适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发动机综合性能分析领域，尤其涉及一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统及方法。
【背景技术】
[0002]大功率发动机在油田钻井动力及发电等领域得到了广泛的应用，此类发动机结构复杂，零件繁多，运行条件恶劣；使用过程中如果存在超负荷运转或维修保养不及时等问题，容易出现故障。此类发动机价格昂贵，应用场合特殊，一旦出现故障，将带来严重的经济损失。
[0003]目前，此类发动机基本都安装了状态监测仪，但状态监测仪主要是对发动机的转速、冷却水温度及机油压力等常规运行参数进行测试和显示，这些参数只能反映当前发动机的基本运行信息，无法全面反映发动机的性能及潜在故障，因而无法有效的监控发动机的运行状态。
[0004]目前已应用的发动机状态监测仪主要用于反映发动机运行状态的基本信息，无法实时反馈润滑系统存在的问题或者发动机各缸做功不均及由此带来的超负荷运行等异常信息。
[0005]通过分析大功率发动机实际应用过程中存在的主要问题，可以发现零件异常磨损和发动机拉缸、拉瓦等摩擦磨损性故障经常出现。而其中润滑油变质(进水乳化、进柴油稀释、油中有金属粒、油脏污)是引起发动机摩擦、磨损方面故障的主要原因。铁谱分析技术及光谱分析技术在润滑油性能检测方面得到了一定的应用，但这两种分析技术主要用于分析润滑油中金属颗粒的形态、成分及粒度分布等信息，无法体现润滑油乳化故障，且这两种技术多采用离线分析的方式，无法满足实时分析的要求。
[0006]发动机运行过程中还存在由于零部件损坏而出现突发性故障，这一方面是由于零部件本身存在缺陷或强度不足，另一方面是由于负荷(热负荷、机械负荷)过大，超过零部件的承受能力；前者可由发动机制造部门加以改进，而后者则多是由于发动机超速、超负荷或者由于各缸做功不均导致部分缸超负荷等原因造成的。对于此类问题，则需要通过综合性能智能分析系统对工作人员加以预警和告知，以避免故障的发生。
[0007]现有的发动机状态监测仪均安装在发动机附近，运行参数通过指针表或数码管等方式显示，操作人员必须靠近正在运行的发动机才能查看此类参数。发动机的运行噪声、发动机自身高温部件及旋转部件对操作人员构成潜在危险。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统及方法，系统能够测试发动机转速、油温及水温等常规运行参数，发动机各缸做功能力，润滑系统流通阻力及润滑油状态等多种参数，并通过有线传输方式或无线传输技术将测试的数据传送至服务器，通过服务器的专家系统实现发动机综合性能的智能分析。有效改善发动机性能分析的精度，实现发动机状态的自动分析，提高操作人员的工作效率。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统，包括传感器模块，所述传感器模块包括润滑油状态传感器及颗粒传感器，所述传感器模块将采集的信号送给信号处理单元；所述信号处理单元包括信号处理电路和采集板，所述信号处理电路对传感器模块传来的信号进行处理并将处理后的信号送给采集板，所述采集板包括A/D转换模块和单片机；所述A/D转换模块将信号处理电路传来的模拟量转换成数字量，并将数字量信号送给单片机；单片机也能通过输入捕获模块接收经过信号处理电路处理后的颗粒传感器传来的润滑油金属颗粒信息；单片机也能通过CAN总线直接接收润滑油状态传感器发送的润滑油状态信息；单片机的输出端连接声光报警单元，单片机通过通讯模块将分析处理后的信号发送给服务器；服务器对接收的信号进行分析处理。
[0011]所述传感器模块还包括热敏电阻传感器、热电偶传感器、压力变送器、磁电或霍尔式传感器；
[0012]所述信号处理电路包括热敏电阻传感器信号处理电路、热电偶信号处理电路、电流信号处理电路、脉冲信号处理电路及开关量信号处理电路；所述热敏电阻传感器信号处理电路、热电偶信号处理电路、电流信号处理电路的输入端分别连接热敏电阻传感器、热电偶传感器、压力变送器，输出端连接所述A/D转换模块的输入端；所述脉冲信号处理电路及开关量信号处理电路的输入端分别连接磁电或霍尔式传感器、颗粒传感器，输出端连接单片机的输入捕获模块。
[0013]所述热敏电阻传感器用于采集冷却水温度、进气温度及机油温度，输出为随温度改变的电阻信号；所述热电偶传感器安装在缸排气管上用于测量排气温度，输出为电势信号；所述压力变送器测量机油压力、进气压力及机油滤压差，输出为标准的4?20mA电流信号；磁电或霍尔式传感器测量发动机转速及瞬时转速，输出为脉冲信号；所述润滑油状态信息包括介电常数、粘度及密度。
[0014]热敏电阻传感器信号处理电路通过将传感器用精密电阻上拉至5V电源的方式，将热敏电阻传感器信号转换为电压信号；
[0015]热电偶信号处理电路通过运算放大器对热电偶信号进行放大处理；采用电路消除运放失调电压对热电偶输出的微小信号放大的影响；采用PN节进行冷端温度的补偿；
[0016]电流信号处理电路通过精密电阻将4?20mA的标准电流信号转换为电压信号，再经过运放芯片进行放大处理；
[0017]脉冲信号处理电路首先通过运算放大器对输入的信号进行放大，进而通过施密特触发器对放大后的信号进行整形处理；
[0018]开关量信号处理电路通过三极管将12V电平的信号转化为5V电平的信号，且处理后的信号极性与输入信号的正好反向。
[0019]一种适用于大功率发动机的综合性能智能分析系统方法，传感器模块将采集的信号送给信号处理单元；信号处理单元再将信号处理后通过通讯模块发送给服务器；所述服务器对接收的信号进行有效性判断后，实时显示并保存数据，还对测试信号进行标度变换、参数状态识别及传感器标定；并利用专家诊断系统判断异常原因，给出相应的故障排查建议及维修办法。
[0020]所述服务器对接收的信号进行有效性判断的方法为以下方法中的任意一项或多项的组合:
[0021]I)值域判定法:设定信号的数值范围，如果当前测试的数据超过该范围，判定信号是无效的，否则是有效；
[0022]2)时域判定法:监测信号在一段时间内的变化情况，模拟信号如果出现短时间的突变，脉冲信号频率如果发生短暂突变，那么判断这些信号为异常；
[0023]3)逻辑判定法:对2个或2个以上有关联的传感器的数据进行比较，判断数据间的逻辑关系是否符合常规法则，如果符合则有效，否则为无效。
[0024]实时显示并保存数据的具体方法为，实时显示与存储测试的有效数据，数据显示通过数字或曲线显示，在设定的时间点自动创建数据文件，并将当前时间及各传感器测量的数据同步保存。
[0025]对测试信号进行标度变换的具体方法为:标度变换是为了将接收的数字信号转化为实际的物理量；
[0026]热敏电阻传感器、热电偶传感器及压力传感器测得的是模拟信号，是线性变化，月艮务器中存储信号的系数，服务器接收到数字信号后，通过转换系数将数字量转化为实际的物理量；
[0027]瞬时转速信号通过单片机的输入捕获模块实现，通过单片机的寄存器配置，设置下降沿捕获脉冲，记录每次捕获脉冲的时刻，相邻两次时刻的差值即为飞轮齿圈相邻两齿间的时间，根据相邻两齿的时间能换算得到发动机的瞬时转速信号，根据瞬时转速信号每个波动的波谷到波峰的变化量得到发动机缸的做功能力；做功能力以百分数的方式表征，做功能力最大的缸是100%，其它缸以该缸为基础相应求出对应的百分数，因此，瞬时转速信号不需要进行标度变换；
[0028]润滑油状态信息上传的直接是实测的结果，按照协议得到各数据，除以100即为实际的参数；润滑油金属颗粒是开关量，直接取出即可。
[0029]参数状态识别是通过系统测试的数据反映发动机当前的运行状态，当数据超过报警值设置时，则通过声光报警单元报警并告知操作人员目前发动机的状态异常，根据不同异常状态对发动机运行的危害程度，系统针对不同状态产生不同等级的提示，提示包括降速降负荷观察或紧急停车；
[0030]报警值有绝对数值、开关量及变化趋势数据；其中绝对数值的