摘 要：为了设计天然气压缩机状态监测仪，实现对压缩机运行状态的实时监测和故障预测评估，文中提出了一种基于ARM嵌入式设计的天然气压缩机状态监测仪的设计方法。该方法构建了天然气状态特征提取算法来进行状态信息特征的提取，同时设计了ARM嵌入式压缩机状态监测仪的特征采集传感器模块、信号调理模块、ARM主控系统模块和显示控制模块，实现了系统的硬件设计和软件设计。仿真结果表明，采用该监测仪进行天然气压缩机状态监测，其状态特征分析准确，故障和超负荷评估性能较好。
关键词：天然气；压缩机；ARM；嵌入式；系统设计
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）02-00-02
0 引 言
西气东输工程是我国最大的天然气运输和调度工程，在整个西气东输管道网络中，分布了大量的压气站，采用天然气压缩机进行压气处理，实现天然气顺利传输。天然气压缩机按容积分为：往复式压缩机、回转式压缩机；速度型压缩机又分为：轴流式压缩机、离心式压缩机和混流式压缩机[1-3]。无论是哪种天然气压缩机，在运行过程中都可能出现故障和失效等问题，需要进行压缩机状态监测，保障系统稳定运行，因而提出了一种基于ARM嵌入式设计的天然气压缩机状态监测仪系统设计方法。首先进行了系统的总体结构设计，分析了天然气压缩机状态特征的控制算法，实现了状态信息的特征提取，以此为基础进行系统的模块电路结构设计，最后实现了整个天然气压缩机状态监测仪的集成设计，仿真实验进行了性能测试和验证，展示了本文设计的监测仪在实现压缩机自动监测和状态分析中的优越性能。
1 天然气状态特征提取算法
天然气压缩机通常工作在复杂恶劣的环境下，受到的干扰和影响因素具有多元性，受到机械振动和超负荷等因素的影响，导致天然气压缩机的过负荷运行，需要对天然气压缩机系统各个分离单元的状态特征进行特征提取和监测[4]，实现对天然气压缩机状态监测系统的分散控制设计。首先构建天然气状态特征提取算法，天然气压缩机的状态特征函数描述见式（1）：
（1）
其中，天然气压缩机的传输效率为优化目标函数，得到状态特征的控制参数为：
（2）
在目标函数中使用权重系数，对天然气压缩机超负荷状态下连续数据预测数据进行自适应匹配，得到天然气压缩机状态监测系统的接收信号由一个n个决策变量多输入输出模型组成，信号模型为：
（3）
天然气压缩机状态监测控制总线传输通信道脉冲响应可描述为：
（4）
其中，an（t）是第n条控制输出通道上接收到的信号，对，有，通过误差补偿器补偿天然气压缩机在进行状态监测CAN总线通信过程中的信道失衡项，控制输出信号为：
（5）
其中，f0与ψ0分别为输出误差小于1 mV的起始频率与初始相位，对N个超负荷节点进行FFT变换，对应某一个天然气压缩机超负荷预警检测的阈值，得到天然气压缩机状态信息特征在k+p时刻的预测值为。通过上述设计，实现了对天然气压缩机的状态信息特征提取，以特征提取结果为原始数据输入，进行压缩机状态监测系统设计。
2 压缩机状态监测系统总体结构和功能模块硬件设计
在上述进行天然气状态特征提取的基础上，进行检测仪系统总体设计和模块化设计，本系统采用以S3C2440A ARM9处理器作为控制和运算核心的Micro2440核心板，设计的系统具有低功耗和灵活性等特点，天然气压缩机的状态监测仪系统主要包括了特征采集传感器模块、信号调理模块、ARM主控系统模块和显示控制模块等[5]。采用ARM嵌入式设计技术，本系统选用了四种传感器监测天然气压缩机的运行状态，分别是加速度传感器、电流传感器、绝压传感器、差压传感器。其中，加速度传感器是用于监测天然气压缩机完成一次冲程后传到地面的振动信号；电流传感器是用于测量天然气压缩机直线电机的每个冲程的电流大小；绝压传感器是用于测量天然气压缩机的油压的绝对值；差压传感器用于测量天然气压缩机每个冲程油压的变化量。
ARM系统模块的功能是作为软件系统的运行平台。选择一块ARM9芯片，内核为ARM920T的芯片作为主控电路，ARM系统模块作为软件系统的运行平台，通过对压缩机状态特征信号的采集、信号特征分析，以及数据的存储、波形显示，实现整个压缩机的状态监测。综上分析，得到本文设计的天然气压缩机的状态监测仪功能模块结构流程如图1所示。
在总体结构分析的基础上，即可进行系统的嵌入式电路结构设计。电路设计主要对系统的信号调理电路、AD采样电路和动态增益控制电路进行研究[6]。采用低功耗16位定点DSP增加功能单元得到算术逻辑运算单元，设计天然气压缩机的状态监测时钟发生器，DMA控制器，在片上外设资源模块构建实时时钟RTC，采用通用定时器提高压缩机状态监测仪的抗环境干扰能力。
在进行AD采样电路设计中，整个天然气压缩机状态监测仪AD系统包括了嵌入式滤波电路、数据采集电路和滤波电路、系统供电模块、DC-DC电源转换模块。设计IIR滤波器进行天然气压缩机状态监测仪的干扰滤波，天然气压缩机状态监测仪远程自动控制系统的整流电路的放大倍数为：
（6）
进行干扰信息的模拟与数字FIR滤波，输出高、低电压至D/A转换器，在PC机上显示A/D采样。动态增益控制电路是实现天然气压缩机状态监测仪的底层模块，通过动态增益控制电路设计控制系统的自激响应，降低系统干扰，动态增益控制电路的第一级选用AD8021，通过R13和R14进行分压，DSP控制芯片线性动态输出电平，PFI管脚电压低于1.25 V时，动态增益控制范围是-2 V≤Vc≤0，第三级放大器仍旧选用AD8021，产生的复位输出为±1.5 V，工作电流为3mA，采用RC滤波电路。DSP采样BMODE2-0管脚直接从地址0x20000000执行程序加载设计，综上分析，得到本文设计的天然气压缩机的状态监测仪核心电路模块。
在上述进行系统硬件电路设计的基础上，进行软件开发，状态监测仪采用ARM嵌入式开发结构模式，ARM系统模块的功能是作为软件系统的运行平台，通过电路板的外端接口电路向AD发送控制指令，控制AD采集传感器数据，实现对天然气压缩机的状态监测。软件系统是整个系统的控制中心，以S3C2440A ARM9处理器作为控制和运算核心的Micro2440核心板，可支持ARM-Linux（内核版本Linux-2.6.32.2）、WindowsCE5.0/ 6.0、uCos2，选择了群创的7寸TFT-LCD液晶显示屏进行人机交互，嵌入式Linux系统由系统启动引导程序、通过Linux2.6.32内核构建交叉编译环境，得到的软件开发界面如图2所示。
3 仿真实验与测试
为了测试本文设计的基于ARM的嵌入式天然气压缩机状态监测仪的性能，进行仿真实验。本系统使用的JTAG仿真器是ADI的HPPCI仿真器，首先进行天然气状态特征提取和数据采集，测得原始采集的天然气压缩机原始特征数据如图3所示。
根据上述数据采集结果，采用本文方法进行状态运行的故障等信息特征的提取，实现状态监测，得到天然气压缩机状态监测特征提取结果如图4所示。从图4可见，采用本文设计的状态监测仪，能实时有效地实现对天然气压缩机运行状态分析和特征提取，提高了运行状态的预测和评估能力。
4 结 语
通过对天然气压缩机运行状态监测，提高压缩机的智能控制和状态评估能力，本文提出一种基于ARM嵌入式设计的天然气压缩机状态监测仪系统设计方法。首先进行了系统的总体结构设计，分析了天然气压缩机状态特征的控制算法，实现状态信息的特征提取，完成系统的硬件电路设计和软件设计。仿真结果表明，该监测仪能实时有效地实现对天然气压缩机的状态监测和故障特征分析，具有较好的性能。
参考文献
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[6]张毅，盛会平.基于相空间重构和K-L变换的压缩机故障诊断[J].压缩机技术，2011（4）： 19-21.
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