计算机在空压检测操控体系中的应用

　　所以， 有必要对此过程进行全自动控制， 并在远程操作室设置监控和报警装置， 以实现现场无人值守和远程监控、报警。

　　2 系统工作原理和控制要求

　　2.1 系统工作原理

　　怀化车辆段东场压风房现有 2 台 V- 6/ 7 型空压机。空压机运行与否， 开动 1 还是 2 空压机， 由值守工人根据调度命令来执行。空压机启动过程是：先开启水泵输入冷却水， 然后打开排气阀， 开启主电机； 打开进气阀， 使其空负荷启动； 运行约 5 min后， 将排气阀关， 进入负荷运行。停车过程则是： 先关闭进气阀， 再打开排气阀， 然后关闭主电机和水泵， *后关闭排气阀。

　　2.2 控制要求

　　怀化车辆段对该 2 台空压机的控制要求是， 远程操作自动启停， 参数异常自动停车。为此， 需对下列参数进行采集：（ 1） 温度信号为一级缸排气温度、二级缸进气温度、二级缸排气温度、油温、曲轴轴承温度 2 点、电机轴承温度 2 点以及冷却水出口温度共 9 点；（ 2） 压力信号分别为一级缸、二级缸及储风缸压力共 3 点；（ 3） 电量信号为主电机电流 1 点；（ 4） 总电源的 3 相电压共 3 点。

　　采集参数总计为 （ 9+ 3+ 1）2+ 3= 29 个。

　　对上述参数采集后， 首先判断有关参数是否异常， 然后形成动态数据表格进行实时巡回显示， 并存储起来供以后进行随机查询。

　　3 系统控制方案设计

　　3.1总体控制方案

　　根据上述控制要求， 我们首先考虑采用 PLC.

　　PLC 很适合作逻辑顺序控制， 但该系统中有大量的模拟量需采集， 用 PLC 的模拟量采集模块成本较高，故采用抗干扰性能极好的工业控制计算机来作为中央监控装置。具体设计为调度室采用信号灯、电笛作为报警装置， 用按钮、开关作为控制装置， 通过电缆连至压风房的工控机， 调度室按钮、开关完成空压机的远程启停操作。2 套空压机用 1 台电气控制柜来同时控制。工控机及配套设备放于控制柜上层， 用其完成现场数据采集、处理和控制等功能。

　　根据上述要求， 我们采用了接口比较方便的研华 1 psi= 6 8948 10 - 3 M Pa公司的 IPC- 486DH 工业控制计算机作为中央控制器。具体配置如下： 带 7 槽 PCI 接口的底板， IPC- 486DH 主机板， 16 路带放大的模入模块 PCL - 818HG， 16 路继电输出板 PCLD- 885 （ 利用 PCL- 818HG 板上的 16 路开关量输出信号放大并经继电器输出至接触器、中间继电器） .

　　3.2 传感器选型

　　（ 1） 温度： 采集的温度信号有 2 种量程范围， 其中二级缸排气温度在 160 以上， 选用 JM 202V 一体化温度计， 共 2 台， 其测量范围为 0 200 ， 采用+ 12V DC 电源供电， 输出为 0 5V DC 信号； 其他16 路温度测量范围为 0 120 ， 选用 DS1820 数字温度传感器， 共 16 片， 其测量范围为- 55 125 ，采用+ 5V 电源供电， 其信号为单线并接在一起。

　　（ 2） 压力： 6 路压力信号分别为 2 套空压机的一级缸 （ 0 22 M Pa） 、二级缸 （ 0 81M Pa） 和储风缸 （ 0 81 M Pa） 压力。故选择 Honeywell 的 24PC系列固态压力传感器， 一级缸选用 2 只 24PCFFA1G型， 其量程为 0 100 psi； 二级缸和储风缸选用 4只 24PCGFA1G 型， 量程为 0 250 psi.其工作电源为 DC 0 12 V， 满量程输出约 220mV.

　　（ 3） 电流、电压： 选用 2 台电流传感器分别测量2 台主电机的电流， 量程为 0 100 A， 1 台电压传感器测量总电源的 3 相电压， 其 5 路输出均为 0 5 V DC.

　　（ 4） 液位开关： 检测冷却水有无， 为开关量输入信号。

　　4 控制系统软硬件设计

　　4.1硬件设计

　　计算机控制系统设计和传感器选择如上所述， 还需设计专用的 16 路 DS1820 数字温度传感器采集卡，该卡插在工控机的空余扩展槽上， 并利用其+ 5V 电源， 采集的 16 路温度信号通过卡上的 RS - 232C 串行口定时传送给工控机， 其硬件结构如 所示。因仅采集 16 路温度信号， 采用 ATMEL 公司的性能价格比较好的 AT89C2051 单片机和专用的 RS - 232C接口芯片 MAX202E.温度采集卡的原理图如 所示， 图中示出单片机与 DS1820 的连接原理， 实际单片机引出的 3 根线接至控制柜上的接线端子排， 由走线槽电缆连至各个 DS1820， 所有 DS1820 均并在一起。

　　4.2软件设计

　　工控机的软件在中文 UCDOS 下用 Turbo C 语言编写。主要由采样滤波模块、启动机组模块、停止机组模块、通讯模块、采集显示和报警模块等组成。

　　采样滤波模块将 A/ D 转换后的数据读入 CPU 的内存， 然后进行滤波处理。滤波方法采用平均值滤波法， 这种方法的原理是： 在 K 次采样值中， 去掉一个*大值和一个*小值， 然后将余下的 K- 2 个采样值进行算术平均， 结果作为滤波值， 程序中取 K 为10.

　　启动机组模块和停止机组模块按上面要求的工作流程控制机组的启停。

　　通讯模块用于和单片机通讯， 获取单片机检测的温度信号。

　　采集显示和报警模块， 除单片机检测的部分温度信号外， 其它机组状态参数由工控机检测。每检测一个机组状态参数， 接着进行标度变换和显示， *后判断状态参数是否正常。如果正常， 则检测下一个状态参数， 否则报警、停机和显示故障点。

　　开关量的输入也经过软件滤波处理， 从而提高了系统的抗干扰能力。

　　单片机的软件由汇编语言编写， 主要由温度采集模块和通讯模块组成。

　　整个软件能够实现的主要功能：（ 1） 既能现场控制机组的启停， 也能远程控制机组的启停；（ 2） 能够巡回检测所有机组状态参数， 并实时显示；（ 3） 检测到异常的状态参数能及时报警、停机和显示故障点；（ 4） 能够记录每班的机组状态。

　　工控机主程序框所示。

　　5 调试及测控效果分析

　　在系统调试中， 利用软硬件的模块化功能， 我们采用循序渐进的分步调试方法。

　　（ 1） 撇开计算机控制系统， 对电气控制部分进行调试， 将控制柜面板上 手动/ 自动 转换开关打到手动 位置， 先测试各设备手动启停按钮是否正常，再由操作人员分别按空压机启停步骤手动启动和停止空压机运行。这一步正常后说明， 万一计算机部分出现故障， 亦能保持 手动 后备功能而使空压机组不至于瘫痪。

　　（ 2） 传感器信号调试， 传感器信号直接影响到监测精度， 因此， 我们对其进行了仔细的标定， 并经计算机进行线性化处理和补偿， 使 13 路传感器信号经计算机采集后的精度为 1% 左右； 另对 DS1820 数字温度传感器， 直接经单片机采集、补偿后传送到工控机， 其精度在 1% 以内。

　　（ 3） 工控机调试， 软硬件在实验室均经过初步调试， 其中有模拟信号采集、开关量输入输出信号调试以及 DS1820 数字温度采集卡同工控机的通信， 软件亦按上面所述模块化结构编制完成。到现场后， 硬件主要是加装一台供压力传感器的+ 12V 电源， 软件则是完成采集显示和报警模块的采集数据修正、补偿等程序修改， 由于采用了模块化结构， 调试方便快捷。

　　（ 4） 联机调试， 在离压风房约 100m 处的调度室设置一远程操作面板， 其上布有 5 个带灯开关 （ 分别为计算机电源、电气控制回路电源、2 套空压机的远程启停及消警开关） ， 2 个电笛和 2 个指示灯 （ 分别为参数超限和紧急停车报警用） .全套系统调试完后，只需在调度室设一兼职的操作人员， 其任务是： 根据调度命令或报警信息紧急停止空压机或远程操作空压机启停。由于该系统主要是模拟量采集和开关量控制， 能很好地完成要求的监测控制任务。

　　6 结束语

　　该监测控制系统经过半年多设计研究、室内和现场调试试验， 以及 2 个多月的试运行， 可以得出如下结论：（1） 采用高可靠性、高抗干扰的 IPC 工控机， 结合软硬件采取独特的抗干扰方法， 能很好地克服空压机房恶劣的环境干扰， 使系统能长期稳定可靠地工作；（ 2） 采用传感器经过反复研究和比较， 特别是比较重要的压力信号采集采用进口传感器， 保证了数据采集通道的安全可靠性；（ 3） 自行研制的温度采集卡， 充分利用了工控机内部资源， 是一较为新颖的尝试性设计方法；（4） 软件程序是在中文 UCDOS 环境下用 Turbo C 语言设计的， 采用了模块化设计方法编程， 用户界面友好， 显示监控参数清晰、逼真；（ 5） 电气控制和计算机系统的一体化设计使得现场维护方便、快捷；（ 6） 具有很好的经济效益和推广价值。怀化车辆段现有 10 余台空压机， 如全部采用该监控系统， 将不仅节省人力资源， 减少工资支出， 减轻工人劳动强度， 亦将使该生产过程自动化程度大为提高， 同时，经济效益也是很明显的。