CN107328582A - 柴油机故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柴油机故障检测技术领域，特别涉及一种柴油机故障检测装置。一种柴油机故障检测装置，包括数据采集模块、数据存储模块；故障检测模块和故障报警模块；数据采集模块用于采集柴油机性能参数；数据存储模块对该检测系统中所有数据进行操作、管理、维护、存储、査询；故障检测模块判断柴油运转是否正常；故障报警模块显示故障及进行报警；各模块之间通过CAN总线进行通信。本发明数据采集模块采集柴油机运行时的数据指标，通过CAN总线把检测到的数据传输至数据存储模块，故障检测模块对采集的数据和数据存储模块中的数据进行分析，检测出故障，然后报警模块进行报警。

Description

柴油机故障检测装置

技术领域

本发明涉及柴油机故障检测技术领域，特别涉及一种柴油机故障检测装置。

背景技术

柴油机是我陆空军船艇的主要动力系统，其在使用过程中不可避免地会发生一些故障，这些故障的发生不仅影响设备的正常运转，严重时会产生事故，甚至危及人身安全。为此，如何有效地对柴油机进行状态监控、快速诊断并排除故障，提高柴油机的安全、可靠性，成为人们长期以来研究的重要课题。

目前，船艇部队的柴油机检测主要依靠热力参数监控和机电部门的人员值班，通过监控排气温度、转速、滑油温度、冷却水进出口温度等热力参数和机电人员实时监控来确保柴油机的正常工作。机电部门人员依赖于自身经验，采用听、看等方法对柴油机进行监控。监控的效果一方面依赖于监控系统本身的稳定性和灵敏性，另一方面依赖于机电部门人员的工作经验和工作状态。

为此，我们通过对柴油机的故障模式及特征进行分析，提高了柴油机故障检测系统的检测能力，为柴油机的检测和维修提供方案。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的问题，提供一种柴油机故障检测装置，该故障检测装置用于采集柴油机的实时运行参数进行分析、给出故障建议，报警。基于该目的，本发明采用的技术方案如下：

一种柴油机故障检测装置，包括数据采集模块、数据存储模块；故障检测模块和故障报警模块；所述数据采集模块用于采集柴油机性能参数；所述数据采集模块通过CAN总线和数据存储模块通信；所述数据存储模块对该检测系统中所有数据进行操作、管理、维护、存储、査询；所述故障检测模块判断柴油运转是否正常；所述故障检测模块和所述故障报警模块通过CAN总线进行通信；所述故障报警模块显示故障及进行报警。

进一步地，所述数据采集模块包括温度传感器、压力传感器、功率测量传感器、转速传感器和扭矩传感器和音频采集装置。

进一步地，所述音频采集装置包括依次通信连接的音频采集器、音频采集卡、音频分离装置和音频信号特征提取装置；所述音频分离装置采用盲分离的方法分离音频信号；所述音频信号特征提取装置采取时域分析法和频域分析法提取信号。

进一步地，所述温度传感器包括热电阻温度传感器和热电偶温度传感器。

进一步地，所述压力传感器包括用于测量滑油进机压力、增压器排气背压的基于陶瓷厚膜原理传感器，和测量气缸压力的石英压力传感器。

进一步地，所述CAN总线采用TA7V05芯片。

进一步地，所述数据存储模块为数据库，包括实时数据库和SQL Server 数据库，所述实时数据库主要为后台管理模块提供所有测点的历史数据和实时数据；SQL Server数据库保存所有参数的相关信息存储有柴油机故障数据。

进一步地，所述故障检测模块将采集到的柴油机状态信号进行特征提取，与故障数据库中的参数进行对比、识别柴油机的运行状态，并与标准状态模式下的故障情况进行比较分析并预测柴油机的状态发展趋势，从而形成状态诊断决策报告，决定是否进行维修决策，如果需要维修则给出维修建议。

进一步地，所述故障报警模块包括显示屏、蜂鸣器和报警灯；所述显示屏用于显示报警信息，蜂鸣器和报警灯方便用于声音报警和指示灯报警。

相比较现有技术，本发明有以下有益效果：（1）数据采集模块采集柴油机运行时的数据指标，通过CAN总线把检测到的数据传输至数据存储模块，故障检测模块对采集的数据和数据存储模块中的数据进行分析，检测故障类型，并给出维修建议，同时报警模块进行报警；（2）CAN 总线数据传输速率高，可实现全分布式多机系统，并且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，可方便地构成多机备份系统；（3）数据库中存储的故障数据可以修正更改，方便提高故障检测的能力。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的工作流程图；

图3是音频采集装置在船艇机舱内的布置示意图；

图4是TA7V05的系统框图和主要工业应用接口图；

图5是故障检测模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例以及附图对本发明作进一步描述。

实施例1

如图1所示，一种柴油机故障检测装置，包括数据采集模块、数据存储模块；故障检测模块和故障报警模块；数据采集模块用于采集柴油机性能参数；数据采集模块通过CAN总线和数据存储模块通信；数据存储模块对该检测系统中所有数据进行操作、管理、维护、存储、査询；故障检测模块判断柴油运转是否正常；故障检测模块和所述故障报警模块通过CAN总线进行通信；故障报警模块显示故障及进行报警。

具体地，数据采集模块包括温度传感器、压力传感器、功率测量传感器、转速传感器和扭矩传感器和音频采集装置。功率测量传感器采用基于Zigbee的轴功率测量装置，其安装于传动轴上，且随传动轴一同旋转，并将应变测量结果通过无线方式发送至数据存储模块，并发送至故障分析模块进行分析。

其中，温度传感器包括热电阻温度传感器和热电偶温度传感器。例如温度传感器采用PT100 热电阻温度传感器，主要用于650℃以下的温区；K 型热电偶温度传感器，K 型热电偶的化学稳定型较高，可在氧化性介质或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度，在本发明中主要用于增压器进出口废气温度和气缸排气温度范围为 0~800℃，所以采用 K型热电偶温度传感器测量。

具体地，压力传感器包括用于测量滑油进机压力、增压器排气背压的基于陶瓷厚膜原理传感器，和测量气缸压力的石英压力传感器。测量滑油进机压力、增压器排气背压等低频压力信号的压力传感器选用的是基于陶瓷厚膜原理传感器；柴油机缸内压力变化快（频率高）且压力值大，缸内工作环境恶劣，因此测取缸内压力的传感器必须能耐高温和高压，最好使用石英作为压电材料的传感器。

音频采集装置包括依次通信连接的音频采集器、音频采集卡、音频分离装置和音频信号特征提取装置；音频分离装置采用盲分离的方法分离音频信号；音频信号特征提取装置采取时域分析法和频域分析法提取信号。

音频信号是一种宽带的非平稳信号，在传输过程会夹杂着各种干扰噪声，鉴于目前的音频信号分离技术特点，采用声阵列(Microphone Array)系统来采集声音信号，声阵列能够充分利用声音信号的时空特性，对于干扰信号具有较强的抗干扰能力，声阵列在去除背景噪声、声源定位以及跟踪目标声源等具有很好的应用。利用声阵列釆集音频信号可以使阵列形成的波束瞄准目标声音信号，这样可以最大限度地获取目标声源的音频信号。如图3所示，左右主机分别安装8个音频采集器，分两组上下交错排列，采集器等间距排列，与柴油机的垂直距离为1.2~1.5米。

音频采集卡采用MPS-140801-IEPE型音频采集卡，该采集卡是一款基于USB总线的高性能信号采集卡，具有八路大量程、高采样率、低噪声的高性能同步信号采集通道。每个通道的量程为±10V，采样率可达128Ksps,并能保证实时传输到计算机进行显示和分析。通过扩展计算机的USB接口，还能同时将多达10套的MPS-140801-IEPE连接到一台计算机，从而扩展了系统的通道个数。

盲分离的基本模型，假设源信号分别为，接收器接收到的信号为，且为矩阵是源信号在接收端的混合矩阵。令为源信号矩阵，为观测信号矩阵，则观测矩阵可以写成的形式，为观测噪声。为方便起见，这里假设，即观测信号与源信号个数相等，在时可以通过降维使得，并且不考虑噪声的存在，如此，观测信号形式可以改写为。

盲分离的任务就是按照一定的准则找到一个矩阵使（为广义置换矩阵）尽可能的接近，从而实现源信号的分离。

盲分离的方法步骤如下：

（1）对观测数据做去均值处理，使观测数据均值为0；

（2）对去均值后的数据进行白化处理，设白化后的数据为；

（3）选择需要估计的分量的个数，设迭代次数，从1开始。

（4）选择一个初始权矢量（随机的）。

（5）令，其中为非线性函数，这里我们可取通用函数,;

（6），为已确定权矢量。

（7）令。

（8）假如不收敛的话，返回第5步。

（9）令，如果，返回第4步。

本发明中，音频信号的分析方法可采用时域分析法/或频域分析法。

时域分析法是直接对音频信号的时间历程进行分析，是一种最简单直接的诊断判定方法，其包含幅值域分析和相关分析两种，幅值域分析主要用来分析计算信号幅值的变化、波动的大小以及能量分布规律，常用的幅值域参数包括峰值、均值、均方值、方差、标准差、偏态、峭度等。相关分析主要研究两个信号的相似性，考虑了数据产生的先后顺序，其包括自相关分析和互相关分析。

本发明提取的幅值域参数包括峰峰值、均值、均方值、方差、标准差、偏态、峭度以及峰值对应的频率。

（1）峰峰值，是音频信号可能出现的最大瞬时值，包括波峰和波谷，峰值是体现机体振动强度的一个重要指标，通常用峰值来表示设备振动的变化范围，这一变化范围的波动可作为判断设备工作状态是否正常的依据。

（2）均值，是指信号幅值的算术平均值，反映了信号的中心趋势，信号 的均值表示为：；

离散化的计算公式为：；

其中 T 是观测时间，对于周期信号，T 是信号本身的循环周期，N 是样本长度。

（3）均方值，是幅值的平方，具有能量的意义，表示单位时间内的平均功率，是用来描述信号强度的指标。其计算表达式为：；

其离散化公式为：；

（4）方差与标准差S ,方差表示的是信号偏离中心趋势的波动强度，方差越小，表示信号较平稳。其计算公式为：；

其离散化公式为：；

方差的正平方根为标准差，计算公式为：；

其离散化公式为：；

（5）偏态与峭度 ,是用来描述信号偏离正态分布的程度，偏态描述信号概率密度函数的不对称程度，峭度描述信号概率密度函数的陡峭程度，正态分布的偏态为0，峭度为 1。此外，峭度对冲击脉波类故障比较敏感，常用于轴承的故障诊断。其数学表达式为：；

偏态指标：；

信号分析包括自相关分析和互相关分析；

（1）自相关分析

自相关函数是信号在时间为t时的值与时间为时的值的乘积的平均值，描述的是波形与自己相差一个时刻τ 时的相似程度。通常用来确定随机振动信号的周期。表达式为：；

其离散化公式为：；

式中，N为采样点数，r 为时间序列，n为时延序列。

(2) 互相关分析

互相关函数是描述两个不同信号之间的相互依赖关系，可对故障源进行定位分析，找出故障发生部位。其表达式为：；

其离散化公式为：；

频域分析方法已成为设备故障振动诊断的主要方向，频域分析方法主要包括幅度谱分析和功率谱分析。

幅度谱分析是将采集到的时域信号直接进行傅里叶变换，获得以频率为自变量的幅值函数。又因其具有密度的概念，故称为频谱密度函数，运算表达式为：，式中为时域信号。

功率谱分析包括自功率谱分析和互功率谱分析。自功率谱分析能够将复杂的振动信号分解成简单的谐波分量，描述了信号的频率结构，相当于给设备进行了“透视”，从而了解设备各部分的工作情况。自功率谱密度函数 反映的信号频率结构与频谱密度函数描述的频率结构类似，但因其反映的是幅值的平方，故其反映的频率结构更加明显。互功率谱分析是谱分析中的重要部分，互功率谱密度函数描述了两个信号在频域上的相关程度，且具有相位信息。由维纳-辛钦公式可得自功率谱密度函数和互功率谱密度函数分别为：、；式中 为自相关函数， 为互相关函数。

由于在工程上负频率没有实际的物理意义，因此又定义了单边谱，单边谱的频率范围为，其表达式分别为：、

自功率谱不仅能反映振动信号的频率结构，还能反映出各频率成分所占的比重，通过频率所占比重或者相应频率成分对应的能量值的变化可以判定故障是否发生。

如图4所示，CAN总线采用TA7V05芯片。TA7V05可配置片上系统集成了广泛流行的32位ARM7处理器内核、可编程逻辑和许多工业控制应用的外设。图4给出了TA7V05的系统框图和主要工业应用接口，该系统提供了看门狗、定时器、时钟、DSP和LED等设备驱动程序，供用户在开发时直接使用，可以在很大程度上简化CAN节点与应用系统的开发工作。

数据存储模块为数据库，包括实时数据库和SQL Server 数据库，实时数据库主要为后台管理模块提供所有测点的历史数据和实时数据；SQL Server 数据库保存所有参数的相关信息存储有柴油机故障数据。

数据存储模块主要用来实现对该检测系统中所有数据进行操作、管理、维护、存储、査询以及某些界限值的改动，这些数据包括检测装置所釆集的各种特征参数信号值、诊断知识库等。

本发明中实时数据库以及SQL Server 数据库，其中实时数据库主要为后台管理模块提供所有测点的历史数据和实时数据；SQL Server 数据库则保存了所有参数的相关信息：如测点的ID号，测点所属系统，相关故障原因及建议检查等，SQL Server 数据库还记录了柴油机稳定运行状态时的起止时间，状态特征等。下面分别就实时数据库和SQLServer数据库在本发明中的应用进行说明。

实时数据库主要由实时数据库管理模块、实时数据库管理模块的输入和输出模块及数据库连接查询模块组成。

（1）实时数据库管理模块

实时数据库管理模块是故障检测系统与柴油机状态参数实时数据的接口，它负责监控从终端设备传送的实时测点数据，为后台管理模块提供分析检测的数据。在整个系统中，它作为一个相对独立的模块实现对从实时数据库中取出所需数据。

（2）实时数据库管理模块的输入和输出模块

实时数据库管理模块的输入：数据库提供的ADO接口和API接口读取实时数据库数据，实时数据库中的数据来源于各物理测点。

实时数据库管理模块的输出：按照接收到的查询指令，将所需的原始或者处理完毕的数据提供给后台管理模块。

由于实时数据库系统以C#托管DLL包的形式提供了ADO接口，可使用C#编写的程序来完成对实时数据库的访问，在与后台管理模块的通信方面，以JAVA主导的方式进行指令输入与结果输出的双向控制管理。

（3）数据库连接查询模块

实时数据库的连接与查询使用数据库系统提供的ADO接口，进行对数据库的连接与访问。

SQL Server 是一个后台数据库管理系统，它功能强大，操作简单，日益成为数据库用户的首选。本发明中SQL Server 的功能如下：

（1）保存所有参数的有关信息，如测点的ID号，测点所属系统，相关故障原因及建议检查；

（2）从数据库采集时间段内获得的设备在稳定工作状态下的样本，计算期望值以实现测点稳定工作范围的动态更新，将得到的结果写入SQL Server 数据库中，实现动态更新的功能；

（3）当柴油机在稳定运行状态时，记录柴油机运行的起止时间；

（4）为界面查询提供故障历史数据；

（5）为界面查询提供专家诊断信息；

（6）保存从界面获取的专家维护信息。

故障检测模块将采集到的柴油机状态信号进行特征提取，与故障数据库中的参数进行对比、识别柴油机的运行状态，并与标准状态模式下的故障情况进行比较分析并预测柴油机的状态发展趋势，从而形成状态诊断决策报告，决定是否进行维修决策，如果需要维修则给出维修建议。

如图5所示，是故障检测模块的工作流程图， 将采集到的柴油机状态信号进行特征提取，与故障数据库中的参数进行对比、识别柴油机的运行状态，并与标准状态模式下的故障情况进行比较分析并预测柴油机的状态发展趋势，从而形成状态诊断决策报告，决定是否进行维修决策，如果需要维修则给出维修建议，最终达到视情维修的目的。

柴油机故障的发生通常可分为缓慢衰退类型和急剧变化类型，前者故障表现为相关参数前期变化缓慢、参数变化有一定的规律，直至达到一个临界点后，性能变化剧烈；后者故障出现时相关参数变化剧烈，故障现象十分明显。

柴油机监测参数的标准值不仅随工况点的不同而变化，并且随环境状态的变化而变化。结合现有条件，采用历史数据作为检测依据的检查方法。以柴油机工作的数小时前的测量平均值作为标准值，根据概率论和数理统计理论，它的均方差的3倍被认为是允许的偏差范围。

假设测量参数，选择其个历史数据作为参考点，该测量参数的均值记为，均方差，允许的相对偏差值为；

这样，测量参数偏离标准值的异常程度，即异常度用0~1范围内的数字表示，可由下式计算得到：

若，则异常度；

若，则异常度 ；

其中；；

建立各部件故障与检测参数之间的关系矩阵，其中为检测故障部件的个数，则判断出现故障可能性的程度矩阵为：；

对矩阵进行归一化处理，得到故障概率矩阵，其各值为0~1之间的数值。

柴油机零部件多种多样，各部件故障特征也各不相同，因而，在建立各部件故障与检测参数之间的关系矩阵时，需要对所有检测部件的相关参数进行分析，并能准确给出相关系数。

故障报警模块包括显示屏、蜂鸣器和报警灯；显示屏用于显示报警信息，蜂鸣器和报警灯方便用于声音报警和指示灯报警。当系统发现异常（或故障）时，该模块将会把故障信息直观显示出来，并通过指示信号灯以及警报声音的形式对异常（或故障）进行报警。报警显示内容分为两个类型，第一个类型是机器运行过程中检测到的故障报警信息，见表1，主要包括了报警名称、报警编号、报警时间、报警警告内容、故障原因和排除方法等信息，其中故障原因按照系统分析的可能性进行排序，可能性大的故障原因排在前，可能性较小的故障原因排在后面。

表1 故障报警信息表

表1 故障报警信息表

第二个类型是柴油机开始运行前、运行结束后或者对滑油分析后输入相关数据，对柴油机整体进行状态评估的信息，见表2，该信息主要是柴油机的“亚健康”状态提醒，有利于机电人员针对性的进行维护保养。

表 2 状态检测评估信息表

表 2 状态检测评估信息表

如图2所示，为本发明的工作流程。当系统开始运行时，将前期历史数据进行分析，对当前的柴油机状态进行评估，如果状态异常，则给出维护建议，如果状态正常，则进行工作开始采集数据。将传感器采集的原始信号经过处理与分析后获得的有关参数特征值与设定的界限标准值进行对比，以此来判断设备运转状态是否正常。若监测的参数超出设定界限值的范围，则会调用诊断知识库对异常情况进行初步诊断，检测出故障源，将故障信息发送给故障报警显示模块，同时对之前的数据进行分析，修正关系矩阵中的相关系数，更好的实现故障检测。

如果系统未检测到故障，而值班人员发现故障，则在系统中设置故障点，将相关信息录入系统，对历史数据进行分析，对系数矩阵进行修正，从而提升系统的故障检测能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种柴油机故障检测装置，其特征在于：包括数据采集模块、数据存储模块；故障检测模块和故障报警模块；所述数据采集模块用于采集柴油机性能参数；所述数据采集模块通过CAN总线和数据存储模块通信；所述数据存储模块对该检测系统中所有数据进行操作、管理、维护、存储、査询；所述故障检测模块判断柴油运转是否正常；所述故障检测模块和所述故障报警模块通过CAN总线进行通信；所述故障报警模块显示故障及进行报警。

2.根据权利要求1所述的柴油机故障检测装置，其特征在于：所述数据采集模块包括温度传感器、压力传感器、功率测量传感器、转速传感器和扭矩传感器和音频采集装置。

3.根据权利要求2所述的柴油机故障检测装置，其特征在于：所述音频采集装置包括依次通信连接的音频采集器、音频采集卡、音频分离装置和音频信号特征提取装置；所述音频分离装置采用盲分离的方法分离音频信号；所述音频信号特征提取装置采取时域分析法和频域分析法提取信号。

4.根据权利要求2所述的柴油机故障检测装置，其特征在于：所述温度传感器包括热电阻温度传感器和热电偶温度传感器。

5.根据权利要求2所述的柴油机故障检测装置，其特征在于：所述压力传感器包括用于测量滑油进机压力、增压器排气背压的基于陶瓷厚膜原理传感器，和测量气缸压力的石英压力传感器。

6.根据权利要求1所述的柴油机故障检测装置，其特征在于：所述CAN总线采用TA7V05芯片。

7.根据权利要求1所述的柴油机故障检测装置，其特征在于：所述数据存储模块为数据库，包括实时数据库和SQL Server 数据库，所述实时数据库主要为后台管理模块提供所有测点的历史数据和实时数据；SQL Server 数据库保存所有参数的相关信息存储有柴油机故障数据。

8.根据权利要求7所述的柴油机故障检测装置，其特征在于：所述故障检测模块将采集到的柴油机状态信号进行特征提取，与故障数据库中的参数进行对比、识别柴油机的运行状态，并与标准状态模式下的故障情况进行比较分析并预测柴油机的状态发展趋势，从而形成状态诊断决策报告，决定是否进行维修决策，如果需要维修则给出维修建议。

9.根据权利要求1所述的柴油机故障检测装置，其特征在于：所述故障报警模块包括显示屏、蜂鸣器和报警灯；所述显示屏用于显示报警信息，蜂鸣器和报警灯方便用于声音报警和指示灯报警。