（系统分析与集成专业论文）基于msp430的空压站多通道数据采集系统.pdf

南京信息工程大学理学硕士学位论文 摘要 活塞式空气压缩机以其损失小、效率高、压力范围广、适应性较强等优点，广泛应用 于工业生产领域。随着矿井生产的现代化和大型化的发展，用风量不断增加，因此对空气 压缩枧运行的安全性和可靠性要求也越来越高。为了能够及时了解空压杌懿运行情况，保 证日常生产的厩常进行，本文设计了一个多通道的数据采集系统，用来对空压站内的每台 极器进行实时昀滥测。 根据模块的功能需求，同时考虑目前模块设计中低功耗化和微型化的发展趋势，本课 题选照了t i 公司的m s p 4 3 0 f 4 3 7 单冀枧 乍为中央处理器。该芯片舆备强大的处理能力、具 备高效的运算速度和灵活的运算方法、系统工作稳定可靠，丰富的片内外设为系统的单片 解决方案提供了极大的方便。整个系统由数据采集模块、信号条理电路、模数转换模块、 数据存储模块以及通信模块组成。 文章首先介绍了空压站数据采集系统的熬体功能：其次介绍了各个模块的硬件电路设 计，说明了麴应元器件酶选择窝应惩，阐述了各罄分酶控制暴理秘软件调试。系统采攥一 片低功耗、高性能a d 转换器a d s l 2 4 4 ，通过多路模拟开关对气压、水温、水位等4 5 个参 量分3 个通道进行测量，并实现了m 粥卡便携式数据存储。遥信量模块通过r s 一4 8 5 通信接 口，接收上位机的命令并对上位机进行数据发布，保证了通信的效率和可靠性。系统采用 c 语富进行编程，易于维护和修改。 在开发设计过程中，根据实际瑗场设计了基予m s p 4 3 0 f 4 3 7 与a d s l 2 4 4 的集中篮测系 统，该监控系统具有成本低、开发周期短等特点；将m s p 4 3 0 f 4 3 7 应用到复杂度高、危险 性大酶大型空题祝监控系统中，对提高系统运行的可靠性帮安全性具有重要酶意义；实现 了空压机的近程和远程监控及实时数据记录，在帮助操作人员及时地了解设备的运行状态、 制定合理的维修计划、降低故障率方面具有重要的意义。 关键词：空压机；m s p 4 3 0 ；多通道；数据采集； 南京信息工程大学理学硕士学位论文 a b s t r a c t p i s t o nc o m p r e s s o r sa r ew i d e l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l db e c a u s eo fm a n yo ft h e i r c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl i t t l e e x p e n s e ，h i g hw o r ke f f i c i e n c y , w i d ep r e s s u r er a n g e ，b e t t e r a d a p t a b i l i t ya n ds oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i z a t i o na n dg r e a t n e s so fm i n e ，t h en e e d o f c o m p r e s s e dw i n di si n c r e a s i n g s ot h ed e m a n do fs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h er u n n i n go fa i r c o m p r e s s o r si sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h eo p e r a t i o no f a i rc o m p r e s s o r t oe n s u r et h a tt h en o r m a ld a y - t o - d a yp r o d u c t i o n , w ed e s i g n e dam u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，u s e df o rt h ea i rc o m p r e s s o re a c hm a c h i n et oc o n d u c tr e a l - t i m em o n i t o r i n g a c c o r d i n gt ot h en e e d so ff u n c t i o n a lm o d u l e ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec u r r e n tl o w - p o w e r m o d u l e si nt h e d e s i g n a n dm i n i a t u r i z a t i o nt r e n do fd e v e l o p m e n t , t h ea r t i c a lu s e st i s m s p 4 3 0 f 4 3 7m c ua sac e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t t h ec h i ph a sas t r o n gp o w e ro fp r o c e s s i n g ， e f f i c i e n tc o m p u t i n gs p e e da n df l e x i b l eo p e r a t i o nm e t h o d s ，s t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h e s y s t e m r i c hs e ti n s i d ea n do u t s i d et h es i n g l e - c h i pp r o v i d e sag r e a tc o n v e n i e n c e t h es y s t e m t o n s i l so fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，c o h e r e n ts i g n a lc i r c u i t s ，a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nm o d u l e s ， d a t as t o r a g em o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e s a tf i r s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e so v e r a l lf u n c t i o no ft h ea i rc o m p r e s s o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ； n e x t ，i n t r o d u c e st h ev a r i o u sm o d u l e so ft h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dt h ec o r r e s p o n d i n g c o m p o n e n t so ft h es e l e c t i o na n da p p l i c a t i o n ；d e s c r i b e st h ev a r i o u sp a r t so ft h ec o n t r o lt h e o r ya n d s o f t w a r ed e b u g g i n g t h es y s t e mu s e sal o w - p o w e r , h i g h p e r f o r m a n c ea | dc o n v e r t e ra d s l 2 4 4 t om e a s u r e4 5p a r a m e t e r s ，s u c ha sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，t h ew a t e rl e v e l ，t h r o u g hm u l t i c h a n n e l a n a l o gs w i t c h t h ed a t a w i l lb es t o r e di nt h e p o r t a b l e d a t as t o r a g em m cc a r d t h e m i c r o c o n t r o l l e rc o m m u n i c a t e sw i t ht h ep ct h r o u g ht h er s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n d r e c e i v e so r d e r sf r o mu p p e rp co rs e n d sd a t at ou p p e rp c t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i t hc l a n g u a g ea n di sc o n v e n i e n tt om o d i f ya n dm a i n t a i n i nt h ed e v e l o p m e n to ft h ed e s i g np r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t ed e s i g nb a s e do nt h e m s p 4 3 0 f 4 3 7a n da d s1 2 4 4c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e mh a sl o wc o s ta n ds h o r t d e v e l o p m e n tc y c l e ，a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ；m s p 4 3 0 f 4 3 7w i l lb ea p p l i e dt oc o m p l e xa n dh i g h r i s ko fal a r g ea i rc o m p r e s s o rm o n i t o r i n gs y s t e m ，t oi m p r o v et h e o p e r a t i o no ft h es y s t e m r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ef u l f i l l m e n t so ft h ea i rc o m p r e s s o r i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n tt oa c h i e v eas h o r t r a n g ea i rc o m p r e s s o ra n d t h er e m o t em o n i t o r i n ga n dr e a l - t i m e i i 南京信息工程大学理学硕士学位论文 d a t ar e c o r d s ，i nat i m e l ym a n n e rt oh e l po p e r a t o r su n d e r s t a n dt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，a n d d e v e l o par e a s o n a b l em a i n t e n a n c ep l a nt or e d u c et h er a t eo ff a i l u r e k e yw o r d s ：a i rc o m p r e s s o r ；m s p 4 3 0 ；m “- c h a n n e l ；d a t aa c q u i s i t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：立芝至监 日 期：立竺赴丝 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索：有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 南京信息工程大学理学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 压缩空气是工业上常用的能源介质之一，是用以驱动风镐、风钻等风动机械的原动力， 其最大的优点是能够利用取之不尽、用之不竭的自由空气。与电力相比，它具有以下特点： 不产生火花；不怕超负荷；无触电危险；在湿度大，温度高，灰尘多的环境中能很好的工 作。 空气压缩机( 简称空压机) 是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械。随着 生产技术的不断发展，压缩机的种类和结构型式也日益增多。目前不但广泛地应用在采矿 业、冶金业、机械制造业、土木工程、石油化工、制冷与气体分离工程以及国防工业中， 而且医疗、纺织、食品、农业、交通等部门，对压缩机的需要也在不断地增加。 空压机作为煤矿重要设备之一，其年耗电量十分可观，各矿井用压设备都很多：井口 绞车系统、井上下装卸载、井下巷道喷浆等，而且用风时间不统一，用风量不稳定，因此 必须连续运转。当用风量小时导致空压机长时间低压负荷运行，电能损耗增大并加剧了设 备的磨损，增加了运行成本。如负荷小时将设备停机( 或部分设备停机) ，将导致操作频繁， 缩短设备寿命，而且会影响用风设备及风动工具的正常工作。煤矿安全规程第4 0 3 、4 0 4 、 4 0 5 条对空压机的运转均有明确的规定，所以必须对空压机运转过程中主要技术参数进行 实时监控与安全保护，从而达到进一步提高设备的安全性、可靠性与利用率，改善工人的 劳动环境，降低工人的劳动强度，产生良好的经济效益和社会效益【2 2 1 。 本学位论文以某煤矿公司空压站为具体模型，研究空气压缩机的集中监测系统。该公 司有3 台2 d 1 2 1 0 0 8 型空气压缩机，每台空气压缩机独立控制，为井下风动机械和洗煤厂 提供动力。3 台空气压缩机和水泵房电机相互之间有一定的距离，给整个压风机房的操作、 管理和维护带来很多不便。煤矿空压机组的数据采集系统的研制不仅对煤矿供气系统有很 强的应用价值，还可以推广到其它应用领域中去，因而课题的提出具有很强的实际应用价 值。 1 2 课题研究的意义 实现空压机集中监测的目的是提高空压机的工作稳定性，实现空压机的实时监测，使 其易于操作、管理和维护。具体表现在以下几点： ( 1 ) 提高空压机运行的可靠性和稳定性 南京信息工程大学理学硕士学位论文 适合现场的、稳定可靠的监测系统能及时准确地对故障进行报警处理，保证空压机的 安全运行。 ( 2 ) 降低运行成本，提高生产效率 对空压机运行状况进行全面监测，尽量减少空压机的缸体磨损，从而降低配件费用和 运行成本，进而可以较大限度的延长维修周期，提高生产效率。 ( 3 ) 提高系统的自动化、智能化和人性化的水平 集中监测系统实现了对每台空压机的实时监测，操作人员可以从上位机即时了解各台 机器的工作状况。一旦有意外情况出现，比如：风压过低、冷却水供应不足等，使得空压 机不能正常工作，而影响到整个公司生产进度时进程时，操作人员可以及时地掌握是哪个 环节出了问题，从而采取相应的措施来解决问题，保证机器的正常运转。管理员还可以通 过网络远程浏览空压机的监控画面，从而给管理带米了极大的方便，提高了整个控制系统 的自动化、智能化和人性化的水平。 1 3 课题研究的现状 现代测试技术，既是促进科学技术发展的重要技术，又是科学技术发展的结果。现代 科技的发展不断地向测试技术提出新的要求，推动测试技术的发展。与此同时，测试技术 迅速吸取和综合各个科技领域( 如物理学、化学、生物学、材料科学、微电子学、计算机科 学和工艺学等) 的新成就，开发出新的方法和装置。 近年来，新技术的兴起促使测试技术蓬勃发展，尤其在以下几个方面的发展最为突出： ( 1 ) 电路设计的改进 广泛采用运算放大器和各种集成电路，大大简化了测试系统， 提高了系统特性。例如有效地减小了负载效应，线性误差，等等。 ( 2 ) 新型传感器层出不穷，可测量迅速增多当今世界己拥有极高水平的各种电子设 备和信息技术。传感器是信息之源头，只有拥有良好而多样的传感器，才能在非电量的自 然界中有效地使用这些设备和技术。有人认为支配了传感器技术，就能把握住新时代。能 不能开发出上乘的测试装置，关键也在于传感器的开发和应用。 ( 3 ) 广泛应用信息技术 信息技术，特别是计算机技术和信息处理技术，使测试技术 产生了巨大变化，大幅度地提高测试系统的精确度、测量能力和工作效率污i 进许多新的分 析手段和方法，使测试系统具有实时分析、记忆、逻辑决断、自校、自适应控制和某些补 偿能力，向着智能化发展。 ( 4 ) 多参量测量系统的开发 由于出现各种廉价传感器和实时处理装置，为开发多传 感器和多种参量测试系统提供了可能性。这种测量系统可实现多自变量函数的测量，是自 2 南京信息工程大学理学硕士学位论文 动控制系统必不可少的装置。它也广泛用于设备的监测和组成线型或面型传感器阵列进行 图象或场量的测试【2 0 1 。 国内现在有不少数据测量和采集的系统。在硬件实现上，主要通过单片机、d s p 等完 成，有基于p c i 总线、基于v x i 总线的高速数据采集系统等。在软件实现上，有l a b v i e w 图形化编程软件、v b 、v c 可视开发工具等。这些数据测量和采集系统的研制成功解决了 用户需要，但是也有一部分系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂，并 且对测试环境要求较高等问题。为了满足特定科学实验对于测试系统灵活、高效、高速、 多通道等要求和适应复杂的测量环境，需要研制开发新一代的数据采集系统。 由于空压机的应用越来越广泛，如何保证压缩空气的质量、降低成本成了工业部门关 心的重要内容。采用传统的仪表对空气压力、流量、温度等进行测量，由于测量点较多、 费用较大。比如某厂空压站现有空压机5 台，每台空压机需要对其中级排压、2 级排压、 油压、水压4 个压力测量点进行测量，5 台空压机共计2 0 个压力测量点进行测量，按每个 回路( 包括传感器、变送器、显示仪表等) 2 0 0 0 元计算，2 0 个回路共计4 万元以上，而且 由于测量点分散，施工的工作量较大，施工有一定困难。理想中的多通道采集系统由一个 微控制器控制多个通道，传感器采集现场信号，通过a d 转换器将传感器采得的模拟信号 转换为数字信号，然后用相应的处理方法对得到的数字信号进行处理，微控制器既负责指 挥传感器、a d 转换器和其它器件的工作、暂存等处理工作以及向上位机传送采集结果的 工作。对一些对于精度要求并不是很苛刻，能在允许误差的范围内测得必要的数据的情况， 使用一种多通道的测量设备变得方便而又实用。这些情况不要求有非常多的通道数，系统 延时的时间对采集速度和精度的影响在允许的范围之内，那么在传统的测量系统的基础上， 适当地加以改进，从而达到既能满足测量要求，又可以节约成本的效果，这对实际的应用 是非常有意义的。 1 4 数据采集与处理的发展趋势 数据采集与处理技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术和 计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。近年来，一个重要的发展趋势就是通过信号 的测量( 数据采集) 、处理、控制与管理，实现测、处、控、管一体化。一些新技术，如光 纤技术、超导技术、人工智能等技术也在数据采集与处理中得到了应用。 随着科学技术的发展和数据采集与处理系统的广泛应用，人们对数据采集系统的主要 技术指标，如通过速率、分辨率、精度、输入电压范围以及抗千扰能力等方面，都提出了 越来越高的要求。 南京信息工程大学理学硕士学位论文 在许多应用场合，人们需要具有很高通过速率的高速数据采集与处理系统，如动态信 号分析要求应用速度数据采集与处理技术，所以数据采集与处理的高速化是它的又一个发 展方向。总之现代数据采集系统通常具有以下几个特点【1 6 】： ( 1 ) 现代数据采集系统一般都内含计算机系统，这使得数据采集的质量和效率等大为提 高，同时显著节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与处理相结合得日益紧密，形成了数据采集与处理相互融合的系统，可实 现从数据采集、处理到控制的全部工作。 ( 4 ) 速度快，数据采集过程一般都具有“实时”特性。对于通用数据采集系统一般希望 有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠 性越来越高。 ( 6 ) 总线在数据采集系统中的应用越来越广泛，总线技术对数据采集系统结构的发展起 着重要作用。 1 5 本课题的主要内容 本课题主要研究微处理器控制下的空压机工矿参数数据采集系统，实现对空压机各参 数的实时测量，并能够储存数据便于应对意外事件( 如停电等) 的发生而造成的数据丢失。 为达到以上目的，本课题主要做以下的工作： ( 1 ) 了解目前在空压机实时测量方面的情况，提出几种不同的改造方案。 ( 2 ) 对空压机的工艺过程和工作原理进行深入了解和分析，确定空压机数据采集系统的 总体方案，并进行硬件选型和电路设计。 ( 3 ) 对系统进行软件设计，使系统满足实际应用的需要。 ( 4 ) 对完成的系统进行调试和改进。 1 6 本章小结 本章主要介绍了空压机在实际工作中的重要作用，阐述了本课题的来源与背景，论述 了课题研究的意义，介绍了数据采集系统的现状以及未来发展的趋势，说明了本课题主要 研究的内容。 4 南京信息工程大学理学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 空压站数据采集系统的目的是解决目前空压机运行的不稳定性及压风机房操作、运行 和管理效率低下，浪费人力、物力的问题，加快信息传递、交换和处理速度，保证监控系 统的安全性和可靠性，提高控制系统的自动化、智能化和人性化水平。 2 1 数据采集过程工艺描述 为了保证生产的正常进行，空压机必须连续安全正常运转，而保证空压机正常工作的 主要因素有三个：即风、油、水，这是因为吲： ( 1 ) 风一风压是空压机工作的主要标志。风压过低，会影响生产，但风压过高，会增加 电能消耗，如果风压超过空压机设备的受压能力，就会发生爆炸事故。所以，风压应控制 在规定的范围内。 ( 2 ) 油一润滑油是保证空压机正常运转的重要因素。如果润滑油量不够或油质不好，就 会使空压机各个润滑部位的摩擦温度升高，甚至造成机件过热而发生事故，致使机器无法 继续运转。所以，要经常检查油压及其各部分的润滑情况。 ( 3 ) 水一冷却水是水冷式空压机不可缺少的。如果冷却水量供应不足或中断，就会使气 缸温度显著升高，致使润滑油汽化烧焦，与高温压缩空气相接触就会有爆炸的危险，同时， 空压机冷却不良，就会增大功耗，降低生产效率。所以，要经常检查冷却水的流动情况、 水温和水位等工作参数。 2 d 1 2 一1 0 0 s 型空气压缩机属于活塞式压缩机( 又称往复式压缩机) 。它是利用活塞在气 缸内做往复运动，气缸容积减小的同时使气体压力增大，并将气体输送出去的一种机械， 具有损失小、效率高、压力范围广、适应性较强等优点，广泛应用在采矿、机械制造、化 学、石油、冶金、铸造和制冷等行业。 2 d 1 2 1 0 0 8 型空压机为对称平衡式，有双列气缸，排气压力为0 8 m p a ，排气量为 1 0 0m 3 m i n ，复动水冷有十字头固定的活塞式空气压缩机。该机的电动机悬挂于曲轴的一 端，由联轴器与曲轴直接驱动。联轴器外圈为飞轮，轮缘外圈有数个孔，便于人工搬车。 其主要结构有曲轴箱是一箱形结构，内装曲轴，有两个曲拐，相互错角为1 8 0 。，有主轴 承二对支承曲轴。下部为油池，内装传动机构用的润滑油，在油池中有蛇形管式润滑油冷 却器。一、二级气缸由中体及中间接筒用螺栓连接于曲轴箱上，分布于左右两侧，故机器 的平衡性良好。中间冷却器置于一、二级气缸之间，横跨机身上部。二级压缩后，设有后 5 南京信息工程大学理学硕士学位论文 冷却器进行冷却。 负荷调节是由三个负荷调节器及其管路组成，采用压开吸气阀装置和连通补助容积联 合调节，以达到分级调节之目的。在负荷调节系统中还装有两位三通电磁阀，电磁阀的一 个通道与风包相通，另一个通道与减荷阀( 也称为卸荷阀) 相连，如图2 - 1 所示。通过电磁 阀的开启与关闭来控制减荷阀的动作，减荷阀动作即可引起空压机的减荷，而电磁阀的动 作由转换开关、继电器综合控制。该机有两个电磁阀：5 0 减荷电磁阀和1 0 0 减荷电磁阀， 两个减荷阀各控制风包一半的进风量：5 0 减荷时，进风量为不减荷时的一半，进风风压也 减为原来的一半：1 0 0 减荷时，两个电磁阀均打开，进风量为零，进风风压也为零。 接通 风大 包气 接通 风大 包气 图2 - 1 电磁阀 风包又名储气罐，装在空压机和压风管网之间。其作用是缓和由于排气不均匀和不连 续而引起的压力波动，储备一定数量的压缩气体，维持供、需气量之间的平衡，除去压缩 气体中的油水。在风包上还装有放空阀，用来排放风包中的气体，主机启动和停止时，均 需要将风包放空。另外，在二级缸和风包之间的管道上安装有风路电磁阀，是一个逆止阀， 防止风包中的气体回流。 空气压缩过程中，放出大量的热量，使气缸的工作温度很快升高。因此，空压机必须 具有良好的冷却系统。现场空压机采用水冷方式中循环冷却系统，在该系统中，水可以多 次冷却空压机，每次从空压机流出来的热水导入冷却水塔，使水温降到原来温度后，再供 空压机使用。电极式断水保护装置是在每台空压机的冷却水管排水漏斗处安装两个电极， 利用水的导电性能，当有冷却水流过时，将两个电极连通，继电器吸合；冷却水中断时， 电路断路，继电器释放，发出信号或紧急停机。水泵房有四台水泵电机和三台冷却塔电机， 水泵电机的作用是控制空压机冷却水的循环，冷却塔电机是将循环水抽到冷却塔中进行喷 洒冷却。其中水泵电机的参数：额定电压为3 8 0 v ，额定电流2 8 8 a ，额定功率1 5 k w ；冷却 塔电机的参数：额定电压为3 8 0 v ，额定电流1 1 6 a ，额定功率5 5 k w 。 6 南京信息工程大学理学硕士学位论文 空压机各零件相互滑动的部位，如活塞环和气缸、填料与活塞杆、曲轴和轴承、连杆 大小头、连杆小轴衬套以及十字头滑道等处，都需采用不同的方式进行润滑。其作用是： 减轻滑动部位磨损，延长零件寿命；减少摩擦功率，降低能耗；冷却各部零件，将摩擦热 带走，从而保证滑动部分必要的运转间隙，防止滑动部件卡住或烧伤：密封气缸的工作容积， 提高活塞和填料箱的密封性。此外，润滑还起到清洗、减振等作用。在润滑系统中，气缸、 填料函用注油器润滑，曲轴连杆等传动机构用齿轮油泵循环润滑。注油器、齿轮油泵均装 入曲轴一端，以便于开车前向各润滑点注油。 为了保证空气压缩系统能安全运转，不造成电气和机械设备损坏和避免发生事故，除 了在电控系统中对主电动机采取过流等电气保护措施外，还需要对冷却水中断、排气温度 过高、润滑油油压低、压力失常等项目进行检测。本设计中，我们计划对以上重要的参数 进行测量。在表2 1 中列出了需要监测的1 5 个输入模拟量，其中输入包括8 个温度参数、 5 个压力参数、1 个水位值和1 个水温值1 2 。 表2 1 模拟量参数一览表 测量点模拟量参数类型测量点模拟量参数类型 1 电机机身温度输入 9一级排气压力 输入 2电机前轴温度输入l o二级排气压力 输入 3 电机中轴温度输入 1 1 风包压力输入 4 电机后轴温度输入 1 2 润滑油压力输入 5 一级排气温度输入 1 3 总出口压力输入 6 二级排气温度输入 1 4 冷却水水温输入 7 风包温度输入 1 5 冷却水水位输入 8 润滑油温度输入 2 2 数据采集系统的组成 数据采集是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量后，再进行存储、处理、显示或 打印的过程，相应的系统称为数据采集系统，它主要由硬件和软件两大部分组成。从硬件 部分来看，目前数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统， 另一种是集散型数据采集系统。由于目前数据采集系统一般都使用计算机进行控制，因此 7 南京信息工程大学理学硕士学位论文 数据采集系统又称作计算机数据采集系统。图2 2 是一个典型的计算机数据采集系统硬件 基本组成框图： 被 测 物 理 量 图2 2 典型数据采集系统框图 从图2 2 可以看出，计算机数据采集系统一般由传感器、模拟多路开关、程控放大器、 采样，保持器、模数( a d ) 转换器、计算机及外设等部分组成。图中是对多路模拟量进行采 集的数据采集系统，一般在不要求高速采集的场合，可使用公共模数转换器( 简称a d 转换 器) ，用模拟多路开关轮流切换各路模拟量与a d 转换器之间的通道，使得在一个特定的时 间内，只允许一路模拟信号输入到a d 转换器，从而实现分时转换的目的。 2 3 多通道采集方案的确定 前面是针对一般a d ，尤其是低速a d 的概述，下面对几种常见的多通道数据采集系 统进行比较分析，以求得适合本系统的多通道采集方案。以下是常见的几种多通道数据采 集系统【6 | 。 ( 1 ) 通过模拟多路开关实现的多路非同步数据采集系统 这是一种比较传统的多路非同步数据采集方法，通过模拟开关，再通过一个a d c 实 现对多路信号逐个采集，其系统如图2 3 所示： 8 南京信息工程大学理学硕士学位论文 模 拟 信 号 一采样保持器卜_ la i d 转换器卜一计算机 多 路 模 拟 开 关 定时与逻辑控制 图2 - 3 多路非同步数据采集系统 这种方法用在被采集的多路信号之间没有严格的时序关系的时候，并且，由于器件性 能的限制，这种方法不适合用来实现对高速信号的采集，也不可实现多路信号的同步采样。 ( 2 ) 多a d 实现多通道并行采集系统 此系统用于多个高频、高速数据并行采集，由于方案不采用模拟多路开关，因此避免 了多路模拟开关引起的静态或动态误差。方案框图如图2 - 4 所示。 模拟信号1 模拟信号2 模拟信号3 模拟信号n 计 算 机 图2 - 4 多个a d 实现多通道并行采集系统 从图中可以看出，该系统需要多片a d c 芯片来实现多路数据并行采集，各路信号基本 9 南京信息工程大学理学硕士学位论文 上互不干扰，采集速度也可得到明显的提高，但由于使用的芯片较多，导致电路结构复杂， 体积庞大，而且价格昂贵。 ( 3 ) 单a d 多通道同步采样系统 此系统采用单片a d 实现多路同步采样，因为在a d 转换之前，要经过多路采样保持 电路来同时保持多路模拟信号的瞬时电压，而后进行a d 转换，如 模拟信号1 模拟信号2 模拟信号3 模拟信号n 前置处理卜叫采样保持k - - 前置处理卜_ + | 采样保持卜_ + 多 模计 路 转 数 换 转 算， 4 前置处理卜叫采样保持卜一 开 换 器机 关 1 前置处理卜叫采样保持卜一 图2 - 5 单a d 实现多通道同步采样系统 从图中可以看出：该电路通过多路采样保持、多路模拟开关、单个a d 实现多路信号 同步采样，既能保证多路信号的同步采样，也能应用于高速采样，而且电路结构简单，成 本相对较低，但在设计时要注意各通道之间的相互干扰，所以抗干扰技术在此系统中应得 以重视。 由以上分析可知，第一种方案无法实现多通道同步采样，第二、三种方案均可实现多 路同步采样，但考虑到本文所需要测量的气压、水温、水位等参数都是变化相对缓慢的量， 又从节约成本方面出发，本系统采用了第一种方案，即单a d 实现多通道非同步数据采集。 2 4 系统总体结构的确定 根据系统提出的要求，并经过上述分析与比较，最终确定数据采集系统总体结构框图 如图2 6 ： 1 0 南京信息工程大学理学硕士学位论文 传感器 - l 信号调理 控制 1 百可 m s p 4 3 0 传感器信号调理 多 控制i 。数据 i 数据- 口 路 信号l 开 o l 传感器- i 信号调理 关匆习 、 路 入 数据 o止o 口 转 换接 传感器i 信号调理 - 器口 图2 - 6 系统总体结构框图 从电路中可以看出，该系统可以实现对空压站内每台空压机各参数的多通道非同步采 集，系统的核心部分是：信号调理电路，a d 转换电路，r s 4 8 5 接口电路，m s p 4 3 0 控制电 路，并借助计算机形成一个完整的数据采集系统。 2 5 本章小结 本章先从系统的整体功能要求出发，通过对比与分析，对本系统中所用到的主要器件、 电路连接方式进行了论述，并最终确定了系统采用的总体方案。更细致的诸如系统硬件电 路设计、m c u 控制方式设计等，将在以下的章节中逐一进行讨论。 南京信息工程大学理学硕士学位论文 3 1 传感器的选型 第三章系统硬件选型 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成。作为一个参数监测系统，传感器占有非常重要的地位。 在该系统中用到的传感器有：压力传感器、温度传感器、水位传感器等。 ( 1 ) 压力传感器 本系统采用陶瓷压阻式传感器作为压力传感器。该产品是引进国外著名公司的陶瓷压 阻压力传感器作为测压敏感元件而制造。适用于工业过程中测量多种流体介质的压力，将 压力参数转换成二线制4 2 0 m ad c 的标准直流信号输出，以便于相应的显示仪等检测装 置配套使用，实现对压力的自动检测和控制【9 】o 下面简单介绍此传感器： 、主要特点：该变送器使用陶瓷压阻式传感器。结构简单，体积小巧，易安装，适用 于与接触部分材质兼容的气体和液体介质。 、技术参数： 允许介质温度：3 0 8 5 0 c 工作电压：1 8 3 6 v d c 输出信号：4 2 0 m a 测量传感器：陶瓷压阻式传感器c p s18 1 、工作原理： 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前面，使膜片 产生微小的形变。厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥( 闭桥) 。由于 压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力、激励电压成正比的高度线性电压信号。标 准的信号根据压力量程的不同标定为2 0 3 0 3 3 m v v ，可以和应变式传感器相兼容。通过 激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 7 0 。c ， 并可以和绝大多数介质直接接触。 ( 2 ) 温度传感器 金属铂( p t ) 的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的 此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻 值1 0 0 ，电阻变化率为0 3 8 5 1 d c 。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围 1 2 南京信息工程大学理学硕士学位论文 广，是中低温区( - 2 0 0 6 5 0 。c ) 最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且 被制成各种标准温度计供计量和校准使用。安全工作范围对温度的要求如下：电机机身温度 小于8 0 ( 2 ，电机轴瓦温度均小于7 0 。c ，排气温度小于1 6 0 c ，风包温度小于1 0 0 c ，润滑 油温度小于6 5 c 。根据上述温度测量范围，我们选用铂电阻p t l 0 0 作为现场温度传感器。 p t l 0 0 引出导线规格有三种【3 u ： 两线制 传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的 误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。 三线制 要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂 电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻 所在的桥臂及与其相邻的桥臂上。下面我们计算一下，当满足什么条件时，导线电阻的变 化对测量结果没有任何影响。在图3 - 1 所示的电路中 a c 图3 - 1 三线制p t l 0 0 应用电路 b 假设p t l 0 0 导线电阻都为r ，四个桥臂由墨，r 2 ，恐，r 组成，e s 为直流电源，接于a 、 c 两个顶点，电桥从b 、d 两项点接线输出。 1 3 南京信息工程大学理学硕士学位论文 当电桥输出端( b 、d ) 接无穷大负载电阻( 实际只要大到一定数值即可) ，可视输出端为 开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源e s 的内阻时，由分压原理 有 u o = = + d = 一u a b ( 3 1 ) 假设厶、厶分别是桥路电流，流过r 2 上的电流为厶，流过置上的电流为，则： d = 坞厶 ( 3 2 ) 叽口= 蜀厶( 3 3 ) 由图司知，a ，c 两点间的电阻分别为恐+ 恐+ ，和墨+ ，+ 墨，只要求出a ，c 之间 的电压即可。 a ，c 之间的并联电阻为： r = ( 恐+ 恐+ r ) i i ( r 1 + ，+ 置) r ：堡墨坐! 墨! 型 ( 3 4 ) ( 恐+ 恐+ ，| ) + ( 墨+ ，+ r ) 、 a ，c 之间的电压为： 叽c = 熹州 ( 3 5 ) 又因 厶= 而u a c ，= 丢r (36)1r t r ，+ r + ， 1 + ，+ 、7 将式( 3 4 ) 代入式( 3 5 ) 中，将( 3 5 ) 代入式( 3 6 ) 中，再结合式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) ，可得： u ： 垦兰【堡2 1 墨! 墨! 二墨! 垒垦! 塑 f 37 、 。 ( r 2 + r 3 + r ) ( r 1 + ，+ 置) + ，( 墨+ 恐+ r 3 + r + 2 r ) 、 当桥路平衡时，需令分子为零。 则有： 恐( 蜀+ r + 墨) 一r l ( 恐+ r 3 + ，) = 0 ( 3 8 ) 是( 蜀+ ，+ r ) = 墨( r + r 3 + ，) ( 3 9 ) 南京信息工程大学理学硕士学位论文 整理得： 可以看出当垦= r 时， 尺：盟+ 坐一， 尼足 ( 3 1 0 ) 置2 警 导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误 差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三 线制会大大减少导线电阻带来的误差，工业上一般都采n - - 线制接法。 四线制 i i 图3 2 四线制p t l 0 0 应用电路 当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显的误差，四线测量用两条附加测 试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条 件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，通过计算得电阻 值。 在现场我们采用三线制的铂电阻作为温度传感器，可以消除传输线路带来的误差，保 证各种温度测量的准确性。 ( 3 ) 水温传感器 根据一般情况下对水温的测量范围和精度要求，本文选用的水温传感器是国家传感器 基地宝鸡秦岭传感器厂w b 2 0 1 防水型传感器。该变送器将水温信号转换成d c 4 2 0 m a 电 1 5 南京信息工程大学理学硕士学位论文 流信号，实现远距离的温度测量，具有体积小、精度高、稳定性好、抗干扰能力强的特点 【6 1 0 它的主要技术指标： 基本误差：o 5 级 输入信号：铂电阻p t l 0 0 ，测温范围1 0 + 6 0 输出信号：d c 4 , 2 0 m a 供电电源：2 4 v d c ( 4 ) 水位传感器 为保证有足够的循环水量，对冷却池中的水位进行监测。本文采用的是上海双虹仪器 仪表成套有限公司生产的静压式液位传感器，型号是r p t - l ，测量范围是0 3 1 0 0 m ，变 送输出的范围是d c 4 - 2 0 m a 。其主要特点是：稳定性好，精度高，性能价格比高；直 接投入到介质中，安装方便；固态结构，高可靠性，使用寿命长；从水、油到黏度较大的 糊状都可以进行高精度测量，不受被测介质起泡、沉积、电器特性的影响；宽范围的温度 补偿。 它的主要技术参数为【6 】： 测量范围：o 3 1 0 0 m 精度：0 2 ，o 5 ，1 0 级 工作温度：2 0 8 0 输出信号：二线制4 - 2 0 m a d c 电源标准：标准2 4 v d c 负载能力：o 6 0 0 q 相对湿度：鄂o 3 2a d 转换器选型 3 2 1 常见的模数转换器及其选择要点 在数据采集系统中，模数转换器( 简称a d ) 的作用是把采样模拟信号量化编码后，转 换为数字信号并输出，以便进行后续处理。因此在将模拟量转换成数字量的过程中，a d 是一个核心器件，它的一些性能参数直接影响整个系统的性能，比如a d 转换器的分辨率、 转换精度、转换速度等都直接影响系统的精度和速度1 8 】。 ( 1 ) a d 转换器的分类 1 6 南京信息工程大学理学硕士学位论文 常见的a d 转换器按原理可简单分为两种类型： 直接比较型