基于流量測量的壓縮空氣系統智能運行調控研究

葉寒生，顧宇，呂棟

（合肥科邁捷智能傳感技術有限公司，安徽 合肥 230031）

壓縮空氣作為制造業從事生產作業最主要的動力能源之一，已經廣泛應用于各領域，為了能夠滿足不同的需求，市場上可以提供不同型號、不同壓縮原理的空壓機。但是目前空壓機運行的基本邏輯是能夠提供穩定、安全、可靠的具有一定壓力的壓縮空氣，最為普遍的螺桿空壓機自動運行邏輯是依靠壓力來判定空壓機加載和卸載的工作模式。其實在壓縮空氣領域范疇內，壓力是作為該系統內最重要的特征參數指標，但是其本質是流量的大小，在一個動態平衡的壓縮空氣系統中，是流量的大小決定了系統內的壓力是否達標。

當前壓縮空氣系統是以壓力為基準作為空壓機的運行狀態控制，其主要原因：第一，壓力的測量手段容易且測量成本較低；第二，壓力是壓縮空氣系統的特征指標，判斷標準明確；第三，用壓力作為基準，更能夠直觀地感受到系統的可靠性。但是只用壓力作為系統的基準同樣也會有缺點，系統發生泄漏的時候，只能通過多開機器來補充壓力，而無法提醒用戶系統有泄漏。

評價壓縮空氣系統其實壓力是特征指標，而本質是壓縮空氣的氣量，可以嘗試研究在保證壓力的基礎上，通過流量來調配控制系統內空壓機的運行狀態。精準的流量測量可以根據系統的用氣量來制定空壓機的運行規則，并可以實時判斷是否泄漏，是否供需平衡，評判壓縮空氣系統是否處于健康的運行狀態，最重要的是增加了壓縮空氣系統流量檢測，可以提升系統的節能效率，更準確的評價系統的節能量。

實施過程大致分為以下步驟。

1 壓縮空氣系統重要節點流量測量

壓縮空氣在生產作業應用中是由氣源端和用氣端組成的閉合并且達成運行平衡的能源利用系統。一般的氣源端由一臺或者多臺空壓機組成，產生具有一定壓力的壓縮空氣，用氣端一般是從事生產作業需要消耗壓縮空氣作為動力能源手段來做功，當系統內的消耗量和氣源端的產氣量達到平衡后，該系統就進入了穩定的運行狀態。

空壓機在實際運行中由于機組大小，維保情況，使用年限等很多因素會導致運行效率有較大差異，比功率（kW/(m3/min)）是作為評價空壓機能效的計量指標，想要測量真實的空壓機比功率就需要為每臺空壓機安裝計量用的電表和在出口處安裝渦街流量計，用來準確測量每一臺空壓機的真實運行能效。

壓縮空氣的具體使用場景非常多，當前討論以絕大多數消耗氣量作為動力介質能源作為研究對象。用氣端可以分級計量，以廠房或車間為一級計量，每一條產線或工作組為二級計量，每一個終端為三級計量。在每個測量節點都安裝對應的智能流量計，如果氣量比較小的節點處可以安裝熱式流量計或差壓流量計。流量計安裝完成后，通過計量應該遵循產氣量等于用氣量，每個分級計量的流量也都大致相當。

2 邊緣服務器本地采集數據，匯總上傳云端分析

壓縮空氣系統在實際運行中，可以在本地增加邊緣服務器，該服務器在氣源端采集的數據包括空壓機的運行參數、空壓機產氣量數據，空壓機的實時用電數據；在用氣端采集系統各流量節點的數據。

2.1 空壓機數據采集

當前市場上的空壓機幾乎都具備通訊功能，通訊協議采用RS485、CAN等形式，不同品牌不同型號的空壓機采用的通訊協議不一樣，筆者經過多年的工作積累和協作交流，目前具備市場上95%的空壓機通訊協議對接。

針對空壓機實際的工作狀態，采集數據分為“必采”參數和“選采”參數。“必采”參數是作為評判一臺空壓機最真實有效的工作狀態數據，包括“排氣壓力”“排氣溫度”“加載壓力”“卸載壓力”“加載時間”“卸載時間”“運行狀態”“加卸載狀態”，如果是變頻器還需要采集“目標壓力值”。

將不同品牌不同型號空壓機按照一定邏輯提前將數據通訊協議存放在云服務器，邊緣服務器需要對接空壓機的時候，需要通過手機App預先在云端系統建立一臺虛擬與之對應的空壓機設備，并根據品牌和型號通過App將對應的通訊協議加載到邊緣服務器中，邊緣服務器就會按照該協議來采集空壓機運行參數并發送到云服務器存儲。

2.2 流量計和電量數據采集

科邁捷流量計遵循標準Modbus通訊協議，所使用的智能電表也都遵循DL/T 645-2007協議，按照該協議將數據采集并上傳云端，該數據需要與在云服務器建立的空壓機數據與之一一對應，這樣每一臺空壓機的真實運行能效得以計算，實時比功率=實時功率/瞬時流量，也可以計算出一段時間內的產氣成本，即“單位能耗”=單位時間耗電量/單位時間累積產氣量。

2.3 用氣端流量數據采集

用氣端的流量數據采集需要與真實用氣場景一致，系統需要預先定義節點層級，并將每層節點位置所屬關系定義清楚，保證流量計在系統里展示的是該節點的計量數據。便于后續的計算分析。

3 將已有的數據根據真實的運行環境進行預處理

云服務已經通過邊緣服務器拿到了整個壓縮空氣系統的關鍵參數，需要將已有的關鍵參數進行分析，整合計算，建立數據關系，把不符合運行邏輯規則的數據進行預處理清洗，通過數據還原整個壓縮空氣系統的運行過程，并且進行狀態標記，以便于后續的智能模型建立。

3.1 壓縮空氣系統氣源端重要參數定義

空壓機瞬時流量：F1，F2，F3…

空壓機單位時間累積流量：TF1，TF2，TF3…

空壓機實時壓力：P1，P2，P3…

空壓機實時運行狀態：運行/停機。

空壓機加卸載狀態：加載/卸載。

空壓機瞬時功率：W1，W2，W3…

空壓機單位時間耗電量：Q1，Q2，Q3…

空壓機瞬時比功率：n1，n2，n3…（n1=W1/F1）。

空壓機單位能耗：E1，E2，E3…（E1=Q1/TF1）。

壓縮空氣系統壓力：Ps。

壓縮空氣系統流量：Fs。

壓縮空氣系統單位時間累積流量：TFs。

壓縮空氣系統單位時間耗電量：TQs。

壓縮空氣系統單位能耗：Es（Es=TQs/TFs）。

在實際運行的過程中，Ps的波動大小是評價系統的壓力穩定程度；Es是評價一段時間內系統的運行能效；n1，n2，n3的大小和波動值是評價單機空壓機的能效及運行穩定程度；E1，E2，E3的大小表示空壓機的產氣能效。通過這些特征參數對每一臺空壓機進行重新定義，以備建模使用。

3.2 用氣端重要參數定義

車間節點壓力：P(I)，P(II)，P(III)…

車間節點瞬時流量：F(I)，F(II)，F(III)…

車間節點單位時間累積流量：TF(I)，TF(II)，TF(III)…

加工線體節點壓力：P(I-I)代表1車間1號線體的壓力，

P(II -IV)代表2車間4號線體的壓力。

加工線體節點瞬時流量：F(I-I)代表1車間1號線體的瞬時流量。

加工線體節點單位時間累積流量：TF(I-I)代表1車間1號線體的累積流量。

車間與對應線體瞬時流量總和相當代表用氣處于穩定狀態，由于計量誤差，還要計算出兩個數據之間的計量率。如果對應車間與線體的累積流量有差異，說明在使用過程有泄漏，要解決泄漏問題，再進行數據分析。通過車間與線體的壓力差可以得知實際運行的壓損，同時結合瞬時流量，可以找到壓損與瞬時流量的平衡點。

4 建立分析模型，通過大量的數據積累訓練優化模型

系統的數據定義完成后，通過這些數據需要建立一個以用氣端流量為初始值，以兩端壓力差的最小值為目標，匹配最優能效的空壓機開機運行邏輯規則，達到壓縮空氣系統的最優運行平衡狀態。

系統模型的建立流程圖如圖1：

圖1

5 將模型還原到實際工況中來驗證，進行實踐調整

將上述的該系統按照既定的方案在某一制造型企業進行實際驗證，該企業的氣源端有4臺空壓機，用氣段為2條不同的產線，目前只使用1條，并且在用氣端的總管處節點葉安裝了流量計過程如下。

5.1 準確計量空壓機流量

為氣源端的4臺空壓機安裝科邁捷VFM-60MV系列智能流量計，在線數據如圖2所示。

圖2

5.2 測量空壓機真實能效

為配套的空壓機安裝智能電表，并與流量計組合計算實時比功率；在線數據展示如圖3所示。

圖3

5.3 用氣端流量計量

系統針對歷史瞬時流量的統計，對流量值進行范圍劃分，找到符合運行規則邏輯的范圍，下圖4是從2021年10月28日到2021年11月03日運行的7天的用氣端匯總的流量數據和展示曲線。

圖4

5.4 系統分析過程

通過系統的數據計算分析，得出該用氣端的瞬時流量呈現出典型的2個流量數據范圍F∈（55-62，83-90），其中對應的壓力P∈（0.57-0.65，0.65-0.73）；系統分析數據如下圖5所示。

圖5

氣源端該時間段統計的結果如下圖6所示。

圖6

該系統的計量率λ=（236759+505086）/819848.9=90.48%

F∈（55-62）的用氣端與氣源端的匹配度η統計結果：84.16%

F∈（83-90）的用氣端與氣源端的匹配度η統計結果：88.23%

經過一段時間的運行并根據流量匹配關系，通過Es值進行數據驗證，單位能耗是在呈現減小的趨勢（見圖7）。

圖7

6 結語

通過以上方法的理論研究和實際操作的經驗結合，目前該方法對于生產成規模化的企業實用度比較高，壓縮空氣在這類型企業的使用范圍成階梯狀，可以智能分析出比較準確的流量值范圍，而且空壓站流量匹配度也比較合理，通過一定時間的模型優化，可以起到壓縮空氣系統的智能優化效果，達到一定的節能目的。