柴油机故障智能诊断系统简介.ppt

JIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTE二、二、现代柴油机现代柴油机的性能参数监测方法的性能参数监测方法u现代柴油机性能参数现代柴油机性能参数监测对象监测对象：增压器运行性能、活塞环工作状态、气缸润增压器运行性能、活塞环工作状态、气缸润滑和磨损监测、气缸燃烧品质和气缸热负荷监控、喷射系统监控、排气监控。滑和磨损监测、气缸燃烧品质和气缸热负荷监控、喷射系统监控、排气监控。1)活塞环工作状态检测活塞环工作状态检测：采用：采用安装在缸套表面的磁电式传感器安装在缸套表面的磁电式传感器进行连续监侧进行连续监侧活活塞环工作状态塞环工作状态的变化，判断卡环、断环；如：的变化，判断卡环、断环；如：MAN公司公司SIPWA-TP装置。装置。2)气缸润滑和磨损监测气缸润滑和磨损监测：在：在气缸表面安装气缸表面安装热电偶热电偶，用于连续监测，用于连续监测活塞环通过时活塞环通过时引起的温度变化引起的温度变化，如因，如因断油高温引起的温度脉冲值升高断油高温引起的温度脉冲值升高。3)气缸燃烧品质气缸燃烧品质：通过使用装于示功器：通过使用装于示功器电阻应变式传感器或压电石英式传感器电阻应变式传感器或压电石英式传感器和装于自由端的曲轴转角传感器和装于自由端的曲轴转角传感器测取测取P-曲柄转角图曲柄转角图进行分析；进行分析；4)气缸热负荷监测气缸热负荷监测：通过通过安装在气缸盖上的热电偶安装在气缸盖上的热电偶连续测量温度的变化连续测量温度的变化。5)喷射系统监控：喷射系统监控：通过使用通过使用电阻应变式传感器或压电石英式传感器电阻应变式传感器或压电石英式传感器测取高压油测取高压油泵泵泵油时的压力波及喷油器的喷射压力泵油时的压力波及喷油器的喷射压力进行监控。进行监控。Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTE 对于船舶柴油机故障监测与诊断的方法是多种多样的，对于船舶柴油机故障监测与诊断的方法是多种多样的，传统的方法主要有传统的方法主要有振动法、热力参数分析法、油液分析振动法、热力参数分析法、油液分析法、压力波分析法、瞬时转速法、温度分布法及红外测法、压力波分析法、瞬时转速法、温度分布法及红外测温法温法等，但最常用的是等，但最常用的是热力参数分析法、油液分析法和热力参数分析法、油液分析法和振动分析法。振动分析法。主要分为如下几种：主要分为如下几种：u热力参数分析法热力参数分析法u油液分析法油液分析法u振动分析法振动分析法 二、传统的故障诊断技术二、传统的故障诊断技术Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTE 随着现代随着现代科学技术的发展及自动化程度科学技术的发展及自动化程度的提高，柴油机故的提高，柴油机故障诊断技术也经历着障诊断技术也经历着重大的变化重大的变化。检修方式也从最开始的。检修方式也从最开始的事事后维修后维修发展到发展到定时检测定时检测，到现代基于故障诊断技术的到现代基于故障诊断技术的视情维视情维修修。其传统的诊断方法日益显现出不足和弊端，于是产生和。其传统的诊断方法日益显现出不足和弊端，于是产生和发展了许多发展了许多故障诊断的现代方法故障诊断的现代方法。u基于基于专家系统专家系统的智能化诊断方法的智能化诊断方法u基于基于神经网络神经网络的诊断方法的诊断方法u基于基于灰色系统理论灰色系统理论的诊断方法的诊断方法 u基于基于信号处理技术信号处理技术的诊断方法的诊断方法 u基于基于混合系统混合系统的智能诊断方法的智能诊断方法 二、现代的故障诊断技术二、现代的故障诊断技术Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTE网络化的故障诊断技术：网络化的故障诊断技术：网络化是网络化是21 世纪故障诊断技术的发展方向世纪故障诊断技术的发展方向，随着，随着计算机网络技术的发展及通讯技术的进步计算机网络技术的发展及通讯技术的进步，利用各种通讯手段将多个故障诊，利用各种通讯手段将多个故障诊断系统联系起来，实现资源共享，可提高诊断的质量和精度。断系统联系起来，实现资源共享，可提高诊断的质量和精度。u优点：优点：将故障诊断系统与数据采集系统结合起来组成网络，有利于对主机将故障诊断系统与数据采集系统结合起来组成网络，有利于对主机的管理，减少设备的投资，提高设备的利用率，必要时可与企业的的管理，减少设备的投资，提高设备的利用率，必要时可与企业的MIS 系统系统相联结，促进管理的一体化、现代化。相联结，促进管理的一体化、现代化。u典型系统：典型系统：上海船舶运输科学研究所研制的上海船舶运输科学研究所研制的“船舶集成平台管理系统船舶集成平台管理系统(IPMS)”即为网络化故障诊断的平台系统即为网络化故障诊断的平台系统。1）能够做到故障的）能够做到故障的智能化诊断、智能化诊断、提前发现故障并及时诊断故障原因提前发现故障并及时诊断故障原因，这将使监测技术发生质的变化，有效避，这将使监测技术发生质的变化，有效避免事故的发生。在船舶信息集成的基础上；免事故的发生。在船舶信息集成的基础上；2）船岸连接还能够使岸上人员协船岸连接还能够使岸上人员协助船上人员实现对船舶的实时动态监听、调试助船上人员实现对船舶的实时动态监听、调试,诊断及维护诊断及维护；3）利用）利用远程故远程故障诊断中心的人类专家或专家系统软件障诊断中心的人类专家或专家系统软件作出作出故障判断和排除对策故障判断和排除对策，有效地提，有效地提高船舶的航行的安全性高船舶的航行的安全性。三、柴油机故障诊断技术的发展方向三、柴油机故障诊断技术的发展方向Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEu专家系统专家系统是指利用是指利用研究领域专家研究领域专家的的专业知识专业知识进行进行推理推理去解决专业的去解决专业的高难高难度度的实际问题的智能系统。的实际问题的智能系统。u主要特点：主要特点：故障诊断专家系统故障诊断专家系统作为专家系统中的一个分支，是人们根据作为专家系统中的一个分支，是人们根据长期的长期的实践经验和大量的故障信息知识实践经验和大量的故障信息知识，设计出的，设计出的一种智能计算机程序系一种智能计算机程序系统统，以解决难以用，以解决难以用数学模型数学模型来精确描述的系统故障诊断问题。来精确描述的系统故障诊断问题。u组成：组成：专家系统的专家系统的核心核心主要包括以下几部分主要包括以下几部分:知识库、知识获取部分、推知识库、知识获取部分、推理机、解释部分理机、解释部分。在知识表达方面在知识表达方面,大多数诊断型专家系统都是以大多数诊断型专家系统都是以产生式规产生式规则和框架则和框架进行知识表达；进行知识表达；在诊断推理方面在诊断推理方面，着重于对，着重于对推理逻辑和推理模型推理逻辑和推理模型的研究上。的研究上。模糊逻辑模糊逻辑作为一种降低系统复杂性的方法近期在专家系统的推作为一种降低系统复杂性的方法近期在专家系统的推理逻辑中得到了理逻辑中得到了广泛的应用广泛的应用，CAPA人工判断专家系统人工判断专家系统便是一种基于专家系便是一种基于专家系统的故障诊断系统统的故障诊断系统。基于基于专家系统专家系统的智能化诊断方法的智能化诊断方法Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTE神经网络结构图神经网络结构图u一个典型神经元模型由输入层、网络权值和阈值、求和单元、传递函一个典型神经元模型由输入层、网络权值和阈值、求和单元、传递函数和输出组成。数和输出组成。u网络权值网络权值表示输入与神经元间的表示输入与神经元间的连接强度连接强度；阈值阈值为神经元的为神经元的变化范围变化范围；求和单元求和单元是对输入信号的是对输入信号的加权求和加权求和。W1Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEu 工作原理：工作原理：基于神经网络的故障诊断技术，就是通过基于神经网络的故障诊断技术，就是通过对故对故障实例和诊断经验障实例和诊断经验的训练学习，用分布在的训练学习，用分布在网络内部的连接网络内部的连接权值权值来表达所学习的故障诊断知识的技术来表达所学习的故障诊断知识的技术,它具有对故障模它具有对故障模式的联想记忆、模式匹配和相似归纳能力，从而实现故障式的联想记忆、模式匹配和相似归纳能力，从而实现故障与与征兆之间复杂的非线性映射关系征兆之间复杂的非线性映射关系。u目前，神经网络在柴油机故障诊断中的运用主要有：神经目前，神经网络在柴油机故障诊断中的运用主要有：神经网络直接用于故障诊断。挑选网络直接用于故障诊断。挑选关键参数关键参数作为作为输入层输入层，故障故障参数参数作为作为输出层输出层，利用，利用典型样本学习所得权值典型样本学习所得权值进行模式识进行模式识别。别。基于基于神经网络神经网络的诊断方法的诊断方法Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEu灰色系统理论灰色系统理论是是1982 年由年由华中理工大学学者邓聚龙教授华中理工大学学者邓聚龙教授创立并创立并发展起来的，以其新颖的思路和广泛的适用性在理论与工程界引发展起来的，以其新颖的思路和广泛的适用性在理论与工程界引起广泛的注意，并迅速在社会、经济及工程等许多领域获得广泛起广泛的注意，并迅速在社会、经济及工程等许多领域获得广泛应用。应用。u工作原理工作原理：灰色理论用于船舶柴油机故障诊断的原理灰色理论用于船舶柴油机故障诊断的原理:把把柴油机柴油机系统看成是一个复杂的灰色系统系统看成是一个复杂的灰色系统，利用，利用存在的已知信息存在的已知信息去推知含去推知含有有故障模式的不可知信息的特性、状态和发展趋势故障模式的不可知信息的特性、状态和发展趋势，对未来的发，对未来的发展做出展做出预测和决策预测和决策，其过程即是一个，其过程即是一个灰色过程的白化过程灰色过程的白化过程。u组成：组成：灰色理论在故障诊断中的应用包括灰色理论在故障诊断中的应用包括灰色系统建模、关联灰色系统建模、关联度分析、灰色模型预测度分析、灰色模型预测等。等。u优点：优点：利用灰色系统可以实现利用灰色系统可以实现故障的预测故障的预测，其，其准确率高准确率高，计算计算量小，易于微机实现量小，易于微机实现。基于灰色系统理论的诊断方法基于灰色系统理论的诊断方法Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEu 传统诊断方法存在的不足：传统的基于检测数据处理的诊断方法是传统诊断方法存在的不足：传统的基于检测数据处理的诊断方法是通过通过检测信号检测信号的处理来实现的处理来实现船舶工况监视与故障诊断船舶工况监视与故障诊断的，但当的，但当故障类型比较复杂故障类型比较复杂时，为了能把故障比较细致地区分出来，系统显得无能为力。时，为了能把故障比较细致地区分出来，系统显得无能为力。u人工智能技术为核心的智能化诊断：人工智能技术为核心的智能化诊断：以以专家系统，人工神经网络、模糊逻专家系统，人工神经网络、模糊逻辑、进化算法辑、进化算法为代表的人工智能技术代表了一种新的方法体系为代表的人工智能技术代表了一种新的方法体系,它的应用为它的应用为解决船舶解决船舶故障诊断问题开辟了一条新的途径故障诊断问题开辟了一条新的途径。尤其。尤其船舶结构复杂船舶结构复杂，导致故障，导致故障原因种类繁多，原因种类繁多，该领域专家缺乏，应用专家系统，可以直接到知识库中搜索该领域专家缺乏，应用专家系统，可以直接到知识库中搜索专家经验，凭借专家知识很快找到故障源专家经验，凭借专家知识很快找到故障源;应用应用人工神经网络人工神经网络,可以训练网络可以训练网络从定量的历史故障信息中进行学习从定量的历史故障信息中进行学习,训练过的网络就具备了分辨故障原因与训练过的网络就具备了分辨故障原因与故障类型的能力。故障类型的能力。随着船舶的日益现代化随着船舶的日益现代化,基于人工智能的诊断将是船舶故基于人工智能的诊断将是船舶故障诊断的发展方向障诊断的发展方向。以人工智能技术为核心的智能化诊断以人工智能技术为核心的智能化诊断Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEu船舶系统是一个相当复杂的系统，对于船舶故障诊断来说，船舶系统是一个相当复杂的系统，对于船舶故障诊断来说，采用基于采用基于知识的诊断方法，知识库是非常庞大的知识的诊断方法，知识库是非常庞大的，这已经成，这已经成为阻碍船舶故障诊断技术发展的为阻碍船舶故障诊断技术发展的障碍性问题障碍性问题。u因此，我们可以借鉴数据库中关于因此，我们可以借鉴数据库中关于信息存储、共享、并发控信息存储、共享、并发控制和故障恢复的技术制和故障恢复的技术,为吾所用，改善诊断系统的性能。如为吾所用，改善诊断系统的性能。如:数据库的基本范例数据库的基本范例(输人、检索、更新等输人、检索、更新等)可作为新的知识可作为新的知识库范例，库范例，数据库的基本目标数据库的基本目标(共享性、独立性、分布性共享性、独立性、分布性)可可作为新的知识库基本目标，作为新的知识库基本目标，数据库的三级表示与设计方法数据库的三级表示与设计方法可可用作新知识库的设计方法。船舶诊断技术的进一步发展和应用作新知识库的设计方法。船舶诊断技术的进一步发展和应用越来越表明，用越来越表明，结合数据库技术可以克服其自身不可跨越的结合数据库技术可以克服其自身不可跨越的障碍障碍,这将成为船舶故障诊断这样复杂系统成功的关键这将成为船舶故障诊断这样复杂系统成功的关键。以数据库技术与船舶诊断技术的结合故障诊断系统以数据库技术与船舶诊断技术的结合故障诊断系统Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEu热力参数分析法是利用船舶热力参数分析法是利用船舶柴油机工作时热力参数的变化来判断柴油机工作时热力参数的变化来判断其工作状态其工作状态的，这些参数包括的，这些参数包括气缸压力示功图气缸压力示功图、排气温度、转速、排气温度、转速、滑油温度、冷却水进出口温度及排放滑油温度、冷却水进出口温度及排放等。等。u热力参数分析法着重对热力参数分析法着重对柴油机性能好坏做出判断柴油机性能好坏做出判断，在这些参数中，在这些参数中,示功图示功图包含的信息量最多：包含的信息量最多：1）根据示功图可以计算）根据示功图可以计算指示功、压力指示功、压力升高率和压缩压力升高率和压缩压力；2）可以）可以判断燃烧质量的好坏及各缸功率是否判断燃烧质量的好坏及各缸功率是否平衡平衡。但示功图的测量难度大，特别是。但示功图的测量难度大，特别是压力传感器的寿命及可靠性压力传感器的寿命及可靠性是利用示功图诊断其是利用示功图诊断其性能的主要问题性能的主要问题。u主要开发了船舶柴油机性能诊断系统主要开发了船舶柴油机性能诊断系统,有挪威有挪威KYMA 公司研制的公司研制的“Marine Performance Monitoring”。我国天津大学、。我国天津大学、上海内燃机上海内燃机研究所研究所等单位开展了利用等单位开展了利用柴油机示功图判断其柴油机性能与状态柴油机示功图判断其柴油机性能与状态。热力参数分析法热力参数分析法Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEu综合利用综合利用油品化验、铁谱分析、含铁量检查油品化验、铁谱分析、含铁量检查，通过对润滑油中，通过对润滑油中磨粒浓度、磨磨粒浓度、磨粒形状及大小的变化、油质的变化、含铁量的变化粒形状及大小的变化、油质的变化、含铁量的变化进行整体磨损状态分析进行整体磨损状态分析,来来判断柴油机的判断柴油机的磨损状态及故障状态磨损状态及故障状态。u油液分析主要分为两大类油液分析主要分为两大类:一类是一类是油液本身物理化学性能油液本身物理化学性能的分析；另一类是的分析；另一类是油液中油液中不洁物质的分析技术不洁物质的分析技术，包括，包括铁谱分析、光谱分析和颗粒计数法铁谱分析、光谱分析和颗粒计数法等。等。u油液分析的优缺点油液分析的优缺点：优点：优点：油液分析提取信息十分方便，可以避免声振技术油液分析提取信息十分方便，可以避免声振技术存在的存在的频谱干扰频谱干扰等不足。等不足。缺点：缺点：但但光谱技术诊断光谱技术诊断的价格昂贵，的价格昂贵，铁谱技术铁谱技术手动操手动操作较多，速度慢，分析判断和识别要求有作较多，速度慢，分析判断和识别要求有丰富经验丰富经验的技术人员的技术人员,其使用受到一其使用受到一定限制，且标准图谱积累需时较长。定限制，且标准图谱积累需时较长。u1989 年美国年美国CARBORUDUM公司制作了一套公司制作了一套铁谱分析软件系统铁谱分析软件系统(FAST 系系统统);1992 年年,ROYLANCE等人开发出了计算机辅助等人开发出了计算机辅助微粒分析微粒分析CASPA 专家系统专家系统,可以对磨粒进行系统的形貌分析。可以对磨粒进行系统的形貌分析。u我国西安交通大学润滑理论与轴承研究所我国西安交通大学润滑理论与轴承研究所1990 年推出了年推出了OLFI 型在线式铁谱型在线式铁谱仪仪,东风汽车工程研究所也研制出了新型的东风汽车工程研究所也研制出了新型的ZX21 智能化在线铁谱仪智能化在线铁谱仪,能有效检能有效检测到到大于测到到大于5m 的铁磁磨的铁磁磨。油液分析法油液分析法Jimei University Marine Engineering InstituteJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEJIMEI UNIVERSITY MARINE ENGINEERING INSTITUTEu工作原理工作原理：利用船舶柴油机在工作时：利用船舶柴油机在工作时产生的振动信号产生的振动信号,经经测试、测试、数据分析及处理数据分析及处理,对对内部零部件的状态内部零部件的状态进行诊断的方法。进行诊断的方法。u优缺点优缺点：该方法具有：该方法具有诊断速度快、准确率高和能够实现在线诊诊断速度快、准确率高和能够实现在线诊断断的特点。的特点。u在国内在国内,振动监测诊断柴油机故障在实验室已取得了许多研究振动监测诊断柴油机故障在实验室已取得了许多研究成果。如：成果。如：1 1）在）在气缸头安装振动传感器气缸头安装振动传感器,通过分析振动信号诊通过分析振动信号诊断缸内故障断缸内故障；2 2）利用振动信号诊断柴油机主轴承故障；）利用振动信号诊断柴油机主轴承故障；3 3）利）利用润滑油管路内的压力波信号诊断柴油机轴承故障用润滑油管路内的压力波信号诊断柴油机轴承故障。u在利用在利用机器表面振动信号诊断机器表面振动信号诊断活塞、气缸磨损活塞、气缸磨损,气阀漏气和主气阀漏气和主轴承状态等方面轴承状态等方面,武汉理工大学武汉理工大学做了大量的实验研究做了大量的实验研究,并研制出并研制出柴油机智能诊断仪柴油机智能诊断仪DCMIIDCMII ：可不解体可不解体诊断船舶柴油机活塞诊断船舶柴油机活塞缸套磨损和气阀漏气等故障。缸套磨损和气阀漏气等故障。振动分析法：振动分析法：Jimei University Marine Engineering Institute