基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化內(nèi)燃機(jī)檢測系統(tǒng)開發(fā)

-.z基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化內(nèi)燃機(jī)檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)【摘要】介紹了內(nèi)燃機(jī)測試網(wǎng)絡(luò)檢測平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案，探討了內(nèi)燃機(jī)測試狀態(tài)參數(shù)的選取原則，確定了內(nèi)燃機(jī)檢測中的狀態(tài)參數(shù)及其傳感器的選型與配置方案。完成內(nèi)燃機(jī)測試的信號(hào)調(diào)理電路的硬件構(gòu)建與設(shè)計(jì)，選用圖形化的虛擬儀器軟件平臺(tái)LabVIEW開發(fā)了內(nèi)燃機(jī)測試網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用軟件，整個(gè)軟件構(gòu)造由信號(hào)采集模塊、主控模塊、手動(dòng)測試模塊、程控測試模塊和數(shù)據(jù)管理模塊等組成。該網(wǎng)絡(luò)檢測平臺(tái)的開發(fā)具有前瞻性和開拓性?！娟P(guān)鍵詞】虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化內(nèi)燃機(jī)檢測平臺(tái)程控測試NetworkedTestingPlatformofInternalbustionEngineBasedonVirtualInstrumentationZouJin1GongPeiping2LiDong2MaKaiming2(1.JiangsuZhongshengAdvancedTechnologyIndustrypanyLTD.Nanjing,2111122.PLAUniv.ofSci.&Tech.Nanjing,210007)Keywords:Virtualinstrumentation,network,testingplatform,program-controllermeasurement虛擬儀器具有強(qiáng)大的功能、豐富的資源、良好的擴(kuò)展性和通用性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開展，以LabVIEW為代表的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)擁有了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力?？梢詫⑻摂M儀器作為內(nèi)燃機(jī)測試實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一開發(fā)平臺(tái)，再與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，一定可以開發(fā)成功應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器內(nèi)燃機(jī)測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而局部替代不同地點(diǎn)、不同種類的傳統(tǒng)測量儀器進(jìn)展實(shí)驗(yàn)。本文在分析研究內(nèi)燃機(jī)檢測參數(shù)的根底上，提出了網(wǎng)上虛擬儀器內(nèi)燃機(jī)檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。1網(wǎng)絡(luò)化內(nèi)燃機(jī)檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器檢測平臺(tái)由檢測現(xiàn)場的測試控制效勞器、局域網(wǎng)總線、Web效勞器和進(jìn)展網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的客戶機(jī)等四個(gè)層次組成。測試控制效勞器在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)分析與處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。效勞器包含了這幾局部，即實(shí)驗(yàn)對(duì)象與信號(hào)局部〔內(nèi)燃機(jī)及其狀態(tài)參數(shù)〕，信號(hào)調(diào)理局部，計(jì)算機(jī)總線傳輸局部，微計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件等四大局部組成，圖1是其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造圖。測試控制效勞器與各個(gè)客戶機(jī)之間的信號(hào)傳遞通過Ethernet局域網(wǎng)總結(jié)進(jìn)展，Web效勞器提供統(tǒng)一管理用戶以及指向功能，客戶機(jī)上只需安裝IE瀏覽器，整個(gè)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成了一個(gè)B/S模塊的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖1內(nèi)燃機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器檢測平臺(tái)總體構(gòu)造2測試參數(shù)分析內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)狀況可用它的狀態(tài)參數(shù)來描述，狀態(tài)參數(shù)是指能反映內(nèi)燃機(jī)技術(shù)狀態(tài)的定量化信息。狀態(tài)參數(shù)又可分構(gòu)造參數(shù)和診斷參數(shù)，構(gòu)造參數(shù)指那些直接決定其技術(shù)狀態(tài)的參數(shù)，如零件尺寸、配合性質(zhì)等，而診斷參數(shù)是指與構(gòu)造參數(shù)有聯(lián)系并能夠表達(dá)構(gòu)造技術(shù)狀況的直接或間接指標(biāo)，即可以是工作過程的參數(shù)，也可以是伴隨過程的參數(shù)以及一些陌生的參數(shù)。目前用于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)的測試參數(shù)主要有：〔1〕氣缸壓縮壓力氣缸活塞組是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，汽缸活塞組包括氣缸、活塞、活塞環(huán)、氣門、氣缸蓋和氣缸墊等包圍工作介質(zhì)的零部件，它們的技術(shù)狀況好壞不但嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。在使用過程中，主要故障是由于零部件磨損、燒蝕、結(jié)膠、積碳等原因引起的。受構(gòu)造的限制，氣缸活塞組的磨損等情況，在不解體條件下難于直接檢測。而氣缸壓縮壓力在曲軸轉(zhuǎn)速、機(jī)油粘度等技術(shù)狀況一樣的情況下，當(dāng)出現(xiàn)氣缸活塞組件磨損后間隙增加，活塞環(huán)彈力缺乏，卡滯、對(duì)口、氣門與氣門座不密合時(shí)，均會(huì)引起氣缸壓縮壓力下降。因此采用氣缸壓力作為診斷參數(shù)可反映氣缸活塞組的根本工作技術(shù)狀態(tài)?！?〕內(nèi)燃機(jī)的噴油壓力內(nèi)燃機(jī)尤其是機(jī)械裝備所采用的柴油機(jī)，其燃燒方式是壓燃式，對(duì)燃油的輸送和高壓的產(chǎn)生等有嚴(yán)格的要求。而供油系技術(shù)狀態(tài)不良，將使其在各種不同的工況下，不能獲得定時(shí)、定量和定壓的燃油，造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力缺乏，耗油量增多。供油系的故障，主要表現(xiàn)在壓力缺乏、漏油、堵塞、機(jī)件磨損與混合氣調(diào)整不當(dāng)?shù)?。把壓力傳感器安裝在高壓泵和噴油器之間，對(duì)噴應(yīng)壓力和噴油定時(shí)進(jìn)展檢測，就可以檢測供油系的故障狀態(tài)。本文所提方案，擬采用管外夾持式壓力傳感器，構(gòu)造發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和1缸上止點(diǎn)信號(hào)，內(nèi)燃機(jī)燃油供給系故障的檢測?！?〕內(nèi)燃機(jī)溫度發(fā)動(dòng)機(jī)溫度可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)不解體診斷時(shí)的輔助測量參數(shù)。如測量冷卻水的溫度可判斷冷卻系統(tǒng)的工作是否正常，當(dāng)溫度超過正常值時(shí)，可考慮冷卻液是否損漏等情況，而當(dāng)溫度下降時(shí)，可考慮溫度傳感器是否失靈，以及氣缸活塞足間隙是否得當(dāng)，噴油正時(shí)是否準(zhǔn)確，配件相位是否失準(zhǔn)等因素。〔4〕機(jī)油壓力發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系的技術(shù)狀況，能直接影響整機(jī)的工作性能合使用壽命，如潤滑不良造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失，以及導(dǎo)致配件間的卡死和曲軸軸承“燒瓦〞等現(xiàn)象。機(jī)油壓力反映發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系的技術(shù)狀況，當(dāng)機(jī)油壓力過底時(shí)需及時(shí)檢查?！?〕廢氣分析發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒質(zhì)量，可用廢氣分析儀測定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣成分來確定。混合氣的燃燒情況，可以反映燃油供給系的技術(shù)狀況，也影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率的上下?；旌蠚獾娜紵|(zhì)量取決于混合氣成分、氣缸壓縮是否良好、噴油狀態(tài)是否良好、噴油正時(shí)是否準(zhǔn)確等。〔6〕缸體、氣門的振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)診斷的主要測量參數(shù)為位移、速度和加速度，所用的傳感器主要為電渦流傳感器、磁電式傳感器和壓電式傳感器。3虛擬儀器內(nèi)燃機(jī)網(wǎng)絡(luò)測試實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)網(wǎng)絡(luò)測試實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)可采用通用化的設(shè)計(jì)，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在局域網(wǎng)的用戶在具備一定條件時(shí)，都可以共享該硬件資源，進(jìn)展內(nèi)燃機(jī)的控制和測試等實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)在充分依托網(wǎng)絡(luò)資源的根底上，應(yīng)用了USB總線技術(shù)、SC*I專用測試總線技術(shù)、RS485串行總線技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等測控領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了具有分布式功能的網(wǎng)絡(luò)測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。3.1傳感器選型與配置傳感器是將感受到的物理量、化學(xué)量等信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量和傳輸?shù)男盘?hào)量的裝置。電信號(hào)易于傳輸和處理，所以大多數(shù)的傳感器是將物理量等信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞會(huì)直接影響系統(tǒng)性能的好壞。在自動(dòng)測量過程或控制系統(tǒng)中，首先由傳感器感受被測量，而后把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，供采集系統(tǒng)采集處理或用于驅(qū)動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此選取的傳感器應(yīng)能提供準(zhǔn)確可靠的信息，并且使傳感器的水平與計(jì)算機(jī)的水平相適應(yīng)，以便計(jì)算機(jī)充分發(fā)揮應(yīng)有的作用和效益。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的性能狀態(tài)指標(biāo)和故障診斷要求，可選擇反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的一些主要性能技術(shù)參數(shù)，如氣缸壓力、耗油率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、供油系壓力、冷卻水溫度、廢氣煙度、蓄電池電壓、氣缸體或氣門振動(dòng)頻率等常用參數(shù)。然后根據(jù)參數(shù)要求選擇相應(yīng)的傳感器，如壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器等。3.2信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路主要對(duì)來自傳感器的信號(hào)進(jìn)展調(diào)理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的歸一化處理。來自傳感器的電信號(hào)一般還不能用數(shù)據(jù)采集設(shè)備來測量，最主要的問題是它們大多數(shù)輸出電壓非常小，且極易受噪聲影響，而有些信號(hào)又有可能存在很高的尖峰值。因此在將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之前需要進(jìn)展放大、濾波或隔離等預(yù)處理。圖2顯示了一些常見類型的傳感器或電信號(hào)和它們各自需要的信號(hào)調(diào)理。圖2常見工程信號(hào)及調(diào)理電路類型由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率測量系統(tǒng)中包含了大功率信號(hào)的鼓勵(lì)和多種發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)、測功機(jī)狀態(tài)參數(shù)的采集、控制與處理等任務(wù)，因此信號(hào)的調(diào)理系統(tǒng)選用了以ATmega128單片機(jī)為核心的信號(hào)采集與調(diào)理系統(tǒng)。信號(hào)采集系統(tǒng)主要完成內(nèi)燃機(jī)、測功機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度和油耗測量系統(tǒng)/傳感器的故障診斷、標(biāo)定和校準(zhǔn)，柴油機(jī)工況參數(shù)的采集、信號(hào)的特征提取、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制、測功機(jī)加卸載控制和串行總線的通訊等。采集與調(diào)理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括三大局部：CPU、信號(hào)測量局部和總線接口與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換局部。選用性能價(jià)格比高，適用于工業(yè)控制的8位單片機(jī)ATmega128組成。效勞器〔微計(jì)算機(jī)〕根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，綜合用戶面板的給定狀態(tài)，經(jīng)過一系列控制算法的運(yùn)算，變成直接推動(dòng)的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制〔DDC〕。信號(hào)采集單元的A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路分開使各采集單元之間數(shù)據(jù)通信更為方便、快捷。信號(hào)經(jīng)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為485串行信號(hào)，經(jīng)總線傳送到效勞器。信號(hào)調(diào)理電路的根本配置是8路，上下溫和壓力各4路?！餐ㄟ^增加調(diào)理板，高溫和壓力也可擴(kuò)展到8路?！橙绻黝悈?shù)超過8路，則可用適當(dāng)模塊進(jìn)展擴(kuò)展。圖3是排氣溫度測量傳感器K分度熱電偶的調(diào)理電路圖，熱電偶的冷端補(bǔ)償傳感器采用了AD590集成溫度傳感器測量調(diào)理卡的溫度。傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)高增益儀表放大器7650轉(zhuǎn)換放大后，再經(jīng)OP07運(yùn)放后輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路。圖3熱電偶溫度傳感器調(diào)理電路圖4檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)三個(gè)方面來進(jìn)展，一是內(nèi)燃機(jī)檢測系統(tǒng)的硬件配置與建立內(nèi)容，二是內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)和測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)的目的，三是網(wǎng)絡(luò)通信的條件。在此根底上，我們按虛擬儀器檢測平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想來分析內(nèi)燃機(jī)測功系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)檢測的軟件需求，確定軟件平臺(tái)主要包括信號(hào)采集模塊、主控模塊、設(shè)備信息模塊、手動(dòng)測試、程控測試、數(shù)據(jù)管理和控制信號(hào)模塊等組成，根據(jù)需要，也可擴(kuò)大故障診斷推理模塊，整個(gè)軟件系統(tǒng)基于圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用采用B/S模式，根本構(gòu)造見圖4。圖4網(wǎng)絡(luò)檢測平臺(tái)軟件系統(tǒng)根本構(gòu)造以測試模塊為例介紹其軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)。本平臺(tái)中，測試模塊包括手動(dòng)測試和程控測試兩個(gè)模塊。其中手動(dòng)測試模塊功能是在檢測現(xiàn)場由操作人員手動(dòng)操作進(jìn)展內(nèi)燃機(jī)的測試實(shí)驗(yàn)。程控測試模塊是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制與實(shí)驗(yàn)?zāi)K，操作人員可以在客戶機(jī)上利用網(wǎng)絡(luò)資源，依據(jù)預(yù)先生成的程控測試文件進(jìn)展自動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)。程控測試文件確實(shí)定是測試實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)特征、實(shí)驗(yàn)要求、設(shè)備狀況和實(shí)驗(yàn)流程等生成適宜的程控文件，在網(wǎng)絡(luò)上調(diào)入此文件即可進(jìn)展程控實(shí)驗(yàn)。程控文件的生成界面如圖5所示。圖5程控文件生成界面5完畢語本文介紹了內(nèi)燃機(jī)測試網(wǎng)絡(luò)檢測平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案。討論了內(nèi)燃機(jī)測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)建方法與軟件平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)。選用圖形化的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW，開發(fā)了內(nèi)燃機(jī)測試網(wǎng)絡(luò)檢測平臺(tái)的應(yīng)用軟件。開發(fā)了程控測試功能，實(shí)驗(yàn)用戶可以根據(jù)要求，生成符合要求的程控測試文件，完成程控自動(dòng)檢測流程，實(shí)現(xiàn)了資源共享。開發(fā)的檢測程序具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，檢測數(shù)據(jù)也可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享，該平臺(tái)具有一定的前瞻性和開拓性。參考文獻(xiàn)：[1]吳愛娟,商建東.基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)的研究.微計(jì)算機(jī)信息[J],2008.6-1.[2]明德祥,王躍科,楊?。惶走h(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室建立的軟件解決方案.電腦開發(fā)與應(yīng)用[J].2001，14(03):15－17,20[3]明德祥,王躍科,鄧黠等.基于園區(qū)網(wǎng)的傳感器振動(dòng)測試平臺(tái)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與技術(shù).計(jì)算機(jī)測量與控制[J].2002,(07):428-430,433[4]明德祥,王躍科,岳科峰.測試效勞器技術(shù)與研究.計(jì)算機(jī)測量與控制[J],2002,(11)：710-713[5]明德祥,王躍科,岳科峰.分布式網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的標(biāo)定效勞器技術(shù)與研究.計(jì)算機(jī)測量與控制[J],2003,(03)