便攜式柴油機(jī)診斷儀的研制

1、The Development about Pocket Diesel Diagnosis Instrument Abstract: Introducing a developing method about the pocket marine diesel diagnosis instrument. It uses the ETR100E module with lower power. An AD sampling chip samples the ship diesel transient speed signals by serial bus. We can analysis the

2、sampling transient speed signals by the ways of time domain and frequency domain. A Battery offers the instruments power. This can offer to measure the local diesel. From a lot of local test, it can diagnose the diesel working state exactly. So it has the value of practicality and popularity. Key Wo

3、rds: Diesel Diagnosis Instrument；Instantaneous speed；Pocket Instrument 摘要：介紹了一種便攜式船舶柴油機(jī)診斷儀的研制方法，采用低功耗 ETR100E模塊，利用低功耗、串行接口輸出的 ad芯片實(shí)現(xiàn)船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集。對(duì)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)域、頻域信號(hào)分析，進(jìn)而提取診斷信息。儀器使用電池供電，功耗低,方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。同時(shí)能對(duì)柴油機(jī)氣缸的運(yùn)行狀態(tài)能進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。具有實(shí)用與推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)診斷儀；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；便攜式儀器船舶柴油機(jī)是一個(gè)集摩擦學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及機(jī)械學(xué)為一體的復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)診斷與分析的船舶

4、柴油機(jī)故障診斷技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)。對(duì)船舶柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析處理，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)氣缸運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于昂貴的船舶柴油機(jī)運(yùn)行故障的診斷能減少船舶運(yùn)行成本，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，防止突發(fā)性事故發(fā)生。從而大大提高船舶航行的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。船舶柴油機(jī)診斷儀正是基于上述情況研發(fā)的，本儀器主要有轉(zhuǎn)速信號(hào)，上止點(diǎn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)診斷信號(hào)的采集，并具有建模功能、通信功能等。 1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本文采用 ETR100E智能模塊作為主控制器， ETR100E是一款基于 Intel 386EX的嵌入式 PC模塊，配有 Flash、串口、 GPIO、ISA總線(xiàn)等板載資源。系統(tǒng)采用了全靜態(tài)設(shè)計(jì)來(lái)降低模塊功耗，

5、全速運(yùn)行的功耗在 140mA165mA，而模塊進(jìn)入 Power Down模式時(shí)的待機(jī)功耗在 55mA85mA，系統(tǒng)可通過(guò)板上的定時(shí)中斷從待機(jī)狀態(tài)返回運(yùn)行狀態(tài)。模塊體積小(94mm×58mm)功耗低、可疊層，適合嵌入設(shè)計(jì) 2。同時(shí)，該模塊與廣泛流行的 PC/AT體系相兼容，開(kāi)發(fā)人員可以受益于熟悉的操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具。能夠大大縮短開(kāi)發(fā)周期、減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。所以，本儀器選用 ETR100E模塊作為主控制器。其總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。  2.硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)主要有信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集電路和通信接口。信號(hào)調(diào)理電路主要對(duì)上止點(diǎn)傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波

6、、隔離和保護(hù) , 將傳感器的信號(hào)電平調(diào)整為與 AD轉(zhuǎn)換器匹配的信號(hào)電平 , 同時(shí)保護(hù)系統(tǒng)不受外部干擾信號(hào)的侵襲。電路采用可編程運(yùn)算放大器和可編程濾波器以滿(mǎn)足不同信號(hào)的不同放大倍數(shù)和濾波頻率的要求。信號(hào)采集電路采用低功耗串行接口芯片 ADS7822，如圖 2所示。 ADS7822是一種可在 2.73.6V的電源電壓下工作的 12位 A/D轉(zhuǎn)換器，根據(jù)情況的不同也在 2.05V的電源電壓下工作，考慮的儀器地功耗的要求，系統(tǒng)選用 3.3V點(diǎn)源電壓；A/D變換的結(jié)果通過(guò)串行口輸出，通過(guò)模塊的 GPIO讀入數(shù)據(jù)；采樣速率達(dá) 75kHz時(shí)為 0.54mW，采樣速率有串行時(shí)鐘 DOUT的大小決定 (10kH

7、z 時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換速度為 625Hz，1.2MHz時(shí)對(duì)應(yīng)為 75kHz)。低電壓、微功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和體積小的特點(diǎn)特別適用于電池供電和其它需要微功耗的工作系統(tǒng)。ADS7822與 ETR100E的接口十分簡(jiǎn)單如圖 2所示，只需 3根 I/O口即可，IO1控制 CS片選，當(dāng) CS變成低電平時(shí)，啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換；IO3接串行時(shí)鐘 DOUT控制端，用于提供驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘； IO2接 DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端，在時(shí)鐘的下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。芯片所需 3.3V電源由 TPS73033提供。鍵盤(pán)電路主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)對(duì)話(huà)功能。在安裝調(diào)試狀態(tài)，可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置上止點(diǎn)傳感器的安裝位置和柴油機(jī)發(fā)火順序及相關(guān)的參數(shù)。也可以用鍵盤(pán)

8、輸入經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和專(zhuān)家知識(shí)。在運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)鍵盤(pán)控制診斷儀的工作模式，通過(guò)顯示屏顯示柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)或顯示故障報(bào)警信息。通信接口的功能主要是完成狀態(tài)信息和故障信息的傳送。裝置提供標(biāo)準(zhǔn) RS232接口，可以與上位微機(jī)進(jìn)行主從通信。將采集到的重要數(shù)據(jù)與上位微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為上位機(jī)進(jìn)行深層診斷提供數(shù)據(jù)。   3.軟件編程程序主要完成數(shù)據(jù)的采集、分析與處理及重要數(shù)據(jù)的通信功能。 ADS7822的輸出經(jīng)過(guò) IO2口送給 ETR100E智能模塊。智能模塊對(duì)采集的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。當(dāng)柴油機(jī)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，輸出故障顯示和報(bào)警信號(hào)。最后根據(jù)需要保存柴油機(jī)狀態(tài)信息和故障信息，或

9、向上位微機(jī)傳送相關(guān)的數(shù)據(jù)。開(kāi)機(jī)時(shí)，CPU首先對(duì)端口進(jìn)行初始化，并通過(guò)端口按照故障診斷程序的要求，規(guī)定的采樣頻率、柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，設(shè)置樣本長(zhǎng)度和模擬信號(hào)的放大倍數(shù)。然后采用函數(shù) INTPUT()函數(shù)查詢(xún)采樣起始點(diǎn)信號(hào)，進(jìn)行上止點(diǎn)信號(hào)的判斷。當(dāng)上止電信號(hào)滿(mǎn)足時(shí)開(kāi)始 AD信號(hào)的采集，首先選通芯片 AD7822，輸出轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)時(shí)鐘頻率來(lái)讀取 AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，從而完成數(shù)據(jù)的采集并將數(shù)據(jù)存入智能模塊的 FLASH中。程序流程如圖 3所示。每次采樣結(jié)束時(shí)，由主模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,確定采集的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。  對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)采取存取文件的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。首先，將采集到的數(shù)據(jù)保存

10、到 ad.dat中，根據(jù)采樣頻率和診斷對(duì)象轉(zhuǎn)速的不同求取不同長(zhǎng)度的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。在儀器的診斷中，為提高診斷的準(zhǔn)確性，儀器必須在規(guī)定的工況條件下采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)并進(jìn)行故障分析。因此程序循環(huán)查詢(xún)柴油機(jī)工況，并將特定的實(shí)際工況作為故障分析程序的入口條件。在工況檢測(cè)過(guò)程中，儀器顯示平均轉(zhuǎn)速并提示系統(tǒng)處于非診斷狀態(tài)。在診斷工況下，微機(jī)首先判斷上止點(diǎn)信號(hào)，讀入相應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，分別在時(shí)域和頻域進(jìn)行計(jì)算和分析，得出時(shí)域和頻域的特征參數(shù)，然后通過(guò)固化在系統(tǒng)中的故障診斷系統(tǒng)模型進(jìn)行綜合診斷，最后進(jìn)行故障定位分析并輸出診斷結(jié)果。診斷流程圖如圖 4所示。  4.結(jié)束語(yǔ)船舶柴油機(jī)作為船舶的心臟，

11、其運(yùn)行的好壞直接決定著船舶營(yíng)運(yùn)的安全與效率。該方案以 6260ZC型船用增壓四沖程柴油機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，該機(jī)為 6缸直列式，缸徑 260mm，活塞行程 340mm，額定轉(zhuǎn)速 400r/min，額定功率 370kw，氣閥正時(shí)（以曲柄轉(zhuǎn)角計(jì)）：進(jìn)氣閥在上止點(diǎn)前 73º開(kāi)，下止點(diǎn)后 37º關(guān)；排氣閥于下止點(diǎn)前 45º開(kāi)，上止點(diǎn)后 65º關(guān)，進(jìn)、排氣行程為 23.25 mm。通過(guò)對(duì)氣缸供油的變化模擬故障結(jié)果表明，儀器能準(zhǔn)確的判斷柴油機(jī)氣缸的工作是否正常，從而對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行中的故障起到報(bào)警的作用。本文創(chuàng)新點(diǎn)在于，把先進(jìn)的通訊技術(shù)和現(xiàn)行計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用于船舶柴油機(jī)的故障診斷，并且實(shí)現(xiàn)了診斷儀的小型化、便攜化。診斷儀能方便、準(zhǔn)確的判斷柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的故障，避免船舶重大事故的發(fā)生，避免重大人員與經(jīng)濟(jì)損失。參考文獻(xiàn)： 1喻方平,金華標(biāo) ,常勇等.船舶柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷儀設(shè)計(jì) .武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版） , 2002,6. 2 SEATECH.S104/486DXTechnical annual Z. 2005. 3常勇,胡以懷 .船舶柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀轉(zhuǎn)速 /負(fù)荷