基于LabVIEW的柴油机燃烧分析系统

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

第30卷第9期2013年 9月机 电 工 程Journal of Mechanical& Electrical EngineeringVo1．30 No．9Sep．2013DOI：10．3969／j．isn．1001—4551．2013．09．016基于 LabVIEW 的柴油机燃烧分析系统郭 霆，龚 嫂，周根明，聂垒鑫(江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212003)摘要：为了研究柴油机气缸内的工作过程，将现场可编程门阵列(FPGA)和可编程自动化控制器(PAC)技术运用到柴油机燃烧分析系统中，开发了一种基于嵌入式平台的柴油机燃烧分析系统。进行了总体方案的设计，阐述了系统的硬件设计和软件程序。该系统以LabVIEW 作为开发语言，采用工业以太网组建采集网络，能够满足柴油机缸压信号采集及分析所需要的各项要求。该系统通过对采集得到的缸压信号进行上止点确定、数值均化、光顺等处理后得到了示功图，同时通过编程实现了两种示功图之间的转换。

测试结果表明，该系统能够实时采集缸压信号并经计算处理得到示功图，也可以实现两种示功图之间的转化。测得示功图后 ，利用热力学的基本公式就可以求出工质的热力参数，从而可以为柴油机的故障诊断、性能优化等提供参考。

关键词 ：LabVIEW；现场可编程门阵列；柴油机；燃烧分析；可编程自动化控制器中图分类号：TH39；U664．121；TK422；TP273 文献标志码：A 文章编号：1001—4551(2o13)09—1101—05Diesel engine combustion analyzer based on LabVIEW GUO Ting，GONG Man，ZHOU Gen-ming，NIE Lei—xin(School of Energy and Power，Jiangsu University of Science and Technology，Zhe~iang 212003，China)Abstract：In order to research the working process of the cylinder，a diesel engine combustion analyzer was developed using the field pro-grammable gate array(FPGA)and programmable automation controler(PAC)blocks of LabVIEW，which is based on embedded platform．Ageneral planning was designed to elaborate the hardware design and software program．The LabVIEW was used as its development language，the industrial ethernet was used to send an d receive signals，and the demands to acquisition and analysis of cylinder pressure were satisfied.

Correction of TDC，data homogenization and smoothening of indicator diagram of the cylinder signals were researched，at the sanle time，thetransform ation between the two kinds of indicator diagram was discussed．Test results show that the system could collect real-time cylinderpressure，and the indicator diagram is obtained by computing the cylinder pressure signa1．With the indicator diagram and the therm al dy-nam ic fundamental form ulas，the therm al parameters of the working medium are obtained．The results provide the reference for the fault diag-nosis，performance optimization of diesel engine，etc．.

Key words：LabVIEW；field program mable gate array(FPGA)；diesel engine；combustion analyzer；programmable automation controller(PAC)O 引 言现代船舶中最重要的动力装置是柴油机，其在动力性和经济性方面具有独特的优势，因此，充分运用计算机和网络技术，开展对柴油机的监控技术研究有着极其重要的意义 。在柴油机的工作过程中，燃烧是个主要过程，对柴油机工作性能影响最大。燃烧过程的好坏直接影响热能转变为机械功的数量和效率。所以它对柴油机的功率指标、经济性指标、工作可靠性和使用寿命都有很重要的影响 。研究柴油机气缸内的工作过程，最常见且最简便的是分析示功图。示功图是气缸内工质压力随曲轴转角变化的图形，利用气收稿 日期 ：2013—05—02作者简介：郭 霆(1975一)，男 ，江苏镇江人，博士，讲师，主要从事热工、建筑、船舶测控技术方面的研究．E—mail：guotingg###21cn．corn· 1102· 机 电 工 程 第 30替缸压力可以求出工质温度、功和热量等热力参数，从而可以分析柴油机_丁作过程的优劣。虽然国外的分析系统技术较为成熟，功能强大，但价格昂贵，使用操作不方便，技术保密，维修困难。上世纪 80年代以后通过我国广大柴油机测试工作者们的努力创新，加快了国内相关分析系统开发研究的进度。如浙江大学的柴油机示功图测量处理系统、上海内燃机研究所的EAS900燃烧分析系统、大连海事大学研制的柴油机示功图自动测取装置等。与国外研究的燃烧分析仪相比，受传感器精度、微机内存、A／D转换速率等因素的制约，硬件水平无法与进口专用设备抗衡，但在应用软件开发上各有特点，功能j-与进口产品类似 ，能满足一般放热规律研究的需要 。

现在专用于船舶柴油机的示功器比较少，本研究针对某船用柴油机设计一套基于 FPGA及 PAC技术的燃烧分析系统，测得缸压和曲轴转角信号，经处理后得到示功图，同时对上止点的确定进行讨论。

1 系统组成燃烧分析系统主要由两部分构成：高速数据采集系统和软件。

1．1 高速数据采集系统数据采集系统主要 由缸内压力传感器 、电荷放大器 、编码器、数据采集卡及 PAC等组成，如图 1所示图 1 高速数据采集系统压力传感器采 压电式传感器，它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。电荷放大器将压电传感器输出的电荷信号转化为电压信号，该系统采用 YE．5851型电荷放大器，其具有体积小、结构坚固、高增益、频带宽，具有短路保护等优点。编码器用于测量同步脉冲信号和触发信号，为了测量方便，本研究选用光电编码器。数据采集卡采用 N1公司的 NI9205，其分辨率为 16位，最高采样率为250 kS／s。可编程 自动化控制器(PAC)结合了PLC与 Pc的优点。NI公 司生产的 PAC产f NI In c—tRIO(简称 CRIO)是一种可重复配置的嵌入式控制和采集系统，拥有坚固的硬件架构，其巾包含 l／模块 、带有可重新配置的现场可编程门阵列(FPGA)的机箱、实时控制器。利用 NI CompactRIO可以快速建嵌入式控制或采集系统，且该系统与 『1定义没汁的硬件电路的性能和优化性不相 。陔系统采川 NICRIO9081，其带有 8槽 Spartan一6 LX75 FPGA l}J【箱，1个 MXI—Express端口、4个 USB高速端 、2个 r兆以太网端口和2个用于连接和扩展的串行端口，足一个能承担高级处理任务的理想系统。

1．2 软件设计该系统采用 NI公司的LabVIEW2012作为开发软件。LabVIEW 与常见的编程语言相比，最大的特点就在于它是一种图形化编程语言，广泛应川于各个领域，尤其是在测试测量与控制方面，它是一个标准的数据采集和以期控制软件。

本研究通过 LabVIEW FPGA进仃数据采集， 电脑上编程 FPGA采集程序，编译下载到 FPGA芯片 卜，控制硬件逻辑实现对数字信号的采集、，传统的 FP( A编程需要专门的编程—T=具和编程语言， Nl的FP(jAT具包以LabVIEW作为基本开发环境，结合 Nl公的FPGA板卡，研究者可以像编写常规的 LabVIEW程序一样编写 FPGA程序，不需要更多的FPGA方而的专业知识 。

由于 FPGA运行的精确性，VI内不 线程之问和不同 VI之间通过 FIFO传递数据 比较容易， 足 RT与FPGA之问传递数据比较麻烦，这是冈为高速采集过程中 FPGA运行速度在“ s”其至“ns”的级刖，『『fRT系统一般在“ms”的级别，这种情况下，RT如果需要独缺全部数据，又不能出现数据夏失的情况，就必须采用 DMA FIFO方式传递数据。项 目巾创建的 FIFO如图 2所示。

冈此本研究采州 DMA FIFO 现 R r O¨ST之间的数据传输，并通过共享变铤方式实现 人机交百界面的数据传输。

2 示功图数据预处理示功图数据预处理包括上止点的确认、数值均化及光顺处理。

2．1 示功图上止点的确定活塞改变运动方向时的位置称为止点，距离 轴中心最远处的止点称为上止点。柴油机运动什之间

第 9期 郭 霆，等：基于 LabVIEW 的柴油机燃烧分析系统 ·1105·4．2 曲轴转角分度误差在该系统中，采用的编码器分辨率为 0．5。，即编码器每转0．5。，系统采集一个缸压信号，四冲程柴油机一个工作循环采集到 1 440个点，把各点相连就得到了压力曲线，但是两采集点之间的压力值是存在误差的，若提高编码器的精度则可以提高测量精度，但与此同时采样点数也会急剧增加，这也增加了系统的工作负荷。

4．3 数据处理精度由于受压力波的扰动及曲轴连杆运动的随机性等的影响会使所测得示功图曲线不是连续光滑的，为提高曲线光滑度，研究者常常采用对数据进行光顺处理，去除了一些奇异点，但是这些点中有些是燃烧过程的实际情况点，这在一定程度上带来了误差。

5 结束语本研究采用 FPGA和PAC技术，以LabVIEW作为编程语言，运用工业以太网组建采集网络，以NI公司的 PAC产品 cR109081作为控制和采集系统，开发了一 种基于嵌入式平台的柴油机燃烧分析系统，该系统性能稳定可靠，操作简单方便 ，可以对柴油机气缸工作过程进行实时的运行状态监测，同时具有显示及存储功能。

本研究还探讨了上止点确定、数值均化、光顺处理及两种示功图之间的转化等问题。研究结果表明，该系统可以实时采集与处理缸内压力数据得到示功图，从而可以为柴油机故障诊断、工作过程优化等提供支持。

参考文献(References)：[1] 贾 军 ，梁述海．基于 NI cRIO的柴油机转速控制的半实物仿真[J]．机电工程，2011，28(11)：1332．1335.

[2] 钱耀南．船舶柴油机[M]．大连：大连海事大学出版社，20O7.

[3] 毛宏雨．基于示功图的船用柴油机燃烧过程的研究[D].

大连：大连海事大学轮机工程学院，2010.

[4] NI公司．测量与自动化产品目录[M]．National Insmmems公司，2007.

[5] 陈树学．IabVIEW宝典[M]．北京：电子工业出版社，2011.

[6] 王 波．内燃机高速数据采集及处理的研究 [D]．洛阳：河南科技大学车辆与动力工程学院，2006.

[7] 李秋峰．内燃机燃烧分析测控系统开发[D]．天津：河北工业大学机械工程学院，2007.

[8] 黄宜谅 ，程 勇．用热力学方法确定直喷式柴油机上止点[C]．中国内燃机测试学术年会论文集 ，1986.

[9] 何学良，李疏松．内燃机燃烧学[M]．北京：机械工业出版杜 ，1990.

[10] 李敏秋．船用柴油机示功图数据采集与燃烧分析系统的研究[D]．大连：大连海事大学轮机工程学院，2011.

[编辑：洪炜娜](上接第1062页)[10] 黄逊彬 ，何 宁，李 亮，等．氧化锆陶瓷微细铣削工艺参数实验研究[J]．工具技术 ，2011，45(12)：31．34.

[1 1] KASAI T，HARIO K，KARAKI D T．Improvement conven—tional polishing conditions for obtain super smooth surface ofcompound semiconductor wafers[J]．Annals of CIliP，1990，39(1)：432-437.

[12] XING T，YUAN J L，u W，et a1．Study on the surfacequality of LiNbO3 wafer by CMP[J]．Key EngineeringMaterials，2003(259-260)：644—647.

[13] 刘冬梅 ，林 奎．新型药品研磨机的结构设计 [J]．机电[14][15][16]技术 ，2012(2)：91-93.

YUAN J L，LIN B，SHEN Z W ，et a1．New ultra—precisionpolishing technology of glass BK-7 optical plate[J]．KeyEngineering Materials，2001(202-203)：235—238.

KOMANDURI R，LUCCA D A，TAN I Y，et a1．Teehnolo—gy advances in fine abrasive processes[J]．Anals of theCIRP，1997，46(2)：545-596.

K0MANDURI R．On material removal mechanisms in fin.

ishing of advanced ceramics and glasses[J]．Annals ofCIRP，1996，45(1)：509-513.

[编辑：张 翔]