基于物聯網技術的智慧空壓機應用研究

萬紅生 孟源

摘 要：隨著物聯網通信技術和芯片研發的快速發展，工業物聯網愈加得到各行各業的認可。空壓機能夠提供清潔能源，已經應用到多個領域，在市場中占有很大份額。因此，在政府倡導“智能制造2025”方針下，空壓機與物聯網、大數據、云計算等新興技術的融合是必然趨勢。文中通過對比研究物聯網技術的性能和特點，構思物聯網技術對傳統空壓機行業帶來的革新，衍生出更加巧妙的空壓機使用與運維方式，從低碳節能、高效產出、放心使用三個維度，對未來智慧空壓機應用開展研究。

關鍵詞：物聯網技術;工業物聯網;智能制造;空壓機;應用;節能

中圖分類號：TP391;TN393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的快速發展，設備連接入網已成為可能。由于無線網絡使用便捷，設備可以輕松聯網。尤其是5G網絡和NB-IoT（窄帶物聯網）等技術的突破，物聯網可以更大程度滿足低功耗終端設備的需求[1]。通過物聯網，終端設備能夠進行遙信、遙測的數據上報。在大多數場景下，設備只是進行數據上行通信，而在個別情況下也存在遙控、遙調等控制需求。

空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）作為壓縮氣體產出源，已廣泛應用到多種行業中[2]。但空壓機能效問題以及維護保養是目前社會關注的重點。若空壓機結合物聯網技術，將賦予空壓機嶄新的工作模式[3]，使得整個空壓機系統更加環保、安全和耐用。

1 空壓機現狀

1.1 空壓機的定義

空壓機是氣源裝置中的主體。它是將原動機（通常是電動機）的機械能轉換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發生裝置。空壓機已廣泛用于制造業、紡織業、五金加工、木材家具、機械加工、醫療、印刷、冶金鑄造及儀表等行業。現在常用的空壓機有活塞式空壓機、螺桿式空壓機、離心式空壓機以及滑片式空壓機。大多數空壓機不具備聯網能力，主要作為氣體壓力的產出單元。中國空壓機產量統計如圖1所示。

1.2 空壓機能耗現狀

在工業生產中，空壓機耗電量占據工廠總量的10%～20%，部分紡織行業工廠甚至高達35%，因此空壓機系統成為節能工作的重點[4]。空壓機至今已形成全球年銷售額約110億美元的市場份額，其中中國銷售額達到近

50億人民幣。在能源日益萎縮和愈加注重環保的今天，能源浪費嚴重引起全社會的關注[5]，空壓機能耗和如何節能環保成為我們急須解決的問題。空壓機一般在使用中采取間歇式運行或空載運行來調節能量。頻繁地間歇式啟停運行會大大增加電能損耗，引起電網波動，同時也會影響設備壽命[6]。而空載運行不僅會加劇空壓機的損耗，增加零器件的運行成本，也會造成全球能源的浪費。由此可見，空壓機慣有使用方式存在的問題，及全球行業對于空壓機的市場需求，使得空壓機能耗的改進與技術升級成為空壓機行業中的重中之重。

1.3 空壓機現場問題

在使用過程中，空壓機的問題主要表現在漏氣嚴重、供給配置不合理、缺乏組合使用、工人用氣成本意識[7]淡薄等方面。在泄露問題上，工廠供氣量的15%～30%均被泄露浪費[8]，更有管理混亂的企業漏氣量占比甚至超過50%。此外，現場管理人員沒有意識到漏氣造成損失的嚴重性。比如氣管上如果有1 mm直徑的漏氣孔，每年漏氣產生的用電量高達3 500 kw·h，相當于一個家庭兩年的用電量[9]。

此外，也存在供給量遠大于需求量的情況，絕大部分產氣在容器中或者管路中被浪費。在缺乏級聯控制條件下，空壓機長期單機運行，加快了設備磨損，導致生產效率降低。設備長期投入使用也會使空壓機溫度過高，降低能效。從空壓機使用周期來看，除了能耗成本以外，維護成本也占很大比重。由于空壓機保養習慣與汽車相似，設備購買后需要定期保養維護。一般情況下，設備首次購入后，在使用500 h時進行“首保”，使用到3 000 h時進行定時保養。而由于空壓機不易統計工作時長，對維保提出了較高要求，否則設備一旦出現故障，將導致設備無法供氣，進一步影響工廠或企業的生產，造成巨大經濟損失。

2 物聯網技術的研究

2.1 物聯網概念

物聯網（ Internet of Things，IoT）是指將各種信息傳感設備及系統，如傳感器設備、RFID標簽和其他智能終端的聯網[10]，通過各種通信技術（如NB-IoT、Sigfox和5G等）與互聯網結合起來而形成的一個巨大智能網絡。互聯網實現了人與人之間的交流，物聯網則可以實現人與物的溝通和對話，實現物與物互相間的連接和交互。未來，隨著科技發展和社會的不斷進步，物聯網將更快地融入到社會中，萬物互聯已成趨勢。

2.2 物聯網與空壓機結合的可行性探討

目前，空壓機存在漏氣嚴重、配置不合理、缺乏級聯控制和難以準確保養等問題。而通過結合壓力傳感器獲得氣壓變動的加速度曲線，從而感知整個空壓機系統是否存在漏氣點;通過氣體流量計監測下端用氣需求，從而靈活配置空壓機系統;通過物聯網通信能夠在云端遠程下發遙控信令，從而控制空壓機的開關使得設備運行更合理。

綜上，空壓機系統與物聯網的結合，能夠讓整個空壓機系統形成閉環，感知更加豐富，運行更加高效。

3 基于物聯網的空壓機應用

3.1 空壓機遠程運維應用

空壓機的運維保養非常關鍵，而空壓機工作壓縮氣體因系統組成和下游用氣量各異極不規律，因此空壓機的運維保養變得非常艱難。

由于空壓機基于物聯網技術能夠連接入網，因此每次工作時長都能夠記錄在云端。雖然空壓機工作是離散不規律的，但是通過云端積分計算可以把離散的量累計起來，進而得到精準的工作時長，從而為空壓機制造商、工廠或企業提供數據參考。制造商能夠更好地服務空壓機用戶，空壓機用戶也能夠更加放心地使用空壓機設備。

3.2 空壓機健康管理應用

空壓機的安全穩定和保障設備的良好運行至關重要。由于現場工作環境十分復雜，諸如粉塵和空氣質量差等，因而引起空壓機設備故障的原因也多種多樣。如果空壓機出現“宕機”，導致工廠流水線或企業停工，經濟損失十分巨大。因此，空壓機非常迫切地需要從搶救性維修到預防性保護的轉型。

在物聯網通信通道建立后，空壓機設備、系統配套傳感器以及輔助設備可以通過設備接口向云端發送運行數據，比如設備當前溫度、抖動振幅和頻率、電流電壓等。一旦空壓機運行數據出現異常，空壓機提前將報警通知發送至監管平臺和移動端APP，從而起到預防性健康管理的作用。

3.3 空壓機綠色低碳應用

在中大型工廠和企業當中，空壓機多為主備切換管理。這會導致設備閑置，產生大量的資源浪費，提高了設備故障率，并且設備不斷發熱，空壓機的壓縮效率急劇下降，造氣成本和碳排放量也隨之增加。空壓機系統能耗拓撲如圖2所示。

因此，可以通過云端對空壓機設備溫度等數據進行監測，自動判斷是否有其他“空閑”空壓機設備進行切換。如果系統認為有備用設備可以切換，則將遠程信令下發至“疲憊”空壓機設備，令其停機冷卻，同時命令備用空壓機設備開始工作。這既保障了生產高效、綠色低碳的運行，也實現了主備設備間的無縫切換，確保企業穩定生產。

3.4 基于物聯網的空壓機數據分析

為了驗證與物聯網技術結合的智慧空壓機性能提升效果，我們在某紡織車間進行空壓機系統物聯網方案改造升級，并對生產用的壓縮空氣使用工況和原壓縮空氣氣源站進行了標準周期的精密測量和改造分析。現場選擇6條流水線共

12臺空壓機設備進行測試，具體配置參數見表1所列。

通過基于SaaS的物聯網云平臺數據觀測，其中氣體流量計數據顯示，下游實際用氣量遠不足300 m3/min，并且現場存在備用設備資源閑置等現象。因此，在車間內對空壓機設備配置進行調整，改造后配置參數見表2所列。

氣電比是空壓機衡量能效的重要指標，對車間空壓機進行聯網級聯控制及遠程優化生產等操作調整。通過科學的系統調優控制、合理輪歇和平衡下游用氣供給量，顯著提高了氣電轉化能力。測試數據見表3所列。

通過上述物聯網與空壓機結合的實際案例可以得出以下結論：空壓機通過物聯網將數據傳到云端，能夠為企業進行合理優化與方案配置提供決策依據;結合控制算法遠程開關空壓機設備，優化提升氣電轉化效率，為企業節約生產成本。

4 結 語

通過上述分析可知，空壓機與物聯網技術相結合切實可行。通過物聯網技術，建立了設備與互聯網平臺通道。在空壓機聯網條件下，利用物聯網通道可以實現無人值守、自動監管，為企業節約人力物力;此外，也改變了傳統的工作模式，低碳環保。與傳統空壓機相比，基于物聯網的空壓機更加智能、環保、可靠，是產業轉型升級的最佳選擇。

參考文獻

[1]曲井致. NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及發展趨勢[J].科技創新與應用，2016，6（31）：115.

[2]李總根. 空氣壓縮機操作工[M]. 北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

[3]嚴澤明，翟珊珊，張書峰. 基于物聯網技術的空氣壓縮機遠程監控系統[J].電視技術，2019，43（18）：36-37.

[4]蔡茂林.空壓機能耗現狀及系統節能潛力[J].中國科技成果，2010，11（21）：7-9.

[5]仲柯. 劉吉臻：中國是世界上能源浪費最嚴重的國家[J].廣西電業，2014，20（3）：72.

[6]李文華，韋蕊蕊，張益祥.改善空壓機運行的節能技術[J].煤礦機械，2007，28（8）：173-174.

[7]關力.石油和化工行業空壓機系統能耗現狀及節能潛力[J].自動化博覽，2011，28（S1）：135-140.

[8]蔡茂林. 現代氣動技術理論與實踐第十講：氣動系統的節能[J]. 液壓氣動與密封，2008，28（5）：59-63.

[9]蔡茂林. 壓縮空氣泄漏損失及其對策[J].中國設備工程，2009，25（4）：48-50.

[10]劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學，2010，37（6）：1-4.