高衛(wèi)麗，何亞銀，梁智鴻，田久陽

(陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

螺桿空壓機是將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的轉(zhuǎn)換裝置，是氣動系統(tǒng)的動力源，被廣泛應(yīng)用于機械制造、石油化工、交通、冶金、采礦等現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域[1]。螺桿空壓機作為不可或缺的重要設(shè)備，其運行狀態(tài)的好壞嚴(yán)重影響到工業(yè)生產(chǎn)實踐。由于所處工作環(huán)境惡劣或設(shè)備老化等因素，導(dǎo)致故障和爆炸事故頻繁發(fā)生，設(shè)備的安全問題日益突出。為此，國家出臺了一系列安全管理規(guī)定，要求加強對螺桿空壓機設(shè)備的檢測檢驗和日常維護，以確保設(shè)備安全運行。為了保證螺桿空壓機運行的安全可靠，需要定期對螺桿空壓機進行性能檢測來掌握整個工作狀態(tài)。因此，亟需研發(fā)設(shè)計空壓機測試平臺，以滿足空壓機各項測試需求,實現(xiàn)精確測試和穩(wěn)定測試。

目前，國內(nèi)外許多專家對空壓機測試技術(shù)進行了一系列的研究。王凱等[2]針對小型風(fēng)冷式空壓機搭建了一種基于LabVIEW上位機的測試系統(tǒng)；汪琦等[3]設(shè)計了一套基于LabVIEW上位機和單片機控制器的燃料電池空壓機自動化測試系統(tǒng)；李卓瑪?shù)萚4]利用量熱器法進行了壓縮機性能測試實驗臺的性能評估；王增麗等[5]基于LabVIEW對壓縮機熱態(tài)特性進行了測試系統(tǒng)設(shè)計；王宇[6]通過PLC控制與采集以及CAN通訊控制與信號采集等對燃料電池空氣壓縮機測試平臺進行了研發(fā)與設(shè)計；傅劍彬[7]采用LabVIEW為軟件開發(fā)環(huán)境對大型活塞式壓縮機進行了性能測試技術(shù)研究；錢迪等[8]在Uni Sim仿真平臺上搭建以壓縮機為核心設(shè)備的虛擬工廠，組成天然氣壓縮機仿真測試平臺；胡小慶[9]建立了基于PLC組態(tài)控制的空調(diào)壓縮機性能測控系統(tǒng)；李欣澤[10]采用SPS仿真模擬軟件對離心式壓縮機性能測試方法進行了優(yōu)化；Fu等[11]通過溫度傳感器、壓力傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析，對空壓機的性能進行自動采集和分析；Tie等[12]介紹了空壓機性能自動采集測試系統(tǒng)的設(shè)計和主要功能，對活塞式壓縮機的試驗數(shù)據(jù)進行實時處理。上述研究所建立的空壓機測試系統(tǒng)在可操作性和實時性方面還存在著不足，如有的測試系統(tǒng)功能單一，測試參數(shù)不全，需要不同測試系統(tǒng)完成；有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可操作性差；有的系統(tǒng)無法得到實時數(shù)據(jù)的變化趨勢。

為了能夠更好地了解螺桿空壓機的工作狀態(tài)和性能，本文將根據(jù)實際的生產(chǎn)測試環(huán)境，在滿足系統(tǒng)需求和工作現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW虛擬儀器作為數(shù)據(jù)處理軟件，開發(fā)一套螺桿式空壓機性能測試系統(tǒng)，以便于實現(xiàn)簡單、快速、全面的自動測試。

1 螺桿空壓機測試系統(tǒng)設(shè)計

螺桿空壓機測試系統(tǒng)采用LabVIEW虛擬儀器讀取被測參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)螺桿空壓機系統(tǒng)性能的自動化測試，給出螺桿空壓機性能評價的宏觀和微觀參數(shù)，并且要求制作友好的人機界面，保存測試數(shù)據(jù)及結(jié)果，以備后續(xù)研究。整個測試系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對螺桿空壓機運行狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)控及報警保護。螺桿空壓機測試系統(tǒng)具體的工作步驟如下。

(1)通過各種傳感器實時檢測螺桿空壓機的進氣口和出氣口的溫度、壓力、流量，電機的轉(zhuǎn)速、功率，儲氣罐的溫度、壓力等關(guān)鍵工作參數(shù)；

(2)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速、功率等顯示到控制面板上，以便于觀察實時數(shù)據(jù)；

(3)當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過或低于設(shè)定值時，能夠及時產(chǎn)生反饋，并在控制面板上輸出報警信號；

(4)在工作過程中，操作人員可根據(jù)需求選擇需要的測量參數(shù)，在控制面板生成實際工作運行波形圖，以便觀察數(shù)據(jù)波動情況；

(5)當(dāng)工作狀態(tài)中出現(xiàn)緊急情況時，通過控制面板實現(xiàn)緊急停車，保護整個螺桿空壓機系統(tǒng)。

根據(jù)測試系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計的螺桿空壓機測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?；贚abVIEW虛擬儀器技術(shù)對螺桿空壓機進行測試與監(jiān)控，通過各類傳感器對空壓機系統(tǒng)工作狀態(tài)下的參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理和采集，把實際過程中的各物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過信號處理進入到數(shù)據(jù)采集卡，最后與計算機進行數(shù)據(jù)交互，利用計算機軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、處理和顯示。

圖1 螺桿空壓機測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 測試系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集卡、傳感器選型

數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計中選用研華PCI-1712多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有高速度、高性能、多功能的特點。壓力傳感器采用EJA11A壓力變送器，溫度傳感器選取Pt100熱電阻，流量傳感器選用YEWFLO系列的數(shù)字式旋渦流量計，電流和電壓選取的是LEM的LT308-S7霍爾電流傳感器和LV25-P型電壓傳感器。

2.2 螺桿空壓機測試參數(shù)布局設(shè)計

在螺桿空壓機測試系統(tǒng)設(shè)計的分析和測量中，最基本的條件就是合理安裝傳感器，所以參數(shù)的測量必須根據(jù)實際機械結(jié)構(gòu)位置嚴(yán)格按照規(guī)定選取測量位置，保證安裝合理，并在實際的安裝過程中避免可能的干擾。本文螺桿空壓機測試系統(tǒng)的主要安裝布局點如圖2所示，在螺桿空壓機的工作運行狀態(tài)下，通過現(xiàn)場傳感器采集現(xiàn)場溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速和功率信號。溫度是測量中最基本的工藝參數(shù)，測量的對象主要是螺桿空壓機18和儲氣罐4，傳感器安裝在螺桿空壓機18的進氣管道和排氣管道上以及儲氣罐4內(nèi)部；壓力是螺桿空壓機測試系統(tǒng)的重要的參數(shù)，是表示壓縮氣體流動過程中的重要參數(shù)，為了保證生產(chǎn)安全運行，必須對壓力進行監(jiān)控，在該測試系統(tǒng)中，壓力測試的對象主要是螺桿空壓機18的進氣口和出氣口的壓力、儲氣罐4的壓力；流量是螺桿空壓機18的主要性能參數(shù)，表示在單位時間內(nèi)產(chǎn)生壓縮氣體量的多少，本系統(tǒng)主要測試的是螺桿空壓機18的進氣口和出氣口的流量，安裝在螺桿空壓機18的進氣管道和出氣管道上；此外螺桿空壓機系統(tǒng)是由電動機21進行驅(qū)動，通過功率表19和電機轉(zhuǎn)速表20采集電動機21的轉(zhuǎn)速和功率。

1.消音器；2.溫度計；3.壓力表；4.儲氣罐；5.干燥器；6.止回閥；7.最小壓力閥；8.分離器；9.冷卻器；10.排水閥；11.水過濾器；12.排水電磁閥；13.球閥；14.排氣溫度計；15.排氣壓力表；16.排氣流量表；17.排氣流量計；18.螺桿空壓機；19.功率表；20.電機轉(zhuǎn)速表；21.電動機；22.吸氣控制閥；23.進氣溫度計；24.進氣壓力表；25.進氣流量表；26.進氣流量計；27.空氣過濾器圖2 測試參數(shù)布局點

3 螺桿空壓機測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)功能模塊分析

(1)數(shù)據(jù)采集及處理模塊

根據(jù)螺桿空壓機測試系統(tǒng)的要求，利用各類傳感器將螺桿空壓機實際工作過程中的數(shù)據(jù)進行采集和處理，需要測試的參數(shù)有：電機轉(zhuǎn)速和功率，螺桿空壓機進氣口及出氣口的溫度、流量、壓力，儲氣罐壓力和溫度等。

(2)故障報警模塊

當(dāng)傳感器反饋的現(xiàn)場的電機轉(zhuǎn)速和功率，螺桿空壓機進氣口及出氣口溫度、流量和壓力，儲氣罐壓力和溫度等數(shù)據(jù)超出或低于設(shè)定值時，螺桿空壓機測試系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)，并發(fā)出報警信息，為后續(xù)的故障修復(fù)提供依據(jù)。

(3)人機界面模塊

將數(shù)據(jù)采集卡采集到的信息在計算機上以數(shù)值和波形圖的形式展現(xiàn)，有利于操作人員對工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。

3.2 測試軟件流程

圖3 螺桿空壓機測試系統(tǒng)流程圖

本文基于LabVIEW軟件開發(fā)的螺桿空壓機系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，主要是為了保證測量數(shù)據(jù)的全面性和可操作性，參數(shù)涉及到電機轉(zhuǎn)速和功率，螺桿空壓機進氣口和出氣口的壓力、溫度和流量，儲氣罐壓力和溫度。按照測試要求，首先對螺桿空壓機測試系統(tǒng)進行初始化，利用傳感器對螺桿空壓機系統(tǒng)的各個參數(shù)進行實時采集，測試系統(tǒng)通過對采集到的數(shù)據(jù)進行運算，并在程序主界面中顯示具體數(shù)值；然后對采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行對比，判斷螺桿空壓機系統(tǒng)是否正常運行，并在出現(xiàn)故障時發(fā)出報警提示；最后對螺桿空壓機系統(tǒng)做出應(yīng)對措施。具體操作流程如圖3所示。

3.3 操作界面設(shè)計

3.3.1 操作界面整體設(shè)計

螺桿空壓機測試系統(tǒng)的主要設(shè)計前面板界面如圖4所示，主要分3個區(qū)域。面板上側(cè)用于顯示電機轉(zhuǎn)速和功率，螺桿空壓機進氣口及出氣口溫度、壓力、流量，儲氣罐壓力和溫度的數(shù)值；中間是用來實時監(jiān)控螺桿空壓機系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)故障報警功能；面板下側(cè)是通過波形選擇來進行測試系統(tǒng)各個參數(shù)的波形展示，此外還設(shè)置一個停止按鈕，當(dāng)螺桿空壓機系統(tǒng)出現(xiàn)意外時，用來實現(xiàn)緊急停機的功能。

螺桿空壓機測試系統(tǒng)整體的程序框圖面板如圖5所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集過程是螺桿空壓機測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，這個過程就是將各種傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號。利用研華PCI-1712多功能數(shù)據(jù)采集卡將螺桿空壓機工作過程中的參數(shù)，如螺桿空壓機進氣口和出氣口的溫度、壓力、流量，電機的轉(zhuǎn)速、功率，儲氣罐的壓力、溫度等模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進行采樣、保持和放大。

圖4 前面板設(shè)計圖

圖5 程序面板框圖

數(shù)據(jù)采集模塊利用以下函數(shù)完成：

(1)創(chuàng)建通道函數(shù)：設(shè)置螺桿空壓機所測參數(shù)的模擬通道、所測螺桿空壓機參數(shù)轉(zhuǎn)換后的電壓范圍以及被測信號的連接方式等；

(2)定時函數(shù)：決定采集數(shù)據(jù)的采樣模式、采樣數(shù)量和頻率等；

(3)讀取數(shù)據(jù)函數(shù)：讀取通道中螺桿空壓機的各個參數(shù)采集數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)采集的核心；

(4)清除任務(wù)函數(shù)：釋放無用數(shù)據(jù)或進行任務(wù)清理，釋放空間。

數(shù)據(jù)采集模塊函數(shù)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊函數(shù)圖

3.3.3 數(shù)據(jù)處理顯示模塊

表1 測量參數(shù)的量程范圍

由于采集卡測量的數(shù)據(jù)無法將螺桿空壓機測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)直接用數(shù)值顯示，因此只能將采集到的螺桿空壓機各參數(shù)信號進行放大處理之后再進行顯示。因為測量的轉(zhuǎn)速、功率、溫度、壓力、流量的量程不同，需要根據(jù)傳感器給出的參數(shù)計算得到不同的放大倍率。具體的各測量參數(shù)的量程范圍如表1所示。

螺桿空壓機測試系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)由儀表控件顯示具體的數(shù)值和儀表盤指示。具體的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理顯示模塊圖

以上每一時刻的參數(shù)顯示都是不同的，這樣能夠直接得到螺桿空壓機系統(tǒng)在工作過程中空壓機進氣口、出氣口的溫度、壓力、流量，電機的轉(zhuǎn)速、功率，儲氣罐的壓力、溫度等的具體數(shù)值，提高了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3.4 波形顯示模塊

波形顯示模塊主要實現(xiàn)螺桿空壓機測試系統(tǒng)的實時波形顯示，將收集來的數(shù)據(jù)，以波形圖的形式直觀的顯示出來。主要監(jiān)測螺桿空壓機進氣口和出氣口的溫度、壓力、流量，電機的轉(zhuǎn)速、功率，儲氣罐的壓力、溫度等信號。圖8是電機轉(zhuǎn)速和空壓機出氣口壓力的波形圖，其中截取的測試時間均為5 s。

(a) 電機轉(zhuǎn)速波形圖 (b) 空壓機出氣口壓力波形圖圖8 電機轉(zhuǎn)速和空壓機出氣口壓力波形顯示圖

由圖8可以看出,電機轉(zhuǎn)速在5 s的運行時間內(nèi)產(chǎn)生的波形類似于一個半正弦波形，空壓機出氣口的壓力變化波形是逐步平穩(wěn)上升的。由此可以直觀地看出整個螺桿空壓機測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化趨勢，從而給操作人員提供數(shù)據(jù)的實時變化過程，有利于判斷測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3.3.5 報警模塊

表2 參數(shù)正常運行量程

當(dāng)各種傳感器反饋回來的數(shù)值超出或高于設(shè)定的閾值時，螺桿空壓機測試系統(tǒng)發(fā)出報警提示，報警模塊起到預(yù)警和保護的作用。各參數(shù)正常運行的范圍如表2所示，其中的數(shù)值常量代表的就是這些參數(shù)正常運行的量程，即在此范圍內(nèi)不發(fā)生故障，若超出則報警顯示。

在前面板中，報警顯示模塊正常運行時為綠色，當(dāng)超過正常運行范圍發(fā)生報警，布爾顯示控件顏色由綠色轉(zhuǎn)變成紅色，可給人視覺沖擊，有利于快速提醒操作者設(shè)備發(fā)生故障需要檢修。具體報警顯示如圖9所示，其中儀表盤也會指示是否達到報警范圍，偏近紅色區(qū)域說明其即將發(fā)生報警，儀表盤與布爾控件同步顯示。

圖9 報警顯示示意圖

4 結(jié)語

利用LabVIEW虛擬儀器軟件實現(xiàn)了螺桿空壓機系統(tǒng)的智能監(jiān)控，可以在工作運行中對設(shè)定的參數(shù)進行實時檢測，并且給出各個參數(shù)的變化波形圖，避免了人力資源浪費。該測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實用、可靠性好、安全性強，能夠滿足螺桿空壓機性能測試與分析的要求，有效地提高了螺桿空壓機測試效率，減輕了人員的勞動強度，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益，為產(chǎn)品開發(fā)提供可靠的測試平臺。