徐惠敏

（衢州學院機械工程學院，浙江 衢州324000）

由于螺桿式壓縮機具有運行可靠、適應性強、工況范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊和維護操作方便等特點，目前已廣泛應用于交通運輸、化工、機械制造、制冷等多個行業(yè)。螺桿式壓縮機作為這些行業(yè)中的關(guān)鍵設備，必須確保其安全穩(wěn)定運行，否則往往造成整臺設備甚至整個生產(chǎn)過程癱瘓，造成巨大經(jīng)濟損失甚至出現(xiàn)人員傷亡等重大事故。目前，生產(chǎn)現(xiàn)場使用的螺桿壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)直接采用PLC控制器或直接進行人工監(jiān)測，這些監(jiān)測方法作用單一，經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)測不精確和判斷滯后，無法確保系統(tǒng)可靠運行[1-2]。Lab－VIEW軟件開發(fā)平臺采用強大的圖形化編程語言，能夠非常方便地完成數(shù)據(jù)采集、分析顯示、工業(yè)過程仿真、儀器控制、測量測試及控制等多種操作，實現(xiàn)“軟件即是儀器”[3]。采用虛擬軟件LabVIEW進行螺桿式壓縮機多功能實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計，不僅能提高螺桿式壓縮機控制系統(tǒng)的可靠性，還能及時分析并診斷系統(tǒng)故障原因，對促進螺桿式壓縮機產(chǎn)品的技術(shù)升級具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設計

采用虛擬儀器（VI）LabVIEW軟件開發(fā)平臺對螺桿式壓縮機的運行狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，可以充分利用其圖形化的直觀界面形象、友好的人機交互界面設計、強大的數(shù)據(jù)可視化分析控制能力，開發(fā)模擬儀器控制面板和進行數(shù)據(jù)分析存儲，使監(jiān)測系統(tǒng)更趨于靈活化和智能化[4-5]。

螺桿式壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由電機、螺桿式壓縮機、潤滑系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、油氣分離系統(tǒng)、出氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、計算機和LabVIEW軟件開發(fā)平臺等多部分組成。其中數(shù)據(jù)采集卡是在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，主要用于采集各路傳感器信號，將模擬電壓或電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號送入計算機進行處理。計算機主要用于軟件系統(tǒng)開發(fā)、參數(shù)設定、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析和人機交互等。計算機可以通過USB下載線、ISA總線或PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡實時通信，可以在線調(diào)試或進行系統(tǒng)軟件仿真。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 傳感器的選擇和測點設置

螺桿式壓縮機控制系統(tǒng)分為壓縮氣體流向控制、進氣系統(tǒng)控制、潤滑系統(tǒng)控制和電機控制等幾部分組成。壓縮氣體流向控制和進氣系統(tǒng)控制要求保證壓縮機排氣壓力和容積流量測量精度；潤滑系統(tǒng)要求對螺桿式壓縮機轉(zhuǎn)子和軸承等起到潤滑和冷卻作用，必須控制油溫、油壓和油流量，確保壓縮機正常運行；油氣分離系統(tǒng)對氣缸外層殼體冷卻，噴入氣缸中的油與氣體混合，降低排氣溫度。因此，螺桿式壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)主要有電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、振動、吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、排氣溫度、流量、潤滑油油溫、各軸承溫度、冷卻水的壓力、溫度和流量、軸功率等。涉及的傳感器主要有：測量電機輸出轉(zhuǎn)矩的扭矩傳感器，測量油溫、軸承溫度和氣溫等的溫度傳感器，測量氣體流量的流量計，測量氣體壓力的壓力傳感器以及測量壓縮機前后軸位移和振動的振動傳感器等。其中螺桿式壓縮機的進氣和排氣壓力、潤滑和油氣分離系統(tǒng)的溫度是保證壓縮機穩(wěn)定運行的重要參數(shù)。

所用各個傳感器參照國家標準對測試儀器儀表設備的精度要求進行選擇，其中壓力變送器采用ZW1151GP-16型電容式壓力變送器。該傳感器將測壓元件、信號測量電路和過程連接件等三部分合為一體，具有無死區(qū)，穩(wěn)定性好等特點，測量精度達到0.25%;溫度傳感器則采用J型熱電偶，將熱電偶與AD594結(jié)合組成溫度測量電路。由于AD594片內(nèi)除了有放大電路外，還有溫度補償電路，該J型熱電偶經(jīng)激光休整后可得到10 mv/℃，精度等級達到0.2%。其他傳感器的選擇參照如上要求進行選擇。傳感器選擇好后，按照螺桿壓縮機各系統(tǒng)的控制要求分別設置測點。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集(DAQ)是從傳感器中自動采集非電量或電量信號，將其轉(zhuǎn)換后送至上位機中進行分析處理的測量系統(tǒng)，是監(jiān)測系統(tǒng)設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了保證螺桿壓縮機可靠穩(wěn)定運行，要求其實時監(jiān)測系統(tǒng)能靈活準確地采集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析處理和顯示處理結(jié)果。為了方便處理模擬信號和數(shù)字信號，一般數(shù)據(jù)采集卡具有數(shù)字輸入接口和模擬輸入接口。本次設計選用的傳感器基本配備了信號調(diào)理電路，大部分傳感器經(jīng)測試信號調(diào)理后可以輸出4~20 mA的標準電流信號，這些信號可以直接送入數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換處理。綜合考慮本系統(tǒng)選用研華PCL-812PG MultiLab模擬量和數(shù)字量I/O卡。PCL-812PG是ISA總線半長卡，能夠為PC/AT及其兼容系統(tǒng)提供A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和計數(shù)器/定時等五項測量與控制功能。該數(shù)據(jù)采集卡可提供16路12位模擬量輸出、2路12位模擬量輸出、16路數(shù)字輸入、16路數(shù)字輸出和一個可編程計數(shù)器/定時器，采樣速率可根據(jù)信號變化要求進行編程，最快達30 KHz.該數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過ISA總線與計算機進行通訊連接。

3 軟件系統(tǒng)設計

LabVIEW軟件開發(fā)平臺采用圖形化編程語言進行編寫程序，其應用程序由前面板、框圖程序和圖標連接器三部分組成。LabVIEW建立新程序時會同時生成前面板和框圖程序窗口，每一個程序前面板對應一段框圖程序。前面板用于設置輸入控件和輸出控件，能模擬真實儀器儀表的前面板，并以各種簡單直觀的圖像形式出現(xiàn)，如開關(guān)、按鈕、旋鈕、溫度計、圖表和各種圖形?？驁D程序是虛擬儀器（VI）的圖形化源程序，采用LabVIEW圖形編輯語言編寫，由圖框、節(jié)點、端口和連線四部分構(gòu)成。圖標連接器是子VI被其他VI調(diào)用的接口。采用LabVIEW軟件設計監(jiān)測系統(tǒng)不用寫程序代碼，采用程序流程圖便可自主開發(fā)虛擬儀器。

螺桿式壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)上位工控機中的LabVIEW設計是整個系統(tǒng)的核心部分，用于實現(xiàn)對下位機的監(jiān)控和控制。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由用戶界面和管理界面組成，如圖2所示。用戶界面主要對進氣/出氣系統(tǒng)控制、壓縮氣體流向控制、潤滑系統(tǒng)控制、冷卻分離系統(tǒng)控制和主電機控制等五部分組成，各個系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、實時曲線顯示和報警顯示等進行監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況。管理界面主要對壓縮機運行參數(shù)設定、遠程操作控制、進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理保存（報表、數(shù)據(jù)綜合）等，便于對螺桿式壓縮機運行異常狀態(tài)做出快速反應，提高系統(tǒng)的工作效率和運行可靠性。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3.1 系統(tǒng)登陸界面設計

螺桿式壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)的登陸界面是進入內(nèi)部控制界面的重要環(huán)節(jié)，其程序框圖如圖3所示，圖（a）為用戶或管理人員登陸界面程序框圖。在系統(tǒng)啟動后，要求先顯示一個歡迎界面如圖（b），再跳出用戶信息或管理員信息，登錄系統(tǒng)的編程，要求一個界面中輸入數(shù)據(jù)和讀取文件中的值進行比較，若相同則調(diào)用系統(tǒng)界面；否則就退出系統(tǒng)或者重新等待輸入。

圖3 系統(tǒng)登陸界面程序框圖

3.2 人機交互狀態(tài)監(jiān)測

由于螺桿式壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測過程中需要對各種參數(shù)進行同步顯示和分析，采用DAQ進行數(shù)據(jù)采集時，應根據(jù)系統(tǒng)硬件情況，分別設置采用頻率。如進氣溫度和進氣壓力的數(shù)據(jù)變化相對較小，采樣點和采樣頻率均可以相對降低些；而對于電機控制中電壓和電流、出口氣體的流量和溫度等變化相對較快的參數(shù)，為滿足系統(tǒng)對變化監(jiān)測的需求，采樣點和采樣頻率就必須設置相對高些。對于狀態(tài)監(jiān)測時出現(xiàn)異常設置參數(shù)變化范圍，應編制狀態(tài)判斷子VI，以便在狀態(tài)監(jiān)測時與這些參數(shù)的標準值進行比較，如超出界限值或數(shù)據(jù)明顯不正確，則需要及時報警并采取適當措施，避免進一步出現(xiàn)事故。

螺桿式壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)中的進氣和排氣壓力、流量、潤滑系統(tǒng)和油氣分離冷卻系統(tǒng)的溫度是最重要的幾個參數(shù)。圖4所示為用戶界面中進氣排氣系統(tǒng)中的氣體溫度、壓力和流量的顯示和控制界面。該界面對進氣參數(shù)和出氣參數(shù)可以分別設置，并進行監(jiān)測，當出現(xiàn)超過規(guī)定值范圍還可以進行報警提示。

圖4 進氣排氣系統(tǒng)控制界面設計

3.3 報警界面設計

螺桿式壓縮機的報警信號主要有軸振動、軸承溫度、油氣分離系統(tǒng)中各個進出口的溫度報警等。本次設計根據(jù)信號類型采用不同的報警顯示方式，如對螺桿軸振動、出口氣體的壓力等采用曲線顯示方式；對于溫度報警如軸承溫度、進出口氣體溫度、油氣分離系統(tǒng)進出口氣體溫度等則可采用溫度計棒圖形式，溫度根據(jù)要求設定上下限值，如潤滑油的油溫為 20℃～57℃，軸承處的溫度為 20℃～65℃，當顯示值超過上下限值時，應及時報警并記錄報警次數(shù)，當報警次數(shù)連續(xù)超過三次，應與下位機聯(lián)動進行合理處理甚至緊急停止，避免出現(xiàn)更大故障。

4 結(jié)束語

本文采用虛擬儀器LabVIEW軟件平臺設計了螺桿式壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，界面直觀，數(shù)據(jù)采集卡的應用保證了系統(tǒng)具有高精度、高分辨率和高效率。通過該系統(tǒng)能及時準確地掌握螺桿式壓縮機的實時工作狀態(tài)。通過觀察氣體壓力、流量等曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可以及時發(fā)現(xiàn)并合理處理設備故障，提高了螺桿式壓縮機的工作性能和可靠性，保證設備長時間穩(wěn)定運行的需求。

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