空壓機節(jié)能控制系統(tǒng)的數(shù)字與智能化應(yīng)用研究

秦勇，王榮華，張振生

（1.浙江陸虎汽車有限公司，浙江 臺州 317015；2.浙江聚能互聯(lián)科技有限公司，浙江 嘉興 314000）

壓縮空氣在整個制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用，在可調(diào)節(jié)范圍條件下滿足操作氣動工具和設(shè)備、儀表、噴涂等工藝要求。壓縮空氣的耗能主要體現(xiàn)為空壓機的電耗，通常占工廠總電耗的20%～25%，少數(shù)以氣動工具為主的工廠甚至達(dá)到50%，因此關(guān)于壓縮空氣的節(jié)能就顯得尤為重要。而傳統(tǒng)空壓機站房的運行方式以人工管理為主，僅依賴精細(xì)化管理實施節(jié)能，有一定的模糊性，不能利用大數(shù)據(jù)和智能分析進(jìn)行科學(xué)而精確的工況判斷，存在著較大能源浪費。此外，傳統(tǒng)管控下的技術(shù)環(huán)節(jié)也僅根據(jù)經(jīng)驗的判斷對空壓機設(shè)備配置、維護(hù)和優(yōu)化運行等進(jìn)行調(diào)整作業(yè)，節(jié)能量有限。因此，運用數(shù)字化與智能化系統(tǒng)對空壓機組的需求側(cè)、供給側(cè)及輔助系統(tǒng)進(jìn)行合理的匹配；通過相關(guān)函數(shù)，對采集數(shù)據(jù)做分析計算且結(jié)合設(shè)備劣化的安全系數(shù)形成最優(yōu)集群聯(lián)控策略是空壓機系統(tǒng)的有效節(jié)能途徑。

1 傳統(tǒng)空壓機站房運營存在的主要問題

傳統(tǒng)的空壓機站房設(shè)備的啟停、開啟數(shù)量、參數(shù)設(shè)置、巡點檢等操作完全依賴人工進(jìn)行管理，通過對每臺空壓機設(shè)置不同的加、卸載壓力值，可一定程度避免空壓機頻繁加卸載，但存在以下問題。

1.1 管理成本高

需配備24 小時班次操作人員進(jìn)行巡點檢、記錄設(shè)備運行數(shù)據(jù)；需提前統(tǒng)計每個車間第二天用氣信息，進(jìn)而確定次日空壓機開啟臺數(shù)。

1.2 縮短設(shè)備壽命

當(dāng)用氣量波動大的極端情況出現(xiàn)時，空壓機將頻繁加、卸載，嚴(yán)重時甚至引起喘振，減少電磁換向閥、溫控閥、壓力控制單元和卸荷閥等零件的壽命。

1.3 能源浪費

為保障生產(chǎn)供氣防止現(xiàn)場工藝波動，操作人員會根據(jù)經(jīng)驗判斷開啟一定裕量數(shù)量的空壓機，冷卻水及其他輔助系統(tǒng)未能隨空壓機負(fù)荷變化有效調(diào)節(jié)，存在供應(yīng)過量現(xiàn)象。

1.4 響應(yīng)滯后

無法實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，存在設(shè)備長時間帶故障運行現(xiàn)象以及預(yù)防性維護(hù)管理不及時等現(xiàn)象。

1.5 設(shè)備劣化的不確定性浪費

由于缺乏科學(xué)判斷策略，在多臺并聯(lián)使用條件下的空壓機群組不能夠智能判斷任意單臺出氣量和工況異常情況，對設(shè)備劣化狀態(tài)無法界定，只能依靠單臺設(shè)備完全損壞引發(fā)設(shè)備自身的報警判斷，導(dǎo)致高昂的維修成本。

2 數(shù)字化與智能化解決方案概述

運用大數(shù)據(jù)、窄帶恒壓技術(shù)、邊緣計算技術(shù)為空壓機房搭建運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、能效分析、智能策略輸出的管理平臺。如圖1 所示，系統(tǒng)由現(xiàn)場采集層、邊緣層、平臺層與應(yīng)用層構(gòu)成。根據(jù)所采集的壓力、能耗、溫度等設(shè)備信號，采用多約束條件、多參數(shù)控制算法實現(xiàn)空壓站的數(shù)字化與智能化管理。其中邊緣層通過HMI、服務(wù)器和基站實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和拓?fù)洌蓪Σ煌放频目諌簷C實現(xiàn)與平臺層的信息交換和握手。軟件平臺層為核心算法的搭載平臺，其中的內(nèi)置邏輯基于群策、路線優(yōu)化的函數(shù)為基礎(chǔ)，輸入不同參數(shù)后形成自動運算結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 大數(shù)據(jù)

采集監(jiān)測空壓機站房所有設(shè)備，包括空壓機、干燥機、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)各個儀器儀表及各車間流量計、壓力傳感器等。也可在PC 端、移動應(yīng)用端進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、啟?？刂频炔僮?。

2.2 窄帶恒壓技術(shù)

變層疊式壓力帶為單壓力帶，以母管壓力作調(diào)控依據(jù)，可充分利用設(shè)備效能調(diào)整運行設(shè)備數(shù)量，提高設(shè)備加載率。恒壓控制能夠有效抑制氣壓波動形成的能量浪費，使得能量曲線平穩(wěn)化。

2.3 多參數(shù)多約束控制算法

采用多參數(shù)協(xié)同調(diào)節(jié)的算法模型，多點捕捉系統(tǒng)工況變化，快速反應(yīng)，準(zhǔn)確執(zhí)行?？焖俜磻?yīng)的時間與延時均可在系統(tǒng)中設(shè)置，系統(tǒng)可根據(jù)不同工況會設(shè)置軟時間保護(hù)且與空壓機本體的延遲時間相匹配，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。

2.4 邊緣計算技術(shù)

基于設(shè)備及傳感器數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，集中智能控制設(shè)備，從而加快執(zhí)行系統(tǒng)的反應(yīng)速度。對空壓機本體反應(yīng)時間、軟件設(shè)計的安全防護(hù)時間以及執(zhí)行系統(tǒng)反應(yīng)時間予以統(tǒng)籌考慮，使得系統(tǒng)整體反應(yīng)時間科學(xué)合理。

3 空壓機系統(tǒng)數(shù)字化與智能化改造可實現(xiàn)的功能

3.1 動態(tài)監(jiān)測

實時動態(tài)監(jiān)測空壓機組、干燥機系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)及各類流量傳感器、壓力變送器等設(shè)備及儀器的各種技術(shù)參數(shù)，自動生成數(shù)據(jù)報表，包括機組單位能耗、累計用氣量、用氣波動率、加載率、排空率、泄漏等情況。同時報表可以根據(jù)實際情況進(jìn)行客戶化編譯，且預(yù)留接口確保能和MES、PMC 等進(jìn)行信息握手。另外，空壓機的內(nèi)置單片機、PLC 可通過網(wǎng)絡(luò)將信息存儲至上位機或者終端服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的對比分析、算法二次優(yōu)化等功能。

3.2 在線預(yù)警

通過大數(shù)據(jù)得累積，設(shè)置故障或超限預(yù)警條件。當(dāng)設(shè)備運行數(shù)據(jù)觸發(fā)預(yù)警條件后自動報警，PC 端或移動端可接收到報警信息。達(dá)到上限條件時甚至可關(guān)閉設(shè)備以防止事故發(fā)生。在線預(yù)警閾值則源于不同空壓機單機設(shè)備的設(shè)定，同時符合安全設(shè)計規(guī)范。并聯(lián)的空壓機管網(wǎng)中，每一路均至少需要2個壓力和流量傳感器，即出口和入口處，中間環(huán)節(jié)的壓力執(zhí)行或控制單元較多的可以多設(shè)置傳感器從而探索最敏感壓力或流量信號。目的是判斷需求和供給的平衡系數(shù)，實現(xiàn)各回路最大化用氣平衡，從而在多約束條件下的算法中進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)壓力。此外，通過報文形式，故障信息可以傳遞至用戶終端或外部連接的MES、PMC 系統(tǒng)形成故障履歷。最終通過5W 或8D 分析確定故障原因和故障措施，該控制系統(tǒng)將逐步完善系統(tǒng)的trouble shooting 且可與EAM 系統(tǒng)握手完成工單下達(dá)、備件庫存控制數(shù)據(jù)控制、工時統(tǒng)計等多種功能，實現(xiàn)故障匯總、處理、統(tǒng)計一體化。

3.3 精準(zhǔn)計算

通過多參數(shù)多約束控制算法模型，以母管壓力為調(diào)控依據(jù)，根據(jù)用氣情況，多點捕捉系統(tǒng)工況變化，快速反應(yīng)，準(zhǔn)確執(zhí)行，自主調(diào)節(jié)設(shè)備加卸載，云端AI 算法持續(xù)優(yōu)化控制參數(shù)，如圖3 所示，除了實現(xiàn)可手動調(diào)整參數(shù)外，還可以實現(xiàn)參數(shù)自動調(diào)優(yōu)，結(jié)合設(shè)備比功率、排氣量、總運行時長，動態(tài)匹配最優(yōu)的開機設(shè)備組合。

3.4 恒壓供氣

以用氣末端的壓力和流量為調(diào)控依據(jù)，變層疊式壓力帶為窄帶恒定壓力帶，實現(xiàn)對空壓站所有空壓機的集中智能控制，縮窄、降低壓力波動范圍。經(jīng)過對參數(shù)的調(diào)整和一定時間的系統(tǒng)運行，多約束控制算法使得并聯(lián)各個回路的壓力帶變化為恒定窄式范圍。通過系統(tǒng)壓力變化以及時間變化整體比對，綜合能源節(jié)約率通常可達(dá)在8%以上。

4 空壓機組數(shù)字與智能化節(jié)能改造案例

4.1 改造前

公司共有5 臺機組，3 臺120 立方的離心機和2 臺40 立方的螺桿機，而公司正常生產(chǎn)時用氣量在150～300L3/min，正常情況下開啟二臺離心機即可滿足生產(chǎn)，但用氣高峰時用氣量達(dá)到300L3/min，此時需人工開啟增開2 臺螺桿機才能滿足，用氣低谷時需人工關(guān)閉螺桿機，因用氣量波動性較大，且離心機達(dá)到設(shè)定壓力后不會自動停機，而是將多余氣量放空，如長期開4 臺設(shè)備（2 臺離心機和2 臺螺桿機），能源浪費嚴(yán)重，離心機的功率為750kW,螺桿機的功率為250kW，同時干燥機系統(tǒng)（50kW）及冷卻循環(huán)水系統(tǒng)（92kW）需同步開啟。

4.2 改造后

構(gòu)建空壓機房數(shù)字化及智能化系統(tǒng)，1 臺離心機+1 臺螺桿機為主機，5 臺空壓機實現(xiàn)數(shù)字化與智能化聯(lián)控，系統(tǒng)主要控制邏輯如圖2 所示、系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置圖如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)主要控制圖

圖3 參數(shù)設(shè)置圖

4.3 有形效益

（1）避免了長期開啟2 臺離心機+2 臺螺桿機造成的供氣量過剩浪費。有效降低壓縮空氣單價成本，改造前壓縮空氣單價約為0.084 元/m3（單價=空壓機系統(tǒng)總耗電量×電單價/用氣量），改造后單價降為0.055 元/m3，下降0.029元/m3，每個月耗氣量約為600 萬m3，年節(jié)約金額為600 萬×0.029=17.4 萬元。

（2）有效降低人工成本，改造前站房6 個人，2 人一班，改造后站房縮減至4 個人，實現(xiàn)單人值班，每月節(jié)約人工成本5000×2=1 萬元。每月合計節(jié)約金額17.4 萬元+1 萬元=18.4 萬元，年節(jié)約費用18.4×12=220.8 萬元。

5 結(jié)語

通過構(gòu)建數(shù)字化與智能化系統(tǒng)對空壓機系統(tǒng)進(jìn)行自動化、數(shù)字化、智能化運營管理，不僅有效的保障了生產(chǎn)及工藝的正常用氣、節(jié)約了能源，還延長設(shè)備使用壽命、降低人工成本，是現(xiàn)代化空壓機站房的一種有效節(jié)能途徑。