皇甫玉龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電設(shè)備中心， 山西 大同 037003）

引言

隨著能源、化工和設(shè)備制造等行業(yè)的快速發(fā)展，空氣壓縮機(jī)的市場(chǎng)變得日益龐大，對(duì)其運(yùn)行控制和監(jiān)測(cè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求也越來越高。同時(shí)由于空氣壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中進(jìn)行高強(qiáng)度周期性的壓縮操作，具有極高的危險(xiǎn)性，因此加強(qiáng)對(duì)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆并排除潛在隱患具有重要意義[1]。

1 系統(tǒng)整體總體設(shè)計(jì)方案

典型壓縮空氣系統(tǒng)如圖1 所示，主要由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣體干燥機(jī)、氣體過濾器、排污口和終端用戶組成。在使用環(huán)境中，氣體被吸入壓縮機(jī)進(jìn)行處理，由低壓氣體變?yōu)楦邏簹怏w并存入儲(chǔ)氣罐進(jìn)行緩沖處理，去除氣體中含有的水汽、油污和其他雜質(zhì)之后，經(jīng)過氣體干燥機(jī)和過濾器，完成深層次的除油和吸水工作，確保壓縮后的氣體更為純凈，最終將處理后的氣體由運(yùn)輸管道傳給終端用戶，整個(gè)流程中完成壓縮氣體的產(chǎn)生、運(yùn)輸和使用工作[2]。

圖1 典型空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)組成

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)整體框架圖

根據(jù)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)如圖2 所示的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為設(shè)備層和監(jiān)控層兩大部分，監(jiān)控的基本組成部分為節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由溫度傳感器、壓力傳感器、電壓監(jiān)測(cè)裝置、數(shù)據(jù)加密模塊、RS485 通信模塊等子功能模塊組成，進(jìn)行各個(gè)壓縮機(jī)的不間斷測(cè)量監(jiān)控工作。當(dāng)完成上述參數(shù)的監(jiān)控工作后，不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過485 總線匯集至485集中器，并經(jīng)過485/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，完成傳輸信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換工作，從設(shè)備層將關(guān)鍵信號(hào)傳輸至以太網(wǎng)。監(jiān)控分析模塊的服務(wù)器用于存儲(chǔ)、計(jì)算關(guān)鍵數(shù)據(jù)并供顯示分析模塊訪問。顯示分析模塊除實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)比如運(yùn)行溫度、氣體壓力、負(fù)載電壓、電流等的實(shí)時(shí)曲線顯示和報(bào)警外，還能實(shí)現(xiàn)重要運(yùn)行場(chǎng)所的視頻信號(hào)播放功能，為保證視頻質(zhì)量，采用PAL 制式視頻信號(hào)[3]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)CPU 選擇及視頻解碼方案

現(xiàn)有空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)大多采用PLC 作為控制核心，但是其購置成本較高，開發(fā)較為困難，運(yùn)行維護(hù)周期較長，基于上述原因，本系統(tǒng)的各個(gè)空氣壓縮機(jī)測(cè)量傳感節(jié)點(diǎn)采用 ARM 控制器STM32F103ZET6 作為控制核心，相較于傳統(tǒng)的PLC其具有購置和維護(hù)成本低、故障容易排除且運(yùn)行速度快、外圍功能容易拓展且開發(fā)周期較短、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

在關(guān)鍵設(shè)備選型中，除設(shè)備層節(jié)點(diǎn)CPU 外，為便于視頻信號(hào)顯示，在監(jiān)控層通過SPI 通信端口完成MAX4756 芯片寄存器配置，在此基礎(chǔ)上使用PAL視頻信號(hào)解碼顯示器，實(shí)現(xiàn)被監(jiān)控設(shè)備當(dāng)前時(shí)間和地點(diǎn)信號(hào)的OSD 顯示，完成視頻信號(hào)對(duì)照顯示、記錄和精確存儲(chǔ)功能[4]。

2.2 參數(shù)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

溫度作為衡量空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并作為顯示控制系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警和處理的關(guān)鍵參數(shù)[5]。為保證其測(cè)量的精確性，需保證傳感器測(cè)量范圍為-45～120 ℃，測(cè)量誤差和最小分辨率為1 ℃，根據(jù)以上要求選用PT100 鉑電阻溫度傳感器作為前端測(cè)量探頭，完成對(duì)壓縮機(jī)溫度的實(shí)時(shí)感知，設(shè)計(jì)的溫度傳感電路如圖3 所示。

圖3 鉑電阻溫度測(cè)量電路

鉑電阻溫度傳感器利用鉑電阻的熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度測(cè)量，鉑電阻的阻值與環(huán)境溫度高度相關(guān)。如圖3 所示，采用可消除導(dǎo)線電阻影響的三線連接方式之后，初始微小的電壓信號(hào)經(jīng)過電橋放大，模擬電路濾波、AD 轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字濾波電路和溫度轉(zhuǎn)換之后，得到實(shí)際空氣壓縮機(jī)機(jī)體溫度，其溫度與鉑電阻阻值關(guān)系如下：

式中：R0為鉑電阻在0℃下的電阻值，標(biāo)準(zhǔn)值為100Ω；RT為鉑電阻在 T ℃下的電阻值，Ω；T 為溫度，℃；A為溫度系數(shù)，3.908 3×10-3℃-1。

除溫度測(cè)量電路外，還需要對(duì)氣壓傳感器等輸出接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于其采用4～20 mA 信號(hào)制式，因此通常設(shè)計(jì)電流轉(zhuǎn)電壓電路，通過調(diào)整增益電阻，將輸出調(diào)節(jié)至指定的范圍，并結(jié)合AD 轉(zhuǎn)換電路，完成對(duì)氣壓傳感器示數(shù)的實(shí)時(shí)讀取。

2.3 通信模塊及通信框架設(shè)計(jì)

為保證空氣壓縮機(jī)傳感數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸，需要使用一種穩(wěn)定高效抗干擾能力強(qiáng)的通信方式，本方案采用硬件指標(biāo)為485 總線，數(shù)據(jù)幀采用ModBus 協(xié)議的方法，完成傳感節(jié)點(diǎn)與485 集中器之間的溫度、壓力、電壓等關(guān)鍵參數(shù)的傳輸。

相較于其他傳輸方法，485 總線接口采用差分電平和平衡驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合的方式進(jìn)行傳輸，抗共模干擾能力強(qiáng)，最高可支持12 Mbps 傳輸速率，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1 200 m，并支持中繼器的傳輸方式，本方案即采用此方法。除此之外還具有聯(lián)網(wǎng)多機(jī)通信功能，最多可支持128 個(gè)終端。軟件協(xié)議方面，采用的ModBus 協(xié)議，其通信數(shù)據(jù)幀格式如圖4 所示，接收單元有對(duì)應(yīng)的地址碼，主要由初始結(jié)構(gòu)（大于4 字節(jié)）、地址碼（1 字節(jié)）、功能碼（1 字節(jié)）、數(shù)據(jù)區(qū)（N 字節(jié)）、校驗(yàn)碼（16 位數(shù)據(jù)）、結(jié)束結(jié)構(gòu)（大于 4 字節(jié)）組成，主要通過CRC 循環(huán)冗余算法來保證校驗(yàn)碼數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。

圖4 RS485 電路模塊設(shè)計(jì)

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)整體的安全控制，制定了如圖5 所示的監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警處置流程圖。當(dāng)系統(tǒng)開始流程之后，經(jīng)過系統(tǒng)初始化完成相關(guān)參數(shù)初始配置，并采集當(dāng)前溫度數(shù)值進(jìn)行判斷。當(dāng)其超過預(yù)定溫度值時(shí)，系統(tǒng)顯示溫度異常，并進(jìn)行壓縮機(jī)停機(jī)、設(shè)備故障報(bào)警等預(yù)警處置，直至溫度恢復(fù)正常時(shí)，停止報(bào)警；當(dāng)檢測(cè)到溫度正常而氣體壓力值異常時(shí)，完成壓力預(yù)警顯示，并實(shí)施停止繼電器、壓縮機(jī)停止工作等預(yù)警處置。同理對(duì)于系統(tǒng)電壓和電流出現(xiàn)上述問題時(shí)，也執(zhí)行相關(guān)保護(hù)程序，最后執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及波形顯示功能，以確保檢測(cè)數(shù)據(jù)直觀可見。

4 結(jié)語

為增強(qiáng)空氣壓縮系統(tǒng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性，在研究壓縮機(jī)運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)以ARM 處理器為核心的設(shè)備層節(jié)點(diǎn)傳感裝置，完成對(duì)壓縮裝置溫度、壓力、電壓等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集并以485 總線為傳輸媒介，進(jìn)行符合ModBus 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。頂層監(jiān)控層通過對(duì)總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器的訪問和視頻信號(hào)的解碼完成歷史數(shù)據(jù)波形顯示和實(shí)時(shí)報(bào)警功能。本系統(tǒng)的研制對(duì)提高空氣壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，增強(qiáng)控制智能化水平具有一定的借鑒意義。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警處置流程圖