CN101858336A - 多模式空压机智能监控仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种集空压机普通监控仪、空压机变频调速监控仪于一体多模式空压机智能监控仪。它解决了目前空压机监测仪工作模式单一，难以适应空压机工作模式变换，而无法工作的问题。本发明在空压机采用加、卸载方式调节储气压力时，该监控仪工作在普通监测模式下，当采用变频调速控制电机转速的方式调节储气压力时，工作在变频调速节能监控模式下，可直接与温度传感器，压力传感器输出信号线相连，无需传感器变送器，中央控制核心采用DSP芯片，CAN总线方式通信。本发明以DSP为控制核心，集空压机普通监测仪、空压机变频调速节能监控仪于一体，无需额外控制器，具有功能强、成本低、集成度高、可靠性高，控制方式灵活，市场前景广阔。

Description

多模式空压机智能监控仪

技术领域

本发明涉及一种空压机检测、控制集成装置，特别是一种多模式空压机智能监控仪。

背景技术

空压机作为一种气体压缩、输送设备，广泛运用到矿山、道路、土木、地质、建材、轻工、纺织、医疗等各个行业。为了保证空压机安全有效运行，须对空压机关键运行参数在线监测，主要包括：传感器状态、排气压力、排气温度、排气量、电机负载、电机温度等各种参数。在监测过程中，一旦发现异常情况监视器应进行自动报警或跳机处理。在空压机运行时，排气压力的良好控制是追求的目标。对于压力的控制，主要有以下三种方式：1，通过开关进气口阀门加载、卸载来调节气压；2，通过控制电机起、停的方式调节气压；3，通过变频调速控制电机转速调节气压，即储气压力低于需求压力时，电机加速运行，而在储气压力高于需求压力时，电机减速运行。方式1控制简单，但当用气量减小，气压超过设定值时，空压机处于空载状态，作无用功，能耗较大。方式2需要频繁起、停电机，对电网冲击电流大，电机自身寿命也会受到影响，此时监控器的作用主要在于参数检测以便及时报警及发出简单的电机起、停或加、卸载信号。方式3具有良好的节能效果，对压力控制效果好，电机需要配备变频调速主电路及控制系统，结构复杂，此时空压机需要监控器进行参数检测，并且还需要控制器实现控制算法：如PLC控制器。上述几种方式中，方式1和方式3在实际中应用较多，对于不同的压力控制方式，通常配有不同的监控仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以DSP为控制核心，集空压机普通监测仪、空压机变频调速节能监控仪于一体，无需额外控制器，具有功能强、成本低、集成度高、可靠性高，控制方式灵活的多模式空压机智能监控仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：封闭式长方形容器(1)前面板上装有液晶显示屏(2)和薄膜开关面板，面板下方并排等距离装有开关键(3)、关机键(4)、功能键(5)、选择键(6)和确认键(7)，运行指示灯(8)、故障指示灯(9)和加载指示灯(10)，面板右上装有上翻键(11)、下翻键(12)和复位键(13)，容器(1)顶部面板开有散热窗(14)，容器(1)内装有电路板、电路板上集成有电源变换电路、温度压力信号采集电路、过载检测电路、键盘液晶接口电路、通信接口电路、中央处理电路和继电器/PWM输出电路等。当采用加、卸载方式调节储气压力时，监控仪工作在普通监测模式下；当采用变频调速控制电机转速的方式调节储气压力时，监控仪工作在变频调速节能监控模式下。选择普通监测模式时，压力信号采集后在中央处理单元DSP内与设定值相比较，相应加、卸载继电器动作；选择变频调速节能模式时，采集到的压力信号与设定信号比较，经过非线性PID调节产生逆变器PWM控制信号。以DSP为控制核心，相关信息采用中文液晶显示，掉电后保存在外部EEPROM电路，可通过CAN总线实现远程监控。在普通监测模式下，9路继电器输出中的K01、K02和K03为星三角启动继电器，相应控制信号由DSP引脚IOPA5、IOPB0及IOPB1发出，K06为加、卸载继电器，相应控制信号从IOPB5发出；在变频调速监控模式下，K02、K03、K04、K07、K08和K09屏蔽，六路PWM信号从DSP引脚IOPA6、IOPA7、IOPB0、IOPB1、IOPB2及IOPB3发出，经过非门SN74LS04和光隔PBS2805送出，作为六路PWM波信号输出口，该接口可与逆变器控制信号输入口相连；在继电器输出电路中，由非门SN74ALS04和三极管S9013及两个1k电阻构成驱动回路，一个快恢复二极管FR107和两个压敏电阻构成继电器保护电路。监控仪自带温度和压力调理电路，可与温度传感器直接相连，多路温度模拟信号通过TMS320LF2407A的AD0-AD9引脚进入DSP内，由DSP自带AD转换器完成数模转换，并进行数值滤波处理；多路压力信号通过TMS320LF2407A的AD10-AD13进入DSP。液晶显示接口电路中，控制信号发送由DSP芯片A14，A15，/IS，/WE，/RD，IOPA3，IOPA4完成，数据传输由D0-D7完成；指示灯报警电路信号由DSP的IOPF6引脚发出，一个非门SN74ALS04BD和三极管S9013完成驱动功能，同时报警继电器动作，在普通监测模式下K04为报警继电器，报警信号由DSP引脚IOPB2发出，K05为跳机继电器，跳机信号由DSP引脚IOPB4发出；在变频调速模式下，K01为报警继电器，K02为跳机继电器。包括一个RS232通信接口和一个CAN总线通信接口；电源输入为24VAC，输出为±5VDC和3.3VDC，整流桥为KBP205，整流后电压由DC/DC模块SUC15-24S05转换为5V，采用TPS7333(U4)进行5VDC到3.3VDC的转换，REF3233芯片提供3.3V AD采样参考电压，IB0505L完成5V/-5V转换。在硬件总体结构上包括继电器/PWM输出接口电路，普通监测模式继电器输出，变频调速模式时屏蔽相应继电器，PWM输出，信号采集电路，键盘、显示电路，日历时钟，报警电路，通信接口，外部DI电路，电源电路及中央处理电路等。选择普通监测模式，在中央处理单元内压力采集信号与设定值相比较，相应加、卸载继电器动作；选择变频调速节能模式，压力采集信号与设定值比较，经过非线性PID调节产生逆变器PWM控制信号；信号采集电路包括10路温度采集电路，可直接与温度传感器PT1000信号输出线相连；包括4路压力采集电路，直接与压力传感器输出信号相连，信号在DSP内进行数字滤波处理；中央控制核心采用TMS320LF2407A DSP芯片，CAN总线方式通信。

本发明的优点是：1，功能强大。可作为一般的空压机监视器用，也可以作为监视、控制一体化系统。当采用加、卸载方式调节储气压力时，本发明可以实时检测空压机运行状况，控制加、卸载继电器动作，出现故障或异常情况及时报警或发出跳机指令，通过CAN总线通信接口可实现远程监测；电机变频调速控制调节储气压力时，本发明同时具有运行监测和压力智能控制能力。2，良好的节能效果。当本监控仪工作在变频调速节能模式下，空压机储气压力检测值与指令值之差，经非线性PID调节，直接发出主电路逆变器PWM控制信号，从而实时调节电机转速，这样随储气压力变化电机转速自动调节，具有显著的节能效果。3，高集成度、高可靠性。将电源电路、中央处理电路，人机接口电路，时钟电路，报警电路，继电器保护电路，驱动隔离电路，多路压力传感器调理电路、温度传感器调理电路等集成在控制仪上，只需将相应传感器安装在空压机内，便可直接相连，无需添加额外传感器变送器。内部电路板采用六层布线，优化布线结构，贴片式元件，体积小，集成度高，抗电磁干扰、冲击振动能力强。4，灵活的监控方式。既可以单台独立操作，也可以多台联机操作，通过CAN总线联网，每台监控仪均可读取网内任一台空压机实时运行参数，并进行异地操控。也可以远程计算机联网，实现远程集中监控。5，成本低。省去了大量分散独立的监控环节，如传感器变送器、PLC控制器等，因此在制造成本上低于现有同类产品。

附图说明

附图1本发明结构外型示意图

附图2本发明电路原理图

附图3本发明结构方框示意图

附图4本发明电源变换电路原理图

附图5本发明温度、压力信号采集电路原理图

附图6本发明电机过载检测电路原理图

附图7本发明键盘、液晶接口电路原理图

附图8本发明通信接口电路原理图

附图9本发明继电器/PWM输出电路原理图

下面根据附图对本发明作进一步详细说明：

具体实施方式

本发明可从图1、图2和图3可知，包括：电源电路，信号采集、处理电路，键盘电路，液晶显示接口电路，通信接口电路，日历时钟电路，仿真接口电路，报警电路，继电器/PWM输出电路，外部DI接口电路，中央处理电路等。电源电路负责将外部交流电转换为监控仪工作所需的各种工作电压；信号采集电路包括温度信号采集电路和压力信号采集电路，负责信号从传感器到中央处理单元的采集、传输；监控仪设有8个按键和3个指示灯，分别是开机键(3)，关机键(4)、功能键(5)、选择键(6)、确认键(7)、上翻键(11)、下翻键(12)和复位键(13)，运行指示灯(8)、故障指示灯(9)和加载指示灯(10)，在不同显示页面通过相关按键的配合操作可以实现空压机的各种复杂操作功能；空压机实时工作状况的相关信息采用液晶显示屏(2)中文显示，中央处理核心DSP芯片与液晶显示器通过液晶显示屏(2)接口电路联接；通信接口电路包括CAN总线通信接口电路和RS232通信接口电路，负责完成各个监控仪间以及与远程计算机的通信任务；日历时钟电路包括日历时钟芯片及其与中央处理核心DSP的联接电路，负责提供监控仪保养、液晶显示屏(2)显示需要的时钟、日历信息；仿真接口电路主要完成程序的下载调试工作；报警电路完成异常状况下空压机报警指示；继电器/PWM输出电路主要完成控制信号的输出，在不同工作模式下，同一个输出口信号代表的意义可不同；外部DI接口电路主要与空压机远程操作信号联接，如紧急停机操作、空压机过载检测等；中央处理电路是整个监控仪的核心电路，主要完成相关信息的分析、处理和控制等功能，本发明采用TMS320LF2407A作为核心MCU，该款DSP片上资源丰富，具有16路10BIT片上A/D接口，UART串行接口，符合RS232标准，32K片上FLASH，2K字的单口RAM和544字的双口RAM，CAN总线标准接口，SPI接口，以及丰富的I/O口等。从图4中可知，外部24V交流电经整流桥U3变为直流，电容C17，C18，C19滤波后，由DC/DC变换模块U2转为5V稳定直流，瞬变抑制二极管D1对DC/DC变换模块U2起保护作用。由于DSP需要供给3.3V的电压，采用TPS7333(U4)进行5VDC到3.3VDC的转换，滤波电容C12为高频陶瓷电容，C16为高频铝电解电容。为了保证精准的AD采样参考电压，采用电平变换芯片REF3233。U1为+5V/-5V电平变换芯片，给电路板上运放供电。

图5中，包括10路温度采集信号和4路压力采集信号。为了保证信号采集的精度，信号电路中关键电阻采用精度±0.01％，温度系数10ppm/℃超精密电阻；运放采用TCL2264/TLC2262精密运放。

图6中，将热敏元件并联在电机电路中，过载时，热元件发热，其常闭触头断开。图中电机正常工作时，DSP引脚IOPE4/5/6/7上探测到信号为高电平；一旦过载，则为低电平。此时，以中断的方式，监控仪作出迅速处理。

图7中，为了节约DSP的IO口，键盘电路中采用SN74LS147芯片作为10-4线优先编码器。按键在接通与断开的瞬间都会产生抖动，为了避免因干扰信号造成的键盘误处理，键盘处理方式采用定时-计数的方法来实现。定时由DSP系统内部定时器来实现，定时时间设置为1ms，计数则通过在RAM区设定计数器变量实现。液晶显示接口电路中，控制信号发送由DSP芯片A14，A15，IS，WE，RD，IOPA3，IOPA4完成，数据传输由D0-D7完成。

图8中，监控仪留有RS232通信接口和CAN总线通信接口。近程数据交换可采用RS232通信接口完成，远程通信采用CAN总线完成。

从图9可知，由U3，U4，U5三只继电器电路完成主电机起-停控制，分别由DSP引脚IOPB4，IOIPA5和IOPB5发出控制信号。二极管FR107为快恢复二极管，续流保护继电器。监控仪作为一般监测使用时，开关S1-S6全部打向上方，9个继电器均作为一般继电器使用；监控仪工作在变频调速节能模式时，图中开关S1-S6全部打向下方，断开继电器电路，作为6路PWM输出口使用，发出逆变器6路PWM控制信号。

本发明系统程序运行后，首先对温度、压力等信号进行采集，如排气口压力传感器输出值低于零位或没有输出信息，则报警且程序不继续执行。

本发明参数设置，读取

读取默认的调节参数：包括加载压力、卸载压力、星-三角起动时间、日历、时钟信息，保护参数和保养参数。如果需要重新设置参数，通过按键可以修改，修改后参数将保存在非易失性EEPROM中，下次起动时将以此作为默认参数。若不重新设置，监控仪将按照默认的起动方式和参数运行。系统运行后，先提示选择起动方式，起动由DSP的I/O输出控制相应的继电器来实现。

本发明监控模式选择

本发明及空压机普通监测和智能监控两种方式，可以用于不同的空压机工作模式。根据空压机实际情况，选择相应的监控模式：方式1为普通监测模式，按普通方式启动；方式2为变频调速节能模式，按变频调速模式启动。

本发明电机与风扇电机的过载检测

系统起动后，电机与风扇电机的超载跳机由DI输入口以中断模式触发，DSP检测到超载信息后，LCM显示跳机原因，并保留此时各项测量参数。

本发明各路压力、温度信号的检测、报警及保护

CPU检测电机与风扇电机运转正常后，将起动A/D转换程序，通过内部自带的多路高精度A/D转换电路，分别对排气口压力、主机温度等信号进行巡回检测。

如果在方式1普通监测模式下，检测到的压力值与设定的压力上下限比较，看是否要进行加、卸载操作。

如果在方式2变频调速节能模式下，检测到的压力值与指令值之差，经非线性PID调节产生电机速度指令值，根据该值更新PWM波相位、频率等信息。

本发明对于其他影响系统运行的参数，如主机温度、风扇电机温度，射油温度等信号，每采集回一次数据后，先与所设的停机参数进行比较，如果超出范围，CPU立即控制跳机继电器动作，在显示器上显示跳机信息，同时将此时的所有测量数据保存在跳机数据记录中EEPROM，以供查询使用。如果测量数据没有超过所设的停机参数，则与所设的报警参数比较，若也没有报警信息，则可进行下一路信号的测量，否则报警并开始计时，同时显示报警信息。所有报警时间均没有超过报警后停机时间，返回信号检测，如果有超过报警后停机时间事件发生，则停机并在LCM上显示停机信息，同样记录其他各种信号的当前测量值。每一路信号都处理完毕后，系统将进行保养信息的处理。

本发明保养信息的处理

对于油气分离器保养时间/压差、电机加油时间、机油使用时间等保养参数，在具有掉电保持能力的EEPROM里面留有存储空间，系统第一次运行前，程序给其赋初值一般为0，以后随着系统的运行，保养参数将以小时为单位进行累加并保存。系统对各路采集信号进行处理后，将保存在存储单元里的保养信息与其相对应的报警设置如油气分离器保养寿命/压差、机油寿命相比较，如果超过报警设定值，系统将报警并显示报警原因，超过报警后停机时间，将停机并显示停机原因，并保存当前所有测量数据，以作为跳机记录保存；如果没有参数超过报警设定值，系统将进行下一步的处理。

本发明时钟信息的处理

在CPU外部扩展日历时钟芯片，并配备备用电源，即使系统停机不运行，也不会影响时钟系统的运行。时钟芯片上的年月日和时分秒等信息可以通过DSP串行接口读入CPU，也可以由CPU进行修改。系统每进入一种运行状态比如上电、运行、加载或电机加油的开始，CPU读入此时的时钟信息，并保存在相应的存储单元中，以后该状态每运行超过1小时，相应的存储单元里的数据就加1。

本发明显示

显示利用按键中断实现，显示的内容利用一个显示标志位来控制，显示标志位与系统的运行状态比如正常运转、报警、跳机、参数设置、停机加油等，按键的按动次数有关。

本发明时钟信息的修改

时钟信息的修改包括日历时钟的校核和时钟信息的清零，都是由外部中断来实现的。按下修改键，可对日历时钟进行校核，但如果想对系统的上电时间、运行时间等时钟信息进行清零，必须输入正确的密码方可进行。

本发明文件配置

时间、日期、语言、压力单位、温度单位、起动方式、日期格式等可按要求进行配置。选择了某种文件配置方式，则相应显示标志位将发生改变，显示器按标志位显示相应的信息。

本发明数据记录

记录最后五次跳机的故障记录，并显示当时的所有测量数据。每次跳机时所有测量数据已经保存在相应的存储单元里，通过按键选择相应的显示标志位，显示相应信息。根据用户要求可适当地增加记录次数。

Claims (6)

1.一种多模式空压机智能监控仪，其特征是：封闭式长方形容器(1)前面板上装有液晶显示屏(2)和薄膜开关面板，面板下方并排等距离装有开关键(3)、关机键(4)、功能键(5)、选择键(6)和确认键(7)，运行指示灯(8)、故障指示灯(9)和加载指示灯(10)，面板右上装有上翻键(11)、下翻键(12)和复位键(13)，容器(1)顶部面板开有散热窗(14)，容器(1)内装有电路板、电路板上集成有电源变换电路、温度压力信号采集电路、过载检测电路、键盘液晶接口电路、通信接口电路、中央处理电路和继电器/PWM输出电路等。

2.根据权利要求1所述的多模式空压机智能监控仪，其特征是：当采用加、卸载方式调节储气压力时，监控仪工作在普通监测模式下，当采用变频调速控制电机转速的方式调节储气压力时，监控仪工作在变频调速节能监控模式下，选择普通监测模式时，压力信号采集后在中央处理单元DSP内与设定值相比较，相应加、卸载继电器动作，而在变频调速节能模式时，采集到的压力信号与设定信号比较，经过非线性PID调节产生逆变器PWM控制信号，以DSP为控制核心，相关信息采用中文液晶显示，掉电后保存在外部EEPROM电路，可通过CAN总线实现远程监控。

3.根据权利要求1所述的多模式空压机智能监控仪，其特征是：在普通监测模式下，9路继电器输出中的K01、K02和K03为星三角启动继电器，相应控制信号由DSP引脚IOPA5、IOPB0及IOPB1发出，K06为加、卸载继电器，相应控制信号从IOPB5发出；在变频调速监控模式下，K02、K03、K04、K07、K08和K09屏蔽，六路PWM信号从DSP引脚IOPA6、IOPA7、IOPB0、IOPB1、IOPB2及IOPB3发出，经过非门SN74LS04和光隔PBS2805送出，作为六路PWM波信号输出口，该接口可与逆变器控制信号输入口相连，在继电器输出电路中，由非门SN74ALS04和三极管S9013及两个1k电阻构成驱动回路，一个快恢复二极管FR107和两个压敏电阻构成继电器保护电路。

4.根据权利要求1所述的多模式空压机智能监控仪，其特征是：监控仪自带温度和压力调理电路，可与温度传感器直接相连，多路温度模拟信号通过TMS320LF2407A的AD0-AD9引脚进入DSP内，由DSP自带AD转换器完成数模转换，并进行数值滤波处理，多路压力信号通过TMS320LF2407A的AD10-AD13进入DSP。

5.根据权利要求1所述的多模式空压机智能监控仪，其特征是：液晶显示接口电路中，控制信号发送由DSP芯片A14，A15，/IS，/WE，/RD，IOPA3，IOPA4完成，数据传输由D0-D7完成；指示灯报警电路信号由DSP的IOPF6引脚发出，一个非门SN74ALS04BD和三极管S9013完成驱动功能，同时报警继电器动作，在普通监测模式下K04为报警继电器，相应报警信号由DSP引脚IOPB2发出，K05为跳机继电器，相应跳机信号由DSP引脚IOPB4发出，在变频调速模式下，K01为报警继电器，K02为跳机继电器。

6.根据权利要求1所述的空压机智能监控仪，其特征是：包括一个RS232通信接口和一个CAN总线通信接口；电源输入为24VAC，输出为±5VDC和3.3VDC，整流桥为KBP205，整流后电压由DC/DC模块SUC15-24S05转换为5V，采用TPS7333U4进行5VDC到3.3VDC的转换，REF3233芯片提供3.3V AD采样参考电压，IB0505L完成5V/-5V转换。

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