空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

范高原(青海鹽湖鎂業(yè)有限公司，青海 格爾木 816099)

0 引言

空氣壓縮機(jī)用于壓縮空氣的氣壓改變發(fā)生設(shè)備，與水泵的構(gòu)造類似。現(xiàn)今比較常用的空壓機(jī)是是永磁壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)螺桿壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)。空壓機(jī)的種類繁多，按工作原理可分為熱力型、動(dòng)力型、容積型三種類型；根據(jù)用途可分為空調(diào)壓縮機(jī)、冰箱壓縮機(jī)、天然氣加氣站用、礦用壓縮機(jī)、船用壓縮機(jī)、醫(yī)用壓縮機(jī)等。也可按型式、潤滑方式和性能劃分。螺桿壓縮機(jī)屬于回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)的一種，一般采用新型數(shù)控磨床，配合使用在線激光技術(shù)，使得制造公差較小，提高了空壓機(jī)的可靠性，降低了壓縮機(jī)在使用周期內(nèi)的運(yùn)行成本。其工作原理是根據(jù)兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處的面積與體積逐漸減小，帶動(dòng)空氣壓縮并排出。永磁變頻壓縮機(jī)是利用變頻器的無級(jí)調(diào)速原理，即變頻化的螺桿空壓機(jī)，通過控制器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)平緩，保證運(yùn)行可靠；變頻壓縮機(jī)適用于需要快速調(diào)節(jié)用氣量的場(chǎng)合。雙極永磁變頻空壓機(jī)是較為新型的空壓機(jī)，其結(jié)合了雙極壓縮技術(shù)和永磁變頻的特點(diǎn)，具有非常高的節(jié)能效率。而離心式壓縮機(jī)屬于速度型壓縮機(jī)，采用徑向的主氣流(旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片在其側(cè)面)，通過氣體加速壓縮空氣[1-2]。

智能控制系統(tǒng)是以控制理論、控制技術(shù)、人工智能、信息理論等為基礎(chǔ)，無需人為實(shí)時(shí)管控，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)控制方式僅采用單一方式對(duì)空壓機(jī)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，很難自主應(yīng)對(duì)系統(tǒng)所面臨的操作環(huán)境變化等帶來的種種問題。而智能控制系統(tǒng)可采用模糊控制算法，有效驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，并隨著環(huán)境的變化而調(diào)整控制系統(tǒng)之前的控制條件，使被控系統(tǒng)更加穩(wěn)定。大多數(shù)研究者將模糊控制與PID控制相結(jié)合，形成了模糊PID控制器，不必對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制[3]。

1 空壓機(jī)控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

影響空壓機(jī)的運(yùn)行的參數(shù)復(fù)雜，現(xiàn)階段仍然沒有一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型模擬空壓機(jī)的運(yùn)行方式，而傳統(tǒng)的控制方式是采用固定控制算法將整個(gè)控制系統(tǒng)置于一成不變的模型框架下，該控制方式很難對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1.1 空壓機(jī)控制系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)空壓機(jī)智能控制研究者采用時(shí)間片技術(shù)解決RS485控制節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)沖突的缺點(diǎn)，通過自主設(shè)計(jì)的軟件算法根據(jù)空壓機(jī)的工作壓力控制空壓機(jī)的卸載和停機(jī)時(shí)間來降低空壓機(jī)的能耗，保證系統(tǒng)最佳運(yùn)行。也有學(xué)者采用XMD614智能控制儀表與PLC可編程控制器取代空壓機(jī)壓力調(diào)節(jié)閥，目的是使空壓機(jī)達(dá)到更加有效地控制，同時(shí)該系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)或者多機(jī)地穩(wěn)定運(yùn)行。有的學(xué)者采用SDR(開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng))調(diào)節(jié)空壓機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過外部壓力的負(fù)反饋進(jìn)行閉環(huán)控制，將壓力信號(hào)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，接入SDR控制器的模擬量輸入端，可進(jìn)行空壓機(jī)壓力比較，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)出口壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)[4]。

1.2 空壓機(jī)控制系統(tǒng)國外研究現(xiàn)狀

德國博格壓縮機(jī)有限公司研發(fā)的MCS7主控制器采用PLC控制器順序輪換控制，使空壓機(jī)與硬件進(jìn)行通信，根據(jù)用氣量大小與空壓機(jī)的反應(yīng)時(shí)間，來調(diào)整壓差。西門子公司推出一種超小型可編程的控制器LOGO，集成了與、或、非等基本控制邏輯，同時(shí)能夠完成技術(shù)與定時(shí)功能。可將其安裝在U型導(dǎo)軌上代替繼電器的使用。因而使用西門西LOGO控制器對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，不僅可減少控制柜的體積，而且節(jié)省元器件，簡化控制結(jié)構(gòu)。國際上空壓機(jī)的智能化控制技術(shù)以設(shè)計(jì)優(yōu)化、自動(dòng)變負(fù)荷控制、操作優(yōu)化、過程監(jiān)控與動(dòng)態(tài)流程模擬等[5]。如Honeywell公式的TPS控制系統(tǒng)、Foxboro的I/A S 50系列控制系統(tǒng)、橫河的CENTUM-CS控制系統(tǒng)以及西門子的PLC(可編程控制器)等，可實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷控制，降低了用戶的勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化控制，節(jié)能降耗[6-8]。

國內(nèi)對(duì)空壓機(jī)的控制系統(tǒng)仍然通過不穩(wěn)定的變頻器設(shè)備控制，控制手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外，而且變頻器的加工成本高，導(dǎo)致其使用與維護(hù)成本上升。而引進(jìn)國外先進(jìn)的控制技術(shù)與系統(tǒng)，其維護(hù)的成本較高，難以本土化，現(xiàn)有的較為先進(jìn)的空壓機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于DCS組態(tài)軟件Visual Field設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅應(yīng)用方便，而且可大幅度提高國內(nèi)空壓機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用控制效率，降低電能耗[3]。

2 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)一般是針對(duì)螺桿式壓縮機(jī)的生產(chǎn)使用工藝要求，設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。采用上位機(jī)觸摸，PLC控制器，根據(jù)空壓機(jī)群配置信息，通過智能化的邏輯集中控制，達(dá)到節(jié)能降耗、精確控制和操作維護(hù)方便的功能與效用[9]。螺桿式空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是，可通過自我偵測(cè)檢視系統(tǒng)與全機(jī)預(yù)警偵測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)字顯示空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的壓力、溫度、負(fù)載時(shí)數(shù)，通過數(shù)字屏幕中顯示運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，判斷工序所需要的壓力、溫度，可直接在面板上設(shè)定。也可通過電腦連接網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)多機(jī)連鎖控制，顯示故障停機(jī)記憶。

德耐爾公司研發(fā)的變頻螺桿式空壓機(jī)內(nèi)置大量維護(hù)、監(jiān)視與診斷功能，可以隨時(shí)記錄空壓機(jī)故障數(shù)據(jù)，同時(shí)添加人性化的觸屏設(shè)計(jì)，讓用戶操作更加智能與簡單，同時(shí)可以遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制。而臺(tái)灣三碁電氣公司所推出的空壓機(jī)電腦智能控制器不僅適用于螺桿變頻空壓機(jī)，而且適用于螺桿永磁空壓機(jī)。但螺桿式空壓機(jī)在電廠機(jī)組應(yīng)用中，運(yùn)行效率較低，未能實(shí)現(xiàn)智能化控制。而升級(jí)為離心式空壓機(jī)與壓縮熱再生吸附式干燥機(jī)，以及對(duì)電源改造后，實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控、能耗評(píng)估，可在移動(dòng)端實(shí)時(shí)查看分析數(shù)據(jù)，為火電廠的穩(wěn)定運(yùn)行提供很大方便[10]。

3 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用

空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)原理包括生產(chǎn)需求最優(yōu)壓力供給、系統(tǒng)優(yōu)化、余熱回收等。空壓機(jī)設(shè)備選型與機(jī)群的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是按最大負(fù)荷進(jìn)行，但實(shí)際用氣車間空氣使用負(fù)荷是不斷變化的，壓縮空氣系統(tǒng)使用率約65%，其余用氣負(fù)荷的35%是以卸載方式運(yùn)行，卸載運(yùn)行功率能耗占總能耗9%～18%，造成以電能耗為主的能量消耗[9]。而空壓機(jī)節(jié)能應(yīng)用的生產(chǎn)需求最優(yōu)壓力供給，即空壓機(jī)與用氣車間被智能流量控制柜隔離，由智能流量控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用氣流量，當(dāng)出現(xiàn)用氣高峰時(shí)，首先由儲(chǔ)存壓縮空氣來滿足車間用氣，而不靠空壓機(jī)來直接滿足車間用氣。空壓機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化是指通過智能控制系統(tǒng)優(yōu)化不同空壓機(jī)的運(yùn)行策略，提高整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率；空壓機(jī)余熱回收是指將空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量壓縮熱通過熱交換裝置將其熱量回收，并應(yīng)用于生產(chǎn)生活熱水中。也有研究者通過空壓機(jī)集群節(jié)能優(yōu)化控制的系統(tǒng)工程，采用應(yīng)用優(yōu)先權(quán)、流量匹配與時(shí)間均值控制模式與原則，優(yōu)化了空壓機(jī)機(jī)群的運(yùn)行模式，重點(diǎn)解決了加工轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的智能控制問題，降低空壓機(jī)能耗的功能[11-12]。而四川巨倫科技公司研發(fā)的空壓機(jī)智能節(jié)電控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制空壓機(jī)進(jìn)行按需供氣，在原有運(yùn)行成本的基礎(chǔ)上能夠降低電能消耗成本的10%～30%。

隨著節(jié)能環(huán)保觀念與政策的不斷深入與實(shí)施，空壓機(jī)節(jié)能智能控制系統(tǒng)受到越來越多學(xué)者與制造者的關(guān)注。而節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相互融合與促進(jìn)，才能提高控制系統(tǒng)的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)的高效運(yùn)行[13]。

4 結(jié)語

空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)一般采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)變負(fù)荷控制，提高空壓機(jī)運(yùn)行效率。空壓機(jī)智能系統(tǒng)的應(yīng)用能夠降低機(jī)群能耗，其節(jié)能技術(shù)原理包括生產(chǎn)需求最優(yōu)壓力供給、系統(tǒng)優(yōu)化、余熱回收等，該技能技術(shù)的應(yīng)用可降低空壓機(jī)機(jī)群的運(yùn)行成本。