内燃机车状态监测系统设计_内燃机车安装调试作业

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内燃机车状态监测系统设计

许小伟1，盛俊1，吕明1，刘才兰2，金华标

1(1.武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063)（2.武汉广远经济发展有限责任公司 武汉 430060)

摘要：为了使内燃机车既能够可靠运行，安全营运，又可以节能降耗、优化管理，设计了基于Linux操作系统的内燃机运行状态监测系统，实现了内燃机车动力系统的在线状态监测与故障诊断、节能降耗与维修管理。该系统基于柴油机瞬时转速信号的气缸状态监测，辅以柴油机进气的温度压力信号、发电机的电压电流信号、油门拉杆的位移信号以及机车的速度信号，进行多参数融合诊断；再将诊断的结果及状态数据通过GPRS无线通信模块发送到地面数据库之中，结合数据库专家系统，分析机车的运输组织、质量状态和能耗状态，提出维修维护及运输组织的优化建议，实现内燃机车动力系统的高效营运和安全管理。关键词：状态监测；故障诊断；多参数融合； GPRS通信；专家系统 中图法分类号：引言

随着机车速度的不断提高，工作条件

越来越严酷；而且内燃机日趋性能高端化、结构复杂化，所以更加容易引起机件的损伤和失效，由此可能造成更为严重的损失，影响机车的可靠运行和安全营运。与此同时，调研发现30%以上的国产机车内燃机实际油耗超过正常油耗的10%，超过设计油耗值更多。另外，机车惰转率非常高，货运机车尤为突出，其中部分机车柴油机的惰转率达30%以上。因此实施机车内燃机动力系统的状态监测和故障诊断，是内燃机安全运行的重要保障；优化机车的运输组织和节能降耗管理，是降低机车运用成本、提高机车营运效率行之有效的手段。

系统通过信号采集、数据处理、故障诊断、数据发送和运行管理，来实现机车动力系统的状态监测与综合管理。

GPRS无线通信模块以及地面数据管理中心组成，对多个机车内燃机的工作状态进行在线实时监测。

图 1系统结构框图

如图2所示，系统以Linux操作系统为应用平台，由信号采集模块、监测与诊断模块、GPRS无线通信模块和综合管理模块四个模块组成[1] [2]，其中采集模块包括瞬时转速、增压器采集、发电机采集和油门位移采集四个子模块。另外，为了实时显示机车的状态参数，便于进行人机交互，在PC104处增加了人机交互模块。系统设计

依据机车维护维修的功能要求，对内燃机车状态监测系统进行了设计。2.1 总体设计

如图1所示，内燃机车状态监测系统由若干个随车安装的机车运行状态监测仪、图 2系统硬件框图

许小伟:男,1983年7月，湖北宜昌人,硕士,主要研究领域为柴油机监测诊断与电子控制

该系统利用柴油机飞轮端的瞬时转速的波动，对柴油机气缸运行状态进行在线监测；结合柴油机进气温度和增压压力信号、发电机输出的主电压和主电流信号、油门拉杆的位移信号以及机车的速度信号，对机车动力系统进行多参数融合诊断；然后依托于因特网，通过GPRS模块将监测的状态参数和诊断结果发送到地面数据库中；最后，利用地面数据库的专家系统，进一步进行数据的分析处理，实现机车的综合管理。2.2 信号采集模块

信号采集模块，由GPS定位节点、转速采集节点、增压器采集节点、发电机采集节点、油门位移采集节点五个信号节点组成的CAN通信网络。

通过GPS定位节点RC87，获得机车的实时位置信息，得到机车的速度信号，并将信号发送到CAN总线上。其信号采集电路比较简单，不作介绍。

转速采集节点，包括采集柴油机某个气缸处的上止点信号和柴油机飞轮端的瞬时转速信号；然后信号经数据处理，利用瞬时转速中蕴含的状态信息，进行气缸的状态监测。其示意图如下：

图 3转速采集节点框图

系统所用的传感器为磁电传感器，其信号幅度为±2V～±15V。经过如图3的处理，上止点信号被调理成与柴油机曲轴同周期的脉冲信号，且其下降沿间的时间间隔是较为固定的，在使用时使用其下降沿；瞬时转速信号则直接经过电压跟随器后，再进行A/D转换，输出幅值为3.3V的数字信号，发送到CAN总线上。

另外三个信号采集节点除了信号的前端具体的调理电路不同之外，后端信号处理都相同。下面介绍其中的增压器采集节点。

图 4增压器采集节点框图 由图4可知，该节点用来采集柴油机进气口的进气温度和增压压力信号。传感器采集的温度信号为I2C信号，压力信号为模拟信号。然后信号经过调理电路，A/D采集和I2C采集，在单片机TMS470R1A256的作用下，发送到CAN总线上。2.3 监测与诊断模块

在监测与诊断模块中，基于瞬时转速的气缸运行状态监测是核心，多参数融合诊断是重要组成部分。

由于柴油机瞬时转速的波动是气缸爆发压力波动的直接表现，而气缸爆发压力又直接受气缸燃烧状态的影响。当柴油机发生引起缸内燃烧状态的故障时，瞬时转速的波动将发生相应的变化。因此，利用瞬时转速信号中蕴含着非常丰富的柴油机工作状态的信息，可以方便实现对柴油机各个气缸工作状态的监测。根据柴油机瞬时转速波动的变化情况，运用单次谐波相位分析法[3]，进行滤波、频域分析等数据处理，选取特征参数，提取特征值，就可以对柴油机进行故障诊断和故障定位。

如图5所示，诊断模块是采用基于NIOS系统的FPGA来完成的[4]，它采用Avalon总线外设的方式与系统相连。其中，NIOS CPU是模块运行的核心，主要运行系统各个部分所需要的指令代码。

图 5监测与诊断模块结构框图 在NIOS CPU和上止点信号的控制下，通过FPGA上自定义的IP模块---A/D接口

电路，将瞬时转速信号存放在其自定义的端口中，供PC104读写与控制；另外，系统通过外接一个CAN控制器，实时侦听CAN总线上的信号，再经过一个自定义的 IP模块，将SPI总线转换为ISA总线上的端口供PC104读写与控制。

PC104读取CAN总线上机车的状态信息，进行状态检测与故障诊断，将结果显示在人机交互模块；同时，将状态参数和诊断信息通过GPRS模块传输到地面数据库中。2.4 GPRS无线通信模块

GPRS无线通信模块，以GSM/GPRS网络为通信平台，利用GPRS/SMS为信息承载方式，采用TCP/IP协议为联网运行方式，服务于各行业用户的数据传输业务，特别适用于间断性的、突发性的和频繁的、小量的数据传输，尤其适用于M2M（machine-to-machine）领域的应用及应用系统的开发[5]。另外，模块还具有实时性、经济性、可靠性的特点，而且其通信网络不需要维护，适合广大中小用户组网营运。

图 6GPRS无线通信模块结构框图 如图6所示，在状态监测与诊断过程中的数据和结果按自定义协议组合成数据包，再通过PC104的串口发往GPRS无线通信模块。然后模块将需要发送的数据包，通过GPRS网络利用MC55再次将数据包封装成TCP/IP包，然后通过Internet网传输至地面数据库。地面数据库的服务器再利用协议栈将TCP/IP包还原为原始的数据，实现了数据从PC104到地面数据库的无线透明传输。2.5 综合管理模块

该模块是系统的综合管理模块，由服务器、数据库、专家系统和人机交互四部分组成。如图7所示，首先通过地面数据库的服务器，无差别的接收从GPRS模块发送过来的数据包，然后将数据包还原为原始的数据，然后将还原后的数据导入数据库；同时根据数据库专家系统，对数据进行处理和分

析。另外，通过人机交互界面，用户可以既浏览数据库中的数据，还可以浏览专家系统分析得到的维护维修建议。

图 7地面数据库模块结构框图

该专家系统利用实时采集的机车状态

参数，根据内燃机故障诊断的机理、机车维护维修的理论和经验，对内燃机车的动力系统进行状态分析和故障诊断。首先，分析机车的燃油消耗、能效状态和机车的运输和操纵管理等，及时优化机车管理；然后，对机车部分参数做趋势分析[6]，了解机车的状态变化，预防机车故障，提出维护建议；当内燃机发生故障时，及时准确的找出故障位置，提出维修建议。具体功能如下：

1．数据备份和查询：基于Socket S/C机制，接收GPRS无线通信模块发送的数据，并在数据库中备份；用户根据自己的需要，查询所需要的数据信息；

2．运行质量管理：根据柴油机的工作原理，统计机车日常运行过程中的质量状态参数，计算得到柴油机的效率比、柴油机动力性能利用参数、增压器工作参数、气缸工作参数，得到机车的运行质量状况；

3．牵引运用管理：考察柴油机在规定时间段内，根据其不同的负荷状态，计算得出柴油机的牵引运用参数（包括高负荷率、中负荷率、低负荷率、空转率、停机率、惰转率），并绘制柱状图，从而得到柴油机的牵引运用状况；

4．运输组织管理：考察柴油机在规定时间段内，在不同负荷状态区间的转换，计算得出柴油机的运输组织参数（包括高负荷频次、中负荷频次、低负荷频次、空转频次、停机频次、惰转频次），并绘制柱状图，从而得到柴油机的运输组织状况；

5．操纵状态管理：根据机车日常运行过程中的操纵参数（如：油耗率、机车实际输出功率），计算油耗率和实际输出功率的比值，来考核驾驶员的操纵水平；

6．机车能效管理：统计机车的燃油消耗和输出功率，分析二者是否合理，根据分析结果提出相应的改善措施，实现节能降耗的目标；

7．机车维护和维修：在专家系统中，将数据库中的原始数据作为神经网络的输入，利用神经网络算法，得到机车维修维护建议和能效改善建议，实现机车的综合管理。

[1] Rotharmel, S., “IP based Telecom Power System Monitoring Solution in GPRS Networks”[C], Telecommunications Energy Conference, 2007.INTELEC 2007.29th International, pp.769-774, Sept.30 2007-Oct.4 2007

[2] A Martí, J.C.Campelo, J.Pardo, R.Ors, J.J.Serrano, “A distributed control system for citric结论

该系统以Linux操作系统为应用平台，已经完成了机车动力系统状态监测和故障诊断的设计与调试。同时，利用CAN总线良好的可扩展性，将来可根据需要扩充采集机车其它系统的状态参数，添加更多的节点组成CAN通信网络，完善该内燃机车状态监测系统。

该内燃机车状态监测系统的核心模块---气缸状态监测仪，已经在武钢、莱钢、湘钢等很多工矿企业的机车上得到了批量使用，对用户进行机车的运行管理起到了一定的指导作用。

随着系统的技术逐渐成熟，将会进一步的推动内燃机车的维护维修管理技术的发展。同时，节能降耗、优化管理也是目前内燃机车的维护维修管理中不可或缺的一环，通过对系统进行能效分析和运输组织，实现了对内燃机车的综合管理。

参考文献：

fruitsconservation and maturation based on CAN and Internet networks” [C]， Industrial Electronics, 2007.ISIE 2007.IEEE International Symposium on, pp.1899-1904, 4-7 June 2007 [3] 余瑞峰.基于瞬时转速的16V240柴油机故障诊断仪关键技术的研究.武汉理工大学硕士论文[D].2007.5

[4] 李立.基于SOPC技术的柴油机在线状态监测和故障诊断装置的研究[D].武汉理工大学硕士论文，2008.5

[5] 张学强,胡以怀,金晓军,常勇.基于

GPRS_Internet的船舶主机监测系统的实现[J].造船技术,2006.6:25-28

[6] 喻方平，缪敏，黄海亮.船舶发电柴油机在线监测与故障诊断系统[J].中国航海，2003.2:76-78，Design of Diesel Locomotive Condition Monitoring System

Xu Xiaowei1,Sheng Jun1,Lv Ming1, Liu Cailan2, Jin Huabiao1

（1.Energy and Power Engineering Collage Wuhan University of Technology, Wuhan 430063）

(2.Guangyuan economic development of Wuhan Co., Ltd, Wuhan 430060)

Abstract：In order to make the diesel operate safe and reliable, but also save the energy and optimize the management,design the engine condition monitoring system based on the Linux operating system,to achieve online monitoring and fault diagnosis of the locomotives, actualize the decrease consumption and the maintenance management of the diesel.The system is founded on instantaneous speed of the diesel engine to monitor the cylinder state;meanwhile,supplemented by the temperature and preure signal of the intake air of the diesel , the voltage and current signal of the generator, as well as the displacement signal of the throttle rod, proceed the integration of multi-parameter diagnosis for the diesel;and then send the diesel parameter and the diagnosis result to the ground-based database with the GPRS wirele communication module;at last analyse the transport organizations and the energy consumption of the locomotive with the expert system,to advance the repair and maintenance recommendations and achieve the integrated management measure for the diesel locomotives.Key Words：condition monitoring;fault diagnosis;integration of multi-parameter diagnosis;GPRS communications;expert system

作者简介： 姓名：许小伟性别：男

出生年月：1983年7月籍贯：湖北宜昌 学位：在读硕士

通讯地址：武汉理工大学余家头校区能源与动力工程学院轮机自动化实验室 邮编：430063

联系电话：*** E-mail：xxw15@163.com