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1、空压机无线测控系统技术研究总结报告安徽省产品质量监督检验研究院空压机无线测控系统技术研究总结报告立项背景：随着我国经济建设持续稳步发展，压缩机已经成为国民经济建设不可缺少的设备之一。而压缩机运行过程中，进气温度、出气温度、压力、润滑油压力和温度、冷却水温度和压力等参数直接危及压缩机工作的安全，尤其在天然气加压和其他危化场合的地方控制更加严格，系统均按照防爆设计。因此这些信号的检测是压缩机运行的生命线。目前国内低端压缩机产品对其系统的测试控制大多数采用的还是传统的仪表测试和安全阀控制，现场仪表对压缩机每一级的压缩数据（包括温度，压强等）进行检测和显示；通常一级的测试数据需要4到5块仪表，在多级压
2、缩的压缩机系统中，要配置几十块仪表进行监控。该类测试系统不仅造价昂贵，而且因管路衔接复杂、现场凌乱和操作繁琐而不利于管理和使用。国内压缩机行业目前比较先进的控制系统采用的是PLC控制系统，压缩机机体上的检测信号都是通过有线和一对一输送的。出于特殊环境和降噪的要求，这些压缩机和主控制系统往往相隔一个安全距离（一般相隔100米以上），且机组一般的检测控制参数大多数都在20个以上，这给现场安装调试以及售后服务带来极大的不便。同时由于不同季节不同湿度，压缩机排污时间和频次都随之进行调整，现有的PLC控制系统都采用更换源程序的办法，因此企业售后服务成本很大。随着网络技术的发展，国外压缩机制造企业开始通过
3、网络和短信方式，远程显示工作状态和故障报警，但尚不能远程进行测控和修改参数设定等。现在物联网技术日趋成熟，远程控制已经成为可能，企业迫切需要这一技术来提高产品技术含量，减少他们的维护和运行成本。安瑞科（蚌埠）压缩机有限公司是国内生产压缩机大型企业之一，首先对此提出科研课题，希望采用先进的科技手段，改变现有的控制模式。基此我们联合合肥工业大学共同进行开发集中采集无线发送系统，后又得到中国电信蚌埠分公司和中兴通讯科技公司在物联网技术上的鼎力相助，我院科研中心开发物联网远程访问控制系统，实现真正意义上的远程测控功能。立项意义：该项技术的研究，首先解决直接影响压缩机的使用安全的运行参数各级润滑油压、冷
4、却水压、进气温度等检测传感器与控制系统如何快捷、安全和可靠地连接。我们选择了MSC1210单片机为核心，采用扩展接口技术，使其在原有的8路接口扩展到32路，可以对四级以下的压缩机系统中，二十四组温度、压力、压差等传感器信号进行采集和模数转换。然后采用无线通讯模块，将采集的信号以数字方式发送给控制系统中去。同时备有485通讯接口满足特殊场合使用有线传输。这样由过去的24对信号线压缩到最多一根四芯线。从而解决繁琐的安装接线调试工作。该项工作我们联合合肥工业大学共同开发无线集中采集系统并培养了两名研究生。其次该项技术研究还要在此基础上实现远程控制功能。压缩机运行还存在一个必须的排污或排废气的操作，在
5、不同场合、不同季节使用时对其排放时间、排放间隔时间都要相应变化，现在要么使用者手动排放、要么有生产厂定时去现场下载PLC控制程序。产品售后服务成本很大且年年发生。因此我们首先在原有集中采集模块上增加DO控制功能，其次控制系统采用工业计算机和组态软件控制，然后使用物联网技术，实现远程访问、授权更改设定参数、应急控制等功能，实现真正意义上的远程测控，只要鼠标点击即可解决问题。采用物联网技术和工业控制计算机及组态软件控制，同时可以带来更多的衍生技术，通过GPS定位技术和电子地图，可以在任何一台可以上网的计算机桌面上形象化显示任何地方的压缩机工作状态，并可进一步查看运行参数。大大提高生产企业产品宣传的
6、高技术形象。同时还可以开展预警功能，当系统出现异常时，通过网络向各级管理者、生产厂售后等关键人员进行短信报警，并存储相关数据供专家远程诊断。可大大提高系统的安全可靠性。总之此项技术的研究，目的是对压缩机控制机理的变革，已达到节省企业生产安装成本，降低售后服务成本，提高成本控制的技术水平。也是物联网控制技术应用尝试，为将来其他领域的应用奠定基础。任务来源安徽省质量技术监督局公关项目（编号2007-Z12）（皖质办发 2007 52 号文）“空压机综合性能计算机远程无线自动检测系统的研究”组织研究过程该项目有安徽省产品质量监督检验研究院组织完成，合肥工业大学在集中采集模无线发射模块开发上参与并培养
7、两名研究生，质检院成立项目组，并签署科研合同，实行目标责任制管理。选择安瑞科（蚌埠）压缩机有限公司为试验基地，并进行产业化试点。2007.3正式立项，2007.6正式开始实施；2007.62008.1 方案制定、调研和设计定型；2008.12008.6 完成样机制做；2008.62008.9现场试验、工业化设计验证；2008.92008.12 产品设计定型，组织验收。技术原理或总体构思系统设计总体思想在压缩机本体上设计采用微处理器芯片对压缩机的各级压缩气体的温度和压力、润滑油压、冷却水流量等进行集中采集，并设立DO接口和继电器驱动，将各个传感器检测信号处理成数字信号并以无线通信的方式（也可以采
8、用485通讯方式传输）发送至电气控制柜上的上位计算机，同时上位机发出控制指令个集中采集控制模块，对各级排污阀进行控制。上位机使用网络版WebAccess组态软件编程，再配装上3G无线网卡，通过物联网技术，用户在互联网上随时可以观察到某一区域、任何一台设备是否运行，运行状态任何，并可以根据授权级别实现远程数据浏览、设定参数、修改程序等，实现远程测控功能，同时当检测到参数异常时及时发出报警信号、记录相关数据和自动停机处置等。系统如下所示： 技术方案1、采集模块系统硬件设计1.1采用MSC1210最小系统设计的采集控制模块该系统硬件由MSC1210微控制器、数据采集模块、电源单元和通信接口单元等组成
9、。系统硬件如图2所示，MSC1210是美国德州仪器公司最新推出的一款高性能微控制器芯片。芯片集成了大量的模拟和数字外围模块（包括放大、高精度模数转换等），具有很强的数据处理能力。特别适合于数据采集量大、运算速度快和测量精确高的产品设计。MSC1210微控制器内部集成了一个24位分辨率的模数转换器（ADC）、8通道多路开关、程序/数据FLASH存储器、数据SRAM和可编程增益放大器等。其中，可编程增益放大器（PGA）的增益可调，包括1、2、4、8、16、32、64和128等八种增益，PGA的大小可通过ADC控制寄存器0（ADCON0）的低三位来进行配置。本系统选用的MSC1210具有32K的FL
10、ASH存储器MSC1210微控制器与8052内核兼容，但性能远远高于8052系列芯片，内部有3个16位的计数/定时器。同的时钟频率下，执行速度是标准8052内核的3倍。MSC1210微控制器最小系统如图下所示：MSC1210微控制器采用3.3V电源供电，晶振频率选择11.0956MHz ，以便于串口通信时波特率的设置。1.2 扩展多路模拟量采集系统设计系统采集的模拟量为经变送器输出的420mA标准电流信号，文中采用高精度低温漂电阻将输入的电流转换成电压信号供MSC1210采集。系统为多级压缩空压机测试，需采集模拟量多达20余路，MSC1210微控制器自带的8通道模拟开关无法满足试验要求。采集模
11、块采用模拟多路选择开关CD4052对此进行扩展。CD4052是一个双四选一的模拟多路开关，具有接通电阻小，温漂低，路间偏差低，抗干扰能力强等特点。本文通过MSC1210的P2.0和P2.1口选择四片CD4052实现32通道的选择，CD4052的接入电路如下图所示：其中，S1 S8是经变送器处理后的电压输入， CD4052的两路输出分别接至MSC1210的AIN-0和AIN-1。1.3 脉冲量采集方案设计思路电机转速和冷却水用量是空压机测控系统的一个关键的测试参数，本系统采用转速和水流量变送器对其进行检测，其变送器的输出为标准的脉冲信号。为此，本系统利用MSC1210的T0、T1计数器对它们进行
12、采集，其实现电路如下图所示。其中，S1 S8是经变送器处理后的电压输入，CD4052的两路输出分别接至MSC1210的AIN-0和AIN-1。MSC1210微处理器的供电电压为3.3V，标准脉冲量的高电平为5V，因此进行分压后再进行采集，以确保系统的正常工作。1.4数字量输出方案 在多级压缩空压机测控系统中，当检测到某一级的温度或压力偏离设定时，上位机就要向MSC1210发送相应的控制命令，MSC1210根据指令要求来确认P2.2和P2.3引脚的状态，完成对调温电路或调压电路继电器的动作控制，保证多级压缩空压机系统的正常运行。为了避免输出信号受干扰，在MSC1210的P2.2和P2.3控制端采
13、用光耦输出三极管实现光电隔离，以避免输出信号受到干扰，其硬件实现电路如下图所示：MSC1210的P2.2作为控制输出端，经光电隔离后用经MC1413驱动连接到继电器U2.4上，其中SP1+，SP1-外接空压机的触点信号，从而实现对空压机的控制。1.5 RS-232通信接口MSC1210与上位机的串口通信采用MAXIM公司的MAX3243芯片来实现电平转换，该芯片具有功耗低和集成度高的特点，在3.3V和5.0V范围内可正常工作。MSC1210与上位机的数据通信、程序下载和调试接口都是通过MSC1210其自带的UART0来实现的，接口电路如下图所示。1.6 RS-485接口模块为了提高系统的通用性
14、和可靠性，在本多级压缩机测控系统中还设计了RS-485通信接口。当现场干扰过大，影响无线通信时，可采用RS-485通信接口来传送数据。在上位机的接收端，利用RS-485/ RS-232转换接口，将其变成RS-232信号供上位机使用。RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，最大传输距离可达1000米。RS-485与上位机的接口电路如下图所示。1.7 无线通信模块为解决现场接线复杂的困难，本系统还采用无线方式来实现MSC1210与上位机的通信，选用的无限通信模块WAP200B具有标准的RS232接口，串口通信极为方，其特点如下：(1) 64个频道，最大20dBm(100mW)发射功率，最大传输距离
15、可达800米。(2) 内置高速MCU 做FEC(前向纠错)处理，通信可靠性(3) 工作电压：DC3.0-3.6V(V_PA 可以到12V)；(4) 串口接口波特率和串口模式可以软件调整；(5) 3.3V/5V 兼容TTL;(6) 在主从式系统应用并且主机需要定时发送时，可以设置成自动跳频模式，以提高抗干扰能力。下图为实物图片：1.8 上位控制系统计算机上位计算机我们选择台湾研华的ARK-1380系列的嵌入式工控机，内置Intel Celeron M ULV 423 1.06 GHz / Core Duo ULV U2500 1.2 GHz CPU，支持双DVI-I, DVI + VGA独立显示和双VGA 克隆模式显示2个串行端口、4个USB接口、1个10/100/1000 Mbps 以太网端口，1个MiniPCI插槽，用于WLAN, VGA卡。基本满足系统功能要求。2系统软件设计2.1 MODBUS RTU协议的应用Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化(Schneider Automation)部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协
