基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台技术方案

本发明专利技术公开了一种基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，其主要由船舶动力系统模拟实验台架，安装在实验台架上的数据监测及故障诊断平台(5)，以及通过信号线与数据监测及故障诊断平台(5)相连的油液在线监测模块(6)组成，油液在线监测模块(6)并联于实验台润滑管路系统中。本发明专利技术能够实现船舶动力系统不同工况的模拟，可实现对不同工况下船舶动力系统和轴系的扭矩监测、振动监测、轴功率监测以及润滑油和液压油状态的在线监测；结合智能化机器学习方法，在大量监测数据的支撑下，实现智能机舱架构下的船舶动力系统故障诊断和状态评估；能够作为智能化在线监测与诊断系统的对象平台。

【技术实现步骤摘要】
基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台
本专利技术涉及一种基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，可仿真模拟船舶动力系统的不同工况和各种故障，在测试系统的配合下完成对不同工况下船舶动力系统状态的实时监测，在大量监测数据的支撑下，利用统计机器学习方法对数据进行分析和学习，获取轴系和轴承状态变化趋势和潜在的故障信息，并及时的进行预警和提醒。
技术介绍
随着造船行业对造船技术、安装工艺及质量要求的不断提高和“节能减排”的提出，对船舶动力系统的性能提出了更高的要求，需要其在不同工况下具有良好的性能。通过人为的模拟各种不同的工况，并监测其各项运行指标，比如振动、油液状态等参数，来获取船舶动力系统不同工况下的性能最优点，为实船运行提供参考意见和维护策略。船舶动力系统是船舶航行的核心部分，主要由船舶主机、轴系、轴系附件、传动设备和推进器(螺旋桨)组成。船舶常规动力系统主要是柴油机动力系统、燃气轮机动力系统以及电力推进系统。在不同海域、不同天气状况下，船体和螺旋桨受到的水的阻力也不相同，此时船舶主机需要提供的扭矩、齿轮箱的速比、螺旋桨的转速都要做相应的调整，这就形成了船舶动力系统的不同工况。轴系作为连接主机和螺旋桨的重要部件，其安全与否直接关系到船舶能否正常航行。正常情况下在船舶出坞前，工程师们都会对其轴系进行的准确的较中，也会从安装工艺上保证其正常工作。但在船舶航行过程中，包括船体变形、摩擦磨损等一系列因素都会导致轴系无法正常工作，所以，对轴系工作状态的监测就显得尤为重要。随着信息技术的飞速发展，船舶也在向着智能化的方向发展。智能化系指由现代通信与信息技术、计算机网络技术、智能控制技术等汇集而成的针对某个对象的应用。智能机舱能够综合利用状态监测系统所获得的各种信息和数据，对机舱内机械设备的运行状态、健康状况进行分析和评估，用于机械设备操作决策和维护保养计划的制定。专利文献CN102289978A公开了一种多功能船舶联合动力装置综合模拟实验台，该实验台既可模拟多种船舶动力装置,也可以进行船舶动力装置总体性能研究和船舶动力装置零部件的性能研究。该专利只是提出了一种船舶动力装置模拟实验台，并没有考虑到对不同工况下动力装置的振动、温度、油液等参数进行监测和智能化分析。针对上述情况，本专利技术设计并建立了这种基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，能够进一步研究船舶动力系统不同工况下的整体性能，利用状态监测系统所获得的各种信息和数据，对机舱内机械设备的运行状态、健康状况进行分析和评估，利用统计机器学习方法对故障进行辨识和定位，并给出设备维护建议。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，该实验平台能够在智能机舱架构下实现船舶动力系统不同工况的模拟，同时还能够模拟齿轮箱、轴系、轴承、液压系统等关键部件单个或同时处于故障状态时船舶动力系统的运行状态并实时监测，从而实现对船舶动力系统故障状态的在线监测和分析诊断技术的实验研究。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供的基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，主要由实验台架，安装在实验台架上的数据监测及故障诊断平台，以及通过信号线与数据监测及故障诊断平台相连的油液在线监测模块组成，油液在线监测模块并联于实验台润滑管路系统中。所述的数据监测及故障诊断平台，用于实时监测布置于发动机外壳、轴系、轴承上的振动传感器、温度传感器、轴扭矩和功率传感器、扭振传感器以及齿轮箱和液压站的油液在线监测模块的输出信息，从而获取整个船舶动力系统实验平台的工作时间序列数据；还用于对获取的传感器时间序列信息进行智能分析，结合船舶动力系统模型分析系统的潜在故障；再利用统计机器学习方法对监测数据与对应的故障进行训练学习，进而优化现有的故障诊断系统，实现对故障的自动判断与自动提醒。所述的数据监测及故障诊断平台，由监测传感器、数据采集与测试电路、数据挖掘软件和故障诊断系统组成，其中：遍布于实验台架的监测传感器与数据采集及测试电路之间使用RS485及CAN总线的方式通讯，后续与故障诊断系统则使用以太网通讯；数据采集与测试电路采集到分布于实验平台上的传感器信号后，数据挖掘软件会对这些原始数据进行加工并输出可视性更好的图表供实验人员分析使用，同时所有数据保存在本地数据库供后期调用、查询。所述的数据采集与测试电路，由传感器、数据采集卡和工控机组成，其中：传感器采集到的数据首先传递给数据采集卡，数据采集卡在接收到数据后采用统一的以太网通讯协议经由网线传输给工控机进行处理。所述油液在线监测模块，由数据采集器、齿轮泵、流体特性传感器、ARGOHYTOS水份传感器、ARGOHYTOS颗粒污染度传感器组成。该模块获得的油液监测数据经数据协议转换卡统一信息格式后再通过CAN总线传递给数据采集与测试电路中的工控机处理、保存。所述的监测传感器，包括安装在尾轴上的光电非接触式轴功率监测传感器，该传感器由两个码盘和两个光电探头和数据采集器、电源组成，尾轴的转动带动码盘的转动，轴在扭矩的作用下会产生弹性形变，间隔一定距离布置的两个码盘-光电探头所收集到的数据存在相位差，这些数据通过RS485总线传到数据采集与测试电路中的工控机上，经工控机处理后得到尾轴的实时功率。所述的数据挖掘软件，采用MATLAB软件进行编写，利用自回归滑动平均模型即ARMA模型，对获取的监测传感器时间序列信息进行智能分析，利用BP神经网络对数据规律进行学习，进而达到预测故障的目的。同时，在机器学习算法的支持下，实现对设备状态在线监测数据的实时诊断分析，及时发现故障。本专利技术还设有机械机构，以及由工控机及电机控制电路、电磁测功器控制电路组成的实时仿真机构；实时仿真机构用于控制机械机构自动工作，用以模拟船舶动力系统的复杂变化状态，并根据设定的动力系统工况跟踪监测动力系统的运行状态，根据负载变化自适应调整动力系统能耗，实现自主能耗管理。所述的电机控制电路，通过电缆将各部件连接起来，该电机控制电路主要由交流接触器、变频器、电抗器、调速电位器组成，其中：从交流接触器接入市电来控制电路的通断，之后连接变频器和调速电位器来控制电机的转速，而电抗器用于稳压，确保电路不会过载。所述的电磁测功器控制电路，通过动力线和网络线将控制系统和用于模拟船舶轴系负载的电磁测功机7相连；该电磁测功器控制电路由电磁测功机、智能测功机控制器、电机测试系统柜、工装夹具以及电机专用测试软件组成，其中：智能测功机控制器位于电机测试系统柜内，通过动力线连接电磁测功机为其供电，而相关信号通过网络线路返回到工控机。所述的机械机构，主要由固定在地基上的支撑底板，依次安装在支撑底板上的电动机、柴油机、弹性联轴器、齿轮箱、尾轴联轴器、尾轴、测功机联轴器、电磁测功机组成。本专利技术与现有技术相比具有以下主要有益效果：1.能够满足模拟实船动力系统工况的要求。所谓船舶动力系统工况，就是不同的输出扭矩/阻力比，在实船中，输出扭矩由柴油主机提供，阻力来自于船体周围的水和螺旋桨。在本实验台中，则用更易控制的电机代替柴油主机，用电磁测功机来加载阻力，并能按照一定的函数关系模拟产生变动的阻力，通过改变控制台输入数据来实现用该实验台模拟动力系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，其特征是主要由实验台架，安装在实验台架上的数据监测及故障诊断平台(5)，以及通过信号线与数据监测及故障诊断平台(5)相连的油液在线监测模块(6)组成，油液在线监测模块(6)并联于实验台润滑管路系统中。

【技术特征摘要】
1.基于智能机舱的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，其特征是主要由实验台架，安装在实验台架上的数据监测及故障诊断平台(5)，以及通过信号线与数据监测及故障诊断平台(5)相连的油液在线监测模块(6)组成，油液在线监测模块(6)并联于实验台润滑管路系统中。2.根据权利要求1所述的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，其特征在于所述的数据监测及故障诊断平台(5)，用于实时监测布置于发动机外壳、轴系、轴承上的振动传感器、温度传感器、轴扭矩和功率传感器、扭振传感器以及齿轮箱和液压站的油液在线监测模块(6)的输出信息，从而获取整个船舶动力系统实验平台的工作时间序列数据；还用于对获取的传感器时间序列数据进行智能分析，结合船舶动力系统模型分析系统的潜在故障；再利用统计机器学习方法对监测数据与对应的故障进行训练学习，进而优化现有的故障诊断系统，实现对故障的自动判断与自动提醒。3.根据权利要求2所述的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，其特征在于所述的数据监测及故障诊断平台(5)，由监测传感器、数据采集与测试电路、数据挖掘软件和故障诊断系统组成，其中：遍布于实验台架的监测传感器与数据采集及测试电路之间使用RS485及CAN总线的方式通讯，后续与故障诊断系统则使用以太网通讯；传感器采集到的数据首先传递给数据采集卡，数据采集卡在接收到数据后采用统一的以太网通讯协议经由网线传输给工控机，之后，数据挖掘软件会对这些原始数据进行分析处理并输出可视性更好的图表供实验人员分析使用，同时所有数据保存在本地数据库供后期调用、查询。4.根据权利要求3所述的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，其特征在于所述油液在线监测模块(6)，由数据采集器、齿轮泵、流体特性传感器、ARGOHYTOS水份传感器、ARGOHYTOS颗粒污染度传感器组成。该模块获得的油液监测数据经数据协议转换卡统一信息格式后再通过以太网总线传递给数据采集与测试电路中的工控机处理、保存。5.根据权利要求3所述的船舶动力系统工况模拟和诊断实验平台，其特征在于所述的监测传感器，包括安装在尾轴(10)上的光电非接触式轴功率监测传感器(3)，该传感器由两个码盘和两个光电探头和数据采...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琨，高勇，严新平，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42