楊凱 郭建良

文章編號： 2095-2163（2018）03-0091-05中圖分類號： 文獻標志碼： A

摘要： 關鍵詞： for working condition of natural gas pressure equipment

（West East Gas Transmission Branch Company， China Petroleum Pipeline Co. Ltd.， Jincheng Shanxi 048200， China）

Abstract： In order to improve the intelligent monitoring ability of natural gas pressure equipment and ensure the steady operation of natural gas pressure equipment， the optimal design of the monitoring instrument for working condition is carried out. Based on VIX bus technology and DSP integrated information processing， the design scheme of pressure equipment condition monitoring system is presented. The TMS320C50 DSP chip is used as the core processing chip of the status monitoring instrument， and the hardware composition of the monitoring instrument includes data acquisition module， bus output control module， integrated information processing module， signal detection and amplification module and output interface design. VIX integrated bus is used for multi-channel transmission of natural gas pressure state monitoring data， and sensor is used for working condition data acquisition. Through signal conditioning circuit， signal integrated processing is carried out in DSP to realize signal filtering and envelope amplification. Combined with spectrum analysis of signals， the operating state characteristics of gas pressure-equipment are extracted. The optimal design of the intelligent monitoring instrument is realized in PCB. The test results show that the monitoring instrument is more intelligent， compatible and interactive.

Key words：

作者簡介：

收稿日期： 引言

天然氣壓氣設備主要指天然氣壓縮機及其配套的產(chǎn)品設備，這類設備長期工作在高負荷狀態(tài)下，需要進行常規(guī)性、全天候的工況狀態(tài)監(jiān)測，確保天然氣壓氣設備工作穩(wěn)定可靠，保障整個天然氣的壓縮和輸送工程的持續(xù)可靠運轉。研究天然氣壓氣設備的智能化工況監(jiān)測技術，在壓氣設備的故障診斷分析、狀態(tài)測試和可靠性評估等領域中具有很好的應用價值＼[1＼]。

對天然氣壓氣設備的智能監(jiān)測是建立在對工況數(shù)據(jù)的有效檢測和信息分析基礎上，提取天然氣壓氣設備的振動噪聲數(shù)據(jù)、機械數(shù)據(jù)、電機數(shù)據(jù)和天然氣的壓力傳感數(shù)據(jù)，結合傳感器設備進行實時信息采集，在中央控制器中進行信息分析，提取壓氣設備工況狀態(tài)數(shù)據(jù)的特征量，根據(jù)特征差異性進行狀態(tài)監(jiān)測和風險預警評估，完成故障診斷分析和工況模式識別＼[2-3＼]。

為了提高天然氣壓氣設備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測水平，本文提出基于VIX總線技術和DSP集成信息處理的壓氣設備工況監(jiān)測系統(tǒng)設計方案。首先進行天然氣壓氣設備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構設計和功能模塊分析，采用模塊化設計方案進行天然氣壓氣設備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測儀表的模塊化設計，監(jiān)測儀的硬件組成包括數(shù)據(jù)采集模塊、總線輸出控制模塊、集成信息處理模塊、信號檢波放大模塊以及輸出接口等。在DSP集成信息處理環(huán)境下進行狀態(tài)監(jiān)測儀表的硬件模塊化設計和集成設計開發(fā)。最后進行系統(tǒng)測試分析，展示了本文設計的智能儀表在提高天然氣壓氣設備數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測能力方面的優(yōu)越性。

1儀表總體設計構架及開發(fā)環(huán)境描述

1.1儀表總體設計構架

本文設計的天然氣壓氣設備工況狀態(tài)自動監(jiān)測儀表主要包括硬件設計和軟件設計兩大部分，對天然氣壓氣設備工況狀態(tài)自動監(jiān)測的軟件設計主要是進行信號采集和特征提取算法設計，采用譜分析方法進行天然氣壓氣設備狀態(tài)的信號檢測設計，結合功率譜密度特征提取和自適應濾波算法進行壓氣設備的輸出狀態(tài)特征分析＼[4＼]。壓氣設備狀態(tài)監(jiān)測儀表采用局部總線控制方法，采用三層體系設計，分別為感知控制層、天然氣壓氣設備工況狀態(tài)監(jiān)測信息傳輸層和應用服務層等，采用ADSP21160處理器作為天然氣壓氣設備工況狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心處理器，采用VIX集成總線進行天然氣壓氣狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多通道傳輸，采用傳感器進行工況數(shù)據(jù)采集，結合自適應網(wǎng)絡信息傳輸技術進行天然氣壓氣設備工況狀態(tài)信息的遠程檢測和自動控制，設計人機交互模塊進行壓氣設備監(jiān)測的智能接口設計，采用上位機控制技術進行天然氣壓氣設備工況狀態(tài)信息預警和集成信息處理＼[5＼]，采用ROM、RAM和DSP內核為一體進行交叉編譯控制，進行監(jiān)測儀表的三層體系結構設計，得到總體設計結構圖如圖1所示。

1.2開發(fā)環(huán)境描述和主要功能結構組成

根據(jù)圖1的總體構架模型，結合外圍器件互連（Peripheral Component Interconnect， PCI）總線技術進行壓氣設備工況狀態(tài)自動監(jiān)測儀的外圍器件設計，本文設計的天然氣壓氣設備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測儀表的功能模塊主要包括傳感器模塊、交叉編譯模塊、信號處理模塊、控制模塊和人機交互模塊等。采用PCI總線進行工況狀態(tài)監(jiān)測信息的遠程傳輸控制，監(jiān)測儀表以TMS320C50 DSP芯片作為交叉編譯開發(fā)的內核處理器，采用S3C2440A芯片為主控芯片，在ARM嵌入式內核控制模塊中進行時鐘系統(tǒng)開發(fā)和接口設計，天然氣狀態(tài)監(jiān)測的存儲器系統(tǒng)包括SDRAM、FLASH、NorFLASH等。對壓氣設備的狀態(tài)監(jiān)測的傳感器設備主要有速度傳感器、電流傳感器、絕壓傳感器、差壓傳感器＼[6＼]。將傳感器采集的信號通過放大電路進行信號轉換，在調理過程中實現(xiàn)信號濾波，經(jīng)過初步的信號處理后，結合包絡檢波和DSP集成處理，實現(xiàn)對壓氣設備的狀態(tài)監(jiān)測和總線控制分析。根據(jù)上述開發(fā)環(huán)境描述，得到本文設計的壓氣設備工況狀態(tài)自動監(jiān)測儀表的結構組成如圖2所示。

2監(jiān)測儀表的硬件設計與實現(xiàn)

在上述給出了監(jiān)測儀的總體設計分析和功能模塊組成分析的基礎上，進行壓氣設備工況狀態(tài)監(jiān)測儀的硬件模塊化設計，本文采用基于VIX總線技術和DSP集成信息處理的壓氣設備工況監(jiān)測系統(tǒng)設計方案＼[7＼]。對監(jiān)測儀表的數(shù)據(jù)采集模塊、總線輸出控制模塊、集成信息處理模塊、信號檢波放大模塊以及輸出接口進行詳細設計，并展開描述如下：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對天然氣壓氣設備及周圍環(huán)境產(chǎn)生的噪聲信號和振動信號的采集功能，數(shù)據(jù)采集的傳輸速率為132 MB/s，采樣帶寬為128 KBps，初始采樣頻率為12 KHz，使用PCI9054 LOCAL總線實現(xiàn)對采集的天然氣壓氣設備輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠程傳輸和集成收發(fā)控制。數(shù)據(jù)采集后通過IAB緩存器實現(xiàn)指令存儲和尋址，得到數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設計如圖3所示。

（2）總線輸出控制模塊。總線輸出控制模塊采用AD7864（以下簡稱7864）設計，構建A/D模數(shù)轉換電路進行4通道的天然氣壓氣設備工況狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入控制，設定壓氣設備的工況狀態(tài)數(shù)據(jù)的特征轉換速度1.65 s、輸入通道通過5409A控制，得到總線輸出控制模塊如圖4所示。

（3）集成信息處理模塊。集成信息處理模塊是整個天然氣壓氣設備狀態(tài)監(jiān)測儀表設計的核心，采用VIX集成總線進行天然氣壓氣狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多通道傳輸，采用傳感器進行工況數(shù)據(jù)采集，對采集的壓氣設備工況數(shù)據(jù)通過信號調理電路進行數(shù)模轉換＼[8＼]，用DSP控制PPI_CLK周期，采用CAN總線驅動器實現(xiàn)1.15～5.5 V電平的自由轉換，得到天然氣壓氣設備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測儀表的集成信息處理模塊設計如圖5所示。

（4）信號檢波放大模塊。信號檢波放大模塊實現(xiàn)對天然氣壓氣設備的工況采樣信號的檢波和濾波放大功能，設定檢波信號輸入的地址總線LA＼[16：1＼]、數(shù)據(jù)總線LD＼[15：0＼]，采用雙端口RAM（IDT70V28）進行天然氣壓氣設備的信號調理和遠程通信控制，設計上位機通信電路進行輸出信號的放大處理，在通用PPI模式下進行天然氣壓氣設備數(shù)據(jù)采集后的信號自適應處理＼[9＼]，得到信號檢波放大模塊電路設計如圖6所示。

（5）輸出接口。輸出接口電路設計實現(xiàn)對狀態(tài)監(jiān)測儀表的人機交互和數(shù)據(jù)輸出功能，采用TMS320C50 DSP芯片作為狀態(tài)監(jiān)測儀表的輸出接口芯片，使用ADM706S作為串口同步時鐘控制芯片＼[10＼]，進行輸出接口電路設計，得到設計電路如圖7所示。

綜上對監(jiān)測儀表的模塊化設計，在PCB中進行電路的調試，實現(xiàn)壓氣設備工況智能監(jiān)測儀表的優(yōu)化設計。

3電路調試和實驗測試分析

為了驗證本文設計的狀態(tài)監(jiān)測儀表在實現(xiàn)天然氣設備工況智能監(jiān)測中的性能，進行電路調試分析。調試過程使用的儀器儀表為Tektronix TX3 True RMS MultiMeter、Agilent 混合示波器等，通過JTAG掃描天然氣壓氣設備的監(jiān)測儀表的輸出端確定DSP是否工作正常，打開Visual DSP++自帶的ICE Test界面進行天然氣壓氣設備的工況數(shù)據(jù)采集輸出分析，得到原始采集的數(shù)據(jù)波形如圖8所示。

分析圖9得知，采用本文方法進行天然氣壓氣設備工況狀態(tài)監(jiān)測，能準確提取工況數(shù)據(jù)的樣本參數(shù)并實現(xiàn)狀態(tài)特征譜分析，實現(xiàn)對壓氣設備的實時狀態(tài)監(jiān)測，提高壓氣設備的智能故障分析和狀態(tài)識別能力，工況監(jiān)測智能性較好，系統(tǒng)的兼容控制和人機交互性較強。4結束語

為了確保天然氣壓氣設備工作穩(wěn)定可靠，保障整個天然氣壓縮和輸送工程的持續(xù)可靠運轉，本文提出基于VIX總線技術和DSP集成信息處理的壓氣設備工況監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，采用模塊化設計方案進行天然氣壓氣設備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測儀表的模塊化設計，對監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集模塊、總線輸出控制模塊、集成信息處理模塊、信號檢波放大模塊以及輸出接口進行詳細設計。在DSP集成信息處理環(huán)境下進行狀態(tài)監(jiān)測儀表的硬件模塊化設計和集成設計開發(fā)。研究得知，本文設計的天然氣壓氣設備的監(jiān)測儀表可靠性較好，智能性較強，能實現(xiàn)對壓氣設備的工況狀態(tài)信息的準確檢測和分析。

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