基于虛擬儀器的螺桿式壓縮機監測系統研究

徐惠敏

（衢州學院機械工程學院，浙江 衢州324000）

由于螺桿式壓縮機具有運行可靠、適應性強、工況范圍廣、結構緊湊和維護操作方便等特點，目前已廣泛應用于交通運輸、化工、機械制造、制冷等多個行業。螺桿式壓縮機作為這些行業中的關鍵設備，必須確保其安全穩定運行，否則往往造成整臺設備甚至整個生產過程癱瘓，造成巨大經濟損失甚至出現人員傷亡等重大事故。目前，生產現場使用的螺桿壓縮機監測系統多數直接采用PLC控制器或直接進行人工監測，這些監測方法作用單一，經常出現監測不精確和判斷滯后，無法確保系統可靠運行[1-2]。Lab－VIEW軟件開發平臺采用強大的圖形化編程語言，能夠非常方便地完成數據采集、分析顯示、工業過程仿真、儀器控制、測量測試及控制等多種操作，實現“軟件即是儀器”[3]。采用虛擬軟件LabVIEW進行螺桿式壓縮機多功能實時狀態監測系統設計，不僅能提高螺桿式壓縮機控制系統的可靠性，還能及時分析并診斷系統故障原因，對促進螺桿式壓縮機產品的技術升級具有重要意義。

1 系統總體設計

采用虛擬儀器（VI）LabVIEW軟件開發平臺對螺桿式壓縮機的運行狀態進行實時在線監測，可以充分利用其圖形化的直觀界面形象、友好的人機交互界面設計、強大的數據可視化分析控制能力，開發模擬儀器控制面板和進行數據分析存儲，使監測系統更趨于靈活化和智能化[4-5]。

螺桿式壓縮機在線監測系統的結構框圖如圖1所示。該系統主要由電機、螺桿式壓縮機、潤滑系統、進氣系統、油氣分離系統、出氣系統、數據采集卡、計算機和LabVIEW軟件開發平臺等多部分組成。其中數據采集卡是在線監測系統的核心部件，主要用于采集各路傳感器信號，將模擬電壓或電流信號轉變為數字信號送入計算機進行處理。計算機主要用于軟件系統開發、參數設定、數據顯示、數據分析和人機交互等。計算機可以通過USB下載線、ISA總線或PCI總線與數據采集卡實時通信，可以在線調試或進行系統軟件仿真。

圖1 在線監測系統總體框圖

2 硬件系統設計

2.1 傳感器的選擇和測點設置

螺桿式壓縮機控制系統分為壓縮氣體流向控制、進氣系統控制、潤滑系統控制和電機控制等幾部分組成。壓縮氣體流向控制和進氣系統控制要求保證壓縮機排氣壓力和容積流量測量精度；潤滑系統要求對螺桿式壓縮機轉子和軸承等起到潤滑和冷卻作用，必須控制油溫、油壓和油流量，確保壓縮機正常運行；油氣分離系統對氣缸外層殼體冷卻，噴入氣缸中的油與氣體混合，降低排氣溫度。因此，螺桿式壓縮機監測系統參數主要有電壓、電流、轉矩、振動、吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、排氣溫度、流量、潤滑油油溫、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：測量電機輸出轉矩的扭矩傳感器，測量油溫、軸承溫度和氣溫等的溫度傳感器，測量氣體流量的流量計，測量氣體壓力的壓力傳感器以及測量壓縮機前后軸位移和振動的振動傳感器等。其中螺桿式壓縮機的進氣和排氣壓力、潤滑和油氣分離系統的溫度是保證壓縮機穩定運行的重要參數。

所用各個傳感器參照國家標準對測試儀器儀表設備的精度要求進行選擇，其中壓力變送器采用ZW1151GP-16型電容式壓力變送器。該傳感器將測壓元件、信號測量電路和過程連接件等三部分合為一體，具有無死區，穩定性好等特點，測量精度達到0.25%;溫度傳感器則采用J型熱電偶，將熱電偶與AD594結合組成溫度測量電路。由于AD594片內除了有放大電路外，還有溫度補償電路，該J型熱電偶經激光休整后可得到10 mv/℃，精度等級達到0.2%。其他傳感器的選擇參照如上要求進行選擇。傳感器選擇好后，按照螺桿壓縮機各系統的控制要求分別設置測點。

2.2 數據采集

數據采集(DAQ)是從傳感器中自動采集非電量或電量信號，將其轉換后送至上位機中進行分析處理的測量系統，是監測系統設計的關鍵環節。為了保證螺桿壓縮機可靠穩定運行，要求其實時監測系統能靈活準確地采集數據，并進行數據分析處理和顯示處理結果。為了方便處理模擬信號和數字信號，一般數據采集卡具有數字輸入接口和模擬輸入接口。本次設計選用的傳感器基本配備了信號調理電路，大部分傳感器經測試信號調理后可以輸出4~20 mA的標準電流信號，這些信號可以直接送入數據采集卡進行A/D轉換處理。綜合考慮本系統選用研華PCL-812PG MultiLab模擬量和數字量I/O卡。PCL-812PG是ISA總線半長卡，能夠為PC/AT及其兼容系統提供A/D轉換、D/A轉換、數字量輸入、數字量輸出和計數器/定時等五項測量與控制功能。該數據采集卡可提供16路12位模擬量輸出、2路12位模擬量輸出、16路數字輸入、16路數字輸出和一個可編程計數器/定時器，采樣速率可根據信號變化要求進行編程，最快達30 KHz.該數據采集卡經過ISA總線與計算機進行通訊連接。

3 軟件系統設計

LabVIEW軟件開發平臺采用圖形化編程語言進行編寫程序，其應用程序由前面板、框圖程序和圖標連接器三部分組成。LabVIEW建立新程序時會同時生成前面板和框圖程序窗口，每一個程序前面板對應一段框圖程序。前面板用于設置輸入控件和輸出控件，能模擬真實儀器儀表的前面板，并以各種簡單直觀的圖像形式出現，如開關、按鈕、旋鈕、溫度計、圖表和各種圖形。框圖程序是虛擬儀器（VI）的圖形化源程序，采用LabVIEW圖形編輯語言編寫，由圖框、節點、端口和連線四部分構成。圖標連接器是子VI被其他VI調用的接口。采用LabVIEW軟件設計監測系統不用寫程序代碼，采用程序流程圖便可自主開發虛擬儀器。

螺桿式壓縮機監測系統上位工控機中的LabVIEW設計是整個系統的核心部分，用于實現對下位機的監控和控制。軟件系統結構由用戶界面和管理界面組成，如圖2所示。用戶界面主要對進氣/出氣系統控制、壓縮氣體流向控制、潤滑系統控制、冷卻分離系統控制和主電機控制等五部分組成，各個系統通過數據顯示、數據分析、實時曲線顯示和報警顯示等進行監測系統運行狀況。管理界面主要對壓縮機運行參數設定、遠程操作控制、進行現場數據分析和數據管理保存（報表、數據綜合）等，便于對螺桿式壓縮機運行異常狀態做出快速反應，提高系統的工作效率和運行可靠性。

圖2 軟件系統結構組成

3.1 系統登陸界面設計

螺桿式壓縮機監測系統的登陸界面是進入內部控制界面的重要環節，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。在系統啟動后，要求先顯示一個歡迎界面如圖（b），再跳出用戶信息或管理員信息，登錄系統的編程，要求一個界面中輸入數據和讀取文件中的值進行比較，若相同則調用系統界面；否則就退出系統或者重新等待輸入。

圖3 系統登陸界面程序框圖

3.2 人機交互狀態監測

由于螺桿式壓縮機監測系統的狀態監測過程中需要對各種參數進行同步顯示和分析，采用DAQ進行數據采集時，應根據系統硬件情況，分別設置采用頻率。如進氣溫度和進氣壓力的數據變化相對較小，采樣點和采樣頻率均可以相對降低些；而對于電機控制中電壓和電流、出口氣體的流量和溫度等變化相對較快的參數，為滿足系統對變化監測的需求，采樣點和采樣頻率就必須設置相對高些。對于狀態監測時出現異常設置參數變化范圍，應編制狀態判斷子VI，以便在狀態監測時與這些參數的標準值進行比較，如超出界限值或數據明顯不正確，則需要及時報警并采取適當措施，避免進一步出現事故。

螺桿式壓縮機監測系統中的進氣和排氣壓力、流量、潤滑系統和油氣分離冷卻系統的溫度是最重要的幾個參數。圖4所示為用戶界面中進氣排氣系統中的氣體溫度、壓力和流量的顯示和控制界面。該界面對進氣參數和出氣參數可以分別設置，并進行監測，當出現超過規定值范圍還可以進行報警提示。

圖4 進氣排氣系統控制界面設計

3.3 報警界面設計

螺桿式壓縮機的報警信號主要有軸振動、軸承溫度、油氣分離系統中各個進出口的溫度報警等。本次設計根據信號類型采用不同的報警顯示方式，如對螺桿軸振動、出口氣體的壓力等采用曲線顯示方式；對于溫度報警如軸承溫度、進出口氣體溫度、油氣分離系統進出口氣體溫度等則可采用溫度計棒圖形式，溫度根據要求設定上下限值，如潤滑油的油溫為 20℃～57℃，軸承處的溫度為 20℃～65℃，當顯示值超過上下限值時，應及時報警并記錄報警次數，當報警次數連續超過三次，應與下位機聯動進行合理處理甚至緊急停止，避免出現更大故障。

4 結束語

本文采用虛擬儀器LabVIEW軟件平臺設計了螺桿式壓縮機監測系統，系統穩定性好，界面直觀，數據采集卡的應用保證了系統具有高精度、高分辨率和高效率。通過該系統能及時準確地掌握螺桿式壓縮機的實時工作狀態。通過觀察氣體壓力、流量等曲線，經過數據分析可以及時發現并合理處理設備故障，提高了螺桿式壓縮機的工作性能和可靠性，保證設備長時間穩定運行的需求。

[1]陸龍勝，胡建軍.基于LabVIEW的空氣壓縮機主機性能測試系統[J].流體機械，2010，（11）：49-54.

[2]劉志芳.基于虛擬儀器技術的離心壓縮機組群在線狀態監測系統的開發[D].北京：北京化工大學學位論文，2002：10-42.

[3]溫國強，吳亞軍，趙俊英.基于虛擬儀器技術的實時溫度測控系統構建[J].科技風，2015，（8）：56-57.

[4]徐道春，馮平法，焦 慧，等.螺桿式空氣壓縮機性能測試系統設計[J].機械設計與制造，2007，（11）：143-145.

[5]劉許紅，安 偉.基于虛擬儀器的壓縮機故障遠程診斷和監測研究[J].壓縮機技術，2008，（2）：8-10.