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软件设计与实施监测和诊断柴油机系统

摘要 - 本文旨在设计一种能够为柴油机状况监测和诊断系统服务的数据采集和显示软件。 系统采用Client / Sever结构，其下层是数据采集系统，上层是PC软件。 PC软件支持与收集软件的人机交互和以太网通信。 还可以从数据采集模块分析压力数据信号，并进行数据存储。 此外，软件实现压力数据计算和数据显示的功能，满足柴油机监控和故障诊断的需求。

关键词：柴油机；数据采集；软件设计；状况监测；故障诊断

1. 介绍

柴油机作为船舶的主要动力，直接影响到船舶的航行状态。因此，进行状态检测和故障诊断是非常重要的，可确保其在最佳状态下运行^[1]。近年来，工业发达国家采用数字化方式开发监测和故障诊断设备，如PMI系统，可对柴油机进行实时监测^[2]。监测系统根据状态参数的变化预测柴油发动机的未来运行状况^[3]。随着计算机技术的发展，特别是网络技术的发展，船上监控系统的应用，特别是现场自动化的应用越来越受欢迎^[4]。

目前，还有少数的工厂致力于数字柴油机监控和诊断系统的开发，许多技术在中国仍然是空白的^[5]。为了满足监测柴油机的需要，本文系统设计采用CIS模型，数据通过以太网传输。 数据采集系统作为依赖于NI-RIO硬件平台的服务器与柴油机传感器相连。客户端部分包含基于VC 的PC软件的设计，用于数据接收^[7]。然后对数据进行计算和分析，以显示指标图，最后将数据存储到数据库中。本文显示了计算的压力信号数据的收集，以验证监控过程的可靠性，以及柴油机监控和诊断功能得到满足。

1. 系统结构

该软件系统基于CIS（客户端I服务器）模型，其中包括两部分：作为服务器的数据采集系统通过传感器从柴油机收集数据，并通过TCPIIP协议将数据传输到PC软件；作为客户端的PC软件向数据采集系统发送订单并接收数据，也可以完成数据显示，分析和故障诊断。 图1是柴油机监控系统的结构图。

图1 柴油机监控系统结构

1. 数据采集系统简介

数据采集系统的功能包括数据采集和数据传输两部分。 柴油发动机的数据采集由传感器测量，并且收集柴油机的压力和转速数据。 作为服务器端的系统将收集的数据发送到PC系统。 数据采集系统使用传感器来测量柴油机的压力和转速。此外，数据采集系统将收集的数据发送到作为服务器的PC软件。

数据采集系统的硬件由L-CUR-C iobox多通道数据采集和记录设备组成，ioBox基于NI-RIO平台设计定制，包括数据采集设备接线盒，1个RIO sbRIO-9626核心单板 和2个NI 9203电流信号采集模块。 整个采集系统的主要设备采集气缸压力（包括气压，4-20mA）、齿轮脉冲信号（24V）和曲柄角脉冲信号（24V）的速度。 设备与传感器连接，通过LEMO线实现数据采集，PC软件通过LAN接口实现数据输出。作为服务器的数据采集系统软件由LabVIEW设计，具有发送、接收和断开功能。

1. PC系统功能结构

PC系统功能框图如图2所示，主要包括以下功能：

图2 软件功能框图

1. 参数设定

在数据传输之前，将设置通信参数，包括齿数，传输圆数和角度设置。 此外，系统还需要设置孔径、行程和链接比率，以便数据处理和显示。

1. 参数设置功能

数据通信功能是PC系统的基本功能。 数据采集系统使用TCP / IP协议向PC系统发送数据。 为了确保数据传输的准确性，PC系统必须同时连接数据采集系统的三个默认端口，并且解决发送命令和接收数据的格式。

1. 数据显示功能

数据显示功能主要体现柴油机压力指示图。 包括P-T图，P-V图和平衡直方图的三种不同模式直接显示了柴油机的运行状况。 P-T图为气缸压力和曲轴角图，P-V图为气缸压力和相对体积图。 这两个图可以通过相对方程式传递。 直方图的平衡是通过数据计算来反映指示的平均压力、最大压力和指示的工作。

1. 故障分析功能

系统根据指标图判断柴油机的故障形式，以达到诊断效果。基于指标图的故障分析是比较和找出测试图与正常图之间的差异，并判断柴油机的工作过程和偏差原因。将进行必要的调整，使柴油机运行状况良好。

1. 数据存储功能

数据存储功能包括数据库存储和文件存储。实时接收数据后，系统可以将数据中的实时数据与接收数据格式的数据表进行存储。此外，数据存储可以通过文件存储来实现，文件存储可以适应特定格式作为存储在文本文件中的历史数据。

1. PC软件的设计与实现
2. 主程序流程设计

当PC系统与数据采集系统连接时，整个系统将处于工作模式。首先，系统将进入参数设置。之后，软件将使用套接字进行数据通信。在数据通信完成后，数据将被存储，然后显示和计算数据。最后，将测试图与正常图进行比较，如有必要，分析故障原因。 图3是该软件的主程序流程图。

图3 软件主程序流程图

1. 数据通信流设计

PC软件向采集系统发送订单作为客户端，以便接收数据。 结合数据采集系统服务器端的设计，PC软件需要从三个端口接收数据。 数据通信具有步骤和精度依赖性，因此异步套接字用于数据通信^[7]。 基于PC系统的非阻塞的异步套接字包括端口连接、订单发送、数据接收等。软件将添加网络消息来响应这些网络事件，并且事件将导致线程。图4是软件数据通信流程图。

图4 软件数据通信流程图

1. 数据显示过程设计

每次接收数据时，必须通过多周期平均和平滑处理。 多周期平均法可以有效降低随机误差对计算结果的影响。 考虑到整个系统的特点和指标图，软件将设置0.5度CA作为角度精度，并收集10轮7200个数据进行平均处理，以完成整个周期的指示图。 平滑滤波器根据气缸压力数据的等距特性使用五点三种方法处理。

数据处理后，软件将介绍Tee Chart控件显示数据。 在将数据引导到初始化功能后，软件将创建CSeris类对象和数组数据，因为X，Y轴的数据被提供给对象进行翻译。 图5显示了数据显示流程图。

1. 异步套接字数据接收实现

软件启动后，PC可以根据软件的主流进行操作。 如果采集系统向PC软件发送数据并成功，软件将通过线程的消息读取数据，接收数据的密钥代码如下：

图5 软件数据显示流程图

1. 数据结构设计

收到数据后，软件将解析数据并将其存储到结构的阵列中。 结构的定义如下：

由于来自采集系统的数据是根据采样数据设置的，所以阵列的存储器是动态分配的传输数据。

1. 数据库结构设计

PC软件使用MySQL设计数据库，数据表格式符合数据采集系统。 所有数据的十进制精度为6，测量时间用于消除数据复制和生成数据，因此整数长度设置为10，大于设置为5的其他数据。数据表格式显示在表1。

当软件连接到数据库时，SQL语句通过API按顺序存储以操作数据库^[8]。 在数据采集一周期后，软件可以将数据作为CStdiofile类的历史数据存储到文本文件中，然后将要上传的文本文档作为测试数据选择到数据库。 数据库存储的代码如下：

表1 收购资料表

1. 数据显示实现

导入阵列数据时，单击主界面中的按钮可以显示指示图。 软件将在On Initial Update功能中进行处理和绘图操作。 数据显示的关键码如下：

H、模拟结果

PC软件通过电缆与数据采集设备连接。 当用户启用软件时，软件的主界面如图6所示。之后，用户输入IP地址连接到指定的服务器，然后设置通讯设置参数。 最后点击“开始收集”按钮，收到的原始数据将显示在列表框的主界面中，如图7所示。

最近的数据将被自动保存到数据库中。 如果用户需要，可以将数据保存到PC中，并且可以在软件中打开，然后将其更新为数据库作为要分析的数据。 在执行数据计算和分析之后，Tee Chart的P-T和PV图如图8和图9所示

图6 软件主界面图

图7 原始数据表

P-T曲线图

图8 P-V曲线图

1. 结论

本文设计了基于VC 的PC系统软件，符合柴油机监控诊断系统的功能。 该软件从数据采集系统接收数据，通过处理压力数据提供指示图，以达到故障分析和预警的效果。 当软件与ioBox连接时，可以确定通过以太网接收数据和订单，数据库和指示灯可以按照指定的顺序进行操作，证明软件可以满足设计要求。

致谢

感谢上海新星计划（15QB1400800）

参考文献

[1] Shi Lingdan, Ma Xiuzhen, 'The design and research of integrated test and intelligent fault diagnosis system for diesel engine based on virtual instrument technology', Harbin Engineering University, pp.6-9, March 200S.

[2] Zhou Xingli, Zhuo Bin, 'Intelligent diagnostic study of electronic control diesel engine', Shanghai Jiao Tong University, pp.7-S, April 200S

[3] N. B. Jones, Li Yuhua, 'A review of condition monitoring and fault diagnosis for diesel enginess', Tribotest, vol. 6, pp.267-291, March 2000

[4] Qian Yangjun, Song Enzhe, 'Diesel engine digital control system monitoring software', Journal of Harbin Engineering University, vol. 23, pp.9S-101, August 2002

[5] Yu Yonghua, Chen Jie, Yang Jianguo, 'Development of On-line Power Balance Monitoring and Diagnosis System for Marine Diesel Engines', Navigation of China, vo1.36, pp.47-51, Decmber 2013,

[6] Zhang Kehan, Zhang Huhe, 'VC environment monitoring software design of motor state', Measurement and Control Technology, vol.31, pp.23-26, June 2012

[7] W. Richard Stevens, 'TCP/IP Illustrated', America:Addison-Wesley Professional, 1993

[8] L Hordon, 'Beginning Visual C 2012', America:Wi1ey, 2012

第二篇翻译

蒸汽涡轮机的组件和系统

概要

蒸汽轮机基本上由固定在内部壳体上的固定叶片和在外围承载活动叶片的转子组成。转子安装在壳体内，活动叶片穿在固定叶片之间。因此，流经涡轮的蒸汽交替地通过固定和移动的叶片，固定叶片以直角引导蒸汽进入动叶片。构造的壳体和转子必须尽量减少损伤性热应力，并且必须将活动叶片牢固地安装到转子上以承受高的离心力。

当转子的轴穿过壳体的端部时，需要密封来防止蒸汽泄漏。同样在套管内，需要密封件以防止蒸汽在叶片周围泄漏。涡轮密封是迷宫型，在固定和旋转部件之间不存在机械接触。因此泄漏并没有真正消除，而只是控制在最小限度。

转子的轴承载在轴承上并连接到发电机上。轴承必须精确对齐，以适应轴的自然重力弯曲。在热瞬变期间，还必须对转子和壳体之间的差动扩张进行补偿。两者都必须自由地扩张，而不会使对准发生歪曲，同时允许转子更快地膨胀并且比套管更大程度地膨胀。轴承需要润滑，由替代电源驱动的多个泵可在所有操作环境下确保充分的润滑。

1.涡轮汽缸配置

1.1．介绍

如前一篇文章所述，大型涡轮机由连接在一起并驱动单个发电机的多个气缸组成。典型的单元可以具有高压缸、中压缸和两个或三个低压缸。这些设计用于适应随着其膨胀到低于大气压的蒸汽的比例增加。

还通过再加热和提取用于给水加热的膨胀蒸汽部分来提高蒸汽质量。蒸汽条件，特别是温度，受材料性质的限制，而压力通常由蒸汽供应系统决定。

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