基于LabVIEW的螺杆空压机测试系统设计

高卫丽，何亚银，梁智鸿，田久阳

(陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

螺杆空压机是将机械能转换为气体压力能的转换装置，是气动系统的动力源，被广泛应用于机械制造、石油化工、交通、冶金、采矿等现代化工业生产的各个领域[1]。螺杆空压机作为不可或缺的重要设备，其运行状态的好坏严重影响到工业生产实践。由于所处工作环境恶劣或设备老化等因素，导致故障和爆炸事故频繁发生，设备的安全问题日益突出。为此，国家出台了一系列安全管理规定，要求加强对螺杆空压机设备的检测检验和日常维护，以确保设备安全运行。为了保证螺杆空压机运行的安全可靠，需要定期对螺杆空压机进行性能检测来掌握整个工作状态。因此，亟需研发设计空压机测试平台，以满足空压机各项测试需求,实现精确测试和稳定测试。

目前，国内外许多专家对空压机测试技术进行了一系列的研究。王凯等[2]针对小型风冷式空压机搭建了一种基于LabVIEW上位机的测试系统；汪琦等[3]设计了一套基于LabVIEW上位机和单片机控制器的燃料电池空压机自动化测试系统；李卓玛等[4]利用量热器法进行了压缩机性能测试实验台的性能评估；王增丽等[5]基于LabVIEW对压缩机热态特性进行了测试系统设计；王宇[6]通过PLC控制与采集以及CAN通讯控制与信号采集等对燃料电池空气压缩机测试平台进行了研发与设计；傅剑彬[7]采用LabVIEW为软件开发环境对大型活塞式压缩机进行了性能测试技术研究；钱迪等[8]在Uni Sim仿真平台上搭建以压缩机为核心设备的虚拟工厂，组成天然气压缩机仿真测试平台；胡小庆[9]建立了基于PLC组态控制的空调压缩机性能测控系统；李欣泽[10]采用SPS仿真模拟软件对离心式压缩机性能测试方法进行了优化；Fu等[11]通过温度传感器、压力传感器实现数据采集和分析，对空压机的性能进行自动采集和分析；Tie等[12]介绍了空压机性能自动采集测试系统的设计和主要功能，对活塞式压缩机的试验数据进行实时处理。上述研究所建立的空压机测试系统在可操作性和实时性方面还存在着不足，如有的测试系统功能单一，测试参数不全，需要不同测试系统完成；有的系统结构复杂，可操作性差；有的系统无法得到实时数据的变化趋势。

为了能够更好地了解螺杆空压机的工作状态和性能，本文将根据实际的生产测试环境，在满足系统需求和工作现状的基础上，利用LabVIEW虚拟仪器作为数据处理软件，开发一套螺杆式空压机性能测试系统，以便于实现简单、快速、全面的自动测试。

1 螺杆空压机测试系统设计

螺杆空压机测试系统采用LabVIEW虚拟仪器读取被测参数的实时数据，实现螺杆空压机系统性能的自动化测试，给出螺杆空压机性能评价的宏观和微观参数，并且要求制作友好的人机界面，保存测试数据及结果，以备后续研究。整个测试系统的主要功能是实现对螺杆空压机运行状态和参数的监控及报警保护。螺杆空压机测试系统具体的工作步骤如下。

(1)通过各种传感器实时检测螺杆空压机的进气口和出气口的温度、压力、流量，电机的转速、功率，储气罐的温度、压力等关键工作参数；

(2)将传感器采集到的数据如压力、温度、流量、转速、功率等显示到控制面板上，以便于观察实时数据；

(3)当采集到的数据超过或低于设定值时，能够及时产生反馈，并在控制面板上输出报警信号；

(4)在工作过程中，操作人员可根据需求选择需要的测量参数，在控制面板生成实际工作运行波形图，以便观察数据波动情况；

(5)当工作状态中出现紧急情况时，通过控制面板实现紧急停车，保护整个螺杆空压机系统。

根据测试系统的功能要求，设计的螺杆空压机测试系统结构如图1所示。基于LabVIEW虚拟仪器技术对螺杆空压机进行测试与监控，通过各类传感器对空压机系统工作状态下的参数进行数据处理和采集，把实际过程中的各物理参数转换成电信号，转换后的电信号经过信号处理进入到数据采集卡，最后与计算机进行数据交互，利用计算机软件实现对数据的分析、处理和显示。

图1 螺杆空压机测试系统整体结构框图

2 测试系统硬件平台设计

2.1 数据采集卡、传感器选型

数据采集模块设计中选用研华PCI-1712多功能数据采集卡，具有高速度、高性能、多功能的特点。压力传感器采用EJA11A压力变送器，温度传感器选取Pt100热电阻，流量传感器选用YEWFLO系列的数字式旋涡流量计，电流和电压选取的是LEM的LT308-S7霍尔电流传感器和LV25-P型电压传感器。

2.2 螺杆空压机测试参数布局设计

在螺杆空压机测试系统设计的分析和测量中，最基本的条件就是合理安装传感器，所以参数的测量必须根据实际机械结构位置严格按照规定选取测量位置，保证安装合理，并在实际的安装过程中避免可能的干扰。本文螺杆空压机测试系统的主要安装布局点如图2所示，在螺杆空压机的工作运行状态下，通过现场传感器采集现场温度、压力、流量、转速和功率信号。温度是测量中最基本的工艺参数，测量的对象主要是螺杆空压机18和储气罐4，传感器安装在螺杆空压机18的进气管道和排气管道上以及储气罐4内部；压力是螺杆空压机测试系统的重要的参数，是表示压缩气体流动过程中的重要参数，为了保证生产安全运行，必须对压力进行监控，在该测试系统中，压力测试的对象主要是螺杆空压机18的进气口和出气口的压力、储气罐4的压力；流量是螺杆空压机18的主要性能参数，表示在单位时间内产生压缩气体量的多少，本系统主要测试的是螺杆空压机18的进气口和出气口的流量，安装在螺杆空压机18的进气管道和出气管道上；此外螺杆空压机系统是由电动机21进行驱动，通过功率表19和电机转速表20采集电动机21的转速和功率。

1.消音器；2.温度计；3.压力表；4.储气罐；5.干燥器；6.止回阀；7.最小压力阀；8.分离器；9.冷却器；10.排水阀；11.水过滤器；12.排水电磁阀；13.球阀；14.排气温度计；15.排气压力表；16.排气流量表；17.排气流量计；18.螺杆空压机；19.功率表；20.电机转速表；21.电动机；22.吸气控制阀；23.进气温度计；24.进气压力表；25.进气流量表；26.进气流量计；27.空气过滤器图2 测试参数布局点

3 螺杆空压机测试系统的软件设计

3.1 测试系统功能模块分析

(1)数据采集及处理模块

根据螺杆空压机测试系统的要求，利用各类传感器将螺杆空压机实际工作过程中的数据进行采集和处理，需要测试的参数有：电机转速和功率，螺杆空压机进气口及出气口的温度、流量、压力，储气罐压力和温度等。

(2)故障报警模块

当传感器反馈的现场的电机转速和功率，螺杆空压机进气口及出气口温度、流量和压力，储气罐压力和温度等数据超出或低于设定值时，螺杆空压机测试系统能够及时发现，并发出报警信息，为后续的故障修复提供依据。

(3)人机界面模块

将数据采集卡采集到的信息在计算机上以数值和波形图的形式展现，有利于操作人员对工作状态的实时监控。

3.2 测试软件流程

图3 螺杆空压机测试系统流程图

本文基于LabVIEW软件开发的螺杆空压机系统的监控平台，主要是为了保证测量数据的全面性和可操作性，参数涉及到电机转速和功率，螺杆空压机进气口和出气口的压力、温度和流量，储气罐压力和温度。按照测试要求，首先对螺杆空压机测试系统进行初始化，利用传感器对螺杆空压机系统的各个参数进行实时采集，测试系统通过对采集到的数据进行运算，并在程序主界面中显示具体数值；然后对采集到的数据与设定值进行对比，判断螺杆空压机系统是否正常运行，并在出现故障时发出报警提示；最后对螺杆空压机系统做出应对措施。具体操作流程如图3所示。

3.3 操作界面设计

3.3.1 操作界面整体设计

螺杆空压机测试系统的主要设计前面板界面如图4所示，主要分3个区域。面板上侧用于显示电机转速和功率，螺杆空压机进气口及出气口温度、压力、流量，储气罐压力和温度的数值；中间是用来实时监控螺杆空压机系统的工作状态，实现故障报警功能；面板下侧是通过波形选择来进行测试系统各个参数的波形展示，此外还设置一个停止按钮，当螺杆空压机系统出现意外时，用来实现紧急停机的功能。

螺杆空压机测试系统整体的程序框图面板如图5所示。

3.3.2 数据采集模块

数据采集过程是螺杆空压机测试系统的基础环节，这个过程就是将各种传感器输出的模拟信号转换成了数字信号。利用研华PCI-1712多功能数据采集卡将螺杆空压机工作过程中的参数，如螺杆空压机进气口和出气口的温度、压力、流量，电机的转速、功率，储气罐的压力、温度等模拟信号转换成数字信号，并进行采样、保持和放大。

图4 前面板设计图

图5 程序面板框图

数据采集模块利用以下函数完成：

(1)创建通道函数：设置螺杆空压机所测参数的模拟通道、所测螺杆空压机参数转换后的电压范围以及被测信号的连接方式等；

(2)定时函数：决定采集数据的采样模式、采样数量和频率等；

(3)读取数据函数：读取通道中螺杆空压机的各个参数采集数据，是数据采集的核心；

(4)清除任务函数：释放无用数据或进行任务清理，释放空间。

数据采集模块函数如图6所示。

图6 数据采集模块函数图

3.3.3 数据处理显示模块

表1 测量参数的量程范围

由于采集卡测量的数据无法将螺杆空压机测试系统的数据直接用数值显示，因此只能将采集到的螺杆空压机各参数信号进行放大处理之后再进行显示。因为测量的转速、功率、温度、压力、流量的量程不同，需要根据传感器给出的参数计算得到不同的放大倍率。具体的各测量参数的量程范围如表1所示。

螺杆空压机测试系统的各个数据由仪表控件显示具体的数值和仪表盘指示。具体的数据结果显示如图7所示。

图7 数据处理显示模块图

以上每一时刻的参数显示都是不同的，这样能够直接得到螺杆空压机系统在工作过程中空压机进气口、出气口的温度、压力、流量，电机的转速、功率，储气罐的压力、温度等的具体数值，提高了测试系统的准确性和可靠性。

3.3.4 波形显示模块

波形显示模块主要实现螺杆空压机测试系统的实时波形显示，将收集来的数据，以波形图的形式直观的显示出来。主要监测螺杆空压机进气口和出气口的温度、压力、流量，电机的转速、功率，储气罐的压力、温度等信号。图8是电机转速和空压机出气口压力的波形图，其中截取的测试时间均为5 s。

(a) 电机转速波形图 (b) 空压机出气口压力波形图图8 电机转速和空压机出气口压力波形显示图

由图8可以看出,电机转速在5 s的运行时间内产生的波形类似于一个半正弦波形，空压机出气口的压力变化波形是逐步平稳上升的。由此可以直观地看出整个螺杆空压机测试系统的数据变化趋势，从而给操作人员提供数据的实时变化过程，有利于判断测试系统的工作状态。

3.3.5 报警模块

表2 参数正常运行量程

当各种传感器反馈回来的数值超出或高于设定的阈值时，螺杆空压机测试系统发出报警提示，报警模块起到预警和保护的作用。各参数正常运行的范围如表2所示，其中的数值常量代表的就是这些参数正常运行的量程，即在此范围内不发生故障，若超出则报警显示。

在前面板中，报警显示模块正常运行时为绿色，当超过正常运行范围发生报警，布尔显示控件颜色由绿色转变成红色，可给人视觉冲击，有利于快速提醒操作者设备发生故障需要检修。具体报警显示如图9所示，其中仪表盘也会指示是否达到报警范围，偏近红色区域说明其即将发生报警，仪表盘与布尔控件同步显示。

图9 报警显示示意图

4 结语

利用LabVIEW虚拟仪器软件实现了螺杆空压机系统的智能监控，可以在工作运行中对设定的参数进行实时检测，并且给出各个参数的变化波形图，避免了人力资源浪费。该测试系统结构简单实用、可靠性好、安全性强，能够满足螺杆空压机性能测试与分析的要求，有效地提高了螺杆空压机测试效率，减轻了人员的劳动强度，具有一定的经济效益和社会效益，为产品开发提供可靠的测试平台。