基于虚拟设备的空气压缩机维护检测系统设计

高劲松

基于虚拟设备的空气压缩机维护检测系统设计

高劲松

(中粮生化能源公主岭有限公司，吉林 公主岭 136100)

空气压缩机一般简称空压机，是起源装置的重要组成部分，它能将原动机产生的机械势能转换为气体势能，同时也是压缩空气的气压发生装置。定期定时开展空压机维护检测工作，可为其正常运行提供重要保障。为提高空压机维护检测工作的效率，基于虚拟设备设计了一种可动态测试空压机运行状态的维护检测系统，具有结构简单、开发周期短、维护调试简便等优点。试验证明，该系统功能完善，可有效满足现阶段空压机的维护检测需求。

空压机；虚拟设备；日常维护检测

空气压缩机(空压机)是一种为气动产品提供动力源的设备，由于能大幅度提高工业生产活动与人们日常生活的效率，在多个领域得到了广泛应用[1]。由于空压机的运行环境普遍较差，因此在其运行期间，必须采取有效方式进行定期维护与检测，以确保其处于良好的运行状态[2]。传统空压机的维护检测方式通常以人工作业为主，往往存在数据准确性不足、检测效率低、数据记录不完整等问题，严重影响着后续空压机维护与维修工作的效率[3]。为提高空压机日常维护与检测的效率，确保空压机长期处于良好的运行状态，以0～2 MPa为目标测量压力，± 5%为测量准确度，基于LabVIEW环境设计了一种空压机维护检测系统。

1　硬件设计

1.1　传感器

为满足目标测量压力，选用KYB2003-DXQ压力变送器(深圳万和)，内含国外引的进陶瓷压阻式传感器，具有结构简单、体积小巧、安装便捷等特点。该型号压力变送器中应用了充油隔离封装技术，装配有专用信号调理电路，工作温度范围较宽，作业精度和性价比较高，具有良好的稳定性与可靠性，符合工业生产企业经济效益需求。该压力变送器重要技术指标：①输出信号为4～20 mA，1～5 V；②精度为± 0.5% FS；③温度误差为± 0.3% FS(-10～70 ℃)；④稳定性为± 0.25%FS/年；⑤零点和满度误差为± 0.25%FS，负载电阻(4～20 mA)在0.5～4.5 V时≥10 kΩ，在1～5 V时≥11 kΩ；⑥相对湿度为90%～95%；⑦工作温度为-40～+105℃。该压力变送器的性能参数：①0.5～4.5 V(三线)，工作电压直流电5 V±0.5 V；②1～5 V(三线)，工作电压直流电8～30 V；③4～20 mA(二线)，工作电压直流电8～30 V。

1.2　气流温度测定

目前，测定气流温度的常用方法主要有接触式测温和非接触式测温两种，前者是将传感器放置于与受测物质相同的热平衡状态中，使传感器与受测物质保持同一温度，以获取受测物质的温度；而非接触式测温是基于热辐射原理，借助受测物质发出的热量辐射，使得热感受器达到平衡温度，此时热感受器的温度即为受测物质的温度[4]。由于受到技术限制，目前已经研制出的热感受器仅在其与受测气流温度差距极小时，才能将其温度视为受测气流的温度，因此采用非接触式测温不仅需要良好的检测环境支持，而且对受测物质也存在较大局限性[5]。故针对气流温度的测定，则选用WRP-100简易式温差热电偶(上海锡泰)作为温度传感器，其测温范围为0～1300℃，具有测温范围宽，结构简单，价格低廉，精准度高等特点。此外，该温度传感器不仅可用于气流温度的检测，还能精准检测固体物质的温度。

1.3　流量测定

空压机的流量指的是单位时间内机组产生压缩气体量的能力，是评价空压机性能的重要参数之一，在空压机维护检测中精准地进行空压机流量的测量意义重大[6]。现阶段，直接测量和间接测量均可用于空压机流量的检测，但在实际的维护检测过程中，直接测量法通常用于小流量的测量，而对于大流量的测量则更多选用间接测量法[7]。本文设计的空压机维护检测装置选用LK-015-150热式气体质量流量计(淮安三畅)，进行流量测定的工作原理为：当气体通过热物质表面时会带走一部分热量，该部分热量值与气体质量流量和其热吸收特性成正比，流量计中的温度传感器会对测量介质的温度进行不间断测量，且加热传感器与温度传感器会保持固定温差，当气体带走热量时，两者间的温差便会随之减小，此时流量计会自动提高加热功率，对被气体带走的热量进行补偿，以维持两个传感器之间的温差，基于热量补偿，经信号传输和公式计算，最终即可获得通过的气体质量流量。该流量计的技术指标：①温度测量误差为±1 ℃；②密度测量误差为±0.002 g/cm3；③介质温度为-50～+350 ℃；④输出信号为4～20 mA，0～10 kHz；⑤通讯接口为RS 485；⑥测量范围为0～600 t/h；⑦公称压力为4.0 MPa。流量计外部连线如图1所示。

图1　热式气体质量流量计外部连线

1.4　轴功率测定

轴功率测定也是空压机维护检测工作中的重要项目之一，目前测定的精准度还需要不断改进[8]。现阶段针对空压机轴功率的测定方法主要有3种：①借助测定扭矩和转速的方法对轴功率进行直接测量；②通过对驱动压缩机电动机的电功率进行测量以获得空压机的功耗；③采用热平衡方法间接获取空压机的轴功率。为提高轴功率测定的效率与精准度，在装置中引入可自行测量轴功率的JD194-BS4P-Y三相四线功率变送器(江苏斯菲尔)，该功率变送器的技术指标：①工作范围为交流电80～270 V(50/60Hz)，直流电80～270 V，直流电24 V；②绝缘电阻≥100 MΩ；③工作环境为-10～+55 ℃；④最大输出为24m A/12V；⑤输入频率为45～65 Hz；⑥标称值4～20 mA，12～20 mA，0～10 V；⑦功耗<0.1 VA；⑧过载输入持续1.2倍，瞬时电压2倍/min，瞬时电流10倍/5 s。

1.5　数据采集卡

数据采集卡是实现数据采集功能的计算机扩展卡，具有自动采集并自动上传受测设备模拟或数字信号的功能，本系统选用USB8586高速数据采集卡(西安阿尔泰)，该数据采集卡主要技术指标：①模拟输入为16路，16位，250kS/s；②采样率为100MHz；③采样方式为同步采样；④输入抗阻为1MΩ；⑤带宽为50MHz。此外，该数据采集卡能完美兼容LabVIEW，从而为该装置的设计提供了极大的便捷性。

2　软件设计

利用该装置对空压机进行测试，能相对精准地测量出空压机维护期间需要的各项指标数据，并可在计算机中显示有关参数，还可进行相关指标的打印，以便于运维人员在最短时间内发现空压机运行的异常，有利于后续维修和维护工作的开展。空压机维护检测装置具体结构如图2所示。

图2　空压机维护检测装置结构

3　结语

基于LabVIEW环境设计了一款带有检测系统的空压机维护装置，试验证明，该系统功能完善，可满足现阶段空压机维护检测需求，具有检测稳定性、精准度高，结构简单、开发周期短、维护调试简便等特点，能有效提高空压机维护检测工作的效率。

[1] 李福送,王文军,林伟健,等.智能化螺杆空压机性能检测系统的总体设计[J].真空,2021,58(1):19-22.

[2] 牛洪涛,李超.基于LabVIEW的涡旋压缩机曲轴振动测试系统设计[J].现代电子技术,2020,43(18):71-74.

[3] 柴德敏,葛正浩,高羡明,等.往复活塞式单泵头空压机噪音检测及分析[J].中国测试,2019,45(12):43-49.

[4] 陈建超,杨世凤,吕志成,等.基于虚拟仪器的成型机监测及MES研究[J].机械设计,2019,36(11):20-24.

[5] 张国勇,张良勇,沈印,等.垂直式垃圾压缩机液压系统设计与分析[J].机械设计与研究,2019,35(2):200-203.

[6] 张胜飞,高海波,林治国,等.快速排载系统空压机组节能控制策略仿真[J].船舶工程,2019,41(9):81-86.

[7] 李福送,王文军,林伟健,等.智能化螺杆空压机性能检测系统的总体设计[J].真空,2021,58(1):19-22.

[8] 吴敏,卢慧芬,张兵,等.宽电压范围运行压缩机电机无位置传感驱动系统设计与实现[J].电气自动化,2020,42(2): 87-89,93.

Design of air compressor maintenance and detection system based on virtual equipment

GAO Jinsong

(COFCO Bioenergy Gongzhuling Co., Ltd., Gongzhuling, Jilin 136100, China)

The air compressor is the abbreviation of the air compressor. It is an important part of the origin device. It can convert the mechanical potential energy generated by the prime mover into gas potential energy, and is also the air pressure generating device of compressed air. Regular maintenance and testing of air compressors can provide an important guarantee for their normal operation. In order to improve the efficiency of air compressor maintenance and detection, based on virtual equipment design, this paper designs a maintenance and detection system that can dynamically test the operation status of air compressor, and the system has the advantages of simple structure, short development cycle, simple maintenance, and debugging. The test shows that the system has perfect functions and can effectively meet the maintenance and detection requirements of the air compressor at this stage.

air compressor; virtual equipment; routine maintenance inspection

TD443.2

A

2096–8736(2022)06–0024–03

高劲松(1986—)，男，吉林公主岭人，硕士研究生，中级工程师，主要研究方向为设备维护。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：唐琦军