CN104807650A - 适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统及方法，传感器模块将采集的信号送给信号处理单元；信号处理单元再将信号处理后通过通讯模块发送给服务器；服务器对接收的信号进行有效性判断后，实时显示并保存数据，还对测试信号进行标度变换、参数状态识别及传感器标定；并利用专家诊断系统判断异常原因，给出相应的故障排查建议及维修办法。系统能够测试发动机转速、油温及水温等运行参数，发动机各缸做功能力，润滑系统流通阻力及润滑油状态等参数，并将测试的数据传送至服务器，通过服务器的专家系统实现发动机综合性能的智能分析。有效改善发动机性能分析的精度，实现发动机状态的自动分析，提高操作人员的工作效率。

Description

适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统及方法

技术领域

本发明涉及发动机综合性能分析领域，尤其涉及一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统及方法。

背景技术

大功率发动机在油田钻井动力及发电等领域得到了广泛的应用，此类发动机结构复杂，零件繁多，运行条件恶劣；使用过程中如果存在超负荷运转或维修保养不及时等问题，容易出现故障。此类发动机价格昂贵，应用场合特殊，一旦出现故障，将带来严重的经济损失。

目前，此类发动机基本都安装了状态监测仪，但状态监测仪主要是对发动机的转速、冷却水温度及机油压力等常规运行参数进行测试和显示，这些参数只能反映当前发动机的基本运行信息，无法全面反映发动机的性能及潜在故障，因而无法有效的监控发动机的运行状态。

目前已应用的发动机状态监测仪主要用于反映发动机运行状态的基本信息，无法实时反馈润滑系统存在的问题或者发动机各缸做功不均及由此带来的超负荷运行等异常信息。

通过分析大功率发动机实际应用过程中存在的主要问题，可以发现零件异常磨损和发动机拉缸、拉瓦等摩擦磨损性故障经常出现。而其中润滑油变质(进水乳化、进柴油稀释、油中有金属粒、油脏污)是引起发动机摩擦、磨损方面故障的主要原因。铁谱分析技术及光谱分析技术在润滑油性能检测方面得到了一定的应用，但这两种分析技术主要用于分析润滑油中金属颗粒的形态、成分及粒度分布等信息，无法体现润滑油乳化故障，且这两种技术多采用离线分析的方式，无法满足实时分析的要求。

发动机运行过程中还存在由于零部件损坏而出现突发性故障，这一方面是由于零部件本身存在缺陷或强度不足，另一方面是由于负荷(热负荷、机械负荷)过大，超过零部件的承受能力；前者可由发动机制造部门加以改进，而后者则多是由于发动机超速、超负荷或者由于各缸做功不均导致部分缸超负荷等原因造成的。对于此类问题，则需要通过综合性能智能分析系统对工作人员加以预警和告知，以避免故障的发生。

现有的发动机状态监测仪均安装在发动机附近，运行参数通过指针表或数码管等方式显示，操作人员必须靠近正在运行的发动机才能查看此类参数。发动机的运行噪声、发动机自身高温部件及旋转部件对操作人员构成潜在危险。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统及方法，系统能够测试发动机转速、油温及水温等常规运行参数，发动机各缸做功能力，润滑系统流通阻力及润滑油状态等多种参数，并通过有线传输方式或无线传输技术将测试的数据传送至服务器，通过服务器的专家系统实现发动机综合性能的智能分析。有效改善发动机性能分析的精度，实现发动机状态的自动分析，提高操作人员的工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统，包括传感器模块，所述传感器模块包括润滑油状态传感器及颗粒传感器，所述传感器模块将采集的信号送给信号处理单元；所述信号处理单元包括信号处理电路和采集板，所述信号处理电路对传感器模块传来的信号进行处理并将处理后的信号送给采集板，所述采集板包括A/D转换模块和单片机；所述A/D转换模块将信号处理电路传来的模拟量转换成数字量，并将数字量信号送给单片机；单片机也能通过输入捕获模块接收经过信号处理电路处理后的颗粒传感器传来的润滑油金属颗粒信息；单片机也能通过CAN总线直接接收润滑油状态传感器发送的润滑油状态信息；单片机的输出端连接声光报警单元，单片机通过通讯模块将分析处理后的信号发送给服务器；服务器对接收的信号进行分析处理。

所述传感器模块还包括热敏电阻传感器、热电偶传感器、压力变送器、磁电或霍尔式传感器；

所述信号处理电路包括热敏电阻传感器信号处理电路、热电偶信号处理电路、电流信号处理电路、脉冲信号处理电路及开关量信号处理电路；所述热敏电阻传感器信号处理电路、热电偶信号处理电路、电流信号处理电路的输入端分别连接热敏电阻传感器、热电偶传感器、压力变送器，输出端连接所述A/D转换模块的输入端；所述脉冲信号处理电路及开关量信号处理电路的输入端分别连接磁电或霍尔式传感器、颗粒传感器，输出端连接单片机的输入捕获模块。

所述热敏电阻传感器用于采集冷却水温度、进气温度及机油温度，输出为随温度改变的电阻信号；所述热电偶传感器安装在缸排气管上用于测量排气温度，输出为电势信号；所述压力变送器测量机油压力、进气压力及机油滤压差，输出为标准的4～20mA电流信号；磁电或霍尔式传感器测量发动机转速及瞬时转速，输出为脉冲信号；所述润滑油状态信息包括介电常数、粘度及密度。

热敏电阻传感器信号处理电路通过将传感器用精密电阻上拉至5V电源的方式，将热敏电阻传感器信号转换为电压信号；

热电偶信号处理电路通过运算放大器对热电偶信号进行放大处理；采用电路消除运放失调电压对热电偶输出的微小信号放大的影响；采用PN节进行冷端温度的补偿；

电流信号处理电路通过精密电阻将4～20mA的标准电流信号转换为电压信号，再经过运放芯片进行放大处理；

脉冲信号处理电路首先通过运算放大器对输入的信号进行放大，进而通过施密特触发器对放大后的信号进行整形处理；

开关量信号处理电路通过三极管将12V电平的信号转化为5V电平的信号，且处理后的信号极性与输入信号的正好反向。

一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，传感器模块将采集的信号送给信号处理单元；信号处理单元再将信号处理后通过通讯模块发送给服务器；所述服务器对接收的信号进行有效性判断后，实时显示并保存数据，还对测试信号进行标度变换、参数状态识别及传感器标定；并利用专家诊断系统判断异常原因，给出相应的故障排查建议及维修办法。

所述服务器对接收的信号进行有效性判断的方法为以下方法中的任意一项或多项的组合：

1)值域判定法：设定信号的数值范围，如果当前测试的数据超过该范围，判定信号是无效的，否则是有效；

2)时域判定法：监测信号在一段时间内的变化情况，模拟信号如果出现短时间的突变，脉冲信号频率如果发生短暂突变，那么判断这些信号为异常；

3)逻辑判定法：对2个或2个以上有关联的传感器的数据进行比较，判断数据间的逻辑关系是否符合常规法则，如果符合则有效，否则为无效。

实时显示并保存数据的具体方法为，实时显示与存储测试的有效数据，数据显示通过数字或曲线显示，在设定的时间点自动创建数据文件，并将当前时间及各传感器测量的数据同步保存。

对测试信号进行标度变换的具体方法为：标度变换是为了将接收的数字信号转化为实际的物理量；

热敏电阻传感器、热电偶传感器及压力传感器测得的是模拟信号，是线性变化，服务器中存储信号的系数，服务器接收到数字信号后，通过转换系数将数字量转化为实际的物理量；

瞬时转速信号通过单片机的输入捕获模块实现，通过单片机的寄存器配置，设置下降沿捕获脉冲，记录每次捕获脉冲的时刻，相邻两次时刻的差值即为飞轮齿圈相邻两齿间的时间，根据相邻两齿的时间能换算得到发动机的瞬时转速信号，根据瞬时转速信号每个波动的波谷到波峰的变化量得到发动机缸的做功能力；做功能力以百分数的方式表征，做功能力最大的缸是100％，其它缸以该缸为基础相应求出对应的百分数，因此，瞬时转速信号不需要进行标度变换；

润滑油状态信息上传的直接是实测的结果，按照协议得到各数据，除以100即为实际的参数；润滑油金属颗粒是开关量，直接取出即可。

参数状态识别是通过系统测试的数据反映发动机当前的运行状态，当数据超过报警值设置时，则通过声光报警单元报警并告知操作人员目前发动机的状态异常，根据不同异常状态对发动机运行的危害程度，系统针对不同状态产生不同等级的提示，提示包括降速降负荷观察或紧急停车；

报警值有绝对数值、开关量及变化趋势数据；其中绝对数值的报警参数包括：水温高、油温高、油压低、转速高、机油滤清器压差大、缸排温差大或做功能力差大；开关量报警参数指润滑油金属颗粒含量信号；变化趋势的报警参数指润滑油含水量及粘度。

服务器的专家诊断系统用于数据超过报警值的设定值时，提示故障原因及解决办法；在服务器中预先设定异常参数的诱因及对应的解决办法，发动机的结构复杂，且系统间存在关联，因此每个异常参数会提示多个系统都存在的故障，专家诊断系统提示故障的原因，并提供推荐的排查方法及故障的解决方案，方便操作人员尽快定位故障，避免出现误操作。

有益效果：

1.本发明提出的系统涵盖了目前发动机状态监测仪的常规测试功能，润滑油状态在线分析功能、各缸燃烧状况及做功不均分析功能，通过这些参数的分析，不仅可以实时了解发动机各关键运行参数的实时数据，此外，对于润滑油变质带来的发动机摩擦磨损性潜在故障及各缸燃烧差异及做功不均带来的突发性故障都有完善的监测，可以更加全面的评价发动机的综合性能。

2.本发明提出的系统可以将各种监测参数通过有线或无线的方式发送至服务器，使操作人员在服务器处即可实时了解各类参数，对于操作人员的工作产生极大便利。

3.一台服务器可以通过通讯的方式连接多台发动机的信号处理单元，各发动机的监测参数可以同时保存，因此本系统可以监测发动机从开始使用直到故障出现整个过程的运行数据，这些数据可以为发动机生产厂家对产品的改进提供参考。对于发动机的用户而言，也可以为发动机的使用保养提供基础数据。

4.本系统的服务器具备专家系统功能，将发动机运行数据与故障状态进行了关联，一旦异常参数出现，在排除传感器数据异常的条件下，通过专家系统可以快速的提示与当前异常参数相关的可能故障原因，为操作人员的下一步操作提供参考建议，有利于避免误操作带来的更大损失。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图

图2(a)为NTC热敏电阻传感器信号处理电路；图2(b)为K系列热电偶信号处理电路；图2(c)为电流信号处理电路；图2(d)为脉冲信号处理电路；图2(e)为开关量信号处理电路；

图3为服务器工作方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统，包括传感器模块，所述传感器模块将采集的信号送给信号处理单元；所述信号处理单元包括信号处理电路和采集板；所述信号处理电路对传感器模块传来的信号进行处理并将处理后的信号送给采集板，所述采集板包括A/D转换模块和单片机；所述A/D转换模块将信号处理电路传来的模拟量转换成数字量，并将数字量信号送给单片机；单片机也能通过输入捕获模块接收经过信号处理电路处理后的颗粒传感器传来的润滑油金属颗粒信息；单片机也能通过CAN总线直接接收润滑油状态传感器发送的润滑油状态信息；单片机的输出端连接声光报警单元，单片机通过通讯模块将分析处理后的信号发送给服务器；服务器对接收的信号进行分析处理。

本实施例中所述传感器模块包括NTC热敏电阻传感器、K系列热电偶传感器、压力变送器、磁电或霍尔式传感器、润滑油状态传感器及颗粒传感器。

传感器既可以反映发动机转速、机油温度、冷却水温、进气温度、机油压力及进气压力等常规运行信息，也可以反映发动机瞬时转速及各缸排气温度等表征各缸做功能力和燃烧性能的参数，此外还可以反映润滑油的介电常数、粘度、密度及金属颗粒含量等表征润滑系统状态的参数。传感器的信号送入信号处理单元中，经过信号处理单元中的信号处理电路处理后，送入信号处理单元中的采集板进行测试分析。

对于NTC热敏电阻、K系列热电偶及压力变送器等模拟信号通过模数转换单元转化为对应的数字量，并传送至采集板的单片机；单片机通过输入捕捉模块可以得到发动机的瞬时转速信号，进而计算得到各缸做功能力；单片机通过CAN总线通讯得到润滑油参数传感器输出的介电常数等参数；单片机通过输入捕捉模块得到润滑油金属颗粒含量是否超标。采集板处理的结果可以通过有线传输方式或无线传输方式发送至服务器；服务器对接收的信号进行有效性判断后，实时显示并保存各参数；如果参数超过设定限值，通过声光报警等方式提醒操作人员；并利用专家诊断方法判断可能的异常原因，给出相应的故障排查建议及维修办法。

机油温度、冷却水温度及进气温度等均采用NTC热敏电阻传感器进行采集，该传感器输出为随温度改变的电阻信号；排气温度由安装在各缸排气管的K系列热电偶传感器测量，该传感器输出为电势信号；机油压力及进气压力等压力信号均采用压力变送器测量，输出为标准的4～20mA电流信号；发动机转速及瞬时转速由安装在飞轮齿圈附近的磁电或霍尔式传感器测量，这类传感器输出为脉冲信号；反映润滑油状态的介电常数、粘度、密度等参数由一体化润滑油状态传感器得到，该传感器可以将测试的数据通过CAN总线输出；润滑油中金属颗粒含量则通过颗粒传感器得到，该传感器输出开关量信号表征颗粒含量是否超标；上述各种信号都送入信号处理单元进行处理。

信号处理单元包括信号处理电路和采集板两部分，其中信号处理电路用于对各种传感器的信号进行处理，主要包括NTC热敏电阻传感器信号处理电路、热电偶信号处理电路、电流信号处理电路、脉冲信号处理电路及开关量信号处理电路部分。

其中，NTC热敏电阻传感器信号处理电路通过将传感器用精密电阻上拉至5V电源的方式，将热敏电阻传感器信号转换为电压信号。热电偶信号处理电路则通过运算放大器OP1177对热电偶信号进行放大处理；采用电路消除运放失调电压对热电偶输出的微小信号放大的影响；采用PN节进行冷端温度的补偿。电流信号处理电路通过精密电阻将4～20mA的标准电流信号转换为电压信号，再经过运放芯片进行放大处理。脉冲信号处理电路则首先通过运算放大器TLC277对输入的信号进行放大，进而通过施密特触发器4093对放大后的信号进行整形处理。开关量信号处理电路通过三极管9013将12V电平的信号转化为5V电平的信号，且处理后的信号与输入信号正好反向。

上述处理后的信号都送入信号处理单元的采集板中，采集板的核心部件是飞思卡尔8位单片机MC9S08DZ60。处理后的NTC热敏电阻传感器、热电偶传感器及压力传感器等信号送入采集板的16位模数转换器ADS8320中进行模数转化，转换的结果通过SPI总线传送至单片机；脉冲信号及开关量信号则送入单片机的输入捕获模块进行处理；润滑油状态传感器测试的参数则直接通过CAN总线传送至单片机的CAN总线模块进行处理。采集板的单片机将各种信号进行处理后，将处理的结果可以通过485或CAN总线等有线方式传送至服务器，亦可以通过GPRS无线通讯方式传送至服务器。

一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，单片机的功能主要包括信号采集处理及与服务器的通讯两部分，由于系统中采用了多种类型的传感器，对于不同传感器的采集方法也不相同。

对于NTC热敏电阻传感器、热电偶传感器及压力传感器等模拟量信号，通过定时采集的方式得到各传感器的数据，采集的间隔可以通过服务器设置。信号的每次采样都连续采集多个点，并对多点采集的结果进行去除最大值和最小值处理，进而通过多点平均和四点滑动滤波得到每个采样点的最终采样结果，通过上述处理方法可以有效的去除随机干扰成分的影响，提高信噪比。

瞬时转速信号通过单片机的输入捕获模块实现，通过单片机的寄存器配置，设置下降沿捕获脉冲，记录每次捕获脉冲的时刻，相邻两次时刻的差值即为飞轮齿圈相邻两齿间的时间，根据相邻两齿的时间可以换算得到发动机的瞬时转速信号，根据瞬时转速信号每个波动的波谷到波峰的变化量得到发动机各缸的做功能力。做功能力以百分数的方式表征，做功能力最大的缸是100％，其它缸以该缸为基础相应求出对应的百分数。根据瞬时转速信号得到发动机曲轴转一圈的时间，进而求得发动机的当前运行转速。

系统采用的润滑油状态传感器通过CAN总线传送数据，传感器传送数据的波特率为250k/s，通过2帧数据发送润滑油的介电常数、粘度及密度等参数，据此配置单片机CAN总线模块的通讯速率寄存器及接收屏蔽寄存器。为了提高系统的运行效率，单片机采用中断的方式获取传感器发送的数据帧，根据传感器信号的传送协议从2条数据帧中对应取出润滑油的介电常数、粘度及密度等参数。

颗粒传感器输出的开关量信号输入单片机的输入捕获模块，当润滑油中颗粒含量少时，传感器输出低电平，当颗粒含量超标时传感器输出12V高电平；信号处理电路将该信号进行了反向处理，即当颗粒含量超标时信号处理电路输出由高至低的负跳变信号。设置单片机的输入捕获为下降沿触发，当润滑油中颗粒含量超标时，进入输入捕获中断，得到颗粒含量超标报警信息。

单片机与服务器的通讯主要包括接收采样命令及测试数据上传等功能，信号处理单元上电后即处于待机状态，服务器定时给信号处理单元的采集板发送采样命令，采集板收到命令后通过上述方式得到各传感器的信号，并通过选定的通讯方式，按照设定的通讯协议将数据上传至服务器。上传时NTC热敏电阻传感器、热电偶传感器及压力传感器等模拟量信号直接将对应的数字量上传；瞬时转速信号则只是上传各缸做功能力百分数；发动机转速正常都高于256，所以将转速转化为2个字节的数据直接上传；润滑油的介电常数、粘度、密度等参数则是将实测结果扩大100倍后上传，即保留了2位小数；润滑油金属颗粒状态直接上传是否超标标志位。

服务器主要是实现各测试信号的标度变换、信号有效性判别、测试数据的显示与存储、各参数状态识别、专家系统诊断及传感器标定等功能。

标度变换主要是为了将接收的数字信号转化为实际的物理量，不同信号传输的数字信号的内容不同，因此标度变换也采用了不同的方法。对于NTC热敏电阻传感器、热电偶传感器及压力传感器等模拟信号，这些信号都是线性变化，因此，服务器中存储各信号的系数，接收到数字信号后，通过转换系数将数字量转化为实际的物理量。瞬时转速信号上传的直接是各缸做功能力的百分数，因此，不需要进行标度变换。发动机转速由2个字节传送，将2个字节数据组合得到实际转速；润滑油参数上传的直接是实测的结果，按照协议得到各数据，除以100即为实际的参数；润滑油金属颗粒是个开关量，直接取出即可。

信号有效性判断主要是为了确保信号本身是正常的，服务器采用了三种方法对信号的有效性进行甄别：1)值域判定法：每种信号都有正常的数值范围，如果当前测试的数据超过该范围，可以判定信号是无效的；2)时域判定法：监测信号在一段时间内的变化情况，如模拟信号是否出现短时间的突变或脉冲信号频率发生短暂突变，通过这些异常信息判断信号是否异常；3)逻辑判定法：对2个或2个以上有关联的传感器的数据进行比较，看数据间的逻辑关系是否符合规律，进而判断信号是否有效。通过上述方法对信号的有效性进行分析，在确保信号有效的前提下，进行后续的处理。

数据的显示与存储主要是将测试的各种有效数据进行实时显示与存储，数据显示可以通过数字或曲线两种方式同步进行，通过曲线可以直观的了解各信号的变化趋势，便于操作人员的监测；测试的数据可以同步存盘，系统每一天都会自动创建一个以当前日期命名的数据文件，并将当前时间及各通道的数据同步保存，方便操作人员事后对每天的运行数据进行管理。

各参数状态识别主要是通过系统测试的各种数据反映发动机当前的运行状态，当数据超过报警设置时，则通过声光报警的方式告知操作人员，目前发动机的状态异常，根据不同异常状态对发动机运行的危害程度，系统针对不同状态产生不同等级的提示，如降速降负荷观察或紧急停车等。本系统设置有10个报警参数，报警值有绝对数值、开关量及变化趋势数据。其中绝对数值的报警参数包括：水温高、油温高、油压低、转速高、机油滤清器压差大、各缸排温差大或做功能力差大；开关量报警参数指润滑油金属颗粒含量信号；变化趋势的报警参数指润滑油含水量及粘度。

服务器的专家诊断系统用于某些数据超过报警限值时，提示可能故障原因及解决办法。在中预先设定各种异常参数的可能诱因及对应的解决办法，发动机的结构复杂，且各系统间存在关联，因此每个异常参数会提示多个系统都可能存在故障。专家诊断系统提示故障的可能原因，并提供推荐的排查方法及故障的解决方案，方便操作人员尽快定位故障，避免出现误操作。

传感器标定主要是用于对各模拟信号传感器进行定期的标定和校准，提高信号测试的精度。系统用传感器使用一段时间后，测试结果出现偏差，需要进行标定。标定时可以将同类型的传感器一块放入标定装置中同时标定；通过服务器的标定功能给采集板发送命令，采集板采集每个标定点各传感器的信号；各标定点测试完毕后，服务器通过采样值自动判断当前哪个通道正在进行标定，并自动计算得到各传感器的系数。这种标定方法可以将传感器及测试通道一同进行标定，操作方便，便于实施。

附图2为信号处理单元中不同传感器信号的处理电路原理图。

图2(a)为NTC热敏电阻传感器信号处理电路，该电路可以处理2路NTC热敏电阻信号，NTC热敏电阻传感器在测试温度范围内，传感器的阻值变化范围大，处理的时候直接采用精密电阻将热敏电阻上拉至5V，两路输出NTC_IN1+和NTC_IN2+经过运放LM258运放芯片进行放大处理，处理后的信号经过RC(R3和C1，R9和C2)低通滤波处理，提高信噪比，电路中的D1和D2稳压二极管则主要是用于限压，保护模数转换芯片ADS8320。

图2(b)为K系列热电偶传感器输出信号处理电路，这个电路能够对1路热电偶信号进行处理。通过OP1177运放对芯片输入的热电偶信号进行放大处理，考虑到运放输入失调电压对热电偶微小信号放大的影响，采用3个电阻R17、R20和R23及1个可调电阻RP1的组合消除失调电压；利用PN节随温度升高，输出电压线性变化的特性，采用PN节进行热电偶信号的冷端温度补偿。

图2(c)为压力变送器输出信号调理电路，这个电路能够处理2路压力变送器输出信号，压力变送器输出信号为4～20mA的标准电流信号，通过250欧精密电阻(R22和R26)将电流信号转换为电压信号，再送入运放芯片LM258中进行放大处理，处理后的信号通过RC低通滤波(R31及C13、R37及C16)提高信噪比，D3和D4作用同上，也是为了进行限压保护模数转换芯片ADS8320。

图2(d)为脉冲信号处理电路，该电路可以处理2路脉冲信号。现场使用的转速传感器常采用磁电式传感器，部分传感器输出信号微弱，为此，传感器的输出信号首先经过运放TLC277芯片进行放大处理；如果使用的是霍尔传感器，信号本身较强，则可以通过稳压二极管D5和D6限幅。放大处理后的信号送入施密特电路4093中进行整形处理，处理后的信号送入单片机的输入捕获单元。

图2(e)为开关量信号处理电路，输入的开关量信号首先通过9013进行电平转换，将12V电平信号转化为5V电平信号，电路目前的设计可以实现输入和输出反向的效果，即输入Pulse为12V电平时，输出PulseIn处为0V，这样当润滑油金属颗粒超标报警时，传感器输出12V的电平，PulseIn处会出现由高到低的跳变，该跳变亦送入施密特芯片4093中进行处理，处理后送入单片机的输入捕获模块。

采集板采用飞思卡尔MC9S08DZA60单片机作为微处理器，采集板具备24路模拟信号采集，脉冲信号及开关量信号输入捕捉，485、CAN总线及GPRS通讯等功能。NTC热敏电阻、K系列热电偶及压力变送器输出的模拟信号经过信号处理电路后送入采集板，采集板采用电子开关依次选通各信号，并送入16位模数转换器ADS8320进行模数转换，处理后的结果通过SPI总线传送至单片机。脉冲信号经过处理后输入单片机的输入捕获模块，经过处理得到相邻两齿间的时间，据此得到瞬时转速和转速信号。润滑油金属颗粒传感器输出的开关量信号经过处理后，送入单片机的输入捕获模块，得到颗粒含量报警信息。润滑油参数传感器输出的介电常数、密度及粘度等数据通过采集板单片机的CAN总线模块通讯得到，并用于对润滑油的状态进行评价；采集板具备485通讯、CAN总线通讯及GPRS通讯功能，可以根据应用场合的特点，选择适当的通讯方式，将测试的数据传送至服务器。

图3为服务器工作过程流程图，服务器首先通过不同的通讯方式获得测试的数据，根据不同信号的特点采用不同的方法进行标度变换，将各信号转化为实际物理量。通过多种方法对各种信号的有效性进行甄别，将有效的数据通过数字及曲线的方式实时显示，并根据日期和时间实时存盘。判断各数据是否超过报警限值，如果有数据超过报警值，则通过内置的专家系统逻辑判断当前的可能故障原因及故障排查的方法，根据当前故障的严重程度，提出应对的方案。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统，其特征是，包括传感器模块，所述传感器模块包括润滑油状态传感器及颗粒传感器，所述传感器模块将采集的信号送给信号处理单元；所述信号处理单元包括信号处理电路和采集板，所述信号处理电路对传感器模块传来的信号进行处理并将处理后的信号送给采集板，所述采集板包括A/D转换模块和单片机；所述A/D转换模块将信号处理电路传来的模拟量转换成数字量，并将数字量信号送给单片机；单片机也能通过输入捕获模块接收经过信号处理电路处理后的颗粒传感器传来的润滑油金属颗粒信息；单片机也能通过CAN总线直接接收润滑油状态传感器发送的润滑油状态信息；单片机的输出端连接声光报警单元，单片机通过通讯模块将分析处理后的信号发送给服务器；服务器对接收的信号进行分析处理。

2.如权利要求1所述适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统，其特征是，所述传感器模块还包括热敏电阻传感器、热电偶传感器、压力变送器、磁电或霍尔式传感器；

所述信号处理电路包括热敏电阻传感器信号处理电路、热电偶信号处理电路、电流信号处理电路、脉冲信号处理电路及开关量信号处理电路；所述热敏电阻传感器信号处理电路、热电偶信号处理电路、电流信号处理电路的输入端分别连接热敏电阻传感器、热电偶传感器、压力变送器，输出端连接所述A/D转换模块的输入端；所述脉冲信号处理电路及开关量信号处理电路的输入端分别连接磁电或霍尔式传感器、颗粒传感器，输出端连接单片机的输入捕获模块。

3.如权利要求2所述适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统，其特征是，所述热敏电阻传感器用于采集冷却水温度、进气温度及机油温度，输出为随温度改变的电阻信号；所述热电偶传感器安装在缸排气管上用于测量排气温度，输出为电势信号；所述压力变送器测量机油压力、进气压力及机油滤压差，输出为标准的4～20mA电流信号；磁电或霍尔式传感器测量发动机转速及瞬时转速，输出为脉冲信号；所述润滑油状态信息包括介电常数、粘度及密度。

4.如权利要求2所述适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统，其特征是，热敏电阻传感器信号处理电路通过将传感器用精密电阻上拉至5V电源的方式，将热敏电阻传感器信号转换为电压信号；

热电偶信号处理电路通过运算放大器对热电偶信号进行放大处理；采用电路消除运放失调电压对热电偶输出的微小信号放大的影响；采用PN节进行冷端温度的补偿；

电流信号处理电路通过精密电阻将4～20mA的标准电流信号转换为电压信号，再经过运放芯片进行放大处理；

脉冲信号处理电路首先通过运算放大器对输入的信号进行放大，进而通过施密特触发器对放大后的信号进行整形处理；

开关量信号处理电路通过三极管将12V电平的信号转化为5V电平的信号，且处理后的信号极性与输入信号的正好反向。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，其特征是，传感器模块将采集的信号送给信号处理单元；信号处理单元再将信号处理后通过通讯模块发送给服务器；所述服务器对接收的信号进行有效性判断后，实时显示并保存数据，还对测试信号进行标度变换、参数状态识别及传感器标定；并利用专家诊断系统判断异常原因，给出相应的故障排查建议及维修办法。

6.如权利要求5所述一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，其特征是，所述服务器对接收的信号进行有效性判断的方法为以下方法中的任意一项或多项的组合：

1)值域判定法：设定信号的数值范围，如果当前测试的数据超过该范围，判定信号是无效的，否则是有效；

2)时域判定法：监测信号在一段时间内的变化情况，模拟信号如果出现短时间的突变，脉冲信号频率如果发生短暂突变，那么判断这些信号为异常；

3)逻辑判定法：对2个或2个以上有关联的传感器的数据进行比较，判断数据间的逻辑关系是否符合常规法则，如果符合则有效，否则为无效。

7.如权利要求5所述一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，其特征是，实时显示并保存数据的具体方法为，实时显示与存储测试的有效数据，数据显示通过数字或曲线显示，在设定的时间点自动创建数据文件，并将当前时间及各传感器测量的数据同步保存。

8.如权利要求5所述一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，其特征是，对测试信号进行标度变换的具体方法为：标度变换是为了将接收的数字信号转化为实际的物理量；

热敏电阻传感器、热电偶传感器及压力传感器测得的是模拟信号，是线性变化，服务器中存储信号的系数，服务器接收到数字信号后，通过转换系数将数字量转化为实际的物理量；

瞬时转速信号通过单片机的输入捕获模块实现，通过单片机的寄存器配置，设置下降沿捕获脉冲，记录每次捕获脉冲的时刻，相邻两次时刻的差值即为飞轮齿圈相邻两齿间的时间，根据相邻两齿的时间能换算得到发动机的瞬时转速信号，根据瞬时转速信号每个波动的波谷到波峰的变化量得到发动机缸的做功能力；做功能力以百分数的方式表征，做功能力最大的缸是100％，其它缸以该缸为基础相应求出对应的百分数，因此，瞬时转速信号不需要进行标度变换；

润滑油状态信息上传的直接是实测的结果，按照协议得到各数据，除以100即为实际的参数；润滑油金属颗粒是开关量，直接取出即可。

9.如权利要求5所述一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，其特征是，参数状态识别是通过系统测试的数据反映发动机当前的运行状态，当数据超过报警值设置时，则通过声光报警单元报警并告知操作人员目前发动机的状态异常，根据不同异常状态对发动机运行的危害程度，系统针对不同状态产生不同等级的提示，提示包括降速降负荷观察或紧急停车；

报警值有绝对数值、开关量及变化趋势数据；其中绝对数值的报警参数包括：水温高、油温高、油压低、转速高、机油滤清器压差大、缸排温差大或做功能力差大；开关量报警参数指润滑油金属颗粒含量信号；变化趋势的报警参数指润滑油含水量及粘度。

10.如权利要求5所述一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，其特征是，服务器的专家诊断系统用于数据超过报警值的设定值时，提示故障原因及解决办法；在服务器中预先设定异常参数的诱因及对应的解决办法，发动机的结构复杂，且系统间存在关联，因此每个异常参数会提示多个系统都存在的故障，专家诊断系统提示故障的原因，并提供推荐的排查方法及故障的解决方案，方便操作人员尽快定位故障，避免出现误操作。