4)設置定時器控制寄存器，確定記數模式為連續增，調整輸入時鐘的欲定標系數以及時鐘源(本系統采用的是內部CPU時鐘)；(5)清零記數器，屏蔽事件管理器中斷；(6)復位ADC模塊，設置轉換通道個數及排序器順序，禁止ADC轉換結束中斷。

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；
}

?? 完成對定頻率采集的DSP初始化設置后，可以通過啟動定時器和查詢ADCTRL2的PS9位狀態來得到采集結果。

3)專家系統是由推理系統、解釋系統、知識獲取系統以及數據庫和知識庫5個模塊組成[3]。這里，數據庫是指經過處理的采集數據(瞬時轉速頻域參數值以及熱工參數)，而知識庫是固化在DSP中的判斷條件。

?? dSP通過數據庫中的處理數據，利用本身的知識庫即可實現柴油機的故障分析。當然知識庫是在大量的實驗和經驗的基礎上建立起來的。專家系統的工作流程如圖3所示。DSP系統是一個小型的處理系統，其在片的資源遠沒有系統微機完備，所以，它只能完成專家系統的部分功能。整套的專家系統還是要結合上位微機來實現。例如：測量各缸爆發壓力時，輔機在正常運轉，推理時可以只要調用當前的其他參數；而維修時測得的數據，需要調用歷史數據庫的數據來綜合診斷，此時單憑DSP已經無能為力，所以推理系統是由上位機進行。知識庫獲取系統也必須要通過上位機在保存大量的實驗數據和經驗的基礎上，得出新的知識后通過升級DSP的診斷程序來達到。

圖3 專家系統的工作流程圖
4)數據上傳主要實現DSP于上位微機的數據交換。具體實現可參見CAN總線相關資料[4]。

4 結 語

?該套嵌入式柴油機工作狀態監測裝置能夠運用自身的專家系統獨立實時在線診斷柴油機工作狀態，并通過其CAN總線接口將數據上傳給上位診斷系統，減少上位系統工作[5]。該套監測裝置若配有顯示模塊，同樣可作為獨立的監測報警裝置用于機車、汽車及其他場合。