周新山++楊彬彬++張毅

摘 要：為了設(shè)計天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀，實現(xiàn)對壓縮機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障預(yù)測評估，文中提出了一種基于ARM嵌入式設(shè)計的天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀的設(shè)計方法。該方法構(gòu)建了天然氣狀態(tài)特征提取算法來進行狀態(tài)信息特征的提取，同時設(shè)計了ARM嵌入式壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀的特征采集傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、ARM主控系統(tǒng)模塊和顯示控制模塊，實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。仿真結(jié)果表明，采用該監(jiān)測儀進行天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測，其狀態(tài)特征分析準確，故障和超負荷評估性能較好。

關(guān)鍵詞：天然氣；壓縮機；ARM；嵌入式；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）02-00-02

0 引 言

西氣東輸工程是我國最大的天然氣運輸和調(diào)度工程，在整個西氣東輸管道網(wǎng)絡(luò)中，分布了大量的壓氣站，采用天然氣壓縮機進行壓氣處理，實現(xiàn)天然氣順利傳輸。天然氣壓縮機按容積分為：往復式壓縮機、回轉(zhuǎn)式壓縮機；速度型壓縮機又分為：軸流式壓縮機、離心式壓縮機和混流式壓縮機[1-3]。無論是哪種天然氣壓縮機，在運行過程中都可能出現(xiàn)故障和失效等問題，需要進行壓縮機狀態(tài)監(jiān)測，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，因而提出了一種基于ARM嵌入式設(shè)計的天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀系統(tǒng)設(shè)計方法。首先進行了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析了天然氣壓縮機狀態(tài)特征的控制算法，實現(xiàn)了狀態(tài)信息的特征提取，以此為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)的模塊電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后實現(xiàn)了整個天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀的集成設(shè)計，仿真實驗進行了性能測試和驗證，展示了本文設(shè)計的監(jiān)測儀在實現(xiàn)壓縮機自動監(jiān)測和狀態(tài)分析中的優(yōu)越性能。

1 天然氣狀態(tài)特征提取算法

天然氣壓縮機通常工作在復雜惡劣的環(huán)境下，受到的干擾和影響因素具有多元性，受到機械振動和超負荷等因素的影響，導致天然氣壓縮機的過負荷運行，需要對天然氣壓縮機系統(tǒng)各個分離單元的狀態(tài)特征進行特征提取和監(jiān)測[4]，實現(xiàn)對天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的分散控制設(shè)計。首先構(gòu)建天然氣狀態(tài)特征提取算法，天然氣壓縮機的狀態(tài)特征函數(shù)描述見式（1）：

（1）

其中，天然氣壓縮機的傳輸效率為優(yōu)化目標函數(shù)，得到狀態(tài)特征的控制參數(shù)為：

（2）

在目標函數(shù)中使用權(quán)重系數(shù)，對天然氣壓縮機超負荷狀態(tài)下連續(xù)數(shù)據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)匹配，得到天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的接收信號由一個n個決策變量多輸入輸出模型組成，信號模型為：

（3）

天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測控制總線傳輸通信道脈沖響應(yīng)可描述為：

（4）

其中，an（t）是第n條控制輸出通道上接收到的信號，對，有，通過誤差補償器補償天然氣壓縮機在進行狀態(tài)監(jiān)測CAN總線通信過程中的信道失衡項，控制輸出信號為：

（5）

其中，f0與ψ0分別為輸出誤差小于1 mV的起始頻率與初始相位，對N個超負荷節(jié)點進行FFT變換，對應(yīng)某一個天然氣壓縮機超負荷預(yù)警檢測的閾值，得到天然氣壓縮機狀態(tài)信息特征在k+p時刻的預(yù)測值為。通過上述設(shè)計，實現(xiàn)了對天然氣壓縮機的狀態(tài)信息特征提取，以特征提取結(jié)果為原始數(shù)據(jù)輸入，進行壓縮機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

2 壓縮機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能模塊硬件設(shè)計

在上述進行天然氣狀態(tài)特征提取的基礎(chǔ)上，進行檢測儀系統(tǒng)總體設(shè)計和模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)采用以S3C2440A ARM9處理器作為控制和運算核心的Micro2440核心板，設(shè)計的系統(tǒng)具有低功耗和靈活性等特點，天然氣壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測儀系統(tǒng)主要包括了特征采集傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、ARM主控系統(tǒng)模塊和顯示控制模塊等[5]。采用ARM嵌入式設(shè)計技術(shù)，本系統(tǒng)選用了四種傳感器監(jiān)測天然氣壓縮機的運行狀態(tài)，分別是加速度傳感器、電流傳感器、絕壓傳感器、差壓傳感器。其中，加速度傳感器是用于監(jiān)測天然氣壓縮機完成一次沖程后傳到地面的振動信號；電流傳感器是用于測量天然氣壓縮機直線電機的每個沖程的電流大??；絕壓傳感器是用于測量天然氣壓縮機的油壓的絕對值；差壓傳感器用于測量天然氣壓縮機每個沖程油壓的變化量。

ARM系統(tǒng)模塊的功能是作為軟件系統(tǒng)的運行平臺。選擇一塊ARM9芯片，內(nèi)核為ARM920T的芯片作為主控電路，ARM系統(tǒng)模塊作為軟件系統(tǒng)的運行平臺，通過對壓縮機狀態(tài)特征信號的采集、信號特征分析，以及數(shù)據(jù)的存儲、波形顯示，實現(xiàn)整個壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測。綜上分析，得到本文設(shè)計的天然氣壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測儀功能模塊結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

在總體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，即可進行系統(tǒng)的嵌入式電路結(jié)構(gòu)設(shè)計。電路設(shè)計主要對系統(tǒng)的信號調(diào)理電路、AD采樣電路和動態(tài)增益控制電路進行研究[6]。采用低功耗16位定點DSP增加功能單元得到算術(shù)邏輯運算單元，設(shè)計天然氣壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測時鐘發(fā)生器，DMA控制器，在片上外設(shè)資源模塊構(gòu)建實時時鐘RTC，采用通用定時器提高壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀的抗環(huán)境干擾能力。

在進行AD采樣電路設(shè)計中，整個天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀AD系統(tǒng)包括了嵌入式濾波電路、數(shù)據(jù)采集電路和濾波電路、系統(tǒng)供電模塊、DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊。設(shè)計IIR濾波器進行天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀的干擾濾波，天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀遠程自動控制系統(tǒng)的整流電路的放大倍數(shù)為：

（6）

進行干擾信息的模擬與數(shù)字FIR濾波，輸出高、低電壓至D/A轉(zhuǎn)換器，在PC機上顯示A/D采樣。動態(tài)增益控制電路是實現(xiàn)天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀的底層模塊，通過動態(tài)增益控制電路設(shè)計控制系統(tǒng)的自激響應(yīng)，降低系統(tǒng)干擾，動態(tài)增益控制電路的第一級選用AD8021，通過R13和R14進行分壓，DSP控制芯片線性動態(tài)輸出電平，PFI管腳電壓低于1.25 V時，動態(tài)增益控制范圍是-2 V≤Vc≤0，第三級放大器仍舊選用AD8021，產(chǎn)生的復位輸出為±1.5 V，工作電流為3mA，采用RC濾波電路。DSP采樣BMODE2-0管腳直接從地址0x20000000執(zhí)行程序加載設(shè)計，綜上分析，得到本文設(shè)計的天然氣壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測儀核心電路模塊。

在上述進行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行軟件開發(fā)，狀態(tài)監(jiān)測儀采用ARM嵌入式開發(fā)結(jié)構(gòu)模式，ARM系統(tǒng)模塊的功能是作為軟件系統(tǒng)的運行平臺，通過電路板的外端接口電路向AD發(fā)送控制指令，控制AD采集傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對天然氣壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測。軟件系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制中心，以S3C2440A ARM9處理器作為控制和運算核心的Micro2440核心板，可支持ARM-Linux（內(nèi)核版本Linux-2.6.32.2）、WindowsCE5.0/ 6.0、uCos2，選擇了群創(chuàng)的7寸TFT-LCD液晶顯示屏進行人機交互，嵌入式Linux系統(tǒng)由系統(tǒng)啟動引導程序、通過Linux2.6.32內(nèi)核構(gòu)建交叉編譯環(huán)境，得到的軟件開發(fā)界面如圖2所示。

3 仿真實驗與測試

為了測試本文設(shè)計的基于ARM的嵌入式天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀的性能，進行仿真實驗。本系統(tǒng)使用的JTAG仿真器是ADI的HPPCI仿真器，首先進行天然氣狀態(tài)特征提取和數(shù)據(jù)采集，測得原始采集的天然氣壓縮機原始特征數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)采集結(jié)果，采用本文方法進行狀態(tài)運行的故障等信息特征的提取，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，得到天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測特征提取結(jié)果如圖4所示。從圖4可見，采用本文設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)測儀，能實時有效地實現(xiàn)對天然氣壓縮機運行狀態(tài)分析和特征提取，提高了運行狀態(tài)的預(yù)測和評估能力。

4 結(jié) 語

通過對天然氣壓縮機運行狀態(tài)監(jiān)測，提高壓縮機的智能控制和狀態(tài)評估能力，本文提出一種基于ARM嵌入式設(shè)計的天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測儀系統(tǒng)設(shè)計方法。首先進行了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析了天然氣壓縮機狀態(tài)特征的控制算法，實現(xiàn)狀態(tài)信息的特征提取，完成系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。仿真結(jié)果表明，該監(jiān)測儀能實時有效地實現(xiàn)對天然氣壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測和故障特征分析，具有較好的性能。

參考文獻

[1]張曉戎，王程成.混沌差分優(yōu)化數(shù)據(jù)聚類及在故障診斷中的應(yīng)用[J].壓縮機技術(shù)，2013（6）： 16-20.

[2]沈艷霞， 季凌燕， 紀志成. 基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障觀測器的風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)容錯控制器設(shè)計[J]. 信息與控制， 2015，44（3）： 359-366.

[3]甄建軍，張毅.基于螺旋平面線圈的感應(yīng)電能傳輸技術(shù)研究[J].電氣自動化，2014，36（2）： 78-80.

[4]石鑫，周勇，甘新年，等.機載多源飛行數(shù)據(jù)資料的非線性檢驗[J].計算機與數(shù)字工程，2013，41（5）：729-732.

[5]楊俊，周丙寅，張毅，等.基于遞歸圖分析的壓縮機故障診斷方法研究[J].計算機與數(shù)字工程，2013，41（6）： 984-986.

[6]張毅，盛會平.基于相空間重構(gòu)和K-L變換的壓縮機故障診斷[J].壓縮機技術(shù)，2011（4）： 19-21.