天然气压气设备工况智能化状态监测仪表设计

杨凯 郭建良

文章编号： 2095-2163（2018）03-0091-05中图分类号： 文献标志码： A

摘要： 关键词： for working condition of natural gas pressure equipment

（West East Gas Transmission Branch Company， China Petroleum Pipeline Co. Ltd.， Jincheng Shanxi 048200， China）

Abstract： In order to improve the intelligent monitoring ability of natural gas pressure equipment and ensure the steady operation of natural gas pressure equipment， the optimal design of the monitoring instrument for working condition is carried out. Based on VIX bus technology and DSP integrated information processing， the design scheme of pressure equipment condition monitoring system is presented. The TMS320C50 DSP chip is used as the core processing chip of the status monitoring instrument， and the hardware composition of the monitoring instrument includes data acquisition module， bus output control module， integrated information processing module， signal detection and amplification module and output interface design. VIX integrated bus is used for multi-channel transmission of natural gas pressure state monitoring data， and sensor is used for working condition data acquisition. Through signal conditioning circuit， signal integrated processing is carried out in DSP to realize signal filtering and envelope amplification. Combined with spectrum analysis of signals， the operating state characteristics of gas pressure-equipment are extracted. The optimal design of the intelligent monitoring instrument is realized in PCB. The test results show that the monitoring instrument is more intelligent， compatible and interactive.

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收稿日期： 引言

天然气压气设备主要指天然气压缩机及其配套的产品设备，这类设备长期工作在高负荷状态下，需要进行常规性、全天候的工况状态监测，确保天然气压气设备工作稳定可靠，保障整个天然气的压缩和输送工程的持续可靠运转。研究天然气压气设备的智能化工况监测技术，在压气设备的故障诊断分析、状态测试和可靠性评估等领域中具有很好的应用价值＼[1＼]。

对天然气压气设备的智能监测是建立在对工况数据的有效检测和信息分析基础上，提取天然气压气设备的振动噪声数据、机械数据、电机数据和天然气的压力传感数据，结合传感器设备进行实时信息采集，在中央控制器中进行信息分析，提取压气设备工况状态数据的特征量，根据特征差异性进行状态监测和风险预警评估，完成故障诊断分析和工况模式识别＼[2-3＼]。

为了提高天然气压气设备工况智能化状态监测水平，本文提出基于VIX总线技术和DSP集成信息处理的压气设备工况监测系统设计方案。首先进行天然气压气设备工况智能化状态监测系统的总体结构设计和功能模块分析，采用模块化设计方案进行天然气压气设备工况智能化状态监测仪表的模块化设计，监测仪的硬件组成包括数据采集模块、总线输出控制模块、集成信息处理模块、信号检波放大模块以及输出接口等。在DSP集成信息处理环境下进行状态监测仪表的硬件模块化设计和集成设计开发。最后进行系统测试分析，展示了本文设计的智能仪表在提高天然气压气设备数据采集和状态监测能力方面的优越性。

1仪表总体设计构架及开发环境描述

1.1仪表总体设计构架

本文设计的天然气压气设备工况状态自动监测仪表主要包括硬件设计和软件设计两大部分，对天然气压气设备工况状态自动监测的软件设计主要是进行信号采集和特征提取算法設计，采用谱分析方法进行天然气压气设备状态的信号检测设计，结合功率谱密度特征提取和自适应滤波算法进行压气设备的输出状态特征分析＼[4＼]。压气设备状态监测仪表采用局部总线控制方法，采用三层体系设计，分别为感知控制层、天然气压气设备工况状态监测信息传输层和应用服务层等，采用ADSP21160处理器作为天然气压气设备工况状态监测系统的核心处理器，采用VIX集成总线进行天然气压气状态监测数据的多通道传输，采用传感器进行工况数据采集，结合自适应网络信息传输技术进行天然气压气设备工况状态信息的远程检测和自动控制，设计人机交互模块进行压气设备监测的智能接口设计，采用上位机控制技术进行天然气压气设备工况状态信息预警和集成信息处理＼[5＼]，采用ROM、RAM和DSP内核为一体进行交叉编译控制，进行监测仪表的三层体系结构设计，得到总体设计结构图如图1所示。

1.2开发环境描述和主要功能结构组成

根据图1的总体构架模型，结合外围器件互连（Peripheral Component Interconnect， PCI）总线技术进行压气设备工况状态自动监测仪的外围器件设计，本文设计的天然气压气设备工况智能化状态监测仪表的功能模块主要包括传感器模块、交叉编译模块、信号处理模块、控制模块和人机交互模块等。采用PCI总线进行工况状态监测信息的远程传输控制，监测仪表以TMS320C50 DSP芯片作为交叉编译开发的内核处理器，采用S3C2440A芯片为主控芯片，在ARM嵌入式内核控制模块中进行时钟系统开发和接口设计，天然气状态监测的存储器系统包括SDRAM、FLASH、NorFLASH等。对压气设备的状态监测的传感器设备主要有速度传感器、电流传感器、绝压传感器、差压传感器＼[6＼]。将传感器采集的信号通过放大电路进行信号转换，在调理过程中实现信号滤波，经过初步的信号处理后，结合包络检波和DSP集成处理，实现对压气设备的状态监测和总线控制分析。根据上述开发环境描述，得到本文设计的压气设备工况状态自动监测仪表的结构组成如图2所示。

2监测仪表的硬件设计与实现

在上述给出了监测仪的总体设计分析和功能模块组成分析的基础上，进行压气设备工况状态监测仪的硬件模块化设计，本文采用基于VIX总线技术和DSP集成信息处理的压气设备工况监测系统设计方案＼[7＼]。对监测仪表的数据采集模块、总线输出控制模块、集成信息处理模块、信号检波放大模块以及输出接口进行详细设计，并展开描述如下：

（1）数据采集模块。数据采集模块实现对天然气压气设备及周围环境产生的噪声信号和振动信号的采集功能，数据采集的传输速率为132 MB/s，采样带宽为128 KBps，初始采样频率为12 KHz，使用PCI9054 LOCAL总线实现对采集的天然气压气设备输出状态数据的远程传输和集成收发控制。数据采集后通过IAB缓存器实现指令存储和寻址，得到数据采集模块的硬件设计如图3所示。

（2）总线输出控制模块。总线输出控制模块采用AD7864（以下简称7864）设计，构建A/D模数转换电路进行4通道的天然气压气设备工况状态数据输入控制，设定压气设备的工况状态数据的特征转换速度1.65 s、输入通道通过5409A控制，得到总线输出控制模块如图4所示。

（3）集成信息处理模块。集成信息处理模块是整个天然气压气设备状态监测仪表设计的核心，采用VIX集成总线进行天然气压气状态监测数据的多通道传输，采用传感器进行工况数据采集，对采集的压气设备工况数据通过信号调理电路进行数模转换＼[8＼]，用DSP控制PPI_CLK周期，采用CAN总线驱动器实现1.15～5.5 V电平的自由转换，得到天然气压气设备工况智能化状态监测仪表的集成信息处理模块设计如图5所示。

（4）信号检波放大模块。信号检波放大模块实现对天然气压气设备的工况采样信号的检波和滤波放大功能，设定检波信号输入的地址总线LA＼[16：1＼]、数据总线LD＼[15：0＼]，采用双端口RAM（IDT70V28）进行天然气压气设备的信号调理和远程通信控制，设计上位机通信电路进行输出信号的放大处理，在通用PPI模式下进行天然气压气设备数据采集后的信号自适应处理＼[9＼]，得到信号检波放大模块电路设计如图6所示。

（5）输出接口。输出接口电路设计实现对状态监测仪表的人机交互和数据输出功能，采用TMS320C50 DSP芯片作为状态监测仪表的输出接口芯片，使用ADM706S作为串口同步时钟控制芯片＼[10＼]，进行输出接口电路设计，得到设计电路如图7所示。

综上对监测仪表的模块化设计，在PCB中进行电路的调试，实现压气设备工况智能监测仪表的优化设计。

3电路调试和实验测试分析

为了验证本文设计的状态监测仪表在实现天然气设备工况智能监测中的性能，进行电路调试分析。调试过程使用的仪器仪表为Tektronix TX3 True RMS MultiMeter、Agilent 混合示波器等，通过JTAG扫描天然气压气设备的监测仪表的输出端确定DSP是否工作正常，打开Visual DSP++自带的ICE Test界面进行天然气压气设备的工况数据采集输出分析，得到原始采集的数据波形如图8所示。

分析图9得知，采用本文方法进行天然气压气设备工况状态监测，能准确提取工况数据的样本参数并实现状态特征谱分析，实现对压气设备的实时状态监测，提高压气设备的智能故障分析和状态识别能力，工况监测智能性较好，系统的兼容控制和人机交互性较强。4结束语

为了确保天然气压气设备工作稳定可靠，保障整个天然气压缩和输送工程的持续可靠运转，本文提出基于VIX总线技术和DSP集成信息处理的压气设备工况监测系统设计方案，采用模块化设计方案进行天然气压气设备工况智能化状态监测仪表的模块化设计，对监测仪的数据采集模块、总线输出控制模块、集成信息处理模块、信号检波放大模块以及输出接口进行详细设计。在DSP集成信息处理环境下进行状态监测仪表的硬件模块化设计和集成设计开发。研究得知，本文设计的天然气压气设备的监测仪表可靠性较好，智能性较强，能实现对压气设备的工况状态信息的准确检测和分析。

参考文献

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