壓縮機(jī)自動(dòng)化及測控技術(shù)研究

焦丹丹，李大尉，何冬青，姚順宇

(黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150001)

壓縮機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的一種能量轉(zhuǎn)化裝置，是制冷系統(tǒng)的心臟，也是僅次于電力的第二大動(dòng)力能源。壓縮機(jī)自動(dòng)化管理，能實(shí)現(xiàn)電能、機(jī)械能、空氣能量的高效轉(zhuǎn)化，滿足工業(yè)生產(chǎn)、控制及管理需要。為進(jìn)一步提升壓縮機(jī)的控制精度，保證能量之間轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)加強(qiáng)對壓縮機(jī)的自動(dòng)化改造。

1 壓縮機(jī)控制原理

作為一種常見的從動(dòng)的流體機(jī)械，壓縮機(jī)自控系統(tǒng)包含了單機(jī)、控制器及壓縮機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)等諸多單元[1]。壓縮機(jī)控制系統(tǒng)管理中，大多數(shù)具有基于自身運(yùn)行、調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，采用量身定做的控制器，該控制器對整個(gè)壓縮機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行規(guī)范調(diào)節(jié)，確保壓縮機(jī)運(yùn)行的高效性和能量調(diào)節(jié)的精確性。

工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮機(jī)能從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的支撐下，對氣體進(jìn)行壓縮，通過排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為制冷循環(huán)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)的制冷循環(huán)。壓縮機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，但是在壓縮空氣過程中，其耗電量極大，占到了整個(gè)工廠電能消耗的30%，所以急需進(jìn)行壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和節(jié)能創(chuàng)新。

2 壓縮機(jī)控制管理問題

壓縮機(jī)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用較為廣泛，但是其控制系統(tǒng)存在較多問題，具體表現(xiàn)如下：

壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中，管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力計(jì)算具有一定的復(fù)雜性，這使得在氣量選型過程中，難以準(zhǔn)確地估算末梢設(shè)備的氣量數(shù)據(jù)，末梢設(shè)備的氣量余量較大，容易導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)頻繁卸載、加載問題。壓縮機(jī)末梢設(shè)備所需的壓力具有一定的差異，實(shí)際生產(chǎn)中，較多設(shè)備將最高壓力值作為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)值，使得系統(tǒng)壓力過剩情況明顯，造成了較大的能量損耗。壓縮機(jī)的品牌較多，使得在聯(lián)控管理中存在較大阻礙，設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)、停機(jī)及加卸載過程困難，同時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)、停機(jī)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更替。此外，設(shè)備兩個(gè)壓差的間距控制存在一定誤差，造成空壓機(jī)逐一地投入或退出運(yùn)行控制困難。當(dāng)前較多壓縮機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)、加載、卸載控制仍由人工操作，而控制室鍵盤輸入接口參數(shù)控制方式的應(yīng)用存在局限性，控制規(guī)范性、精準(zhǔn)性有待提升。

3 壓縮機(jī)自動(dòng)化及測控技術(shù)要點(diǎn)

3.1 壓縮機(jī)自動(dòng)化研究思路

人們對于壓縮機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)化管理的要求不斷提升，從控制過程來看，壓縮機(jī)自動(dòng)化控制管理的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制的優(yōu)化創(chuàng)新。應(yīng)為壓縮機(jī)配備必要的PLC控制單元，給壓縮機(jī)內(nèi)部固化一個(gè)能解釋梯形圖語言程序及輔助通信程序，以提升壓縮機(jī)的性能。

從作用機(jī)理來看，通信程序直接決定了壓縮機(jī)控制管理單元與外界信息交換的難易程度[2]。在通信程序支撐下，壓縮機(jī)能實(shí)現(xiàn)多個(gè)信息源的有效分析，經(jīng)過控制程序分析，能夠系統(tǒng)展示可供選擇的控制指令，操作人員輸入控制指令后，壓縮機(jī)能與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。需要注意的是，在數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械等特定場合中，設(shè)備往往采用獨(dú)立控制器進(jìn)行管理運(yùn)作，不需要與外界交換信息，只需內(nèi)部固化的程序即可。

3.2 壓縮機(jī)自動(dòng)化及測控系統(tǒng)硬件單元

工業(yè)生產(chǎn)中，基于生產(chǎn)需要，往往要將壓縮機(jī)的壓力值保持在一定范圍內(nèi)，這就需要多臺(tái)壓縮機(jī)協(xié)調(diào)作用。傳統(tǒng)管理模式下，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置采用不調(diào)速的交流異步電動(dòng)機(jī)，即操作人員以用氣量的大小為基礎(chǔ)，來計(jì)算確定具體的壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)。這種模式下，用氣量越大，壓縮機(jī)的啟停控制就越煩瑣，不僅增加了控制難度，還影響了壓縮機(jī)的使用壽命。

對壓縮機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行硬件系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)。選擇壓縮機(jī)自動(dòng)控制器時(shí)，多采用Q系PLC控制器，該控制器以觸摸屏作為人機(jī)交互界面，在內(nèi)部總線系統(tǒng)的連接下，實(shí)現(xiàn)了控制指令的高效顯示與傳播。就輸入側(cè)信號(hào)而言，包含了機(jī)側(cè)或控制室操作面板上的選擇開關(guān)按鈕，同時(shí)涉及設(shè)備限位開關(guān)。此外，接觸器輔助觸點(diǎn)、故障信號(hào)等都是輸入側(cè)信號(hào)的主要來源。在輸出信號(hào)管理中，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的主電機(jī)、啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)油泵的輔助電機(jī)、冷卻水閥開啟鍵、進(jìn)氣閥等都是較為主要的輸出信號(hào)。通過CPU控制模塊、輸入模塊、輸出模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊的有效運(yùn)作，可為壓縮機(jī)自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)提供有效的硬件支撐。

3.3 壓縮機(jī)自動(dòng)化及測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)自動(dòng)化及測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注操作方式及智能控制算法的設(shè)計(jì)[3]。系統(tǒng)操作方式應(yīng)具備自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制模式，同時(shí)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)和遠(yuǎn)方兩種控制模式的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作控制協(xié)同管理。需要注意的是，軟件操作順序控制中，應(yīng)注重控制優(yōu)先等級(jí)的有效規(guī)范，機(jī)側(cè)操作需由控制室操作，確保手動(dòng)控制優(yōu)先于自動(dòng)控制，使操作人員能根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)備的及時(shí)調(diào)控。在設(shè)備智能算法控制中，首先應(yīng)確保壓縮機(jī)壓力值的上限和下限間隔控制良好，為工業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定氣源。聯(lián)動(dòng)控制模式下，需要確保各個(gè)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間基本相等，以延長系統(tǒng)使用壽命。還應(yīng)盡可能地避免設(shè)備頻繁啟動(dòng)，防止啟動(dòng)電流對設(shè)備本身造成沖擊損害。

3.4 壓縮機(jī)測控功能實(shí)現(xiàn)

壓縮機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能，即通過自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行管理，顯示單元能夠直觀準(zhǔn)確地顯示控制數(shù)據(jù)，為設(shè)備控制提供數(shù)據(jù)支撐。觸摸屏上應(yīng)能較為準(zhǔn)確地顯示運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)，并增設(shè)必要的報(bào)警功能，提醒操作人員采取相應(yīng)措施，以免發(fā)生設(shè)備故障。自動(dòng)化控制模型下，壓縮機(jī)本身應(yīng)具有一定的模擬量測點(diǎn)功能，即能實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行歷史記錄和發(fā)展趨勢預(yù)測，為故障檢測提供指導(dǎo)。自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)使壓縮機(jī)的連鎖管理更加規(guī)范，確保系統(tǒng)控制的靈活性、有效性。

4 壓縮機(jī)自動(dòng)化及測控技術(shù)應(yīng)用

某大型企業(yè)在我國東部沿海地區(qū)設(shè)有工程，生產(chǎn)對冷氣的需求規(guī)模極大。在工業(yè)生產(chǎn)基地內(nèi)，采用3臺(tái)阿特拉斯·科普柯G A型號(hào)的噴油螺桿壓縮機(jī)，傳統(tǒng)控制管理中，這些壓縮機(jī)采用人工控制方式，控制難度較大，且難以將壓差控制在0.5 bar以內(nèi)，致使企業(yè)能耗較大，節(jié)能建設(shè)緩慢。

自2017年起，該企業(yè)進(jìn)行了設(shè)備節(jié)能改造，所有壓縮機(jī)系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)。具體改造中，不僅進(jìn)行了系統(tǒng)CPU控制模塊、輸入模塊、輸出模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊的全面創(chuàng)新，優(yōu)化了系統(tǒng)控制單元，還進(jìn)行了系統(tǒng)均衡管線采點(diǎn)控制，使節(jié)能控制系統(tǒng)將壓差控制在0.3 bar以內(nèi)，有效降低了企業(yè)能量損耗，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益增長。

5 結(jié)語

壓縮機(jī)自動(dòng)化及測控管理對控制效果具有較大影響。只有充分認(rèn)識(shí)到壓縮機(jī)自動(dòng)化及測控技術(shù)創(chuàng)新的必要性，解決壓縮機(jī)的管理問題，進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的全面優(yōu)化，才能有效提升壓縮機(jī)自動(dòng)化控制水平，保證壓縮機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率，促進(jìn)現(xiàn)代節(jié)能工業(yè)的有序發(fā)展。