上海地鐵1號(hào)線所用車輛設(shè)備為90年代初從德國進(jìn)口，其技術(shù)大致為80年代后期的水平。其中VV230/180-2空氣壓縮機(jī)組試驗(yàn)裝置也是當(dāng)年從德國進(jìn)口。其試驗(yàn)過程是：高壓儲(chǔ)氣缸壓力為8 bar和10bar時(shí)，分別工作0.5h，空壓機(jī)5個(gè)測溫點(diǎn)的溫度不能超過200℃。人工操作時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制高壓儲(chǔ)氣缸的壓力期望在（8±0.1）bar和（10±0.1）bar.原有試驗(yàn)過程完全由人工操作，試驗(yàn)精度和檢修質(zhì)量難以保證；此外，現(xiàn)場操作時(shí)噪聲非常大，使人無法忍受。為此，提出了空氣壓縮機(jī)組自動(dòng)試驗(yàn)裝置的研制方案。就目前而言，國內(nèi)無論是地鐵，鐵路干線機(jī)務(wù)段，或是空壓機(jī)專業(yè)制造廠試驗(yàn)站，都尚未采用全自動(dòng)空壓機(jī)試驗(yàn)裝置。

　　2整體方案

　　根據(jù)進(jìn)口車原裝空氣壓縮機(jī)組試驗(yàn)大綱的要求，要使空氣壓縮機(jī)在某一給定工況下，對(duì)空氣壓縮機(jī)各氣道內(nèi)的溫度變化及空壓機(jī)電機(jī)的電流，電壓，功率，轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，以此來評(píng)估空壓機(jī)組的工作狀態(tài)。

　　為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高試驗(yàn)精度，避免人為因素的影響，本方案采用了全自動(dòng)的試驗(yàn)形式。由PID氣體壓力控制裝置來調(diào)節(jié)，控制壓縮機(jī)的工況（主要是壓力），使其穩(wěn)定在給定的工況下運(yùn)行；由各類數(shù)據(jù)采集裝置將各種被測量轉(zhuǎn)換為一定形式的電信號(hào)，并匯總至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳送控制器，然后傳至單片機(jī)中；在單片機(jī)中經(jīng)過一定的程序處理后，再經(jīng)通訊隔離裝置送至PC機(jī)；由PC機(jī)對(duì)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行處理，在PC機(jī)屏幕上用表格或曲線等形式進(jìn)行顯示，并對(duì)每一試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行存檔或打印試驗(yàn)報(bào)告等。對(duì)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障或數(shù)據(jù)超限，則分級(jí)進(jìn)行聲光報(bào)警或強(qiáng)迫關(guān)機(jī)。

　　3方案內(nèi)容研究

　　3.1電流，電壓及電功率的測試

　　由壓縮機(jī)電機(jī)銘牌可知，電機(jī)額定電壓為DC 1500V（+300V，-200V），額定功率為12.2kW，該電機(jī)屬高壓直流電動(dòng)機(jī)。故本方案采用高壓電量隔離轉(zhuǎn)換裝置，可對(duì)DC2500V以下直流電壓進(jìn)行精確測量，短時(shí)過壓可達(dá)4000V，輸入輸出隔離電壓為3000V.電流測量采用額定20A的直流電量隔離轉(zhuǎn)換器，過載電流可達(dá)額定電流的10倍。由電量轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確測出電壓，電流數(shù)值后，再由PC機(jī)計(jì)算出相應(yīng)的電功率。

　　3.2壓縮機(jī)氣路溫度測試

　　為保持本裝置與原試驗(yàn)裝置的相對(duì)獨(dú)立性，本方案另配備了一套溫度傳感器。其外形尺寸與原溫度傳感器一致，經(jīng)標(biāo)定后，制造相應(yīng)的溫度變送器，構(gòu)成溫度檢測裝置。設(shè)計(jì)要求的測溫范圍為-50～250℃，因此，擬采用線性度和精度都較好的鉑電阻溫度傳感器HEL-700.其阻-溫特性曲線近似為線性，其函數(shù)為：RT=R0（1+AT+BT 2 -100T 3 +CT 4）式中：RT為在T℃時(shí)電阻；R0為在0℃時(shí)的電阻；R0，A，B，C為已知的系數(shù)。由于傳感器所采集的信號(hào)為非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，溫度變送器考慮用恒流源及放大后續(xù)電路等將其轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（0～5V）。

　　3.3壓縮機(jī)壓力的控制與檢測壓縮機(jī)的氣體壓力控制由PID氣體壓力控制裝置和壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行器來完成。PID氣體壓力控制裝置根據(jù)PC機(jī)發(fā)出的壓力給定指令和壓力傳感器檢測到的壓力反饋信號(hào)，經(jīng)PID綜合調(diào)節(jié)后輸出壓力調(diào)節(jié)信號(hào)，由壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，以達(dá)到穩(wěn)定壓力的目的。壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過步進(jìn)電機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制調(diào)節(jié)閥的開啟程度來完成。

　　由于壓力檢測是壓力控制至為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其測試精度與整機(jī)的性能指標(biāo)有關(guān)，因此必須選擇精度高，可靠性高，溫度適用范圍寬的壓力傳感器。Honeywell公司出品的高精度40PC系列壓力傳感器能滿足以上要求。壓力傳感器將不同測量點(diǎn)的壓力信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳遞至PC機(jī)中進(jìn)行處理，顯示，控制等。

　　3.4電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測試

　　電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用反射式紅外光檢測頭和數(shù)字脈沖電路構(gòu)成數(shù)字轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測。原理如圖2所示。檢測時(shí)在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)體上粘上一條與轉(zhuǎn)動(dòng)體有一定反差的反光條，將紅外檢測頭置于反光條的一定區(qū)域內(nèi)即可測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。檢測到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過計(jì)數(shù)器和定時(shí)器傳至PC機(jī)，并進(jìn)行處理。

　　3.5數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換兩部分。采用8路輸入，單電源供電以及分辨率為12位的數(shù)據(jù)采集芯片MAX197，能滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。其所有邏輯輸入和輸出都與TTL/CMOS電平相兼容。但該芯片本身的參考電壓精度較低，影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，可采用外接參考電壓加以改進(jìn)。該芯片把上述傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送至單片機(jī)，供單片機(jī)和PC機(jī)通訊，進(jìn)行后續(xù)處理。D/A轉(zhuǎn)換的功能是把經(jīng)過處理的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。它用來把PID控制系統(tǒng)所需的參數(shù)傳給壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行器，達(dá)到控制高壓儲(chǔ)氣缸壓力的目的，使實(shí)際壓力與給定壓力保持在允許的誤差范圍內(nèi)。

　　3.6通訊裝置

　　通訊裝置用于完成單片機(jī)與PC機(jī)之間的通訊。本裝置擬采用串行通訊。當(dāng)設(shè)置好波特率并進(jìn)行一定的程序處理后，單片機(jī)把A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量經(jīng)處理傳至PC機(jī)中，使計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示等后處理。串行通訊可能遇到的問題是發(fā)送，接收不同步，可通過控制協(xié)議來解決<4>。

　　裝置采用串行通訊的物理標(biāo)準(zhǔn)為RS-232標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定的信號(hào)電平及極性與TTL/CMOS電平不兼容，需要轉(zhuǎn)換。通常用集成芯片MCI1488把TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平，用芯片MCI 1489把RS-232電平轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS電平。在RS-232標(biāo)準(zhǔn)中，電纜線的長度不能超過30cm.本項(xiàng)目裝置符合該標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.7壓縮機(jī)組被測參數(shù)的顯示

　　PC機(jī)部分用VisualBasic編程。通過各測量裝置檢測到的各個(gè)數(shù)據(jù)，*終全部匯總在PC機(jī)中，由PC機(jī)對(duì)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)后在PC機(jī)的顯示屏上以表格，曲線或動(dòng)態(tài)形式顯示；亦可根據(jù)要求顯示統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如顯示某一測量點(diǎn)的*小值，平均數(shù)等；也可用拷貝的形式打印試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)*終結(jié)果和各數(shù)據(jù)超限進(jìn)行可靠保存。PC機(jī)部分要求人機(jī)界面操作盡可能方便，可以實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)所出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時(shí)，有效處理。

　　3.8自動(dòng)試驗(yàn)裝置的保護(hù)

　　為使自動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)安全可靠地運(yùn)行，必須具有報(bào)警和強(qiáng)迫關(guān)機(jī)功能。為此，本裝置擬采用兩級(jí)報(bào)警：當(dāng)壓力超過**個(gè)設(shè)定壓力值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，此時(shí)壓力尚未對(duì)壓縮機(jī)造成嚴(yán)重危害，因此可以由工作人員進(jìn)行適當(dāng)處理；當(dāng)壓力超過第二個(gè)設(shè)定壓力值（此壓力可能對(duì)壓縮機(jī)造成嚴(yán)重危害）時(shí)要強(qiáng)迫關(guān)機(jī)，同時(shí)報(bào)警給工作人員，以便于進(jìn)行維修檢查，防止發(fā)生嚴(yán)重事故。

　　4方案研究中的關(guān)鍵問題

　　壓縮機(jī)壓力控制為本課題的難點(diǎn)，亦將是今后空壓機(jī)自動(dòng)試驗(yàn)裝置制造調(diào)試過程中力圖解決的問題?？諌簷C(jī)儲(chǔ)氣缸中的壓力由空壓機(jī)氣缸向其充氣積累而成，它受空壓機(jī)效率，空壓機(jī)電機(jī)性能，空壓機(jī)電機(jī)功率變化，儲(chǔ)氣缸及管路結(jié)構(gòu)，排風(fēng)口調(diào)節(jié)閥開啟程度等諸多因素的影響。它好比是電容器充放電過程，受電源特性，充電電路阻抗，放電電路及阻抗等諸多因素的影響。當(dāng)電容器充放電過程同時(shí)進(jìn)行時(shí)，為維持電容電壓恒定，充放電電路及電源中任一元件參數(shù)或狀態(tài)的變化都將引起控制回路的響應(yīng)，因此將電容電壓維持在一定誤差范圍內(nèi)某個(gè)值的控制回路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問題。

　　與之相比，空壓機(jī)組儲(chǔ)氣缸恒壓力控制要困難得多。首先，是上述許多因素的特性預(yù)先未知或不明確，即使通過可能的試驗(yàn)，其特性或參數(shù)也不明確，這給控制裝置的設(shè)計(jì)與調(diào)試帶來極大困難；其次，空壓機(jī)組是大慣性系統(tǒng)，要使控制精度達(dá)到試驗(yàn)要求的8±0.1bar和10±0.1bar，其控制裝置的設(shè)計(jì)與調(diào)試更非易事。目前，壓縮機(jī)的氣體壓力控制裝置擬由PID壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行器來完成。