船舶发动机试验台测控系统开发

发布时间：2020-10-19 11:11

　　 国际海事组织规定在2016年1月1日之后建造的船舶在氮氧化物排放控制区内行驶必须满足Tier III的排放标准,因此对新生产的发动机需要在保持良好动力性与经济性的基础上进一步降低排放。试验台架作为发动机各系统或零部件开发与验证测试平台,与之配套的测控系统可以进行检测、分析和控制其各性能参数,为检测、评估和优化设计提供研究平台条件。国内的发动机测试技术起步较晚,与国外已经成熟的测试技术还存在很大差距,开展船舶发动机试验台测控系统的研制,有助于推动我国研发更高水平的船舶发动机技术,具有一定的理论研究意义与工程应用价值。本文以船舶发动机为研究对象,首先对船舶发动机各主要系统的关键参数进行需求分析;再根据目标测量参数点以及运行环境来确定测控系统的硬件选型设计,并开发发动机试验台的测控系统软件程序;最后在实机环境下开展测控系统的试验验证。论文主要研究内容与成果如下:(1)结合对船舶发动机各主要系统的结构和工作原理分析,确定发动机所需测量的关键参数点以及测量范围,参考测量的信号列表以及发动机的工作环境,从测控系统运行的稳定性、功能性、拓展性、兼容性和经济性等方面综合考虑,完成了测控系统的硬件选型设计。(2)分析船舶发动机测控系统的功能需求和测量精度要求,完成测控系统整体的软件架构设计;依据程序的执行流程,自下而上地开展测控系统的软件开发。所开发的测控系统具有两种可实时切换的采集机制、实时显示和信号滤波等功能,并预置了测量仪器广泛使用的VISA接口和CAN通讯接口,使程序有较强的拓展性,能满足不同条件下的测试需求。(3)开发了测控系统的数据读取程序。通过对存储数据时加入时间标识,采用数据流盘的方式后,能轻松的定位到特定时间段的数据且不会造成短时间内数据量太大而导致内存溢出的错误,对齐数据文件至硬盘扇区能加快数据的读取速度。(4)采用TCP/IP、UDP协议、DataSocket通信与Web网络发布程序等方式,完成对测量数据的远程传输以及程序的远程操控,实现在异地也能实时监测发动机现场试验的数据。(5)采用通过递进式的试验方式,验证了测控系统采集信号完整不丢失,并可以保证采集的精度;验证了优化后的数据读取程序,可以成功的实现回放和分析存储的大容量数据;验证了使用Web发布程序能实现多台客户端对服务器上的程序进行远程监测与控制。最后在ACD320DF双燃料发动机上进行了实机测试,在测控系统的界面上可监测发动机运行的异常点,作为修改发动机控制器执行参数的依据。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U664.1
【部分图文】：

各个重要的参数型号、实时监测，并对数据进行科学的处理分析，最后通过的方式直观的显示发动机的各项性能参数，对于发动机的研发而言，不仅提效率，还能指明某方面的不足，具有十分重要的意义。奥地利 AVL 公司的 AVLTESTGATE1 组成如图 1-1 所示，试验台操作员从 AVLLYNX、AVLPUMA 试验台（PUMA5.5，PUMA5.6x 和 PUMAOpen及第三方试验台中检索数据，以获得一个或多个试验台实际试验的详细状览[7]。AVLTESTGATE1 完全集成到测试场地的安全系统中，系统内还包含DS 浏览器，显示 ASAM ODS 数据库中的结果数据。通过该系统用户可以在时间点查看测试台的实际状态，加载的参数和当前在测试台上获取的数量值试设施内所有的测试平台的数据都以图表方式清晰的显示，以及 ASAM O据库中的结果数据，可以导航到频道并预览测量数据。还可以通过互联网和浏览器从办公室中或从任何其他可以访问互联网的位置获得整个测试设备态概览，安全的访问测试台。此外，AVL TESTGATE 1 还可以直接集成到的 AVL SANTORIN HOST 系统中，且易于定制，无需任何 HTML 编程知识提供了其他的功能，如超链接、文件和搜索功能。

为人熟知德国的 FEV 公司的 MIO 有着强大的全集成的试验台采集系统，有高性能，自主和可靠的采集模块，满足发动机试验台所需的各种 I/O 信中包含有信号模拟和数字输入和输出，热电偶，电阻和压力等范围内的核心[8]。整个试验台采集系统如图 1-2 所示，在 MIO 上使用了 EtherCAT 通信标准个采集模块被视为通讯总线上的独立从站，而 MORPHEE 则是主站。因此维护过程中对模块进行独立诊断和处理中，不需要重新配置整个系统，采集制性能得到优化。 EtherCAT 是工业自动化的以太网解决方案，提供卓越的，同时使用非常简单。主总线不需要额外的扩展板，并可以很容易地在任何网适配器上实现。EtherCAT 通信特别适用于使用远程 I / O 的控制命令系如发动机测试台。

CAN通信模块图 2-1 测控系统硬件布局图2.2 采集模块的硬件选型确定选用何种采集设备中最重要的部分是分析采集信号的需求，还要考虑到采集模块需要一定的抗干扰能力和拓展能力，保证测控系统运行的稳定性。根据 2.1 节的分析，采集模块的主体部分决定选择的是 NI 公司的CompactRIO 硬件平台。CompactRIO 控制器是一款高性能嵌入式控制器，在坚固紧凑的无风扇外壳中结合了Intel和ARM的最新处理器、Xilinx高性能FPGA、具有测量专用信号调理的高精度工业 I/O 模块，小巧而坚固[19]。其控制器具有两个处理终端：（1）实时处理器（RT），用于通信和信号处理；（2）用户可编程的FPGA，用于在硬件上直接实现高速控制和自定义定时和触发。通过工业标准的认证，并具备集成式视觉、运动、工业通信和人机界面(HMI)功能。CompactRIO的硬件实物如图 2-2 所示。
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