HIL仿真技术监测和诊断发动机燃烧性能

现代重工（HHI）集团是全球最大的造船公司，其发动机和机械部门（HHI-EMD）具备全世界最大规模的船用柴油发动机研发与生产能力。比如该部门推出的HiMSEN中型发动机是一款四冲程柴油机，输出功率范围从960KW到25MW，在大型船只上可以用来驱动发电机，在中小型船只上完全可以当做推进发动机来使用。大型柴油机运行的成本在每小时2000美元，因此该部门一直在致力开发更高效节能的发动机。

图1：现代重工集团是全球最大造船公司

为了能够更好的监测和诊断发动机燃烧性能，我们需要实现设计一个仿真与测试系统。HIL（hardware-in-the-loop硬件在环）仿真技术被普遍认为是一种最有效的解决方案，确保在开发周期早期就完成嵌入式系统的测试，系统整合阶段这种测试方法也更加全面，能及早的发现问题，降低解决问题的成本。

该仿真与监测系统需要能够检测十缸发动机的运行情况，运转速度在每分钟数千转，同时测量曲轴角的实时变化情况，分辨率要达到0.1度，因此HHI-EMD部门选择采用NI cRIO-9035 CompactRIO控制器平台搭建了。cRIO-9035面向的就是嵌入式高级控制与监测应用领域，集成的是Xilinx Kintex-7 70T FPGA器件和1.33GHz双核处理器（CPU），1GByte DRAM和4GB外部存储器，预先移植了Linux实时操作系统以及友好的人机接口界面。

图2：HHI-EMD部分基于NI硬件在环（HIL）设计的测试与监测系统HiCAS

能够监测测试发动机的各方面参数，例如发动机转速、气缸内压力以及进排气系统内的压力值等，工程师采集这些数据后经过热力学分析来实时监测发动机的整体性能以及关键部分的运行情况。经过多次的测试才能够制定发动机模型的各项参数开展实际的生产，尽管如此这也大大加快的产品的研发以及面市的进度，具HHI-EMD部门统计这种方式将三年的研发周期降低到一年。

相比传统器件Xilinx FPGA能够提供更强劲的计算能力和实时性能，在2017 NI技术峰会上HiCAS测试与分析系统获得了交通与重工业设备类别最具影响力奖项。