CN106441913A - 一种发动机工作状态监测及自动关机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种发动机工作状态监测及自动关机系统。该系统包括传感器、信号调节装置、信号标准源、数据采集单元、监控模块、数据处理与传输单元、网络交换机以及DIO板卡；传感器将发动机上测点信号转换成电信号，经信号调节装置调节后传送至数据采集单元，数据采集单元采集实时数据的同时通过数据处理与传输单元和网络交换机向监控模块发送数据，监控模块通过判断准则实时判定参数是否达到关机条件，达到关机条件DIO板卡输出关机信号，关机报警装置传送关机信号至试验关机控制开关，发动机试验终止；该系统试不仅能对发动机工作状态进行实时监测，并在故障发生之初对发动机进行自动关机控制，同时能够为试验后分析发动机故障提供故障现场。
Description
技术领域
本发明属于航天发动机试验技术领域，具体涉及一种发动机工作状态监测及自动关机系统。
背景技术
发动机在研制初期，由于设计要求、加工工艺、材料选型等因素影响，发动机试验过程中极有可能出现漏火、漏液、烧蚀、爆炸，试验台烧损，人员伤亡等严重后果，通过人工判断，无法准确定位故障，并且不能及时对发动机实施快速关机控制。如果试验过程中能对发动机工作状态进行实时监测，并在故障发生之初对发动机进行自动及时关机控制，则将减少故障带来的损失，保护发动机和试验设施、保证人身安全，同时为试验后分析发动机故障提供故障现场。这样，将加快发动机研制进度，节约研制成本。
发明内容
为了解决背景技术中发动机试验时的问题，本发明建立了一套试验过程中能对发动机工作状态进行实时监测，并在故障发生之初对发动机进行自动关机控制，同时能够为试验后分析发动机故障提供故障现场的发动机工作状态监测及自动关机系统。
本发明的技术解决方案：
本发明提供了一种发动机工作状态监测及自动关机系统，包括传感器、信号调节装置、信号标准源、数据采集单元、监控模块、数据处理与传输单元、网络交换机以及DIO板卡；
传感器将发动机上测点信号转换成电信号，经信号调节装置调节后传送至数据采集单元，数据采集单元采集实时数据的同时通过数据处理与传输单元和网络交换机向监控模块发送数据，监控模块通过判断准则实时判定参数是否达到关机条件，达到关机条件DIO板卡输出关机信号，关机报警装置传送关机信号至试验关机控制开关，发动机试验终止；
所述传感器用于将发动机上测点信号转换成电信号；
所述信号调节装置用于将电信号进行调节发送给数据采集单元；
所述信号标准源用于提供数据采集单元一个激励信号，数据采集单元开始工作；
所述数据采集单元用于采集信号调节装置发送的信号；
所述数据处理与传输单元用于接收对采集的信号进行传输和处理；
所述监控单元用于提供参数是否超限的判断准则，并通过判断准则进行实时判定；
DIO板卡用于输出关机信号给关机报警装置；
关机报警装置控制试验关机控制开关从而控制发动机关机。
上述数据采集单元包括参数设置模块、数据采集模块以及数据显示模块；
参数设置模块：用于对故障判断数据处理过程中用到的特征参数的基本信息进行设置；
数据采集模块：用于采集多路特征参数数据；
上述数据处理与传输单元包括数据处理模块和数据传输模块；
数据处理模块：依据处理要求对所有测量数据进行处理；
数据传输模块：采用UDP网络协议将测量数据以数据包形式按固定速率进行至监控模块；
所述监控模块包括数据接收模块以及实时判断模块：
数据接收模块用于将数据包转换成物理量数值并保存；
实时判断模块用于物理量数据的有效性判别、均值计算、偏差计算以及准则判断。
上述监控模块还包括数据展示模块以及模拟测试模块；
数据展示模块用于实时曲线绘制以及数据显示、报警及关机信号输出；当发动机工作正常时，数值和曲线以绿色呈现；当发动机达到故障条件时，以黄色显示相应的数值和曲线；当达到关机条件时，以红色显示相应的数值和曲线；
模拟测试模块用于试车数据或测试数据的浏览、测试文件生成和打印输出。
本发明的有益效果是：
本发明系统能够实现多测点特征参数同步的测量采集，实现实时的状态监测，并通过判断准则针对特征数据进行状态判断，及时进行报警提示和自动关机控制，另外本发明的系统应用于发动机研制试验过程中，减少了因发动机故障引起的发动机损坏和试验条件破坏的次数，提高了发动机或组件重复利用率，节约了研制成本，缩短了研制周期。
附图说明
图1为本发明的系统框架图；
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的系统进行描述：
发动机工作状态监测及自动关机系统主要由硬件模块和软件模块两大部分组成。
系统硬件由传感器、信号调节装置、数据采集单元、数据处理与传输单元、网络交换机、监控模块、DIO板卡、关机报警装置、试验关机控制开关组成。见图1所示。
传感器将发动机上测点信号转换成电信号，经信号调节装置调节后传送至数据采集单元，数据采集单元采集实时数据的同时通过数据处理与传输单元和网络交换机向监控模块发送数据，监控模块通过判断准则实时判定参数是否达到关机条件，达到关机条件DIO板卡输出关机信号，关机报警装置传送关机信号至试验关机控制开关，发动机试验终止；
传感器用于将发动机上测点信号转换成电信号；
信号调节装置用于将电信号进行调节发送给数据采集单元；
所述信号标准源用于提供数据采集单元一个激励信号，数据采集单元开始工作；
数据采集单元用于采集信号调节装置发送的信号；数据采集单元包括两个子模块：
a、参数设置模块：用于对故障判断数据处理过程中用到的特征参数的基本信息进行设置；
b、数据采集模块：用于采集多路特征参数数据；
数据处理与传输单元用于接收对采集的信号进行传输和处理；数据处理与传输单元包括数据传输模块和数据处理模块；
a.数据传输，数据传输采用UDP网络协议，将数据以数据包形式按固定速率通过网络传输至指定IP地址或主机名的故障监控主机。
b.数据处理，依据处理要求完成所有测量参数数据处理。
监控模块用于提供参数是否超限的判断准则，并通过判断准则进行实时判定；
监控模块包括数据接收模块、实时判断模块、数据展示模块以及模拟测试模块；
a、数据接收模块用于将数据包转换成物理量数值并保存；
b、实时判断模块用于物理量数据的有效性判别、均值计算、偏差计算以及准则判断；
c、数据展示模块用于实时曲线绘制以及数据显示、报警及关机信号输出；试验全过程均提供监控数据展示。展示形式包括曲线和数值两部分。监控特征参数数值以1点/秒的速率进行显示。同时在某个阶段的对应阀值也将在界面中显示，用于监控提醒。曲线以以1点/秒的速率在界面上绘制。当发动机工作正常时，数值和曲线以绿色呈现；当发动机达到故障条件时，以黄色显示相应的数值和曲线；当达到关机条件时，以红色显示相应的数值和曲线；
d、模拟测试模块用于试车数据或测试数据的浏览、测试文件生成和打印输出。
DIO板卡用于输出关机信号给关机报警装置；
关机报警装置控制试验关机控制开关从而控制发动机关机。
通过上述系统，现对本发明的实现方法结进行叙述：
实现方法包括从开始至结束整个过程的对发动机工作状态监测的方法流程，见图2。
该系统具体实施的方法，包括以下步骤：
步骤1)获取特征参数数据；
根据传感器来获取各个测点需要的特征参数数据；特征参数数据包括转速、压力、流量以及以及温度；测点的选取是通过判断是否是发动机的关键部位、是否方便测量以及是否能快速响应发动机状态情况来确定的；
步骤2)阈值设定；
通过传感器多次获取发动机各个测点在起动时段、稳定时段以及调整工况时段的特征参数数据，计算出上述各时段的特征参数数据的平均数值作为各个时段的阈值；所述阈值将作为监控下次试验发动机工作情况的报警条件；
步骤3)数据采集；
通过传感器采集特征参数数据并转换成其对应的电信号后再通过信号调节装置的调节后发送至数据采集单元，数据采集单元再将信号传输至数据处理与传输模块；
步骤4)数据传送；
通过UDP协议，数据处理与传输模块以数据包的形式将特征参数数据发送至监控模块；
步骤5)监控模块进行数据接收并对时长进行判断：
监控模块接收步骤5)发送的特征参数数据；若时长满足试验要求时长总数，则停止接收数据，监控模块停止工作，发动机试验工作停止；
相反，若时长总数不满足试验要求时长总数，则监控模块在UDP协议下继续接收特征参数数据包，并进行下一步骤；
步骤6)数据转换
监控模块解析特征参数数据包并将数据包进行电压量数据到物理量数据的量纲转换；
步骤7)数据过滤；
通过监控模块判断特征参数数据是否能够作为判断发动机工作异常的依据；若是异常依据，则进行步骤8)，若不是异常依据，则剔除该特征参数数据；
步骤8)规则判断；
8.1)监控模块根据判断规则完成对发动机起动时段、稳定时段以及调整工况时段的特征参数数据实时，若故障成立则执行步骤8.2)；若故障条件不成立，则返回步骤4)；
所述各个工作时段均制定安全带作为判断规则的依据，低于安全带下限或高于上限均视为报警条件；
步骤8.2)当有3个及以上特征参数数据连续三次达到报警条件，满足关机条件；当满足关机条件下，执行步骤9)；不满足关机条件下，返回步骤4)
步骤9)发动机试验停止关机结束；
其中，步骤8)中所说的判断规则包括起动时段判断规则、稳定时段判断规则以及调整工况时段判断规则；
A：起动时段判断规则
具体来说，起动时段判断规则是针对发动机开始起动的工作情况下，制定的规则，起动时段特征参数数据的安全带为(K1·M,K 2·M)；
K1为特征参数阀值的波动下限系数；K 2为特征参数阀值的波动上限系数；M为发动机起动工作段时获取的阀值；
若起动时获取的特征参数数据超出安全带的范围，则满足关机条件，反之不满足关机条件；
B：平稳时段判断规则
平稳时段判断规则是针对发动机工况平稳后制定的判断规则；平稳时段安全带宽范围根据起动工作段后t时段内(单位为秒)特征参数的实测平均值和标准偏差确定，安全带表达式见公式(1)；
其中：
式中：N1——为下限带宽系数；
N2——为上限带宽系数；
注：N1是根据以往多次试验数据的平稳段的和Sj(t)以及下限数值推算出的数据；比如这个特征参数的以往平稳段的平均数值为20，标准偏差Sj(t)为0.05，以及调整的下限数值为18，那么根据下限数值公式可推算出N1为40；
同理，N2是根据多次平稳段的试验数据和Sj(t)以及上限数值推算出的数据，比如这个特征参数的以往平稳段的平均数值为20，标准偏差Sj(t)为0.05，以及调整的上限数值为22，那么根据上限数值公式可推算出N2为40；
Sj(t)——为起动工作段后t时段(单位为秒)内实测特征参数数据的标准偏差(公式见3)，j为从0到n个连续参数的求平均值或标准偏差的时段(单位为秒)数量；
Xi(t)——为平稳时段的特征参数数据的实测值，i为某个特征参数从0到n个连续的监测参数数据记录值，从监测开始至结束；
——为起动工作段后t时段(单位为秒)内实测特征参数数据的平均值(公式见2)，j为从0到n个连续参数求平均值或标准偏差的时段(单位为秒)数量；
表示安全带下限值；
表示安全带下限值；
当平稳时段的特征参数数据的实测值Xi(t)满足超出公式(1)的安全带范围，则满足报警条件，若达到三次报警条件，则满足关机条件；反之不满足；
C：调整工况时段判断规则
所述调整工况时段判断规则是针对发动机调整工况情况下，制定的判断规则；对于调整工况，下一个工况时间内的安全带的上限或下限根据上一个t时段(单位为秒)内实测参数的实测平均值确定；
当工况下调时，首先把安全带下限按照预先设定的幅度降低；上限延续上一个工况的上限数值不变，直到调整时间结束，进入平稳工况；进入稳定段一段时间后，安全带根据预先设定的调整段t时段(单位为秒)内的实测参数平均值和标准偏差确定；
安全带具体表达式为：
其中：C1为下调程度，为初始下调时预先设定的常数；
当调整工况时段为下调时：若特征参数数据的实测值Xi(t)满足超出公式(4)的安全带范围，则满足报警条件，若达到三次报警条件，则满足关机条件；反之不满足；
当工况上调时，首先把安全带上限按照预先设定的幅度升高；，下限延续上一个工况的下限数值不变，直到调整时间结束，进入平稳工况；进入稳定段一段时间后，安全带根据调整段的t时段内(单位为s)监测参数的平均值和标准偏差确定；
安全带具体表达式为：
其中：C2为上调程度，为初始上调时预先设定的常数；
当调整工况时段为上调时：若特征参数数据的实测值Xi(t)满足超出公式(5)的安全带范围，则满足报警条件，当达到三次报警条件，则满足关机条件；反之不满足。
Claims (5)
1.一种发动机工作状态监测及自动关机系统，其特征在于：包括传感器、信号调节装置、信号标准源、数据采集单元、监控模块、数据处理与传输单元、网络交换机以及DIO板卡；
传感器将发动机上测点信号转换成电信号，经信号调节装置调节后传送至数据采集单元，数据采集单元采集实时数据的同时通过数据处理与传输单元和网络交换机向监控模块发送数据，监控模块通过判断准则实时判定参数是否达到关机条件，达到关机条件DIO板卡输出关机信号，关机报警装置传送关机信号至试验关机控制开关，发动机试验终止；
所述传感器用于将发动机上测点信号转换成电信号；
所述信号调节装置用于将电信号进行调节发送给数据采集单元；
所述信号标准源用于提供数据采集单元一个激励信号，数据采集单元开始工作；
所述数据采集单元用于采集信号调节装置发送的信号；
所述数据处理与传输单元用于接收对采集的信号进行传输和处理；
所述监控单元用于提供参数是否超限的判断准则，并通过判断准则进行实时判定；
DIO板卡用于输出关机信号给关机报警装置；
关机报警装置控制试验关机控制开关从而控制发动机关机。
2.根据权利要求1所述的发动机工作状态监测及自动关机系统，其特征在于：所述数据采集单元包括参数设置模块、数据采集模块以及数据显示模块；
参数设置模块：用于对故障判断数据处理过程中用到的特征参数的基本信息进行设置；
数据采集模块：用于采集多路特征参数数据。
3.根据权利要求1所述的发动机工作状态监测及自动关机系统，其特征在于：所述数据处理与传输单元包括数据处理模块和数据传输模块；
数据处理模块：依据处理要求对所有测量数据进行处理；
数据传输模块：采用UDP网络协议将测量数据以数据包形式按固定速率进行至监控模块。
4.根据权利要求1所述的发动机工作状态监测及自动关机系统，其特征在于：所述监控模块包括数据接收模块以及实时判断模块：
数据接收模块用于将数据包转换成物理量数值并保存；
实时判断模块用于物理量数据的有效性判别、均值计算、偏差计算以及准则判断。
5.根据权利要求1所述的发动机工作状态监测及自动关机系统，其特征在于：所述监控模块还包括数据展示模块以及模拟测试模块；
数据展示模块用于实时曲线绘制以及数据显示、报警及关机信号输出；当发动机工作正常时，数值和曲线以绿色呈现；当发动机达到故障条件时，以黄色显示相应的数值和曲线；当达到关机条件时，以红色显示相应的数值和曲线；
模拟测试模块用于试车数据或测试数据的浏览、测试文件生成和打印输出。
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