基于虛擬儀器的螺桿式壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

徐惠敏

（衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州324000）

由于螺桿式壓縮機(jī)具有運(yùn)行可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、工況范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊和維護(hù)操作方便等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、化工、機(jī)械制造、制冷等多個(gè)行業(yè)。螺桿式壓縮機(jī)作為這些行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，必須確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行，否則往往造成整臺(tái)設(shè)備甚至整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程癱瘓，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失甚至出現(xiàn)人員傷亡等重大事故。目前，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的螺桿壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多數(shù)直接采用PLC控制器或直接進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，這些監(jiān)測(cè)方法作用單一，經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)測(cè)不精確和判斷滯后，無(wú)法確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行[1-2]。Lab－VIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言，能夠非常方便地完成數(shù)據(jù)采集、分析顯示、工業(yè)過(guò)程仿真、儀器控制、測(cè)量測(cè)試及控制等多種操作，實(shí)現(xiàn)“軟件即是儀器”[3]。采用虛擬軟件LabVIEW進(jìn)行螺桿式壓縮機(jī)多功能實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅能提高螺桿式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，還能及時(shí)分析并診斷系統(tǒng)故障原因，對(duì)促進(jìn)螺桿式壓縮機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采用虛擬儀器（VI）LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)螺桿式壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可以充分利用其圖形化的直觀界面形象、友好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析控制能力，開(kāi)發(fā)模擬儀器控制面板和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更趨于靈活化和智能化[4-5]。

螺桿式壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由電機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、油氣分離系統(tǒng)、出氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)等多部分組成。其中數(shù)據(jù)采集卡是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件，主要用于采集各路傳感器信號(hào)，將模擬電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)主要用于軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析和人機(jī)交互等。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)USB下載線、ISA總線或PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)通信，可以在線調(diào)試或進(jìn)行系統(tǒng)軟件仿真。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇和測(cè)點(diǎn)設(shè)置

螺桿式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)分為壓縮氣體流向控制、進(jìn)氣系統(tǒng)控制、潤(rùn)滑系統(tǒng)控制和電機(jī)控制等幾部分組成。壓縮氣體流向控制和進(jìn)氣系統(tǒng)控制要求保證壓縮機(jī)排氣壓力和容積流量測(cè)量精度；潤(rùn)滑系統(tǒng)要求對(duì)螺桿式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承等起到潤(rùn)滑和冷卻作用，必須控制油溫、油壓和油流量，確保壓縮機(jī)正常運(yùn)行；油氣分離系統(tǒng)對(duì)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(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)主要有電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)、吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、排氣溫度、流量、潤(rùn)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(cè)量電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的扭矩傳感器，測(cè)量油溫、軸承溫度和氣溫等的溫度傳感器，測(cè)量氣體流量的流量計(jì)，測(cè)量氣體壓力的壓力傳感器以及測(cè)量壓縮機(jī)前后軸位移和振動(dòng)的振動(dòng)傳感器等。其中螺桿式壓縮機(jī)的進(jìn)氣和排氣壓力、潤(rùn)滑和油氣分離系統(tǒng)的溫度是保證壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)。

所用各個(gè)傳感器參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試儀器儀表設(shè)備的精度要求進(jìn)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(cè)壓元件、信號(hào)測(cè)量電路和過(guò)程連接件等三部分合為一體，具有無(wú)死區(qū)，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，測(cè)量精度達(dá)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(cè)量電路。由于AD594片內(nèi)除了有放大電路外，還有溫度補(bǔ)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(jí)達(dá)到0.2%。其他傳感器的選擇參照如上要求進(jìn)行選擇。傳感器選擇好后，按照螺桿壓縮機(jī)各系統(tǒng)的控制要求分別設(shè)置測(cè)點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集(DAQ)是從傳感器中自動(dòng)采集非電量或電量信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換后送至上位機(jī)中進(jìn)行分析處理的測(cè)量系統(tǒng)，是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了保證螺桿壓縮機(jī)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，要求其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能靈活準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(hào)和數(shù)字信號(hào)，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(shè)計(jì)選用的傳感器基本配備了信號(hào)調(diào)理電路，大部分傳感器經(jīng)測(cè)試信號(hào)調(diào)理后可以輸出4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，這些信號(hào)可以直接送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)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(zhǎng)卡，能夠?yàn)镻C/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(jì)數(shù)器/定時(shí)等五項(xiàng)測(cè)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(gè)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，采樣速率可根據(jù)信號(hào)變化要求進(jìn)行編程，最快達(dá)30 KHz.該數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過(guò)ISA總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊連接。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用圖形化編程語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)程序，其應(yīng)用程序由前面板、框圖程序和圖標(biāo)連接器三部分組成。LabVIEW建立新程序時(shí)會(huì)同時(shí)生成前面板和框圖程序窗口，每一個(gè)程序前面板對(duì)應(yīng)一段框圖程序。前面板用于設(shè)置輸入控件和輸出控件，能模擬真實(shí)儀器儀表的前面板，并以各種簡(jiǎn)單直觀的圖像形式出現(xiàn)，如開(kāi)關(guān)、按鈕、旋鈕、溫度計(jì)、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(yǔ)言編寫(xiě)，由圖框、節(jié)點(diǎn)、端口和連線四部分構(gòu)成。圖標(biāo)連接器是子VI被其他VI調(diào)用的接口。采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不用寫(xiě)程序代碼，采用程序流程圖便可自主開(kāi)發(fā)虛擬儀器。

螺桿式壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位工控機(jī)中的LabVIEW設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)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(duì)進(jìn)氣/出氣系統(tǒng)控制、壓縮氣體流向控制、潤(rùn)滑系統(tǒng)控制、冷卻分離系統(tǒng)控制和主電機(jī)控制等五部分組成，各個(gè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)曲線顯示和報(bào)警顯示等進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。管理界面主要對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程操作控制、進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理保存（報(bào)表、數(shù)據(jù)綜合）等，便于對(duì)螺桿式壓縮機(jī)運(yùn)行異常狀態(tài)做出快速反應(yīng)，提高系統(tǒng)的工作效率和運(yùn)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(shè)計(jì)

螺桿式壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的登陸界面是進(jìn)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(dòng)后，要求先顯示一個(gè)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(gè)界面中輸入數(shù)據(jù)和讀取文件中的值進(jìn)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(jī)交互狀態(tài)監(jiān)測(cè)

由于螺桿式壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行同步顯示和分析，采用DAQ進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)硬件情況，分別設(shè)置采用頻率。如進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力的數(shù)據(jù)變化相對(duì)較小，采樣點(diǎn)和采樣頻率均可以相對(duì)降低些；而對(duì)于電機(jī)控制中電壓和電流、出口氣體的流量和溫度等變化相對(duì)較快的參數(shù)，為滿足系統(tǒng)對(duì)變化監(jiān)測(cè)的需求，采樣點(diǎn)和采樣頻率就必須設(shè)置相對(duì)高些。對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)出現(xiàn)異常設(shè)置參數(shù)變化范圍，應(yīng)編制狀態(tài)判斷子VI，以便在狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)與這些參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如超出界限值或數(shù)據(jù)明顯不正確，則需要及時(shí)報(bào)警并采取適當(dāng)措施，避免進(jìn)一步出現(xiàn)事故。

螺桿式壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的進(jìn)氣和排氣壓力、流量、潤(rùn)滑系統(tǒng)和油氣分離冷卻系統(tǒng)的溫度是最重要的幾個(gè)參數(shù)。圖4所示為用戶界面中進(jìn)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(duì)進(jìn)氣參數(shù)和出氣參數(shù)可以分別設(shè)置，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)超過(guò)規(guī)定值范圍還可以進(jìn)行報(bào)警提示。

圖4 進(jìn)氣排氣系統(tǒng)控制界面設(shè)計(jì)

3.3 報(bào)警界面設(shè)計(jì)

螺桿式壓縮機(jī)的報(bào)警信號(hào)主要有軸振動(dòng)、軸承溫度、油氣分離系統(tǒng)中各個(gè)進(jìn)出口的溫度報(bào)警等。本次設(shè)計(jì)根據(jù)信號(hào)類型采用不同的報(bào)警顯示方式，如對(duì)螺桿軸振動(dòng)、出口氣體的壓力等采用曲線顯示方式；對(duì)于溫度報(bào)警如軸承溫度、進(jìn)出口氣體溫度、油氣分離系統(tǒng)進(jìn)出口氣體溫度等則可采用溫度計(jì)棒圖形式，溫度根據(jù)要求設(shè)定上下限值，如潤(rùn)滑油的油溫為 20℃～57℃，軸承處的溫度為 20℃～65℃，當(dāng)顯示值超過(guò)上下限值時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)警并記錄報(bào)警次數(shù)，當(dāng)報(bào)警次數(shù)連續(xù)超過(guò)三次，應(yīng)與下位機(jī)聯(lián)動(dòng)進(jìn)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(yǔ)

本文采用虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了螺桿式壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，界面直觀，數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用保證了系統(tǒng)具有高精度、高分辨率和高效率。通過(guò)該系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握螺桿式壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。通過(guò)觀察氣體壓力、流量等曲線，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并合理處理設(shè)備故障，提高了螺桿式壓縮機(jī)的工作性能和可靠性，保證設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

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