CN201763606U - 成长型螺杆压缩机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机械的控制系统，具体是基于多微控制器MPU组成的可成长、可重塑的神经元结构的成长型螺杆压缩机控制器，它包括主控制器系统，其特征在于：主控制器系统中还包括人机界面HMI、控制器和各神经元件，所述的人机界面HMI、控制器和各神经元件通过专用网络通讯协议相连接。本实用新型相对于现有技术，具有可成长性、可重塑性、可衍生子产品、OLED汉化显示、多层通讯架构、节能、诊断智能化、可靠性和远程服务等有益效果。

Description

成长型螺杆压缩机控制器 

技术领域

本实用新型涉及机械的控制系统，具体是基于多微控制器MPU组成的可成长、可重塑的神经元结构的成长型螺杆压缩机控制器。 

背景技术

螺杆式控制器是螺杆式压缩机的核心部件，控制器的可靠性、稳定性、开放性、网络化和集成化程度以及控制器的智能化程度、实时控制的能力，将直接影响压缩机的性能、功能实现、工作效率和先进程度。控制器是整机系统中最为脆弱的电子部件，但又是关键部件，当前螺杆压缩机控制器存在产品设计周期较长、产品针对性强、移植困难、PLC产品模块化功能过于复杂、只能适用DI/O或AI/O等几个关键技术瓶颈。 

发明内容

本实用新型的目的是解决传统产品的不足和进步缓慢的弊端，提供一种基于多微控制器MPU组成的可成长、可重塑的神经元结构的成长型螺杆压缩机控制器。 

为了达到本实用新型的目的，本实用新型是这样实现的： 

本实用新型提供了一种成长型螺杆压缩机控制器，包括主控制器系统，其特征在于：主控制器系统中还包括人机界面HMI、控制器和各神经元件，所述的人机界面HMI、控制器和各神经元件通过专用网络通讯协议相连接。

所述的人机界面HMI包括显示器、功能键、存储器、时钟日历电路和隔离的串行RS485接口，显示器是OLED显示屏，人机界面HMI采用全表面贴装。 

所述的控制器包括微控制器、输入光电隔离器、模拟量放大器、输出继电器、RS485通信接口和内部通讯接口，控制器通过RS485通信接口与人机界面HMI连接，控制器采用全表面贴装。 

所述的神经元件包括电机保护器元件、相序器元件、智能传感器元件、电力测量元件、WIFI通讯元件、露点变送器元件、风机保护器元件、GSM通信元件，神经元件通过内部通讯接口与控制器连接。 

主控制器通过MODBUS-TCP/IP协议与外界PC连接。 

本实用新型相对于现有技术，其有益效果是： 

1、可成长性：每个神经元件均有各自的微控制器，其功能相对独立，相互之间采用网络拓扑结构，内嵌可升级手段、可成长为新产品。 

2、可重塑性：主控制器系统架构按“分层积木”设计，可以任意增减、自由组合、轻易重塑，为客户的个性化产品需求提供了可能。 

3、可衍生子产品：各神经元件模块化设计，为各神经元件也能衍生出通用的、独立的子产品奠定了基础，经过外观设计后可用于其他行业。 

4、OLED汉化显示：它是主动发光器件，具有宽视角和高亮度、宽温、低功耗(30mA/100mW左右)、抗震动冲击等特点，特别适用于工业控制行业。 

5、多层通讯架构，在客户端采用成熟的RS-485接口，MODBUS-TCP/IP协议， 解决了隔离电压高(3KV)、数据速率快(500kb/s)、传送距离远(1kM)和功耗需求低(20mw)之间的矛盾；神经元件模块内部采用了独特而高效的通讯协议，提高了系统内的通讯效率、安全性和保密性。 

6、节能：一是本控制器采用最低功耗设计，在提高了可靠性的基础上，实现了小型化、微型化；二是控制对象——螺杆式压缩机在运行时能根据工况状态做到适当的加卸载运行、联动控制或变频调节等方式，以形成最佳节能工艺流程，达到整机节能目标。 

7、诊断智能化：控制器能做到故障定位、故障提早预警，减少了客户维修难度，降低了部件的损坏率。 

8、可靠性：选用低功耗、无外部晶振的器件设计、将高密度的元件按热能均匀分布，并使用EMI器件进行PCB布局，再加上贴片工艺机器焊接，就能够做到大系统通过冗余技术才能达到的可靠性要求。 

9、远程服务：可远程升级和远程监控，协助厂家实现远程维护。 

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。 

图2为本实用新型的软件结构框图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述，但不作为对本实用新型的限定。 

本实用新型提供的成长型螺杆压缩机控制器，包括主控制器系统101，其特征在于：主控制器系统中还包括人机界面HMI 201、控制器301和各神经元件401，所述的人机界面HMI201、控制器301和各神经元件401通过专用网络通讯协议相连接。 

人机界面HMI 201包括显示器202、功能键203、存储器204、时钟日历电路205和隔离的串行RS485接口206，显示器是OLED显示屏，人机界面HMI 201采用全表面贴。 

控制器301包括微控制器302、输入光电隔离器303、模拟量放大器304、输出继电器305、RS485通信接口306和内部通讯接口307，控制器通过RS485通信接口与人机界面HMI 201连接，控制器301采用全表面贴。 

神经元件401包括电机保护器元件402、相序器元件403、智能传感器元件404、电力测量元件405、WIFI通讯元件406、露点变送器元件407、风机保护器元件408、GSM通信元件409，各神经元件通过内部通讯接口307与控制器301连接。 

本实施例中，主控制器系统101通过MODBUS-TCP/IP协议与外界PC连接，实现人机交流；人机界面HMI 201储存大量的采样数据和现场信息；控制器201根据采样数据以最优的加卸载方式对压缩机进行控制；神经元件401是各个独立神经元件的组合，具有自主的微控制器芯片和独立的数据存储区，同时具有记忆和分析处理能力，对其监控对象和上级指令均能及时响应，用于设备或生产过程 的控制。 

主控制器系统101中的部分组成单元的功能描述如下： 

人机界面HMI 201：具有硬件隔离的RS-485接口，可以运行MODBUS-TCP/IP协议。解决了隔离电压高(3KV)、数据速率快(500kb/s)、传送距离远(1kM)和功耗需求低(20mw)之间的矛盾，为上位机与控制器之间的通讯提供了可靠的通道，HMI采用全表面贴技术，HMI芯片的选用均采用工业等级制造。 

显示器202：采用OLED显示屏，屏幕轻薄，画面清晰度更高，可视角度高达170度。 

控制器301：对各种不同来源的潜在干扰采取了最新的、针对性的保护措施。采用微功耗和优化散热设计实现了小型化、轻量化，同时增加了结构件的强度，体积、重量均减少1/3。采用全表面贴技术。控制器芯片的选用均采用工业等级制造。 

本实施例的软件功能实现方式为： 

1、控制器301中的数据采集是控制器的重点，它主要完成相序、电流、温度、压力和数字量等输入信号的准确测量，将采集到的数据传达给各神经元件。 

2、各神经元件的核心是数据通信，也是主控制器系统101的设计关键点和创新点，它主要完成采样数据和控制参数的上传，最主要的是要与各个神经元件模块进行有效的数据通讯和数据共享，保证控制网络要求的确定性和重复性。 

3、各神经元件将其控制参数上传到控制器301的控制软件，控制软件主要完成螺杆压缩机电机、油泵电机、加卸载电磁阀和散热风机的开启和关闭。控制软件实现以下控制方式： 

(1)独立控制 

A近地自动控制(启停方式：机旁；加载方式：自动) 

①、按“ON”键起动：(Y-△起动)控制器上电后有3秒自检，按“ON”键不能起动，自检结 束后按“ON”键主机开 始起动主机起动过程为：KM3得电，KM2得电-Y形起动状态-延时时间到(Y-△转换时间)KM3失电(KM1、KM3互锁)，KM1得电-电机△形运行，起动结束。起动过程中，所有电磁阀一直失电，实现空车起动。 

②、自动运行控制：电机起动到△状态后，延时一段时间后，加载电磁阀得电，空压机开始加荷，汽罐压力开始升高。当气压升高超过设定高限压力时(卸载压力值)，加载电磁阀失电，卸放电磁阀得电，空压机空车运行。如果在规定的时间内(空车时间内)，气压又降低于设定的低限压力(加载压力值)，加载电磁阀又得电，卸放阀失电，压缩机正常压缩空气，提高气罐压力。如果在空车时间内，气罐压力没有降到低限压力，控制器将自动停止电机工作，实现空车过久自动停机。只有当压力降到低限压力，电机自动按起动过程起动运行，如此往复循环。 

③、在自动状态下手动加载/卸载：在自动状态下，设备处于卸载状态，按一下“M”加载，如果压力高于卸载压力，加载电磁阀点动一下后回到卸载状态；如果压力低于卸载压力，加载电磁阀得电直到供气压力大于卸载压力后重新回到卸载状态。设备处于加载状态，按一下“M”卸载，如果压力高于加载压力，加载电磁阀失电直到供气压力小于加载压力后重新回到加载状态；如果压力低于加 载压力，此时卸载不起作用。 

④、正常停机：按“OFF”键，加载电磁阀失电和卸放电磁阀得电，延时一段时间(停机延时)后，电机接触器失电，主机和风扇电机停止运转，重起延时结束后卸放电磁阀失电。只有按“ON”键才能重新起动。 

⑤、防频繁起动控制：按“OFF”停机、空车过久停机、故障停机使电机停转时不能马上起动电机，需有一定延时，本控制器在各种停机状态下时间显示窗口倒记时显示剩余延时时间(如90秒)，只有延时时间为零时才能起动电机。 

B、远程自动控制(启停方式：远程；加载方式：自动) 

远程自动控制与近地自动控制基本一样，不同的是设备启停可由远程开关控制完成。 

C、近地手动控制(启停方式：机旁；加载方式：手动) 

启停控制与自动控制一样，只是设备启动结束后，处于卸载运行。“M”键加载，当供气压力大于卸载压力时，设备自动卸载，如果不按键“M”加载，设备一直卸载运行直到空车停机。在卸载过程中，按“M”键加载；在加载过程中，按“M”键卸载。 

D、远程手动控制(启停方式：远程；加载方式：手动) 

远程手动控制与近地手动控制一样，只是设备启停可由远程开关控制。 

(2)联网控制 

A、当控制器联网通讯设置为“计算机”时可实现计算机联网控制。 

B、当控制器通讯设置为“联动”可实现控制器与控制器之间联网控制，但主机只能为1#机。在联动控制中： 

①、均衡设备运行及加卸载时间，延长设备的使用寿命； 

②、当运行设备出现故障跳机，自动投入备用机，实现供气的连续性； 

③、自动调节投入运行的压缩机及辅机数量，实现在稳定输出压力、提高高质量供气的同时，保证开启设备最少，节能降耗，节约运行成本。 

④、压缩机和干燥器设备顺序启动，避免同时启动造成对电网冲击。 

(3)风机温度控制 

当排气温度大于风机起动温度时，风扇电机运行；当排气温度小于风机停机温度时，风扇电机停止运行。 

(4)自动排水控制 

本控制器设有定时排水功能，按设定的排水持续时间和间隔时间定时排水。 

(5)故障停机与紧急停机控制 

当机组在运行过程中出现电气故障或排气高温等故障时控制器立即停止电机运行，需排除故障解除故障状态后才能重新起动电机。如遇紧急情况，按下紧急停机按钮，切断控制器和接触器电源。 

4、控制器301的控制软件对螺杆压缩机电机、油泵电机、加卸载电磁阀和散热风机的开启和关闭控制后，将数据传输给设在HMI的数据分析，由于HMI具有海量存储功能，它可以根据即时数据和历史数据对压缩机状态进行显示和数 据分析。 

(1)数据显示 

A、运行数据显示，包括压缩机电机电流、风机电流、出口压力、过滤器前压力、出口温度。 

B、系统数据显示，包括时钟日历、各种I/O状态、通讯状态、操作提示。 

C、其他： 

①、空滤器预警指示 

a、用开关信号检测预警：控制器通过检测空滤器压差开关动作在文本显示器上提示操作者“空滤器阻塞”。 

b、设定空滤器使用时间预警：空滤器使用时间到，文本显示器上提示操作者“空滤器使用时间到”。 

②、油滤器预警指示 

a、用开关信号检测预警：控制器通过检测油滤器压差开关动作在文本显示器上提示操作者“油滤器阻塞”。 

b、设定油滤器使用时间预警：空滤器使用时间到，文本显示器上提示操作者“油滤器使用时间到”。 

③、油分器预警指示 

a、用开关信号检测预警：控制器通过检测油分器压差开关动作在文本显示器上提示操作者“油分器阻塞”。 

b、设定油分器使用时间预警：空滤器使用时间到，文本显示器上提示操作者“油分器使用时间到”。 

④、润滑油预警指示 

润滑油使用时间到，文本显示器上提示操作者“润滑油使用时间到”。 

⑤、润滑脂预警指示 

润滑脂使用时间到，文本显示器上提示操作者“润滑脂使用时间到”。 

(2)数据分析 

基于即时数据的分析和处理，如：电机过载、缺相、相序错、超限； 

基于定点数据的工艺流程分析和处理，如：压力、温度等； 

基于分钟数据的曲线分析和相关数据分析和处理； 

基于小时数据和分钟数据的数据库的建立和维护，及相关处理，如：各种报表，为以后的故障预测提供一手数据。 

5、HMI中还设置了预测故障，它是根据数据分析的结果，根据专家的多年现场经验给出预测结果，通过显示和报警的方式通知客户。 

例一：我们知道空压机的运行电流与电网的电压和空压机此时的工作压力和运行状态(即加载运行还是卸载运行)息息相关，另外伴随着压缩机主机轴承的磨损轴功率逐步上升，从而运行电流也在悄无声息的上升，如果仅从单一数据进行分析和判断是无法得出正确的结论。譬如压缩机中热保护继电器跳脱，从现象上看是电流过大造成的，那么造成电机电流过大的原因有许多。电压过低，工作压力超过压缩机规定的额定压力，压缩机主机轴承磨损，电机本身的质量问题都可能影响电流的变化，如果没有长期同步时间内的综合记录数据进行分析是无法判断这一停机事故背后的原因。 

例二：再譬如螺杆空压机主机机头“抱死”的问题，这对于空压机生产厂商和空压站运行人员来说也是一个比较难解决的问题，众所周知空压机功率同电流、电压、功率因数和工作压力、吸气量有关。当用户按设计要求购买到标定的排气压力和排气量时，一般情况下每台空压机很少长期运行在满负荷状态下，而生产厂商在出厂测试时只测试在标定的排气压力下其轴功率和排气量不超过规定值即可，它无法告诉你每台空压机在不同工作压力下其电流、功率和排气量的数值(一是国家标准没有规定，二是不确定因素太多)。上述这些日常运行数据只有靠我们日积月累进行数据间的综合比较才能做出判断，冰冻三尺非一日之寒。 

空压机在长期的运行过程中，许多运动部件都可能会发生这样和那样的问题，譬如螺杆空压机中泄放和排气系统一旦发生故障，空压机将无法正常起动和运行，但是从表面上我们还无法看到这一故障，所以在许多公司中维修人员和服务商经常采用“救火式”维修和保养，要将维修保养变成有计划有目的的进行必须通过采集到的数据进行分析并加以判断。 

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例框架。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。 

Claims (5)

1.成长型螺杆压缩机控制器，包括主控制器系统，其特征在于：主控制器系统中还包括人机界面HMI、控制器和各神经元件，所述的人机界面HMI、控制器和各神经元件通过网络通讯协议相连接。

2.根据权利要求1所述的成长型螺杆压缩机控制器，其特征在于：所述的人机界面HMI包括显示器、功能键、存储器、时钟日历电路和隔离的串行RS485接口，显示器是OLED显示屏，人机界面HMI采用全表面贴装。

3.根据权利要求1所述的成长型螺杆压缩机控制器，其特征在于：所述的控制器包括微控制器、输入光电隔离器、模拟量放大器、输出继电器、RS485通信接口和内部通讯接口，控制器通过RS485通信接口与人机界面HMI连接，控制器采用全表面贴装。

4.根据权利要求1所述的成长型螺杆压缩机控制器，其特征在于：所述的神经元件包括电机保护器元件、相序器元件、智能传感器元件、电力测量元件、WIFI通讯元件、露点变送器元件、风机保护器元件、GSM通信元件，神经元件通过内部通讯接口与控制器连接。

5.根据权利要求1所述的成长型螺杆压缩机控制器，其特征在于：主控制器通过MODBUS-TCP/IP协议与外界PC连接。 

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