空压机自动装置的分析与应用

　　上海地铁1号线所用车辆设备为90年代初从德国进口，其技术大致为80年代后期的水平。其中VV230/180-2空气压缩机组试验装置也是当年从德国进口。其试验过程是：高压储气缸压力为8 bar和10bar时，分别工作0.5h，空压机5个测温点的温度不能超过200℃。人工操作时，手动调节阀控制高压储气缸的压力期望在（8±0.1）bar和（10±0.1）bar.原有试验过程完全由人工操作，试验精度和检修质量难以保证；此外，现场操作时噪声非常大，使人无法忍受。为此，提出了空气压缩机组自动试验装置的研制方案。就目前而言，国内无论是地铁，铁路干线机务段，或是空压机专业制造厂试验站，都尚未采用全自动空压机试验装置。

　　2整体方案

　　根据进口车原装空气压缩机组试验大纲的要求，要使空气压缩机在某一给定工况下，对空气压缩机各气道内的温度变化及空压机电机的电流，电压，功率，转速进行检测，以此来评估空压机组的工作状态。

　　为了减轻劳动强度，提高试验精度，避免人为因素的影响，本方案采用了全自动的试验形式。由PID气体压力控制装置来调节，控制压缩机的工况（主要是压力），使其稳定在给定的工况下运行；由各类数据采集装置将各种被测量转换为一定形式的电信号，并汇总至数据转换传送控制器，然后传至单片机中；在单片机中经过一定的程序处理后，再经通讯隔离装置送至PC机；由PC机对其试验数据的变化进行处理，在PC机屏幕上用表格或曲线等形式进行显示，并对每一试验结果进行存档或打印试验报告等。对试验过程中出现的故障或数据超限，则分级进行声光报警或强迫关机。

　　3方案内容研究

　　3.1电流，电压及电功率的测试

　　由压缩机电机铭牌可知，电机额定电压为DC 1500V（+300V，-200V），额定功率为12.2kW，该电机属高压直流电动机。故本方案采用高压电量隔离转换装置，可对DC2500V以下直流电压进行精确测量，短时过压可达4000V，输入输出隔离电压为3000V.电流测量采用额定20A的直流电量隔离转换器，过载电流可达额定电流的10倍。由电量转换器准确测出电压，电流数值后，再由PC机计算出相应的电功率。

　　3.2压缩机气路温度测试

　　为保持本装置与原试验装置的相对独立性，本方案另配备了一套温度传感器。其外形尺寸与原温度传感器一致，经标定后，制造相应的温度变送器，构成温度检测装置。设计要求的测温范围为-50～250℃，因此，拟采用线性度和精度都较好的铂电阻温度传感器HEL-700.其阻-温特性曲线近似为线性，其函数为：RT=R0（1+AT+BT 2 -100T 3 +CT 4）式中：RT为在T℃时电阻；R0为在0℃时的电阻；R0，A，B，C为已知的系数。由于传感器所采集的信号为非标准信号，温度变送器考虑用恒流源及放大后续电路等将其转化成标准信号（0～5V）。

　　3.3压缩机压力的控制与检测压缩机的气体压力控制由PID气体压力控制装置和压力调节执行器来完成。PID气体压力控制装置根据PC机发出的压力给定指令和压力传感器检测到的压力反馈信号，经PID综合调节后输出压力调节信号，由压力调节执行机构进行压力调节，以达到稳定压力的目的。压力调节执行机构通过步进电机及机械传动机构控制调节阀的开启程度来完成。

　　由于压力检测是压力控制至为重要的一个环节，其测试精度与整机的性能指标有关，因此必须选择精度高，可靠性高，温度适用范围宽的压力传感器。Honeywell公司出品的高精度40PC系列压力传感器能满足以上要求。压力传感器将不同测量点的压力信号进行转换后传递至PC机中进行处理，显示，控制等。

　　3.4电动机转速的测试

　　电动机转速采用反射式红外光检测头和数字脉冲电路构成数字转速进行检测。原理如图2所示。检测时在电机转动体上粘上一条与转动体有一定反差的反光条，将红外检测头置于反光条的一定区域内即可测出电机的转速。检测到的数据信息经过计数器和定时器传至PC机，并进行处理。

　　3.5数据转换

　　数据转换包括A/D和D/A转换两部分。采用8路输入，单电源供电以及分辨率为12位的数据采集芯片MAX197，能满足A/D转换的要求。其所有逻辑输入和输出都与TTL/CMOS电平相兼容。但该芯片本身的参考电压精度较低，影响数据转换精度，可采用外接参考电压加以改进。该芯片把上述传感器采集到的模拟信号转换成数字信号传送至单片机，供单片机和PC机通讯，进行后续处理。D/A转换的功能是把经过处理的数字量转化为模拟量。它用来把PID控制系统所需的参数传给压力调节执行器，达到控制高压储气缸压力的目的，使实际压力与给定压力保持在允许的误差范围内。

　　3.6通讯装置

　　通讯装置用于完成单片机与PC机之间的通讯。本装置拟采用串行通讯。当设置好波特率并进行一定的程序处理后，单片机把A/D转换得到的数字量经处理传至PC机中，使计算机进行显示等后处理。串行通讯可能遇到的问题是发送，接收不同步，可通过控制协议来解决<4>。

　　装置采用串行通讯的物理标准为RS-232标准，其规定的信号电平及极性与TTL/CMOS电平不兼容，需要转换。通常用集成芯片MCI1488把TTL/CMOS电平转换成RS-232电平，用芯片MCI 1489把RS-232电平转换成TTL/CMOS电平。在RS-232标准中，电缆线的长度不能超过30cm.本项目装置符合该标准。

　　3.7压缩机组被测参数的显示

　　PC机部分用VisualBasic编程。通过各测量装置检测到的各个数据，*终全部汇总在PC机中，由PC机对所测数据进行整理和统计后在PC机的显示屏上以表格，曲线或动态形式显示；亦可根据要求显示统计规律，如显示某一测量点的*小值，平均数等；也可用拷贝的形式打印试验报告，对*终结果和各数据超限进行可靠保存。PC机部分要求人机界面操作尽可能方便，可以实时显示，并对所出现的故障进行及时，有效处理。

　　3.8自动试验装置的保护

　　为使自动试验台安全可靠地运行，必须具有报警和强迫关机功能。为此，本装置拟采用两级报警：当压力超过**个设定压力值时进行声光报警，此时压力尚未对压缩机造成严重危害，因此可以由工作人员进行适当处理；当压力超过第二个设定压力值（此压力可能对压缩机造成严重危害）时要强迫关机，同时报警给工作人员，以便于进行维修检查，防止发生严重事故。

　　4方案研究中的关键问题

　　压缩机压力控制为本课题的难点，亦将是今后空压机自动试验装置制造调试过程中力图解决的问题。空压机储气缸中的压力由空压机气缸向其充气积累而成，它受空压机效率，空压机电机性能，空压机电机功率变化，储气缸及管路结构，排风口调节阀开启程度等诸多因素的影响。它好比是电容器充放电过程，受电源特性，充电电路阻抗，放电电路及阻抗等诸多因素的影响。当电容器充放电过程同时进行时，为维持电容电压恒定，充放电电路及电源中任一元件参数或状态的变化都将引起控制回路的响应，因此将电容电压维持在一定误差范围内某个值的控制回路设计是关键问题。

　　与之相比，空压机组储气缸恒压力控制要困难得多。首先，是上述许多因素的特性预先未知或不明确，即使通过可能的试验，其特性或参数也不明确，这给控制装置的设计与调试带来极大困难；其次，空压机组是大惯性系统，要使控制精度达到试验要求的8±0.1bar和10±0.1bar，其控制装置的设计与调试更非易事。目前，压缩机的气体压力控制装置拟由PID压力调节执行器来完成。