（机械工程专业论文）机车、动车用空压机试验台自控部分设计.pdf

摘要 摘要 机车、动车用空气压缩机( 以下简称空压机) 在研制和批量生产过程中，为了确保 机车、动车牵引的可靠性和经济性，必须对空压机做多次全性能测试试验( 俗称型式试 验) ：随着我国铁路运输快速发展，对机车、动车用空压机也提出了更高的要求，急需 性能可靠、自动化程度高的空压机性能自动测试智能控制系统，以满足我国铁路牵引装 备快速发展的需要。 本论文根据国家发改委和铁道部关于城轨车辆国产化项目“机车、动车用空压机全 性能测试试验台”的研发要求，在研究国内、外现有空压机全性能测试试验台测试控制 系统基础上，采用可编程序控制器( p l c ) 作为主控制单元，并以p l c 和多路转换开关 为数据采集单元，设计出空压机性能自动测试智能测试系统，实现了点阵液晶( l c m ) q b 文显示功能、多路接口单机通讯功能和用于记录历史工作数据的实时数据纪录功能，又 以组态软件为操作平台的测控模式，在综合评价其可靠性、可操作性、效率和经济性等 因素后，构建了空压机的全性能远程控制和数据处理系统平台。 最后的试验调试结果表明，该系统实现了全部要求的功能，运行稳定、可靠，达到 了设计预期目的。 关键词：空压机；测控；实时数据记录 大连交通大学t 程硕十学位论文 i i i i 。u l l l ! 自! ! = = = ! = ! = = = 0 = e ! ! ! ! ! ! ! e ! = = = ! ! ! ! ! ! ! = ! = = ! = ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! = 目= = = = = ! = ! ! = = = ! ! 目 a b s t r a c t i nt h ed e v e l o p m e n ta n dm a s sp r o d u c t i o np r o c e s so fl o c o m o t i v e ，m o t o rv e h i c l ea i r c o m p r e s s o r ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa s “a i rc o m p r e s s o r ) ，t h ew h o l ep e r f o r m a n c et e s t so fa i r c o m p r e s s o r ( c o m m o n l yk n o w na s t y p et e s t ) m u s tb ep r a c t i c e dm a n y t i m e si no r d e rt oe n s u r e t h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo fl o c o m o t i v e m o t o rv e h i c l et r a c t i o n w i t h t h er a p i d d e v e l o p m e n to fc h i n a sr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，a i rc o m p r e s s o ro fl o c o m o t i v e ，m o t o rv e h i c l e g e n e r a l l yr e q u i r e sar a t h e rh i g hr e q u i r e m e n ti nt h ea s p e c to fr e l i a b l ep e r f o r m a n c ea n dh i g h d e g r e ea u t o m a t i o no fa u t o m a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rt h ec o m p r e s s o rp e r f o r m a n c e t e s t t h ep u r p o s ei st om e e tt h ec h i n ar a i l w a yh i g h s p e e d ，h e a v yd e v e l o p m e n t i n t h i sp a p e r ，t h ea u t o m a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rt h ec o m p r e s s o rp e r f o r m a n c e t e s ti sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t so ft h el o c a l i z a t i o np r o j e c ta b o u t t h ew h o l ep e r f o r m a n c et e s t b e dd e s i g nf o rl o c o m o t i v e ，m o t o rv e h i c l ea i rc o m p r e s s o r ”， w h i c hc o m e sf r o ms t a t ed e v e l o p m e n ta n dr e f o r mc o m m i s s i o na n dm i n i s t r yo fr a i l w a y i n t h ef i r s tp a r t ，t h ee x i s t i n ga i rc o m p r e s s o rf u l l p e r f o r m a n c et e s tc o n t r o ls y s t e m so fd o m e s t i c a n df o r e i g nw e r es t u d i e d t h e n ，t h es y s t e me m p l o y e dp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a s t h em a i nc o n t r o lu n i t p l ca n dm u l t i c h a n n e ls w i t c ha st h ed a t aa c q u i s i t i o nu n i tt or e a l i z et h e s y s t e mf u n c t i o n s ，s u c ha st h ed o t m a t r i xl c d ( l c m ) c h i n e s ed i s p l a yf u n c t i o n ，m u l t i - p o r t s t a n d a l o n ec o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e sa n dt h er e a l t i m ed a t af u n c t i o nu s e dt or e c o r dt h e h i s t o r i c a lr e c o r d t h i sp a p e ra l s op r e s e n t st h ef u l l p e r f o r m a n c er e m o t ec o n t r o la n dd a t a p r o c e s s i n gs y s t e mp l a t f o r mo fa i rc o m p r e s s o r ，u s e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea st h em o n i t o r i n g a n dc o n t r o lm o d e l ，o nt h eb a s i so ft h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fi t sr e l i a b i l i t y ，o p e r a b i l i t y ， e f f i c i e n c ya n de c o n o m ya n do t h e rf a c t o r s t h ef i n a le x a m i n a t i o na n dd e b u g g i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mi m p l e m e n t e da l lt h e r e q u i r e df u n c t i o n s ，v a r i o u si n d e x e sa c h i e v e dd e s i r e do b j e c t i v e ss u c ha ss t a b l eo p e r a t i o na n d r e l i a b l ed e s i g n k e yw o r d s ：a i rc o m p r e s s o r ；m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ；r e a l t i m ed a t ar e c o r d i n g 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：炒 日期：渺j 年i 二羚l 5 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：乏名乡 日期：硼夕年l 。月l r 日 导师签名： 多证f 象 日期：彳年硼，f 日 学位论文作者毕业后去向：回原单位 工作单位：北京南口轨道交通机械有限公司电话：1 3 7 0 1 1 2 3 7 3 5 通讯地址：北京南口轨道交通机械有限公司邮编：1 0 2 2 0 2 电子信箱：w a n g h o n g 1 6 3 c o m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的选题背景 为了改善铁路运输的服务质量和效率，实现铁路跨越式发展，全国铁路运输先后进 行了六次大提速，运行时速从6 0 k m h 提高到现在的2 0 0 k m h ，铁路客运能力增加了2 0 以上，货运能力增加了1 8 左右，对缓解铁路运输紧张状况，为促进国民经济持续快速 健康发展，发挥了重要作用，铁路运行速度的大幅度提高，对机车牵引的各部件的性能， 提出了更高更严格的要求。 空压机作为机车上的重要设备，它在机车牵引列车运行中起着至关重要的作用，主 要体现在以下几个方面： ( 1 ) 提供列车制动、减速用压缩空气； ( 2 ) 供应全列车空气弹簧用压缩空气； ( 3 ) 供应“三阀”( 空重阀、压差阀、高度自动调整阀) 一杆( 连杆) 所需压缩空气； ( 4 ) 供应电一空控制系统的压缩空气； ( 5 ) 供应气动开关列车各门、冲刷厕所等辅助设备所需压缩空气； ( 6 ) 其他：如风喇叭、撒沙阀、百叶窗等设施所需压缩空气l l 引。 任何空压机根据产品类型，在使用前( 含研制及生产) 都必须按t b 位7 l o 及 t b t 2 7 1 1 标准及有关文件的规定，进行相应的型式试验、抽检试验及出厂验收试验。 以便检验其性能是否达到设计要求。对于型式试验的空压机需满负荷运行，延续时间不 得少于5 0 0 h ，并有4 8 h 的超压1 0 的实验：正常生产的空压机，除按规定做抽检试验 外，尚需根据生产规模抽样做2 0 0 h 简化型式试验，其中也有2 4 h 超压1 0 的运行试验； 对于出厂验收试验的空压机，需满负荷运行2 h ，并有5 1 0 m i n 的超压1 0 的试验。测得 的排气温度、容积流量、比功率等必须达到设计及有关标准的要求，否则不合格。 由于空压机在机车上的季要作用，以及铁路提速对窄压机提出更高更严格的要求， 空压机在装车之前，必须进行更严格的全性能测试。以保障空压机在机车牵引列车运行 中高效、可靠的工作。而目前机车空压机的测控仍采用传统的测控方式，可靠性和效率 均不高，所以，研究和开发机车、动车用空压机全性能测试系统，对确保机车、动车的 重载、高速运行，具有非常重要的意义。 本课题的研究就是针对实际项目“机车用宅j 玉机全性能试验台”，研究和开发r 空 压机自动测控系统，实现对正常试验所需的各种参数的测试与控制；同时通过对该测控 系统的组念，实现对空压机测控试验实时电脑监控。 大连交通人学t 程硕十学位论文 1 2 空压机全性能测试的项目 机车、动车用空压机，由于运行工况特殊、肩负的责任重大，其全性能测试的要求 不但内容较多，而且较一般的空压机需求更严格。 ( 1 ) 额定工况时的转速，各级吸、排气压力，各级吸、排气温度； ( 2 ) 排气量： ( 3 ) 在额定工况时的轴功率； ( 4 ) 噪声声压级d b ( a ) ； ( 5 ) 机械震动裂度； ( 6 ) 频繁启停； ( 7 ) 超负荷1 0 测试； ( 8 ) 各部严密性测试【3 ，4 】： 所测数据经过整理、计算、换算到额定工况并实时打印。 1 3 本文所做的工作 本课题结合“机车、动车用空压机性能测试试验台的研究与开发”这一项目，采用了 p l c 为核心的空压机自动测试系统，并与组态技术相结合，实现上位机监控空压机的全 性能测控的智能化系统。其中，我们做了以下工作： ( 1 ) 测控系统硬件配置的设计，针对实际工程项目的测试控制要求，从可靠性、 效率、经济性和可操作性等方面考虑，设计了适合本项目测控要求的空压机测控方案， 并进行相应的结构设计。 ( 2 ) 测控系统的硬件配置及设计，根据所设计的测控方案，合理配置满足空压机 测控要求的各种硬件设备，设计出用于p l c 采集功能的多路模拟开关，并解决硬件设 备之间的通讯问题。 ( 3 ) 测控系统软件程序的编制针对项目的测控要求，开发p l c 测控程序组念王远 程监控程序p o d 现场监控v i s u a lb a s i c 数据处理和空压机性能计算、换算及评价程序。 ( 4 ) 测控系统的调试，在现场的空压机测控系统中调试开发的各程序，确定符合 本项目的硬件设置和软件程序，提供完整的空压机性能测控系统。 本章小结 本章介绍了空压机在机车、动车上的用途和对其全性能测试的要求，以及本课题所 做主要研究工作。 2 第二章宅压机测控系统的方案 第二章空压机测控系统的方案 设计开发适合现阶段空压机测试的计算机控制系统，是在吸收国内外先进的测控方 案和充分了解空压机测试的基础上，研制性价比比较高的空压机测试计算机自动控制系 统，是一个重要的课题。随着计算机和可编程序控制器( p l c ) 的高速发展，特别是p l c 功能的不断扩展，运算速度的不断提高，输入输出规模的不断扩大，以及p l c 和微机 构成的网络监控系统的发展，以p l c 为核心的监控系统得到了迅速发展，尤其是近几 年来，p l c 已加强了模拟量控制功能，可以配备各种控制模块，具有了p i d 调节功能， 并通过网络系统实现了集散系统所完成的功能，使其于p l c 的测试控制系统在空压机 测控技术中得到应用成为可能。 将p l c 技术用于空压机测试系统中，可以提高空压机性能测试的自动化程度，便 于空压机设计、生产和使用单位利用本地计算机与远程计算机实行整个实验过程的连续 监控。 采取p c + p l c 控制模式。在这种结构中，p l c 对对象进行控制及监控，而现场计算 机和远程计算机对p l c 进行控制及监控，其优点除了可以实现近距离检测控制外，还 可进行远程操作，远程调节，省时省力，快捷方便，很好的实现计算机自动化。 2 1 空压机测控系统的功能要求 2 1 1 测试要求 2 1 1 1 数据采集 本系统研究和开发的空压机测控系统要求在活塞空压机机组、螺杆空压机机头、螺 杆空压机机组三个试验台位上对空压机进行测试，被测试空压机的排气量范围为 0 4 6 m 3 m i n ，排气压力范围为o 8 1 m p a 根据困标g b 3 8 5 3 ，为了获得被测空压机的性 能指标，需要测试空压机在规定工况下的空压机排气量和轴功率，在此基础上进一步得 到比功率、绝热效率等指标。根据此要求，各个台位的被测参数都应包括大气压力、大 气温度、人气湿度、吸气压力、吸气温度、排气压力、排气温度、转速、储气罐压力、 喷嘴温度、喷嘴差压、电流、电压、电功率等1 4 个参数。除此之外，各个试验台位根 据自身特点要求了其他试验内容f 5 l o ( 1 ) 活塞空压机秽l 组试验台 考虑机车用活塞窄压机一般采用两极压缩，根据同标g b 3 8 5 3 要求，还需要测试一 级排气压力、一级排气温度、二级进气压力及二级进气温度4 个参数；此外，曲轴衍油 温作为可靠性指标需要测量。 3 大连交通人学t 稃硕十学位论文 ( 2 ) 螺杆空压机机头试验台 为了优化设计喷油参数，螺杆机头试验时需要了解不同喷油温度、喷油压力及喷油 量对性能的影响，需要对这3 个喷油参数进行测试；为了研究螺杆型线及参数对螺杆空 压机扭矩的影响，需要测试扭矩。 ( 3 ) 螺杆空压机机组试验台 为了在螺杆空压机机组试验台上验证喷油参数设计是否合理，需要测试喷油温度、 喷油压力2 个参数。 三个试验台位的空压机既可以用交流电动机驱动，也可以用直流电动机驱动，因此 相应的电量( 电流、电压、电功率) 测试也要分直流与交流两种。由于每次只在一个实 验台位上进行试验，因此上述三个试验台位上共有的1 4 个测试参数采用同一套传感器 变送器及显示仪表。 对于三个试验台位中重要的被测参数，要按照t b 位7 1 1 中规定的测试要求进行测 试，见表2 1 。 表2 1 测试值允许偏差及波动范围 t a b l e2 1a l l o w a b l ed e v i a t i o na n df l u c t u a t i o nr a n g eo f t e s t i n gv a l u e 测试值与规定值之间允许的最任一参数的一组读数相对于其 运转参数 大相对偏差( 或偏差)平均的最大允许波动范围 空压机吸气压力 0 5 空压机排气压力 + - 1 0 0 5 空压机吸气温度 1 c 主轴转速 3 0 1 0 喷嘴温度 2 0 喷嘴差压 2 0 测试排气量 5 0 电压 5 0 2 0 r u 源频率 1 0 o 。5 2 1 1 2 数据处理 测控系统需具有在线采集、存储数据、数据验证和性能计算的功能。系统可远程采 集并存储数据；利用数据验证程序快速的对采集的数据进行合理性验证，去除不合格的 数掘，( 试验结果不得随意处理必须保证可靠) 验证合格后并存入p c 机；系统可l j 】时 调用性能计算程序，对测试的空压秽l 进行性能计算，程序所需的各种测试量可以直接从 4 第二章空压机测控系统的方案 p c 机调用，由程序进行性能计算，并给出检测报告，从而完成空压机测试的数据处理 过程。在线采集数据程序、数据验证程序和性能计算程序根据不同的空压机类型，可以 进行单、双工况的数据采集和数据处理。整套程序需简单、快捷，并且可操作性强。 2 1 1 2 1 试验结果计算 1 、选择试验参数 由于客观条件限制，试验工况与规定工况不能取得一致时，t b t 2 7 1 1 规定，运转 参数与规定值之间的最大相对偏差( 或偏差) 及测试过程中运转参数的波动范围在符合 表2 1 的规定条件下允许按本标准规定的方法测试，然后计算出空压机在规定工况下的 性能。 检查全部记录，各参数的读数符合上述的规定后以每工况试验期间各读数的平均 值用于计算结果。若同一参数有两个测量点，每次取其读数的平均值为测定值。 2 、计算标准吸气温度 按比例( 直线式) 内插值或外插值求出标准吸气温度( t x l ) 下的容积流量、轴功 率及各级参数，用于计算空压机在规定工况下的性能。 风冷式两级空压机的标准吸气温度按式( 2 1 ) 计算。 ( t x l ) - 黜p x l ( 2 1 ) 式中： p x l 空压机i 级吸气压力，单位为兆帕( m p a ) ； t x l 空压机i 级吸气温度，单位为开( k ) 。 加( ) 表示标准参数；加口表示规定工况下的相应参数。 ( 2 ) 单级和没有中间冷却的两级空压机中，风冷式的标准吸气温度按式( 2 2 ) 计 算。 ( t x l ) = t x l 】( 2 2 ) 3 、计算规定工况下的容积流量 ( 1 ) 不计冷凝水的窄压机容积流量按式( 2 3 ) 计算( 用a s m e 喷嘴测量装霄时) 。 q 0 = 1 1 2 9 c d 2 器( 臀) 1 2 ( 2 3 ) 若空压机吸气压力等于试验处大气压力时，按式( 2 4 ) 计算。 0 0 = 1 1 2 9 c d 2t x l ( 念) 2 2 ( 2 4 ) 式中： q 忙不计冷凝水的空压机容积流量，单位为立方米每分( m 3 m i n ) ； 大连交通大学t 稃硕十学位论文 c - 一喷嘴系数，按t b t 2 7 1 1 附录c 图c 1 的规定从表c 1 中选取； d 喷嘴直径，单位为米( m ) ； t x l 空压机i 级吸气温度，单位为开( k ) ； p x l 空压机i 级吸气压力，单位为兆帕( m p a ) ； p 喷嘴压差，单位为帕( p a ) ； t 1 喷嘴上游气体温度，单位为开( k ) ； p 卜试验处大气压力，单位为帕( p a ) 。 ( 2 ) 按式( 2 5 ) 计算计入冷凝水的空压机容积流量。 q 1 = q 0 + 篙紫 ( 2 5 ) 式中： q 1 计入冷凝水的空压机容积流量，单位为立方米每分( m 3 m i n ) ； p v s l i 级吸气温度下的饱和水蒸气压力，单位为兆帕( m p a ) ； p v s l i 级吸气温度下的饱和水蒸气密度，千克每立方米( k g m 3 ) ； q m c d 空压机吸气1 2 1 与喷嘴间收集到的单位时问内的冷凝水质量，单位为千克每 分( k g m i n ) 。 ( 3 ) 当空压机试验时的转速与规定转速不同时，转速修正后的容积流量按式( 2 6 ) 修正。 iq = q 1 掣( 2 6 ) 式中： 【q 】规定工况下空压机容积流量，单位为立方米每分( m 3 m i n ) ； n 空压机试验时的转速，单位为转每分( r m i n ) 。 4 、计算规定工况下的空压机轴功率 ( 1 ) 计算实测轴功率的方法 a ) 直接测定空丛机轴输入扭矩和转速时，应按式( 2 7 a ) 计算轴功率： p z ：幽9 5 4 9 ( 2 7 a ) = ( 2 7 a ) 式中： p z 空压机轴功率，单位为千瓦( k w ) ： m t 空压机轴输入的平均扭矩，单位为牛米( n m ) 。 b ) 由电动机输出功率计算轴功率时，应按式( 2 7 b ) 计算： p z = p d 2 t i c( 2 7 b ) 6 第二章空乐机测控系统的方案 式中： p d 2 电动机输出功率，单位为千瓦( k w ) ； t 1 c _ 电动机轴与空压机轴间的传动效率。 ( 2 ) 计算规定工况下轴功率的方法 规定工况下空压机轴功率应按式( 2 8 ) 计算： 【p z 】：嘿抖笋p z ( 2 8 ) 式中： p s 级等熵功率，右下角标数定表示级别，单位为千瓦( k w ) 。 ( 3 ) 计算级等熵功率的方法 a ) 各级气体质量流量的计算： q m i = q 0 p p + q m c d ，l( 2 9 a ) 当规定工况符合t b 肥7 1 0 1 2 0 0 5 和t b t 2 7 1 0 2 2 0 0 5 的规定时 【q m i 】= 【q 】 p p 】( 2 9 b ) 、： 式中： q m i 第i 级的气体质量流量，单位为千克每分( k g m i n ) ： q m c d 卜第i 级的吸气口之后实测的单位时间的冷凝水质量，单位为千克每分 ( k g m i n ) ； p p 通过喷嘴气体换算到空压机吸气状态下的密度，单位为千克每立方米 ( k g m 3 ) 。 密度p p 按式( 2 1 0 a ) 、( 2 1 0 b ) 计算： ：哿f1 - ( 1 1 8 m ) 晋】 (210ppa ) 2 百茜r l。m ) 1 蠢r j( 2 a ) 当规定工况符合t b t 2 7 1 0 1 2 0 0 5 和t b 胞7 1 0 2 2 0 0 5 的规定时， f p p 】：帮爿 ( 2 1 0 b ) 式中： r 干空气的气体常数，单位为焦每千克丌【j ( k g k ) 】，r = 2 8 7 1j ( k g k ) ； m 干空气分子量，m = 2 8 9 6 ； 、i ，卜通过喷嘴气体换算到空压机吸气状态下的相对蒸气压。 舭定上况下各级参数的汁算： 规定上况下各级参数应按式( 2 1 1 ) 一式( 2 1 5 ) 计算： 7 大连交通大学t 稃硕十学 ：c 7 ：论文 【t x 2 】：警【t x l 】 【p p l 】= 咝p x l 【p x l p x 2 】= 器【p x l 【t p l 】_ t t x p l l t x l t p 2 = t t x p 2 2 t x 2 c 、级等熵功率的计算： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 空压机级等熵功率应按式( 2 1 6 a ) 、( 2 1 6 b ) 计算： p s i = 1 6 6 6 1 0 - 5q m i 者r i t x i 【( p p x i _ p 2 ) 警一1 】( 2 1 6 a ) p s i 】= 1 6 6 6 1 0 5 【q m i 】者r i 【t x l 】【( 倒 p x l ) 等一1 】( 2 1 6 b ) 式中： p s i 第i 级的等熵功率，单位为千瓦( k w ) 。 l ( 一级平均温度和平均压力下的等熵指数，对于空气k = 1 4 0 ： r i 第i 级吸气状态的气体常数，单位为焦每千克开【j ( k g k ) 】，湿空气可按式 ( 2 1 7 ) 计算。 i 忑2 8 磊7 1 ( 2 1 7 ) 1 一o 3 7 8 、l ，x i 工二鼍 、i ，x i 第i 级吸气的相对蒸气压； pv s i 第i 级吸气温度下的饱和水蒸气压力，单位为兆帕( m p a ) ； px i 第i 级吸气压力，单位为兆帕( m p a ) 。 5 、计算规定工况下空压级比功率 规定工况下空压级的笔功率应按式( 2 1 8 ) 计算： = 惜 ( 2 1 8 ) 式中： 【( o 】规定工况下空压级比功率，单位为千瓦每立方米每分【k w ( m 3 r a i n 1 ) 】； 【p z 】按( 2 8 ) 式计算得的规定工况下空压级轴功率，单位为千瓦( k w ) ； 8 第二章空乐机测控系统的方案 【q 】按( 2 6 ) 式计算得的规定工况下空压机容积流量，单位为立方米每分 ( m 3 m i n ) 。 6 、清洁度值的计算 g = ( g 1 一g 1 ) x w 5 0 0 + ( g 2 g 2 )( 2 1 9 ) 式中： g 青洁度值，单位为毫克( m g ) ； g 1 、g 2 滤网过滤前的重量，单位为毫克( r a g ) ； g 1 、g 2 滤网与杂质重量之和，单位为毫克( r a g ) ； w 一空压机油总量，单位为毫升( m l ) 。 注1 ：公称容积流量为2 4m 3 m i n 的z 2 4 9 型空压机w 按9 0 0 0m l 计算； 公称容积流量大于或小于2 4m 3 m i n 的空压机按实际空压机油总量计算。 注2 ：型式试验时，清洁度计算公式中w 5 0 0 应取消，g 1 为滤网与全部空压机油 中杂质重量之和。 7 、油耗计算 w o = 坠业罂 ( 2 2 0 ) 式中： w 压缩机油耗总量，单位为克每小时( g 1 1 ) ； w 1 第1 次放油后称量油的重量，单位为克( g ) ： w k 第2 次放油后称量油的重量，单位为克( g ) ； s w i 空压机运行中添加的压缩机油量之和，单位为克( g ) ； t 两次放油之间空压机运行的时l 、日j ，单位为小时( h ) 【6 1 。 2 1 2 控制要求 为了提高测控系统在操作过程中的自动化程度，增强其测试过程中的可靠性，对测 控系统的控制功能提出了相应的要求，主要体现在以下儿点： ( 1 ) 试验台位自动选择及互锁功能 对活塞窄压机机组、螺杆空压机机头、螺杆空压机机组三个台位进行选择的控制。 测拧系统要求既可用p c 上位机进行远程选择，也可用p o d ( 触摸屏) 在试验现场选择， 还町以在控制柜上用有光灯湿示的开关按钮选择，三者是实时通讯的。三个台位的选 择足互锁的即每次只能选一个台位进行试验。 ( 2 ) 交流直流驱动方式选择和互锁功能 9 大连交通大学t 稃硕十学位论文 测控系统要求既可用p c 上位机进行远程选择，也可用p o d 在试验现场选择，上位 机与触摸屏是实时通讯的。两种电源的选择能够互锁。 ( 3 ) 空压机启停控制功能 三个试验台位均可以采用手动、自动两种方式运行和停止。采用手动方式时，直接 用交流、直流电源柜上的启停控制按钮控制空压机的运行和停机：采用自动方式时，既 可以用p c 上位机远程控制空压机的启停，也可以用触摸屏现场控制空压机的启停。 空压机的启停控制功能还包括启动、停机前的准备工作，如启动卸荷、软启动控制， 螺杆机头停机前的卸压控制等。 ( 4 ) 排气压力调节和稳定功能 空压机的测试都是稳定在规定工况下进行，为此，需要把排气压力调节到给定值( 包 括规定的偏差范围) ，以满足测试的要求。所研制的测控系统要求具有手动、自动两种 排气压力调节和稳定方式，采用手动方式时，依靠人工调节喷嘴装置( 低压箱) 前的粗 调、微调阀们来达到调节稳定排气压力的目的；采用自动方式时，测控系统需要对排气 压力进行p i d 闭环控制，这既可以在p c 上位机上进行远程控制，也可以通过触摸屏在 现场进行控制。 ( 5 ) 直交流转速调节功能 为了使具有不同转速的各种空压机都能在着三个试验台位上进行试验，测控系统需 要实现空压机转速调节。对转速的调节实际上是对交流变频器的输出频率或者直流调速 模块的输出电压进行控制，这既可以在交流变频器或者支流调速模块上通过控制按钮实 现，也可以通过p c 上位机进行远程控制，还可以用触摸屏在现场进行控制。 ( 6 ) 喷嘴选择和互锁功能 测控系统对流量范围为0 4 6m 3 m i n 的活塞空压机和螺杆空压机进行试验。根据 g b 厂r 1 5 4 8 7 的规定，这个流量范围需要5 个直径系列喷嘴，相应的，要求测控系统根据 被测压缩机的额定流量在p c 上位机或者触摸屏选择合适的喷嘴装置，让气体通过该喷 嘴完成流量测量，同时锁死其他的喷嘴装置通道。 ( 7 ) 状念指不及报警控制功能 测控系统在试验过程中能对试验台的重要状态参数通过指示灯进行指示，如试验台 位( 螺杆机头机组活寒机组) 指示，驱动电源( 交流直流) 指示，油系统、冷却系统 是否正常工作指示。此外，一些重要的运行状态还需要采用报警灯、报警器进行报警， 以上的控制量，在p c 上位机的监控界面、触摸屏的监控界面和控制柜面板上都能进行 显示l7 l 。 1 0 第二章守压机测控系统的方案 2 2 测控系统方案确定 针对本文实际研制任务需要，要从操作可靠性、测试准确性、系统成本高低、系统 功能强弱、使用是否方便等多各个方面考虑，确定出一套适合于本项目测控要求的测控 方案。 本系统是一个空压机测控系统，测试与控制两方面都很重要，如果采用基于p c 机， 配以专业板卡的方案，其测试功能很强，但其控制功能偏弱，而且板卡易受干扰，所以 此方案不可取；由于本系统安装在专业的试验厂房里，测控系统的工作环境良好，测控 设备并不是长期不问断的运行，考虑到工控机价格较高的因素，所以工业控制计算机方 案也不可取；基于单片机的测控系统虽然速度快，体积小，价格低，可扩充新能好，但 其控制部分程序的开发需要较长周期，与i p c 、d c s 、f c s 相比，其较易受干扰，控制 的可靠性差，另外，工厂的试验人员对单片机的维护不熟悉，所以基于单片机的测控系 统不可取；本系统虽然有三个空压机台位，但每次只对一个台位进行测试和控制，系统 远程对空压机的运行监控和数据处理，实际上属于一种单机控制系统，并不需要站与站 之间的联络，所以从实际需要和系统成本考虑，此系统不需要采用基于d c s 或者f c s 的测控方案。 相比之下，基于p l c 的测控方案是适合本测控系统的方案。选择该方案的主要理 由如下： 极高的可靠性 国外一般中小型p l c 产品，如日立、西门子、i p m 等，平均无故障时间高达1 0 万 小时。即使大型p l c 平均无故障时间也在4 5 万小时之间。而本系统的控制要求只要一 台小型的s 7 2 0 0 p l c 即可，因此，p l c 的可靠性不存在问题。 ( 2 ) 很高的数据采集精度和抗干扰能力 p l c 的模拟量输入输出模块具有很强的抗干扰能力，采集精度高，可靠性好。 方便的维护 现场试验人员更容易接受p l c 程序，因为p l c 的梯形图编程与传统的继电器电路 图很相似，p l c 安装不需要特殊机房和尸虻格屏蔽的。使用时只要各种器件连接无误，系 统便可工作，各个模块上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模块可以带 电插拔，模块可更换，使用户可以在最短的时问内查出故障，并排除，最大限度的压缩 故障停机时l 、日j ，使生产迅速恢复： 良好的综合经济效益 大连交通大学t 稃硕十学位论文 p l c 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低。从设计、生产周期长短考虑，本 系统是属于开发项目，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和 边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不许要改动现有生产设备及其外部接线， 就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业 增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或者半导体都不能满 足，而p l c 则完全可以实现，这是因为若用p l c 不许改动外部设备接线，只要在软件 上做文章就可以了，也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改 原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的目的。因此，此系统选用基于p l c 的控制方案。 考虑到本项目要求的测试参数及控制点较多，测控系统选用p l c 为s i m e n s 的 s 7 2 0 0 ，其主模块用c p u 2 2 6 ，开关控制量为2 4 入1 6 出，此c p u 最多可以带7 个模块， 即使全采用e m 2 3 5 模拟量模块4 入1 出，也只有2 8 路采集通道，而系统的测试量却有 3 0 多个，并且，不能把p l c 的扩展模块都没为模拟量输入输出模块，但增加一个c p u 或者更换点数更多的c p u 势必增加成本。为此，测控系统通过设计1 6 路多路转换开关 模块扩充数据采集功能，由4 个e m 2 3 5 模拟量输入输出模块采集系统中要求较高的测 试量，1 个e m 2 3 2 模拟量输出模块用于模拟量控制信号的输出，两个数字量输出模块 e m 2 2 2 用于补充c p u 2 2 6 的数字量输出。由于p l c 采集的模拟量送到上位计算机，进 行数据处理、存贮和实时显示、控制。 由此，整个测控系统采用基于p l c 的测控方案，即利用高可靠性的p l c 完成数据 采集、控制等关键功能，用普通计算机完成数据处理、存贮及分析等功能，用多路转换 开关弥补p l c 模拟量采集通道不足的缺陷。 本章小结 本章讨论了空压机全性能试验台对测控系统的性能要求，通过分析对比，确定了空 压机测控系统方案。 1 2 第了章空压机测控系统设计 3 1 测控系统的结构 第三章空压机测控系统设计 3 1 1 总体布局 如上一章所述，本文研制的空压机测控系统采用p c 机+ p l c + 1 6 路多路转换开关的 测控方案。按照该测控思路，结合设计任务要求，设计出相应的测控总体方案，如图3 1 所示。 图3 1 基于p l c 的空压机测控系统总体方案 f i g 3 1t h ec o n c e p t u a ld e s i g no fa i rc o m p r e s s o rm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do i lp l c 从图3 1 可以看卅，三个试验台位的直、交流驱动及转速调节通过p c 机+ p l c 发出 指令，由直流控制柜、交流控制柜执行；三个试验台位的模拟量数据采集幽p l c + 1 6 路 多路转换开关来完成，采集的结果传送到p c 机进行处理，还可以将重要结果打印输出； 所有控制指令( 如启动停机、台位选择、驱动选择、转速及压力调节、报警等) 均通过 1 3 大连交通大学t 程硕十学何论文 p l c 完成；p l c 与触摸屏之间，p l c 与p c 机之间实时通讯，触摸屏与p c 机上能实时 显示系统的运行状态；p l c 的数据采集和控制功能通过在p l c 软件平台上开发的应用 程序来完成；p c 机与p l c 的实时通讯则通过在组态软件平台上开发的组态程序来完成： 触摸屏相当于现场p c 机，它与p l c 之间实时通讯通过p o d 程序完成：最后的数据处 理( 性能计算、分析、结果输出等) 则通过v b 开发的软件完成1 8 9 j 。 根据上述测控总体方案，结合具体的测试、控制量，设计出相应的测控系统结构图， 如图3 2 所示。从图中可以看出，整个测控系统分为若干子系统，即螺杆机头台位测试、 螺杆机组台位测试、活塞机组台位测试、含油率测试系统( 待扩展) 和流量测试系统。 其中，含油率测试系统( 待扩展) 和流量测控系统对三个试验台位来说是共用的，相应 的，大气压力、大气温度、大气湿度、喷嘴温度、喷嘴差压等被测参数对三个试验台位 而言都是共用的，这样可以是系统结构更加紧凑i l 。 图3 2 空压机测控系统整体结构设计 f i g 3 2t h ew h o l es t r u c t u r a ld e s i g no fa i rc o m p r e s s o rm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m 1 4 第j 章空乐机测控系统没计 a 螺杆机头台位测试系统 d 含油率测试系统 g p i , c 测试和控制系统 j 交流变频系统 b 活塞机组台位测试系统 e 流量测试装置 h 触摸屏 k 直流调速系统 c 螺杆机组台位测试系统 f 多路开关采集模块 1 计算机系统 l 储气罐 3 1 2 螺杆机头台位测试系统 螺杆机头台位主要针对螺杆空压机机头进行直、交流的全性能测试，测控系统必须 完成螺杆空压机相关运行参数的采集和运行过程的控制，螺杆机头台位测试的结构图如 图3 3 所示。 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 一，1 “一，2 一f i _ l b b 1 4 1 2 a 台位设备： a 交流电机 d 油气分离器 台位测试量： 1 进气压力 5 排气压力 9 喷油温度 1 3 一电压 1 7 人气湿度 台位控制量： ( 1 ) 一放气控制阀 ：! j 大气压力 ；! jj 笑成箍箧 1 7 ：笑戈羞震 e 巨司 匡訇 | j0 i j 图3 3 螺杆机头台位测试结构设计 f i g 3 3t h es t r u c t u r a ld e s i g no fs c o wd i es e a tt e s t i n g b 矗流电机 e 冷却器 2 进气温度 6 排气温度 1 0 喷油压力 1 4 电功率 3 转速 7 油分乐筹 1 1 喷油颦 1 5 大气压力 ( ：r 1 火仁 c 螺杆空眼机头 f - 油过滤器