嵌入式柴油机工作状态监测装置设计

 摘要：针对柴油机故障诊断系统无法对柴油机的工作状态进行综合评估，以及无法对故障进行预测和诊断的问题，提出运用信息融合原理，利用瞬时转速信号和现有巡回监测与报警系统的热工参数，实现对发电柴油机技术状态的综合诊断和趋势分析。介绍了一种基于TMS 320C 2407a的嵌入式柴油机工作状态监测装置。该装置是船舶发电柴油机运行状态在线监测与故障诊断系统中的核心部分，可以实现船舶发电柴油机工作状态实时监测和故障诊断，同样可作为独立的监测报警装置用于机车、汽车及其他场合。

  柴油机故障诊断技术是一种了解和掌握柴油机在使用过程中的状态，确定其整体或局部是否正常或异常，早期发现故障及其原因并能预报故障发展趋势的技术[1]。以船舶系统为例，现代船舶发电柴油机的运行状态一般由机舱巡回监测报警系统进行监测。但系统不能对柴油机的技术状态进行综合评估，更不能对故障进行预测和诊断。

1 监测装置功能及原理

 图1 是一种船舶发电柴油机运行状态在线监测与故障诊断系统的硬件图(图中虚线左侧为机舱，右侧为集控室)。该系统是运用信息融合原理，利用瞬时转速信号和现有巡回监测与报警系统的热工参数，可以实现对发电柴油机技术状态的综合诊断和趋势分析。船舶发电柴油机运行状态在线监测与故障诊断系统主要包括：1)磁电式转速传感器，拾取发电柴油机瞬时转速信号；2)嵌入式柴油机工作状态监测装置，采集瞬时转速信号(也可以采集热工参数信号)进行信号处理，进行现场数据诊断，通过现场总线将诊断数据输送到上位微机系统；3)信号接口装置，采集船舶电站系统已有的热工参数，并完成与系统的隔离；4)嵌入式在线监测与诊断装置，是一个以嵌入式工业微机为主体的数据处理和故障诊断专家系统，完成数据管理和故障诊断功能。

图1 在线监测与故障诊断系统硬件原理框图 [p]
  嵌入式柴油机工作状态监测装置为船舶发电柴油机故障诊断和状态监测系统的核心。可以实现对柴油机转速、温度、压力等参数的采集，并通过现场总线将数据输送到嵌入式微机系统。它是以TMS 320C 2407a数字信号处理器(简称DSP)为主的现场采集和数据处理的小型专家系统。DSP将实时处理能力和控制器外设功能集于一体，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案[2]。其主要功能：通过对现场柴油机的瞬时转速和热工参数(功率、排气温度、增压压力、润滑油进出温度和压力、空气进机温度、主轴承温度、淡水进出温度、海水温度等)的采集，由自身的小型专家系统，诊断出柴油机的状态是否有故障。

  该装置诊断原理：DSP以定频率采集柴油机瞬时转速信号数据，并对数据进行齿平均、数字滤波和整周期平均计算，求取瞬时转速数据作快速傅里叶变换，求出频域相关特征值。DSP结合热工参数，由专家系统得到结果。

2 监测装置硬件设计

   装置硬件组成原理如图2所示。图中作为辅助分析的热工参数通过信号调理模块，由DSP的A/D模块转换即可。瞬时转速是通过安装在飞轮处的磁电传感器获取，发火上死点由输油管上的压力传感器经过电荷放大器获取。装置工作流程：1)DSP的A/D模块采集热工参数；2)DSP的A/D模块结合其时钟管理器参考油压触发信号以定频率采集瞬时转速；3)由DSP对瞬时转速进行处理，结合辅助热工参数由DSP内部专家系统进行诊断分析，得出柴油机是否有故障。如有故障，则专家系统列出所有可能故障，分析其原因，确定处理方案；4)通过DSP的CAN模块，将故障数据，以及专家系统分析出的方案上传给上位微机，做数据保存及日后分析。DSP外扩了SRAM，使得DSP对大量的实时数据处理及短时间在片保存的实现成为可能。

图2 监测装置硬件原理框图
3 程序设计

  监测装置的程序设计可分为4 部分：1)热工参数采集；2)瞬时转速提取；3)专家系统分析；4)实验数据上传。其各部分实现方法为：

1)将信号调理到A/D转换模块合适的幅值范围，利用DSP的A/D转换模块可实现对热工参数的采集。

2)利用DSP的A/D转换结合定时器功能，实现以一定频率采集柴油机瞬时转速信号。过程为：(1)设置全局通用定时器控制寄存器GPTCONA 的位8或7通用定时器；(2)启动模数转换事件(T1TOADC)由周期中断标志来启动模数转换；(3)设置定时器的周期寄存器。具体大小应通过DSP的外部时钟源及内部锁相环的值而定；(4)设置定时器控制寄存器，确定记数模式为连续增，调整输入时钟的欲定标系数以及时钟源(本系统采用的是内部CPU时钟)；(5)清零记数器，屏蔽事件管理器中断；(6)复位ADC模块，设置转换通道个数及排序器顺序，禁止ADC转换结束中断。 [p]

具体代码为

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；
}

   完成对定频率采集的DSP初始化设置后，可以通过启动定时器和查询ADCTRL2的PS9位状态来得到采集结果。

3)专家系统是由推理系统、解释系统、知识获取系统以及数据库和知识库5个模块组成[3]。这里，数据库是指经过处理的采集数据(瞬时转速频域参数值以及热工参数)，而知识库是固化在DSP中的判断条件。

   dSP通过数据库中的处理数据，利用本身的知识库即可实现柴油机的故障分析。当然知识库是在大量的实验和经验的基础上建立起来的。专家系统的工作流程如图3所示。DSP系统是一个小型的处理系统，其在片的资源远没有系统微机完备，所以，它只能完成专家系统的部分功能。整套的专家系统还是要结合上位微机来实现。例如：测量各缸爆发压力时，辅机在正常运转，推理时可以只要调用当前的其他参数；而维修时测得的数据，需要调用历史数据库的数据来综合诊断，此时单凭DSP已经无能为力，所以推理系统是由上位机进行。知识库获取系统也必须要通过上位机在保存大量的实验数据和经验的基础上，得出新的知识后通过升级DSP的诊断程序来达到。

图3 专家系统的工作流程图
4)数据上传主要实现DSP于上位微机的数据交换。具体实现可参见CAN总线相关资料[4]。

4 结 语

 该套嵌入式柴油机工作状态监测装置能够运用自身的专家系统独立实时在线诊断柴油机工作状态，并通过其CAN总线接口将数据上传给上位诊断系统，减少上位系统工作[5]。该套监测装置若配有显示模块，同样可作为独立的监测报警装置用于机车、汽车及其他场合。