虛擬儀器技術在柴油機故障診斷系統中的應用

關鍵詞：虛擬儀器 柴油機 故障診斷

1 引言

　　隨著科學技術的發展，現在計算機已成為故障診斷設備中不可或缺的支撐環境，我們可以利用其豐富的軟硬件資源提高數據采集的精度和數據的處理分析能力。傳統儀器中的數據處理、結果顯示等很多功能都可以由計算機軟件來實現，只要輔以相應的傳感器和數據采集設備，即可組成一套一般儀器所沒有的特殊功能的故障診斷系統。這就運用了方興未艾的虛擬儀器技術。

　　虛擬儀器（Virtual instrument）是計算機技術同儀器技術深層次結合產生的全新概念的儀器，是對傳統儀器概念的重大突破，是儀器領域內的一次革命。虛擬儀器是繼第一代儀器——模擬式儀表、第二代儀器——分立元件式儀表、第三代儀表——數字式儀表、第四代儀器——智能化儀器之后的新一代儀器。在NI公司首先提出這個概念之后，這項技術得到了迅速的發展和廣泛的應用，它給予用戶極大的自由度，可以根據自己的實際需要通過虛擬儀器的軟面板方便的構建實際系統。

　　本文中針對柴油機故障診斷系統的特點和需求，利用虛擬儀器的思想，在可視化編程環境中實現多功能儀器的軟面板，以及對數據分析處理和進行故障診斷的功能。

2 系統簡介

　　柴油機作為鐵路、礦山、冶金等行業普遍使用的動力設備，其工作狀況的好壞，直接影響著使用部門的生產能否正常運行。因此，對柴油機進行故障診斷和狀態檢測，確保其處于最佳工況，在提高使用安全性、降低污染和節約維修費用方面具有重要的意義。

　　為了對正在使用中的柴油機設備進行不解體的故障診斷和狀態監測，在這套系統中我們將所有設備均放置于一個箱體內，可以對柴油機的轉速、高壓油管壓力波、功率、供油提前角、上止點、缸表面溫度以及燃油消耗等進行測量。系統中上位機采用PALMAX便攜計算機，用于人機界面、數據分析和處理、波形顯示、磁盤操作和故障診斷。由于傳感器輸出端信號為非標準且包含干擾信號，必須經過調理電路板進行濾波、放大，轉換成0～5V，4～20mA的標準信號。下位機使用RZAD-2型筆記本專用并口數據采集器，它采用仿總線操作方式，工作時只需一根接于筆記本的并口電纜，使用簡便且易于擴展。采樣頻率通過對8253定時器編程實現，A/D轉換與數據讀入并行工作，不占用CPU時間，板上并具有32K數據緩沖區。其結構如圖1所示：

圖1 系統結構框圖

3 虛擬儀器軟件設計

　　3.1 軟件的整體框架

　　本系統的軟件主要通過Microsoft公司的Visual Basic（VB）開發而成，其整體框圖如圖2所示。VB是在Windows環境下的可視化開發工具，它簡單易行，具有良好的圖形用戶接口、支持面向對象的程序設計、結構化的事件驅動編程模式和對數據庫的方便操作功能。另外，VB可以直接使用第三方開發的控件和方便的調用動態鏈接庫（DLL）。利用VB的這些靈活性和通用性的特點使得開發過程變得簡單且可以設計出良好的人機界面。

　　軟件系統中主要由四個模塊組成，其中柴油機參數管理、檢測記錄管理和專家知識庫管理主要是對數據庫的操作，分別對相關的數據進行管理，在本文中就不作過多的闡述。柴油機檢測模塊是本系統的核心部分，下面著重對其數據采集部分和各部分參數檢測的軟面板的實現加以討論。

圖2 軟件結構框圖

　　3.2 數據采集系統

　　在VB中不能直接對數據采集卡進行操作，所以需要調用其動態鏈接庫中的API函數以實現數據采集功能。動態鏈接庫的編寫是通過VC++6.0完成的，基本結構如下：

　　int __stdcall CMycjk::Rzads1 （int Inichel,int Chelsum,int SampFreq,int SampleLen,int ＊SampleData） //動態鏈接庫入口

　　｛

　　int cheladd=0x84,cheldat=0x40,retval;

　　…

　　//初始參數設定

　　ini8253（SampFreq,Chelsum ）; //初始化8253定時器

　　…

　　retval=datread（）;//數據采集

　　…

　　return retval;

　　｝

　　void ini8253（int sampfreq,int chelsum） ｛…｝ //初始化8253的子程序

　　void outputdata（char outadd,char outdat） ｛…｝ //向數據采集卡寫數據子程序

　　int datread（） ｛…｝ //數據采集子程序

　　VB中通過調用這個動態鏈接庫中的API函數可以方便的對采樣頻率、采樣通道等數據進行設置，使用中需要在標準模塊中做如下聲明：

　　Public Declare Function Rzads1 Lib "c:\windows\system\myCJK.DLL" （ByVal nouse As Long, ByVal inichel As Long, ByVal chelsum As Long, ByVal fre As Long, ByVal samplen As Long, ByRef sampledata As Long） As Integer

　　然后VB就可以象調用函數一樣來進行數據采集工作：

　　Private Sub run（）

　　…

　　retPressure = Rzads1（0, 0, 2, 200, 19999, arrayBoth（0）） ‘數據采集

　　…

　　End Sub

　　采集到的數據保存在arrayBoth的數組當中，然后即可對其進行軟件濾波、顯示、特征提取和故障診斷等工作。

　　3.3 虛擬儀器軟面板的設計與實現

　　虛擬儀器的軟面板，顧名思義，就是通過軟件來完成原先儀器操作面板的功能，它是虛擬儀器的一個重要組成部分。用戶使用的過程就是通過鼠標或鍵盤來操作軟面板上的控件，此時相應的代碼開始運行，完成指定的動作。這樣就充分的利用了資源，對控件的不同組合就可以形成不同的儀器面板，體現了“軟件即儀器”的思想。

　　在設計的過程當中，我們采用了第三方的儀器儀表OCX控件，比如液晶顯示和示波器控件等。它們表現為可嵌入的界面對象，具有一定的屬性、事件和方法，編程時通過代碼與控件進行交互。以示波器控件為例，首先對它的屬性進行設置，使其在不同的要求下可以呈現不同的界面：

　　picPre.DataInit = 3 ‘數據通道設置

　　picPre.GraphType = 0 ‘顯示方式設置

　　然后只要將數據適時傳送給控件，即可對采集到的波形進行顯示：

　　picPre.DataValue（maxShow + 2 - 360 / disVel ＊ （avgZero - iBoth）, 0） = -360 / disVel ＊ （avgZero - iBoth）

　　picPre.DataValue（maxShow + 2 - 360 / disVel ＊ （avgZero - iBoth）, 1） = avgPre（iBoth） / maxPre ＊ 100

　　在實際運行過程中，對于柴油機高壓油管的油壓波形采集如圖3所示：

圖3 油壓波形采集界面

　　同樣的方法，可以組成對于其它信號采集界面，并且可以對波形進行存儲和回放，滿足了用戶使用和維護需要。通過對數據的處理和分析，可以進一步完成對于柴油機的故障診斷工作。

4 結束語

　　虛擬儀器技術作為今后儀器的一個發展方向，將儀器與計算機、DSP技術相結合，通過基本的硬件模塊組成系統，只要設計不同的軟件就可以實現不同儀器的功用。本系統采用了這種技術之后，使得其通用性和可擴展性都得到了提高，只要添加一些傳感器，在采集通道夠用的情況下，軟件中增加相應的模塊即可對柴油機的另外一些參數進行采集，大大方便了了用戶的使用。

參考文獻

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