空氣壓縮機監控系統設計

皇甫玉龍

（晉能控股煤業集團機電設備中心， 山西 大同 037003）

引言

隨著能源、化工和設備制造等行業的快速發展，空氣壓縮機的市場變得日益龐大，對其運行控制和監測的安全性和經濟性要求也越來越高。同時由于空氣壓縮機在運行過程中進行高強度周期性的壓縮操作，具有極高的危險性，因此加強對空氣壓縮機的運行狀態監控，及時發現故障征兆并排除潛在隱患具有重要意義[1]。

1 系統整體總體設計方案

典型壓縮空氣系統如圖1 所示，主要由空氣壓縮機、儲氣罐、氣體干燥機、氣體過濾器、排污口和終端用戶組成。在使用環境中，氣體被吸入壓縮機進行處理，由低壓氣體變為高壓氣體并存入儲氣罐進行緩沖處理，去除氣體中含有的水汽、油污和其他雜質之后，經過氣體干燥機和過濾器，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輸管道傳給終端用戶，整個流程中完成壓縮氣體的產生、運輸和使用工作[2]。

圖1 典型空氣壓縮機系統組成

圖2 監控系統整體框架圖

根據空氣壓縮機系統組成，設計如圖2 所示的監控系統。系統主要分為設備層和監控層兩大部分，監控的基本組成部分為節點，每個節點由溫度傳感器、壓力傳感器、電壓監測裝置、數據加密模塊、RS485 通信模塊等子功能模塊組成，進行各個壓縮機的不間斷測量監控工作。當完成上述參數的監控工作后，不同節點的數據通過485 總線匯集至485集中器，并經過485/以太網轉換器，完成傳輸信號燈的轉換工作，從設備層將關鍵信號傳輸至以太網。監控分析模塊的服務器用于存儲、計算關鍵數據并供顯示分析模塊訪問。顯示分析模塊除實現關鍵數據比如運行溫度、氣體壓力、負載電壓、電流等的實時曲線顯示和報警外，還能實現重要運行場所的視頻信號播放功能，為保證視頻質量，采用PAL 制式視頻信號[3]。

2 系統硬件電路設計

2.1 節點CPU 選擇及視頻解碼方案

現有空氣壓縮機監控系統大多采用PLC 作為控制核心，但是其購置成本較高，開發較為困難，運行維護周期較長，基于上述原因，本系統的各個空氣壓縮機測量傳感節點采用 ARM 控制器STM32F103ZET6 作為控制核心，相較于傳統的PLC其具有購置和維護成本低、故障容易排除且運行速度快、外圍功能容易拓展且開發周期較短、體積小等優點。

在關鍵設備選型中，除設備層節點CPU 外，為便于視頻信號顯示，在監控層通過SPI 通信端口完成MAX4756 芯片寄存器配置，在此基礎上使用PAL視頻信號解碼顯示器，實現被監控設備當前時間和地點信號的OSD 顯示，完成視頻信號對照顯示、記錄和精確存儲功能[4]。

2.2 參數監控模塊設計

溫度作為衡量空氣壓縮機運行狀態的重要指標，需要進行實時采集，并作為顯示控制系統進行預警和處理的關鍵參數[5]。為保證其測量的精確性，需保證傳感器測量范圍為-45～120 ℃，測量誤差和最小分辨率為1 ℃，根據以上要求選用PT100 鉑電阻溫度傳感器作為前端測量探頭，完成對壓縮機溫度的實時感知，設計的溫度傳感電路如圖3 所示。

圖3 鉑電阻溫度測量電路

鉑電阻溫度傳感器利用鉑電阻的熱效應實現對環境溫度測量，鉑電阻的阻值與環境溫度高度相關。如圖3 所示，采用可消除導線電阻影響的三線連接方式之后，初始微小的電壓信號經過電橋放大，模擬電路濾波、AD 轉換電路和數字濾波電路和溫度轉換之后，得到實際空氣壓縮機機體溫度，其溫度與鉑電阻阻值關系如下：

式中：R0為鉑電阻在0℃下的電阻值，標準值為100Ω；RT為鉑電阻在 T ℃下的電阻值，Ω；T 為溫度，℃；A為溫度系數，3.908 3×10-3℃-1。

除溫度測量電路外，還需要對氣壓傳感器等輸出接口進行設計，由于其采用4～20 mA 信號制式，因此通常設計電流轉電壓電路，通過調整增益電阻，將輸出調節至指定的范圍，并結合AD 轉換電路，完成對氣壓傳感器示數的實時讀取。

2.3 通信模塊及通信框架設計

為保證空氣壓縮機傳感數據準確傳輸，需要使用一種穩定高效抗干擾能力強的通信方式，本方案采用硬件指標為485 總線，數據幀采用ModBus 協議的方法，完成傳感節點與485 集中器之間的溫度、壓力、電壓等關鍵參數的傳輸。

相較于其他傳輸方法，485 總線接口采用差分電平和平衡驅動器相結合的方式進行傳輸，抗共模干擾能力強，最高可支持12 Mbps 傳輸速率，傳輸距離最遠可達1 200 m，并支持中繼器的傳輸方式，本方案即采用此方法。除此之外還具有聯網多機通信功能，最多可支持128 個終端。軟件協議方面，采用的ModBus 協議，其通信數據幀格式如圖4 所示，接收單元有對應的地址碼，主要由初始結構（大于4 字節）、地址碼（1 字節）、功能碼（1 字節）、數據區（N 字節）、校驗碼（16 位數據）、結束結構（大于 4 字節）組成，主要通過CRC 循環冗余算法來保證校驗碼數據傳輸準確。

圖4 RS485 電路模塊設計

3 軟件系統設計

為實現空氣壓縮機系統整體的安全控制，制定了如圖5 所示的監控系統報警處置流程圖。當系統開始流程之后，經過系統初始化完成相關參數初始配置，并采集當前溫度數值進行判斷。當其超過預定溫度值時，系統顯示溫度異常，并進行壓縮機停機、設備故障報警等預警處置，直至溫度恢復正常時，停止報警；當檢測到溫度正常而氣體壓力值異常時，完成壓力預警顯示，并實施停止繼電器、壓縮機停止工作等預警處置。同理對于系統電壓和電流出現上述問題時，也執行相關保護程序，最后執行數據存儲及波形顯示功能，以確保檢測數據直觀可見。

4 結語

為增強空氣壓縮系統運行安全性和穩定性，在研究壓縮機運行原理的基礎上，通過設計以ARM 處理器為核心的設備層節點傳感裝置，完成對壓縮裝置溫度、壓力、電壓等關鍵數據的采集并以485 總線為傳輸媒介，進行符合ModBus 協議的數據傳輸。頂層監控層通過對總線數據存儲服務器的訪問和視頻信號的解碼完成歷史數據波形顯示和實時報警功能。本系統的研制對提高空氣壓縮機運行穩定性，增強控制智能化水平具有一定的借鑒意義。

圖5 監控系統報警處置流程圖