1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司711研究所 上海 200090

外部加熱的閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，具有熱效率高、振動(dòng)噪聲低、排放清潔和可以采用多種形式燃料或加熱熱源等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的動(dòng)力能源市場(chǎng)將具有廣闊的發(fā)展前景。開(kāi)展對(duì)閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的探討，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少故障和停車(chē)，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

1 監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的組成

由于閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的特殊性，監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的研制借鑒了一些內(nèi)燃機(jī)的監(jiān)測(cè)與診斷方法，如性能參數(shù)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速等監(jiān)測(cè)方法。

閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)主要包括性能參數(shù)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。PLC將采集的溫度、壓力、流量等參數(shù)通過(guò)監(jiān)控臺(tái)和TCP/IP通訊協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)將監(jiān)測(cè)參數(shù)傳送到監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和上止點(diǎn)信號(hào)，通過(guò)高性能采集卡采集信號(hào)，信號(hào)經(jīng)濾波、整周期平均等方法處理，獲得描述動(dòng)力性能的特征參數(shù)，以對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)還包含了故障診斷、知識(shí)庫(kù)維護(hù)和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等3個(gè)子系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

圖1 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框

系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中性能參數(shù)和一些報(bào)警信息由PLC進(jìn)行監(jiān)控，然后由監(jiān)控臺(tái)采集后通過(guò)TCP/IP協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)焦た貦C(jī)。

1.2 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用LabVIEW[1], 數(shù)據(jù)管理和開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用SQL Sever2000，作為系統(tǒng)的后臺(tái)程序在開(kāi)機(jī)之后自動(dòng)啟動(dòng)。各分系統(tǒng)主要完成7個(gè)主要功能：數(shù)據(jù)采集、分析處理、信息顯示、在線診斷、知識(shí)庫(kù)維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表生成，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框

1.3 系統(tǒng)的組成模塊

系統(tǒng)主要有9個(gè)模塊，主要功能見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)的組成模塊

2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是與缸內(nèi)壓力波動(dòng)息息相關(guān)的，對(duì)影響缸內(nèi)壓力的功能性故障可在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)中反映出來(lái)。系統(tǒng)以一個(gè)飛輪齒轉(zhuǎn)過(guò)傳感器端部鐵芯的微小時(shí)間間隔為一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速時(shí)間點(diǎn)來(lái)計(jì)算飛輪瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

圖3 直接采樣的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信

直接采樣的齒位移信號(hào)近似為正弦信波，如圖3所示，每個(gè)正弦波對(duì)應(yīng)一個(gè)飛輪齒，一個(gè)正弦波所包含的采樣點(diǎn)數(shù)不同，表示這個(gè)齒轉(zhuǎn)過(guò)傳感器的時(shí)刻飛輪的轉(zhuǎn)速不同。依據(jù)這個(gè)原理可以得到下面的計(jì)算公式：

式中：fs——采樣頻率；

Z——飛輪齒數(shù)；

n——瞬時(shí)轉(zhuǎn)速

K——一個(gè)正弦周期信號(hào)之間包含的采樣點(diǎn)數(shù)。

為消除計(jì)算出來(lái)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形中的噪聲干擾，便于故障模式的識(shí)別，采用了數(shù)字濾波、整周期平均和齒平均的方法來(lái)剔除瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形中的噪聲成份[2]。

3 系統(tǒng)信息的存儲(chǔ)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)成

作為監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，信息來(lái)源是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)時(shí)重點(diǎn)考慮的因素，數(shù)據(jù)庫(kù)由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、知識(shí)庫(kù)和采集信息存儲(chǔ)3個(gè)部分組成。參數(shù)設(shè)置表為系統(tǒng)初始化設(shè)定服務(wù)，知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)診斷的支持信息，采集信息表則存儲(chǔ)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中采集的參數(shù)。

3.2 采集信息的存儲(chǔ)規(guī)律

日常數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)為定時(shí)存儲(chǔ)，用戶設(shè)定起始存儲(chǔ)時(shí)間、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)度和時(shí)間間隔后，系統(tǒng)按此規(guī)律保存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。如果報(bào)警模塊判斷當(dāng)前運(yùn)行異常時(shí)將觸發(fā)故障數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)進(jìn)程，將發(fā)生故障時(shí)監(jiān)測(cè)到的性能參數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)表中。

4 系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的建立和維護(hù)

系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)是推理機(jī)運(yùn)行時(shí)所需知識(shí)的集合，采用規(guī)則框架體系的方法表示知識(shí)，其基本思想是把規(guī)則和框架聯(lián)系起來(lái)反映工程中的設(shè)計(jì)問(wèn)題。具體實(shí)現(xiàn)是一個(gè)具有如下形式的語(yǔ)句：“如果(條件)，那么(動(dòng)作)”，即“IF(條件),THEN(動(dòng)作)”。知識(shí)庫(kù)內(nèi)知識(shí)獲取是通過(guò)領(lǐng)域?qū)＜液凸こ處煹暮献?，把信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的內(nèi)部表示形式。專(zhuān)家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 專(zhuān)家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用故障樹(shù)知識(shí)和案例分析相結(jié)合的方法進(jìn)行故障機(jī)理分析，建立知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)分別由字典表和規(guī)則表組成，為了編輯推理方便，字典庫(kù)把知識(shí)按一定的編碼約定以代碼的形式存儲(chǔ)；規(guī)則表存儲(chǔ)由一定前提推出的確定結(jié)論，以及推理判斷的依據(jù)。在知識(shí)編輯器窗口，領(lǐng)域?qū)＜铱梢苑奖愕貙?duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行增添、修改或刪除。

5 系統(tǒng)的故障診斷

根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)和性能參數(shù)各自的獲取特點(diǎn)及其在發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)估上的側(cè)重點(diǎn)，系統(tǒng)充分汲取兩者的長(zhǎng)處，采用兩種方法相結(jié)合的策略。分析發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化，可以診斷出與各氣缸功率不平衡的相關(guān)故障，進(jìn)行早期故障預(yù)警。而監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，則可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行整體預(yù)判，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，有利迅速排除故障。

5.1 基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的故障診斷方法

對(duì)于一個(gè)均勻發(fā)火的N缸機(jī),在一個(gè)循環(huán)中瞬時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)有N次明顯的波動(dòng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常,則N次波動(dòng)的間隔和幅度應(yīng)大致相同；如果部分氣缸由于某種原因出現(xiàn)故障,就會(huì)影響瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。如何從瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)中定量描述這種影響是診斷的關(guān)鍵。波形分析法就是直接分析與轉(zhuǎn)速有關(guān)的瞬時(shí)波形信號(hào),從中提取對(duì)各種故障敏感的特征參數(shù),然后判斷故障，瞬時(shí)波形信號(hào)包括瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)角速度、瞬時(shí)角加速度等，目前主要有均勻性向量法、差值比較法和時(shí)頻域分析法。本系統(tǒng)采用時(shí)頻域結(jié)合的分析方法。

進(jìn)行時(shí)頻域分析時(shí)，計(jì)算出各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升值Δni，以及4次諧波與1次諧波幅值之比εf(εf=f1/f4)，作為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的特征參數(shù)。正常狀態(tài)下，在譜圖上只出現(xiàn)與缸數(shù)相一致的諧波分量(4次波、8次波)；在發(fā)生故障時(shí)，各缸由于氣體壓力作功引起的轉(zhuǎn)速上升不同，引起的瞬時(shí)加速度上升也有差異，在譜圖上除了有與缸數(shù)相一致諧波分量外，還出現(xiàn)了1次諧波分量，在故障特征明顯時(shí)，1次諧波分量幅值明顯大于4次諧波分量的幅值。因此通過(guò)計(jì)算εf值可判斷是否存在故障。確定熱氣機(jī)存在故障后，然后定位故障缸，比較各缸因氣體壓力做功引起的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升值，可確定故障缸。

5.2 基于性能參數(shù)的故障診斷方法

考慮故障樹(shù)和專(zhuān)家系統(tǒng)法的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采取將兩者相結(jié)合的方法。故障樹(shù)分析法對(duì)可能造成系統(tǒng)報(bào)警故障的各種因素進(jìn)行分析，畫(huà)出邏輯框圖(即故障樹(shù))，逐級(jí)原因細(xì)化分析，得到故障的最底層原因。專(zhuān)家系統(tǒng)可分為基于規(guī)則的系統(tǒng)、基于事例的系統(tǒng)和基于行為的系統(tǒng)。由于基于規(guī)則的診斷系統(tǒng)具有表達(dá)直觀、形式統(tǒng)一、模塊性強(qiáng)和推理機(jī)制簡(jiǎn)單快捷等特點(diǎn)，故本系統(tǒng)采用該種模式。按照規(guī)則模式的系統(tǒng)要求，知識(shí)工程師對(duì)故障樹(shù)知識(shí)進(jìn)行規(guī)則化整理，存入知識(shí)庫(kù)。系統(tǒng)充分汲取了故障樹(shù)法分析故障周密和專(zhuān)家系統(tǒng)編制程序容易的優(yōu)點(diǎn)。

5.2.1 診斷推理機(jī)制

常用的基于規(guī)則的診斷專(zhuān)家系統(tǒng)有正向推理、反向推理和正反向混合推理[3]。由于正向推理機(jī)制效率高、實(shí)現(xiàn)容易，比較適合于機(jī)械的在線監(jiān)測(cè)和控制，因此監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的推理機(jī)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的正向推理方法，逐次判斷知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，向前層層推進(jìn)。系統(tǒng)從報(bào)警故障開(kāi)始，按照故障樹(shù)分析法建立的規(guī)則，從全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中獲取有用的判據(jù)，診斷出故障原因。如果全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有充分的判據(jù)，將啟動(dòng)人機(jī)對(duì)話，用戶根據(jù)推理機(jī)給出的可能原因和查找故障建議，確定原因后，推理機(jī)再次按規(guī)則從全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)獲取有用信息，進(jìn)行深層次診斷，直到獲得故障的最深底層原因?yàn)橹?。推理的流程?jiàn)圖5。

圖5 診斷推理的流程

5.2.2 故障診斷實(shí)例

在發(fā)動(dòng)機(jī)的日常管理中，可能會(huì)出現(xiàn)各種故障報(bào)警，例如管壁溫度、工質(zhì)壓力等，在此以常見(jiàn)故障 “管壁溫度超高”為例來(lái)說(shuō)明診斷過(guò)程。故障的信息表示見(jiàn)圖6。

圖6 “管壁溫度超高”故障樹(shù)

系統(tǒng)顯示“管壁溫度超高”報(bào)警后，用戶啟動(dòng)診斷程序。推理機(jī)從全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中獲得了工作瓶壓力低于進(jìn)氣壓力的判據(jù)，診斷的可能原因是“工質(zhì)泄漏”或“操作人員未及時(shí)補(bǔ)氣”，系統(tǒng)給出的解釋是工作瓶壓力低于進(jìn)氣壓力。推理至此，由于全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有相關(guān)的判據(jù)，啟動(dòng)了人機(jī)交互，用戶根據(jù)系統(tǒng)提出的專(zhuān)家建議進(jìn)行自診斷，確認(rèn)在發(fā)動(dòng)機(jī)管理過(guò)程中補(bǔ)氣及時(shí)，工作瓶壓力保持在較高值，在確認(rèn)原因是“工質(zhì)泄漏”后，系統(tǒng)推理出故障的原因是“工作瓶閥泄漏”等5種底層因素，根據(jù)系統(tǒng)建議，用戶逐一排查，最終診斷為“管道閥件泄漏”導(dǎo)致機(jī)械故障報(bào)警，至此診斷完畢。

6 結(jié)論

1) 閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)利用了性能參數(shù)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，在管理中能提前預(yù)警重大的氣缸故障，對(duì)常見(jiàn)故障能夠及時(shí)診斷出故障深層次原因，便于排除故障，預(yù)判變化趨勢(shì)。

2) 從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，故障樹(shù)分析法和專(zhuān)家系統(tǒng)法相結(jié)合，能夠很好的發(fā)揮兩種方法的特長(zhǎng)，既能做到分析故障全面細(xì)致，又能使系統(tǒng)的在線診斷靈活快捷。

3) 知識(shí)庫(kù)內(nèi)的知識(shí)還不夠充分，需要在以后的使用中不斷添加，才能更好地發(fā)揮在線診斷的作用。

[1] 楊樂(lè)平,李海濤,楊 磊.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2005：1-23.

[2] 濮立俊,楊建國(guó),王志華,周軼塵,嚴(yán)新平.利用發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)診斷氣門(mén)漏氣故障[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，24(1)：60-61.

[3] Joseph Giarratano,Gary Riley.專(zhuān)家系統(tǒng)原理與編程[M].印 鑒，劉星成,湯 庸，譯,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：98-109.