天然氣壓氣設(shè)備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測儀表設(shè)計(jì)

楊凱 郭建良

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

摘要： 關(guān)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(shè)備主要指天然氣壓縮機(jī)及其配套的產(chǎn)品設(shè)備，這類設(shè)備長期工作在高負(fù)荷狀態(tài)下，需要進(jìn)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(shè)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(yùn)轉(zhuǎn)。研究天然氣壓氣設(shè)備的智能化工況監(jiān)測技術(shù)，在壓氣設(shè)備的故障診斷分析、狀態(tài)測試和可靠性評估等領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用價值＼[1＼]。

對天然氣壓氣設(shè)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(chǔ)上，提取天然氣壓氣設(shè)備的振動噪聲數(shù)據(jù)、機(jī)械數(shù)據(jù)、電機(jī)數(shù)據(jù)和天然氣的壓力傳感數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時信息采集，在中央控制器中進(jìn)行信息分析，提取壓氣設(shè)備工況狀態(tài)數(shù)據(jù)的特征量，根據(jù)特征差異性進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和風(fēng)險預(yù)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(shè)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(shù)和DSP集成信息處理的壓氣設(shè)備工況監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先進(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能模塊分析，采用模塊化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測儀表的模塊化設(shè)計(jì)，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(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測儀表的硬件模塊化設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)開發(fā)。最后進(jìn)行系統(tǒng)測試分析，展示了本文設(shè)計(jì)的智能儀表在提高天然氣壓氣設(shè)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(shè)計(jì)構(gòu)架及開發(fā)環(huán)境描述

1.1儀表總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

本文設(shè)計(jì)的天然氣壓氣設(shè)備工況狀態(tài)自動監(jiān)測儀表主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分，對天然氣壓氣設(shè)備工況狀態(tài)自動監(jiān)測的軟件設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行信號采集和特征提取算法設(shè)計(jì)，采用譜分析方法進(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備狀態(tài)的信號檢測設(shè)計(jì)，結(jié)合功率譜密度特征提取和自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行壓氣設(shè)備的輸出狀態(tài)特征分析＼[4＼]。壓氣設(shè)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(shè)計(jì)，分別為感知控制層、天然氣壓氣設(shè)備工況狀態(tài)監(jiān)測信息傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層等，采用ADSP21160處理器作為天然氣壓氣設(shè)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(jìn)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(jìn)行工況數(shù)據(jù)采集，結(jié)合自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)進(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備工況狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程檢測和自動控制，設(shè)計(jì)人機(jī)交互模塊進(jìn)行壓氣設(shè)備監(jiān)測的智能接口設(shè)計(jì)，采用上位機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備工況狀態(tài)信息預(yù)警和集成信息處理＼[5＼]，采用ROM、RAM和DSP內(nèi)核為一體進(jìn)行交叉編譯控制，進(jìn)行監(jiān)測儀表的三層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2開發(fā)環(huán)境描述和主要功能結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)圖1的總體構(gòu)架模型，結(jié)合外圍器件互連（Peripheral Component Interconnect， PCI）總線技術(shù)進(jìn)行壓氣設(shè)備工況狀態(tài)自動監(jiān)測儀的外圍器件設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的天然氣壓氣設(shè)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(jī)交互模塊等。采用PCI總線進(jìn)行工況狀態(tài)監(jiān)測信息的遠(yuǎn)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(nèi)核處理器，采用S3C2440A芯片為主控芯片，在ARM嵌入式內(nèi)核控制模塊中進(jìn)行時鐘系統(tǒng)開發(fā)和接口設(shè)計(jì)，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(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測的傳感器設(shè)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(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，在調(diào)理過程中實(shí)現(xiàn)信號濾波，經(jīng)過初步的信號處理后，結(jié)合包絡(luò)檢波和DSP集成處理，實(shí)現(xiàn)對壓氣設(shè)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(shè)計(jì)的壓氣設(shè)備工況狀態(tài)自動監(jiān)測儀表的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

2監(jiān)測儀表的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上述給出了監(jiān)測儀的總體設(shè)計(jì)分析和功能模塊組成分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行壓氣設(shè)備工況狀態(tài)監(jiān)測儀的硬件模塊化設(shè)計(jì)，本文采用基于VIX總線技術(shù)和DSP集成信息處理的壓氣設(shè)備工況監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)對天然氣壓氣設(shè)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(shí)現(xiàn)對采集的天然氣壓氣設(shè)備輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)指令存儲和尋址，得到數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

（2）總線輸出控制模塊?？偩€輸出控制模塊采用AD7864（以下簡稱7864）設(shè)計(jì)，構(gòu)建A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行4通道的天然氣壓氣設(shè)備工況狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入控制，設(shè)定壓氣設(shè)備的工況狀態(tài)數(shù)據(jù)的特征轉(zhuǎn)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(shè)備狀態(tài)監(jiān)測儀表設(shè)計(jì)的核心，采用VIX集成總線進(jìn)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(jìn)行工況數(shù)據(jù)采集，對采集的壓氣設(shè)備工況數(shù)據(jù)通過信號調(diào)理電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換＼[8＼]，用DSP控制PPI_CLK周期，采用CAN總線驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)1.15～5.5 V電平的自由轉(zhuǎn)換，得到天然氣壓氣設(shè)備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測儀表的集成信息處理模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。

（4）信號檢波放大模塊。信號檢波放大模塊實(shí)現(xiàn)對天然氣壓氣設(shè)備的工況采樣信號的檢波和濾波放大功能，設(shè)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(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備的信號調(diào)理和遠(yuǎn)程通信控制，設(shè)計(jì)上位機(jī)通信電路進(jìn)行輸出信號的放大處理，在通用PPI模式下進(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備數(shù)據(jù)采集后的信號自適應(yīng)處理＼[9＼]，得到信號檢波放大模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

（5）輸出接口。輸出接口電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對狀態(tài)監(jiān)測儀表的人機(jī)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(jìn)行輸出接口電路設(shè)計(jì)，得到設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

綜上對監(jiān)測儀表的模塊化設(shè)計(jì)，在PCB中進(jìn)行電路的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)壓氣設(shè)備工況智能監(jiān)測儀表的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3電路調(diào)試和實(shí)驗(yàn)測試分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的狀態(tài)監(jiān)測儀表在實(shí)現(xiàn)天然氣設(shè)備工況智能監(jiān)測中的性能，進(jìn)行電路調(diào)試分析。調(diào)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(shè)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(jìn)行天然氣壓氣設(shè)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(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備工況狀態(tài)監(jiān)測，能準(zhǔn)確提取工況數(shù)據(jù)的樣本參數(shù)并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)特征譜分析，實(shí)現(xiàn)對壓氣設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測，提高壓氣設(shè)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(jī)交互性較強(qiáng)。4結(jié)束語

為了確保天然氣壓氣設(shè)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(yùn)轉(zhuǎn)，本文提出基于VIX總線技術(shù)和DSP集成信息處理的壓氣設(shè)備工況監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用模塊化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行天然氣壓氣設(shè)備工況智能化狀態(tài)監(jiān)測儀表的模塊化設(shè)計(jì)，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(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在DSP集成信息處理環(huán)境下進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測儀表的硬件模塊化設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)開發(fā)。研究得知，本文設(shè)計(jì)的天然氣壓氣設(shè)備的監(jiān)測儀表可靠性較好，智能性較強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)對壓氣設(shè)備的工況狀態(tài)信息的準(zhǔn)確檢測和分析。

參考文獻(xiàn)

[1] ULUKUS S， YENER A， ERKIP E， et al. Energy harvesting wireless communications：A review of recent advances＼[J＼]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2015，33（3）： 360-381.

[2] ZHAO Nan， ZHANG Shun， YU F R， et al. Exploiting interference for energy harvesting：A survey，research issues and challenges＼[J＼]. IEEE Access， 2017（5）： 10403-10421.

[3] DAI Haibo， HUANG Yongming， LI Chunguo， et al. Energy-efficient resource allocation for device-to-device communication with WPT＼[J＼]. IET Communications， 2017，11（3）： 326-334.

[4] LI Dandan， SHEN Chao， QIU Zhengding. Two-way relay beamforming for sum-rate maximization and energy harvesting＼[C＼]// IEEE International Conference on Communications （ICC）. Budapest， Hungary： IEEE， 2013： 3115-3120.

[5] LIU Yuan. Joint resource allocation in SWIPT-based multi-antenna decode-and-forward relay networks＼[J＼]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2017，66（10）： 9192-9200.

[6] 張曉戎，王程成，胡光波，等. 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(jī)技術(shù)，2013（6）： 16-20，28.

[7] 任偉建，王重云，康朝海，等. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)＼[J＼]. 電氣應(yīng)用，2013，32（15）： 66-71.

[8] 高閃， 梅勁松. 輸入非線性系統(tǒng)的執(zhí)行器故障容錯控制＼[J＼]. 信息與控制， 2015，44（4）： 463-468.

[9] 王磊，劉海濤，梁滔，等. 低頻伺服力激勵下進(jìn)給系統(tǒng)建模與動態(tài)響應(yīng)分析＼[J＼]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（3）： 80-86.

[10]李兵，徐榕，賈春寧，等. 基于自適應(yīng)形態(tài)提升小波與改進(jìn)非負(fù)矩陣分解的發(fā)動機(jī)故障診斷方法＼[J＼]. 兵工學(xué)報(bào)，2013，34（3）： 353-360.