嵌入式空氣壓縮機組監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

葉斌 李斌 姚駿 高頌

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

嵌入式空氣壓縮機組監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

葉斌 李斌 姚駿 高頌

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

針對工業(yè)上廣泛使用的空氣壓縮機組，設(shè)計了一種基于嵌入式系統(tǒng)的機組運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以微處理器為核心，集通信、采集、處理和存儲功能于一體，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II來完成任務(wù)的調(diào)度和管理。分別給出了監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案、硬件電路和軟件設(shè)計流程。仿真和實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有較好的可靠性、實時性、穩(wěn)定性，安裝調(diào)試方便，能有效地監(jiān)控空壓機組運行時的各個狀態(tài)。

空壓機 監(jiān)控系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 串口通信 μC/OS-II

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，空氣壓縮機(以下簡稱空壓機)被廣泛應(yīng)用于火電、冶金、采礦、機械、石油化工等行業(yè)。壓縮空氣作為一種動力能源，在整個生產(chǎn)制造過程中起著至關(guān)重要的作用，空壓機已成為某些行業(yè)不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備［1］。

在機組運行過程中，需對風(fēng)包溫度、進水壓力、冷卻水壓力、一級排氣溫度、二級排氣溫度、油壓等參數(shù)進行實時監(jiān)控。當(dāng)空壓機出現(xiàn)超限時，進行報警、自動停機，并啟動下一臺空壓機運行，保證供氣壓力穩(wěn)定。定期掌握壓縮機組的性能指標，對維護整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提升使用狀態(tài)品質(zhì)以及為使用方提供清晰的參數(shù)表等方面起著十分重要的作用。

本文結(jié)合現(xiàn)代測量控制技術(shù)和單片機嵌入式技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了用于空壓機組工作狀態(tài)的檢測監(jiān)控裝置。該裝置具有成本低、生產(chǎn)調(diào)試簡單、功能齊全等特點。仿真和實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能有效地監(jiān)控空壓機組運行時的各個狀態(tài)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

空壓機組監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

系統(tǒng)整體由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)的主要功能是模擬量(溫度、儀表信號)的采集、模擬量(4～20 mA電流)的輸出、開關(guān)量的輸入輸出以及遠距離RS-485串行通信和數(shù)據(jù)存儲;軟件系統(tǒng)的主要功能是實時多任務(wù)的調(diào)度。

1.1 主控板硬件平臺設(shè)計

考慮到數(shù)據(jù)處理的效率、接口的擴展性和開發(fā)的周期，主控制板采用ARM7微處理器和數(shù)模電路相結(jié)合的方式進行設(shè)計。系統(tǒng)主控制板硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，主控板采用了意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6芯片作為主CPU。該ARM7芯片基于Cortex-M3內(nèi)核，可配置72 MHz主頻，片內(nèi)有512 kB Flash以及64 kB SRAM［2］。Cortex核心內(nèi)部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適用于高速數(shù)據(jù)的處理。主控板充分利用CPU的片內(nèi)資源，SPI1接口連接外部DA芯片，SPI2接口用于SD卡存儲，GPIO口用于開關(guān)量輸入和輸出。開關(guān)量輸入電路采用了光耦合器，其主要優(yōu)點是單向傳輸信號，使輸入端與輸出端電氣隔離。開關(guān)量輸出電路將TTL電平轉(zhuǎn)化成5 V輸出來控制繼電器，從而實現(xiàn)強電端的通斷控制。串口包含2個模擬量采集和上位機(操作臺)的通信。考慮到采集的模擬量比較多，并且需要對采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析和存儲，CPU通過FSMC接口擴展外部SRAM存儲［3］。

圖2 系統(tǒng)主控制板硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of the main control board

1.2 模擬量采集

模擬量采集是本監(jiān)控系統(tǒng)的重點，具體是對空壓機組的風(fēng)包溫度、排氣溫度、水壓、油壓等模擬量進行采集。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲都是由同一塊單片機來完成，適合在精度低、數(shù)據(jù)量小的場合下使用。一旦需要高精度、大數(shù)據(jù)采集時，普通的單片機會由于自身硬件所限，不能達到預(yù)想的效果。

根據(jù)需要，主控板使用一個多通道的數(shù)據(jù)采集芯片MSC1210，模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。MSC1210是一塊具有8051微處理器及閃存的精密24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器［4］。該芯片能夠進行24位無丟失碼A/D轉(zhuǎn)換，在10 Hz采樣頻率下轉(zhuǎn)換可得到22位有效轉(zhuǎn)換結(jié)果;具有8個差分/單端通道;內(nèi)核與8051兼容，縮短了開發(fā)周期。

圖3 模擬量采集模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the analog acquisition module

1.2.1 儀表信號采集

工業(yè)上廣泛采用的標準模擬量電信號是4～20 mA直流模擬量，傳統(tǒng)儀表通常采用此種信號作為載體傳遞儀表信息。由于待采集的模擬信號為各種變送器處理完畢的標準電信號，因此主控板需要將其完整無誤地轉(zhuǎn)換成微處理器能處理的數(shù)字信號。

4～20 mA采樣電路原理圖如圖4所示，電路使用精度為1%的采樣電阻將標準電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，運算放大器和二極管組成了保護電路。

圖4 采樣電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of sampling circuit

1.2.2 溫度采集

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求的不同，可以設(shè)計出不同的溫度監(jiān)測方案，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。因鉑熱電阻具有測量范圍大、穩(wěn)定性好、示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等優(yōu)點，該系統(tǒng)采用Pt100鉑熱電阻作為溫度感測元件，進行溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)［5－6］。由于導(dǎo)線對電阻測量精度存在一定的影響，出于成本和可行性兩方面考慮，采用三線制電阻溫度傳感器結(jié)構(gòu)，其原理如圖5所示。

圖5 三線制導(dǎo)線電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of the three-wire circuit

圖5中，TL431是美國德州儀器公司開發(fā)的一個熱穩(wěn)定性能良好的三端可調(diào)精密電壓基準集成電路器件［7］。由于 TL431 的溫度系數(shù)為 50×10－6/C，所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒流源或恒流二極管好得多。

假設(shè)導(dǎo)線電阻為 Ro，Pt100鉑熱電阻為 RPt，利用Multisim軟件對溫度采集電路進行仿真，記錄在相同鉑熱電阻Rpt=120 Ω、恒流源為2 mA情況下，不同導(dǎo)線電阻Ro下的輸出電壓Uo和Pt100鉑熱電阻電壓UPt的值。不同導(dǎo)線電阻下實際電壓與輸出電壓及其誤差如表1所示。

表1 實際電壓與輸出電壓及其誤差Tab.1 Actual voltages and outputvoltages and errors

由表1可知，數(shù)據(jù)的最大誤差在1.7%以內(nèi)，說明此電路結(jié)構(gòu)能夠較好地消除導(dǎo)線電阻對輸出電壓的影響，且結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)和維護。

1.3 模擬量(4～20 mA)輸出

4～20 mA信號傳輸應(yīng)用是現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的主流，已經(jīng)有很多成熟的模塊用于實現(xiàn)4～20 mA模擬輸出。本系統(tǒng)采用AD420芯片來實現(xiàn)4～20 mA電流的輸出。

AD420是美國ADI公司生產(chǎn)的高精度、低功耗全數(shù)字電流環(huán)輸出轉(zhuǎn)換器［8］。主控制芯片用三線模式的SPI接口控制AD420，其連線圖如圖6所示。

圖6 STM32與AD420連線圖Fig.6 Connection between STM32 and AD420

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件任務(wù)的設(shè)計

在對空壓機組運行狀態(tài)進行監(jiān)控過程中，系統(tǒng)要完成對電流和電壓的采樣、計算、分析，輸出4～20 mA閥門控制電流，達到保護功能。此外，系統(tǒng)需要實時地與上位機通信傳遞有效數(shù)據(jù)，并用SD卡記錄各采樣點的實時狀態(tài)［9－10］。

為了遵循資源優(yōu)化和程序模塊化的設(shè)計理念，軟件使用了支持多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II來負責(zé)任務(wù)的調(diào)度和管理［9］。

μC/OS-II是一個源代碼公開、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，用于實現(xiàn)搶占式任務(wù)調(diào)度和多任務(wù)間通信等功能。

2.2 系統(tǒng)軟件的任務(wù)功能和劃分

系統(tǒng)軟件利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)了多任務(wù)管理，其系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The functional structure of system software

任務(wù)劃分的首要目標是滿足系統(tǒng)的實時性指標，任務(wù)數(shù)目必須合理。這里任務(wù)的劃分以任務(wù)的實現(xiàn)功能為標準，任務(wù)的功能不同，實時性要求也不同。

3 結(jié)束語

本文充分利用了STM32芯片的資源，將其和一些必要的外圍器件構(gòu)成了一個完整的空壓機組運行監(jiān)控系統(tǒng)。實際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)能有效地監(jiān)控空壓機組運行時的各個狀態(tài)，且具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、安裝調(diào)試方便、維護成本低等優(yōu)點。此外，它還可根據(jù)需要支持諸如USB、CAN等接口。因此，本系統(tǒng)的設(shè)計方案和實現(xiàn)技術(shù)可以廣泛地適用于其他工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控領(lǐng)域。

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Design of the Embedded Monitoring System for Air Compressor Units

For the air compressor units that widely used in various industries，the operating status monitoring system of the units has been designed based on embedded system.Microprocessor is the kernel of the system，task scheduling and management are completed through transplanting embedded operating system μC/OS-II;the system integrates functions of communication，data acquisition，processing and storage.The overall design strategy，hardware circuit and software flowchart of the monitoring system are given.The simulation and practical application show that the system possesses better reliability，real time performance，stability，and ease installation and commissioning;it effectively monitors each state of air compressor units in operation.

Air compressor Monitoring system Data acquisition Serical communication μC/OS-II

TP273

A

修改稿收到日期:2013－05－07。

葉斌(1989－)，男，現(xiàn)為上海大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事工業(yè)自動化及嵌入式系統(tǒng)方面的研究。