CN113008565A - 一种船舶柴油机组智能健康管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶柴油机组智能健康管理系统，属于智能船舶技术领域，包括：底层传感器子系统、数据处理子系统和上位机交互子系统；所述底层传感器子系统，用于通过加装和利用机组自带传感器采集柴油机组的包括振动、瞬时转速、滑油及压力的多种参数；所述数据处理子系统，用于将由所述底层传感器子系统采集的各种参数进行分析后发送至所述上位机交互子系统；所述上位机交互子系统，用于对由所述数据处理子系统分析后的参数进行数据处理、计算和分析，以对柴油机组的状态进行评估和故障定位、预判，并能够将数据和分析结果实时反馈在显示终端上。本发明通过在线监测和诊断为船舶机舱柴油机组的运行和维护提供保障。

Description

一种船舶柴油机组智能健康管理系统

技术领域

本发明属于智能船舶技术领域，更具体地，涉及一种船舶柴油机组智能健康管理系统。

背景技术

随着船舶行业的快速发展，船舶吨位的增加，机舱内设备也越来越多、越来越复杂，船东对机舱设备的信息化、智能化、集成化的需求越来越强烈。现有的机舱监测系统中针对柴油机组采集信息量少，参数种类少，已经没有办法满足用户的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种智能机舱柴油机组健康管理系统，通过在线监测和诊断为船舶机舱柴油机组的运行和维护提供保障。

为实现上述目的，本发明提供了一种船舶柴油机组智能健康管理系统，包括：底层传感器子系统、数据处理子系统和上位机交互子系统；

所述底层传感器子系统，用于通过加装和利用机组自带传感器采集柴油机组的包括振动、瞬时转速、滑油及压力的多种参数；

所述数据处理子系统，用于将由所述底层传感器子系统采集的各种参数进行分析后发送至所述上位机交互子系统；

所述上位机交互子系统，用于对由所述数据处理子系统分析后的参数进行数据处理、计算和分析，以对柴油机组的状态进行评估和故障定位、预判，并能够将数据和分析结果实时反馈在显示终端上。

在一些可选的实施方案中，所述底层传感器子系统，用于采集各监测点处的对应传感器数据，其中，监测点包括：键相测点、瞬时转速测点、机座振动测点、缸体振动测点、曲轴箱振动测点、传动箱振动测点、连杆轴承温度测点及滑油监测测点，其中，所述滑油监测测点包括滑油温湿度测点、滑油流量测点及滑油颗粒测点。

在一些可选的实施方案中，所述底层传感器子系统包括安装于机座振动测点、缸体振动测点、曲轴箱振动测点及传动箱振动测点的振动传感器、安装于键相测点的键相测点传感器、安装于瞬时转速测点的瞬时转速传感器、安装于连杆轴承温度测点的连杆轴承温度传感器及安装于滑油监测测点的柴油机组油液品质测量传感器。

在一些可选的实施方案中，所述柴油机组油液品质测量传感器包括流量传感器、金属颗粒传感器和温/湿度传感器，流量传感器、金属颗粒传感器和温/湿度传感器均安装于油液系统外循环回路中；

所述连杆轴承温度传感器安装在柴油机组内部连杆大端上，所述振动传感器、所述键相测点传感器及所述瞬时转速传感器均安装于机组本体表面。

在一些可选的实施方案中，所述数据处理子系统依靠智能监测箱实现其数据采集、处理、提取和发送功能，以及与所述上位机交互子系统进行数据的交互，其中，所述智能监测箱内部包括：振动、键相及瞬时转速采集处理模块、油品数据通信处理模块、交换机及电源模块；

所述振动、键相及瞬时转速采集处理模块通过高速采集和处理，接收振动、键相和瞬时转速数据，经过线性化、调制解调、滤波、重采样和特征值计算后将数据通过以太网发送到所述上位机交互子系统；

所述油品数据通信处理模块接收油品传感器的数据，过滤分析后将数据通过CAN通信接口发送到所述上位机交互子系统，包括脉冲量数据采集、RS485数据采集功能；

所述交换机用于提供预警装置和以太网通信网络。

在一些可选的实施方案中，所述上位机交互子系统的人机交互界面包括：概貌图、报警分析查询、故障事件查询、热工参数监测、振动监测、瞬时转速分析、扭振分析、包络分析及频谱分析，其能够根据历史数据进行分析，并对故障预判，在界面进行预报警提示，交互界面显示数据信息完备且能够进行数据存储，故障自动存档。

在一些可选的实施方案中，所述上位机交互子系统包括数据采集模块、数据处理模块、数据管理模块、故障报警模块及故障分析诊断模块；

所述数据采集模块，用于采集各传感器的振动信号、键相信号、瞬时转速信号和油品参数信号；

所述数据处理模块，用于分别对采集的振动信号、键相信号、瞬时转速信号和油品参数信号进行滤波、放大和频域时域特征提取；

所述数据管理模块，用于对所述数据处理模块处理后的数据进行数据读取、存储、传输和调度；

所述故障报警模块，用于根据预设报警参数进行快变报警、缓变报警和常规超限报警，其中，快变报警表示某个特征值发生突变时进行报警，缓变报警表示特征值升高到预设值时进行报警，常规报警表示特征值超过常规报警值时进行报警；

所述故障分析诊断模块，用于故障报警显示、趋势分析、波形数据分析和报告报表自动生成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供了一种船舶柴油机组智能健康管理系统，可以在机组运行中掌握设备的运行状况，判断机组状态是否处于异常状态或故障状态，判断异常或故障状态发生的部位或零部件，同时根据数据分析产生故障的原因，以及预测状态劣化的发展趋势，能提高设备效率和运行可靠性，防患于未然，避免故障的发生。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种船舶柴油机智能健康管理系统组成图；

图2是本发明实施例提供的一种船舶柴油机智能健康管理系统测点布置示意图；

图3是本发明实施例提供的一种振动传感器安装示意图；

图4是本发明实施例提供的一种滑油品质测量传感器安装示意图；

图5是本发明实施例提供的一种故障诊断流程图；

图6是本发明实施例提供的一种快变报警、缓变报警与常规超限报警对比示意图；

图7是本发明实施例提供的一种上位机交互系统软件流程图；

其中，1为键相测点，2为基座振动测点，3为曲轴箱振动测点，4为瞬时转速测点，5为传动箱振动测点，6为缸体冲击测点，7为传感器，8为转接螺丝，9为传感器底座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种船舶柴油机组智能健康管理系统，能够用于实现船舶智能机舱系统中对柴油机组的监控要求，该系统能够实现采集、传输、分析和监视一体的功能，该系统存在大量测点，能够实现对机组更全面和立体的监测，并能够通过对数据的分析实现对机组的状态进行评估和故障预判等健康管理功能，为机舱的智能化、船舶的智能化研究奠定基础。

本发明的船舶柴油机组智能健康管理系统包括滑油油液在线监测与分析、柴油机组振动监测与分析、柴油机组健康管理及辅助决策、提供对外信息交互接口等功能。如图1所示，该智能健康管理系统主要包括底层传感器系统、数据处理系统和上位机交互系统三个子系统。

在本发明实施例中，底层传感器系统对船舶柴油机组提供了一个可移植的配置方案，主要的安装方式为机组外部粘贴(如图3所示)和利用机组预留孔等。根据图2所示的某一型八缸柴油机组为例，测点布置包括：键相测点1，基座振动测点2，曲轴箱振动测点3，瞬时转速测点4，传动箱振动测点5，缸体冲击测点6，测点布置示意图所示意的安装位置进行安装，这些测点以及安装信息如下表1所示。

表1

其中，振动传感器采用压电式加速度传感器，测量柴油机组缸体、曲轴箱、传动箱、轴承座以及齿轮箱等部件的振动。参数指标要求如下：

a)灵敏度(±10％)：10mV/g；

b)抗冲击范围：5000g；

c)测量范围：±125g；

d)频响范围(±3dB)：0.3Hz～20KHz；

e)共振频率：40kHz；

f)非线性度：±1％；

g)横向灵敏度：＜7％；

h)温度范围：-54～+121℃；

i)防护等级：IP68。

振动传感器一般采用底座粘贴的方式固定在机体的表面，必要时需要刮掉机体表面的面漆以利于底座的粘贴，底座9安装好后利用转接螺丝8将传感器7固定在底座9上，如图3所示。缸体振动传感器是在机组每个缸体上方进行安装；曲轴箱振动测点水平安装，探头中心线正对曲轴轴承几何中心的位置，曲轴箱两侧各安装3个加速度传感器，靠近曲轴主轴承位置；传动箱振动测点水平安装，探头中心线正对两个凸轮轴传动惰轮的中间位置；机座振动传感器安装于底座四个犄角固定螺栓处，测量整机振动烈度。

其中，键相与振动位移传感器均选用电涡流传感器，用于测量相位基准参考和轴系的振动。参数指标要求如下：

a)灵敏度：3.94V/mm；

b)频率响应(±3dB)：0～8kHz；

c)温度范围：-51℃～+100℃；

d)非线性：最大0.015mm；

e)输出阻抗：50Ω；

f)推荐间隙：2.5mm。

其中，键相测点传感器安装于非驱动端齿轮盘处，对现有的压板进行打孔攻丝，传感器采用螺纹孔安装方式。基于曲轴上已有的沟槽进行键相触发，根据沟槽与第一个点火缸发火相位之间的角度差，确定柴油机各缸点火相位。

其中，瞬时转速传感器采用电涡流传感器，用于测量柴油机的瞬时转速。参数指标要求如下：

a)灵敏度：8V/mm；

b)频率响应(±3dB)：0～8kHz；

c)温度范围：-51℃～+100℃；

d)非线性：最大0.015mm；

e)输出阻抗：50Ω；

f)推荐间隙：1-1.2mm。

瞬时转速测点传感器安装于机组非驱动端齿轮盘，安装方式采用螺纹孔固定方式或者利用柴油机组原有的转速测量传感器预留安装孔进行安装固定。

其中，连杆轴承温度传感器采用无线通信方式，安装在连杆大端，通过在连杆相应位置打螺纹孔，采用螺纹连接的形式固定。传感器可敏感捕捉到连杆轴瓦温度，并将温度信息通过电磁波无线传输给接收装置。

其中，柴油机组油液品质测量传感器包括流量传感器、金属颗粒传感器和温/湿度传感器三种类型，传感器均安装于油液系统外循环回路中，以滑油系统为例，如图4所示。润滑油流向为流量传感器、金属颗粒传感器、温/湿度传感器。流量传感器采集滑油流量，通过脉冲量信号发送到数据处理系统；金属颗粒传感器采集滑油内粗金属颗粒和细金属颗粒含量，通过4～20mA信号发送数据到数据处理系统；温/湿度传感器采集滑油的温度和含水率数据，通过RS485串口通信发送数据到数据处理系统。

流量传感器采用LWGY系列涡轮流量传感器，具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏、安装维护方便等特点。基本参数为：

a)信号输出：脉冲；

b)供电电源：DC24V±15％；

c)精度等级：±0.5％；

d)测量范围：1～160L/min；

e)介质温度：-20℃～120℃；

f)通信方式：脉冲量输出。

金属颗粒传感器通过磁性材料吸附磨损铁磁性金属颗粒，并通过磁场分析的方法，分别输出细颗粒以及粗颗粒的磨损浓度，并集成介电常数或者温度的第三通道输出反馈油液的颗粒污染以及水分污染情况，及时反馈设备状态信息，起到故障预警的作用，通过设备健康管理减少故障风险，减少经济损失。用于采集滑油中含有的铁颗粒，基本参数为：

a)测量精度：40μm金属颗粒，150μm非金属颗粒；

b)液体流速：1～38L/min

c)信号类型：4-20mA信号；

d)工作环境：-40℃～125℃；

e)电源：DC10～30V。

当传感器连接到系统中，传感器能在金属损耗发生时给出信号指示，基于实时数据，能随时知晓油品状态，做出合理的维护决定，改善产品的健康管理。传感器可通过4-20mA硬线供设备进行采集。

温/湿度传感器是一款新型的基于电容检测原理的在线式油中水分含量检测传感器。通过测量油水混合物通过电极间时的电容变化和内置的温度探头测量油温，再经过嵌入式软件依据校准曲线计算，从而精确获取油中水分含量变化，并与经过量值溯源的卡尔费休水分测量仪比对验证，测量精度高。基本参数为：

a)供电电源：DC24V±15％；

b)工作温度：-55～135℃；

c)压力范围：0～4Mpa；

d)输出：绝对含水量、相对含水量、温度；

e)量程：绝对含水量0～1％，相对含水量0～100％，温度值-55～200℃；

f)测量精度：绝对含水量±2％FS，相对含水量±5％FS；

g)通信方式：RS485串口通信。

在本发明实施例中，柴油机组智能健康管理系统中的数据处理系统作为数据采集、处理、提取、发送的关键单元，用于协调上层软件与振动、键相及瞬时转速传感器、油品传感器之间的数据交互。主要包括数据处理箱，主要配置及功能如下表2所示：

表2

如上表2所示，信号转换箱主要包括箱体、振动监测模块、油品数据通信处理模块三部分。

在本发明实施例中，振动监测模块是柴油机健康管理系统振动监测的核心元件。根据实际信号通道类型，振动监测模块需要接入加速度振动信号、瞬时转速信号与键相信号，满足上位机监测交互系统的需求。主要性能指标如下表3所示：

表3

其中，油品数据通信处理模块主要用于采集外部油品(如燃油系统、滑油系统)监测传感器数字量输入、高速脉冲信号输入、模拟量输入信号，通过内部CAN总线和上位机交互系统进行通信。

油品数据通信处理模块有以下几个接口：分别为5路数字量输入、4路4-20mA信号采集、2路高速脉冲量信号采集、1路PT100温度采集接口、3路独立的RS485总线接口以及2路独立的CAN总线接口。

在本发明实施例中，上位机交互系统首先需要能够将数据处理系统采集处理并上传的数据进行分析，利用数据库系统对参数进行分析并故障定位，流程如图5所示。故障报警模块完成典型故障预警装置报警处理，报警策略采用快变报警、缓变报警、常规超限报警相结合的方法，选取多种自定义特征值作为报警参数。

相对于常规超限报警方法，当设备某个特征值发生突变和缓变时，故障报警模块能够及时智能报警，详细记录设备运行状况。快变报警、缓变报警与常规超限报警的报警起始点的对比情况如图6。

突变报警阈值与常规报警中的阈值不同，常规报警中阈值是按照有关国家标准设定的门限值。突变事件中的阈值，是需要根据不同设备运行状态参数进行有针对性设置的。快变报警阈值是根据不同负荷下的运行数据学习出来，并根据不同功率负载进行分组，将报警阀值与机组负荷进行对应，做到差异报警。

上位机交互系统软件界面包括：概貌图、报警分析查询、故障事件查询、热工参数监测、振动监测、瞬时转速分析、扭振分析、包络分析、频谱分析等。

针对柴油机不同故障，具体分析诊断过程存在差异。具体上位机系统软件流程如图7所示。

本发明通过加装和利用机组自带传感器采集柴油机组的振动、瞬时转速、滑油、压力等多种参数，对柴油机组的运行状态进行监测，采集的数据通过数据采集箱汇总后发送至上位机端进行数据处理、计算和分析，通过大数据分析处理技术对机组的状态进行评估和故障定位、预判等，并能够将数据和分析结果实时反馈在显示终端上，通过交互友好的上位机显示设备，能够及时向船舶操作人员反馈实时信息，提升航行安全性，可广泛应用于水面船舶智能化机舱系统的研究设计工作中。本发明系统是智能船舶机舱系统中的重要组成部分，也是关键技术，实现了在不拆解和停机的状态下对柴油机组的全面、立体、实时的监测和健康管理。同时能够存储记录所有被监测设备的健康状态，实现设备整个生命周期的健康变化趋势，可以通过对监测数据的分析，提前预判相关易损件的寿命和维修提示。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种船舶柴油机组智能健康管理系统，其特征在于，包括：底层传感器子系统、数据处理子系统和上位机交互子系统；

所述底层传感器子系统，用于通过加装和利用机组自带传感器采集柴油机组的包括振动、瞬时转速、滑油及压力的多种参数；

所述数据处理子系统，用于将由所述底层传感器子系统采集的各种参数进行分析后发送至所述上位机交互子系统；

所述上位机交互子系统，用于对由所述数据处理子系统分析后的参数进行数据处理、计算和分析，以对柴油机组的状态进行评估和故障定位、预判，并能够将数据和分析结果实时反馈在显示终端上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述底层传感器子系统，用于采集各监测点处的对应传感器数据，其中，监测点包括：键相测点、瞬时转速测点、机座振动测点、缸体振动测点、曲轴箱振动测点、传动箱振动测点、连杆轴承温度测点及滑油监测测点，其中，所述滑油监测测点包括滑油温湿度测点、滑油流量测点及滑油颗粒测点。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述底层传感器子系统包括安装于机座振动测点、缸体振动测点、曲轴箱振动测点及传动箱振动测点的振动传感器、安装于键相测点的键相测点传感器、安装于瞬时转速测点的瞬时转速传感器、安装于连杆轴承温度测点的连杆轴承温度传感器及安装于滑油监测测点的柴油机组油液品质测量传感器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述柴油机组油液品质测量传感器包括流量传感器、金属颗粒传感器和温/湿度传感器，流量传感器、金属颗粒传感器和温/湿度传感器均安装于油液系统外循环回路中；

所述连杆轴承温度传感器安装在柴油机组内部连杆大端上，所述振动传感器、所述键相测点传感器及所述瞬时转速传感器均安装于机组本体表面。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数据处理子系统依靠智能监测箱实现其数据采集、处理、提取和发送功能，以及与所述上位机交互子系统进行数据的交互，其中，所述智能监测箱内部包括：振动、键相及瞬时转速采集处理模块、油品数据通信处理模块、交换机及电源模块；

所述振动、键相及瞬时转速采集处理模块通过高速采集和处理，接收振动、键相和瞬时转速数据，经过线性化、调制解调、滤波、重采样和特征值计算后将数据通过以太网发送到所述上位机交互子系统；

所述油品数据通信处理模块接收油品传感器的数据，过滤分析后将数据通过CAN通信接口发送到所述上位机交互子系统，包括脉冲量数据采集、RS485数据采集功能；

所述交换机用于提供预警装置和以太网通信网络。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述上位机交互子系统的人机交互界面包括：概貌图、报警分析查询、故障事件查询、热工参数监测、振动监测、瞬时转速分析、扭振分析、包络分析及频谱分析，其能够根据历史数据进行分析，并对故障预判，在界面进行预报警提示，交互界面显示数据信息完备且能够进行数据存储，故障自动存档。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述上位机交互子系统包括数据采集模块、数据处理模块、数据管理模块、故障报警模块及故障分析诊断模块；

所述数据采集模块，用于采集各传感器的振动信号、键相信号、瞬时转速信号和油品参数信号；

所述数据处理模块，用于分别对采集的振动信号、键相信号、瞬时转速信号和油品参数信号进行滤波、放大和频域时域特征提取；

所述数据管理模块，用于对所述数据处理模块处理后的数据进行数据读取、存储、传输和调度；

所述故障报警模块，用于根据预设报警参数进行快变报警、缓变报警和常规超限报警，其中，快变报警表示某个特征值发生突变时进行报警，缓变报警表示特征值升高到预设值时进行报警，常规报警表示特征值超过常规报警值时进行报警；

所述故障分析诊断模块，用于故障报警显示、趋势分析、波形数据分析和报告报表自动生成。

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