自動(dòng)沖壓線雙空壓機(jī)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

牛同威

（一汽轎車股份有限公司，吉林 長春 130000）

自動(dòng)沖壓線使用的高壓壓縮空氣具有用氣量大、用氣點(diǎn)多的特點(diǎn)，通常儲(chǔ)存于一個(gè)或多個(gè)壓力容器內(nèi)，其氣體供給由活塞式空壓機(jī)提供，傳統(tǒng)氣源設(shè)計(jì)方案為單臺(tái)空壓機(jī)增壓空氣后存儲(chǔ)于壓力容器內(nèi)，再供應(yīng)系統(tǒng)其它用氣部位。該種方案由于空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間較長，故障率較高，包括電機(jī)過熱、泵頭磨損、皮帶老化等，并且一旦損壞，更換和恢復(fù)的時(shí)間花費(fèi)較多。雙空壓機(jī)系統(tǒng)的空氣供給方案，通過均衡兩臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，降低單臺(tái)設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)不同壓力條件下的自動(dòng)切換，以完成系統(tǒng)壓縮空氣的供應(yīng)。

1 雙空壓機(jī)系統(tǒng)

1.1 雙空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間分析

對于空壓機(jī)系統(tǒng)來說，啟停條件是由安裝于壓力容器上的電子壓力傳感器決定的，根據(jù)壓力容器內(nèi)的氣體壓力，判斷整個(gè)系統(tǒng)氣壓的充足與否。傳感器選型為IFM公司產(chǎn)品PN5002，測量范圍0～100bar，對于氣體介質(zhì)來說，最大壓力為25bar。

由于壓力容器內(nèi)的氣體壓力是一個(gè)波動(dòng)值，采用遲滯功能有助于穩(wěn)定開關(guān)輸出狀態(tài)，設(shè)置開點(diǎn)（SP）和關(guān)點(diǎn)（rP），為了保證系統(tǒng)壓力在一定范圍達(dá)到使用需求，設(shè)定空壓機(jī)在容器壓力回落至關(guān)點(diǎn)（rp）時(shí)應(yīng)開始工作，當(dāng)壓力上升至開點(diǎn)（SP）時(shí)應(yīng)停止工作。在保障出口氣體壓力基本相同的前提下，單空壓機(jī)系統(tǒng)選用功率較大的電動(dòng)機(jī)（M0）作為原動(dòng)力，雙空壓機(jī)系統(tǒng)對應(yīng)選用兩臺(tái)較小功率電動(dòng)機(jī)（M1+M2）作為原動(dòng)力，假定兩種系統(tǒng)所處工況一致，則根據(jù)該原則可得到單空壓機(jī)系統(tǒng)和雙空壓機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)序圖，如圖1。

圖1 單空壓機(jī)系統(tǒng)與雙空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序圖

引入?yún)?shù)q，定義為空壓機(jī)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的空閑時(shí)間與運(yùn)行時(shí)間的比值，q值越大，表明運(yùn)行周期內(nèi)設(shè)備承載運(yùn)行壓力越小。令單空壓機(jī)、雙空壓機(jī)系統(tǒng)中q分別為q1和q2。

（1）一般工作狀態(tài)。系統(tǒng)壓降可通過單臺(tái)空壓機(jī)工作進(jìn)行補(bǔ)償，通常運(yùn)行時(shí)間小于空閑時(shí)間。單空壓機(jī)系統(tǒng)中空壓機(jī)M0的運(yùn)行時(shí)間為Tw，雙空壓機(jī)系統(tǒng)中單臺(tái)空壓機(jī)M1（或M2）的運(yùn)行時(shí)間為2Tw，兩種系統(tǒng)中空壓機(jī)的空閑時(shí)間為Tf。

在單空壓機(jī)系統(tǒng)中，M0連續(xù)兩次運(yùn)行的時(shí)間間隔為Tf，則。

在雙空壓機(jī)系統(tǒng)中，M1與M2交替運(yùn)行，針對其中一臺(tái)空壓機(jī)，連續(xù)兩次運(yùn)行的時(shí)間間隔為2Tw+2Tf，則

可以看到，一般工作狀態(tài)下，雙空壓機(jī)系統(tǒng)中盡管空壓機(jī)每次運(yùn)行的時(shí)間變長，但兩次運(yùn)行的時(shí)間間隔相比單空壓機(jī)系統(tǒng)大大增加，導(dǎo)致其q值大于單空壓機(jī)系統(tǒng)。

（2）重載工作狀態(tài)。系統(tǒng)壓降無法通過單臺(tái)空壓機(jī)工作進(jìn)行補(bǔ)償，通常運(yùn)行時(shí)間大于空閑時(shí)間。單空壓機(jī)系統(tǒng)中空壓機(jī)M0的運(yùn)行時(shí)間為Tw，雙空壓機(jī)系統(tǒng)中空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間包括兩部分，即單臺(tái)空壓機(jī)M1（或M2）的運(yùn)行時(shí)間Tw1和兩臺(tái)空壓機(jī)（M1+M2）共同運(yùn)行時(shí)間Tw，兩種系統(tǒng)中空壓機(jī)的空閑時(shí)間為Tf。

在單空壓機(jī)系統(tǒng)中，M0連續(xù)兩次運(yùn)行的時(shí)間間隔為Tf，

在雙空壓機(jī)系統(tǒng)中，壓力下降初期投入一臺(tái)空壓機(jī)（M1或M2）運(yùn)行，壓力持續(xù)下降后兩臺(tái)空壓機(jī)（M1+M2）共同運(yùn)行。針對其中一臺(tái)空壓機(jī)，連續(xù)兩次運(yùn)行的時(shí)間間隔包括兩種情況，兩種情況是交替進(jìn)行的。

①運(yùn)行Tw+Tw1后，與下一次運(yùn)行時(shí)間間隔為Tf+Tw1，則

針對該種情況，q2可經(jīng)由運(yùn)算得到以下結(jié)果：

②運(yùn)行Tw后，與下一次運(yùn)行時(shí)間間隔為Tf，

圖2 雙空壓機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖

綜合以上，無論在何種工作狀態(tài)下，雙空壓機(jī)系統(tǒng)中空壓機(jī)的使用時(shí)間和頻率均低于單空壓機(jī)系統(tǒng)，避免了設(shè)備長期連續(xù)的運(yùn)行損耗，有利于延長設(shè)備的使用壽命、降低電機(jī)及活塞式泵頭故障率。同時(shí)在雙空壓機(jī)系統(tǒng)中對其中一臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行更換或維修時(shí)，并不影響整體系統(tǒng)運(yùn)行，基本消除了設(shè)備停機(jī)。

1.2 雙空壓機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外界低壓供氣壓力6bar，根據(jù)空壓機(jī)選型不同也可以采用直接由空氣供氣。氣體通過兩組獨(dú)立的空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行加壓，將壓縮空氣送入壓力存儲(chǔ)容器內(nèi)，壓力容器上安裝有壓力傳感器，通過采集壓力狀態(tài)送入PLC用以控制空壓機(jī)的接通和切換。雙空壓機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖如圖2。

針對空壓機(jī)1（M11）和空壓機(jī)2（M12），Y13、Y14分別為氣源接通電磁閥，可控制外界供氣的通斷；Y15、Y16分別為無壓啟動(dòng)電磁閥，在空壓機(jī)剛開始啟動(dòng)的10s內(nèi)，電磁閥接通，空壓機(jī)不向壓力容器內(nèi)供給壓縮空氣，當(dāng)空壓機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，開始向壓縮容器內(nèi)供氣；F14、F15分別為潤滑油位檢測傳感器，檢查泵頭內(nèi)潤滑油油量防止嚴(yán)重機(jī)械磨損。

F11安裝于外界供氣管路，檢測氣體供應(yīng)壓力是否滿足要求；F12安裝于壓縮容器通往系統(tǒng)管路，采用雙通道，分別檢測雙空壓機(jī)系統(tǒng)的低壓供氣壓力（Hno，5.5-4.5bar）與高壓供氣壓力（Hno，16-15.5bar），外界供氣可直接通過單向閥對壓力容器進(jìn)行充壓，當(dāng)預(yù)充氣完畢后，控制Y11、Y12接通切換為壓力容器向系統(tǒng)供氣；F13、F14安裝于壓力容器上，其中F13采用單通道（Hnc，25-23bar），F(xiàn)14采用雙通道（Hnc，24-21bar；Hno，16-15.5bar），作為判斷雙空壓機(jī)運(yùn)行的前提條件。

2 雙空壓機(jī)運(yùn)行控制

2.1 空壓機(jī)投切規(guī)則

雙空壓機(jī)系統(tǒng)（M1+M2）中兩臺(tái)空壓機(jī)的投入和切除時(shí)機(jī)是由系統(tǒng)壓力值決定的，根據(jù)壓力容器內(nèi)部的壓力范圍可將系統(tǒng)分為3種壓力狀態(tài)（P1、P2、P3），與其對應(yīng)有3種空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（C1、C2、C3）。3種狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系如下：①壓力充足狀態(tài)P1—＞2臺(tái)空壓機(jī)均不運(yùn)行C1；②壓力欠缺狀態(tài)P2—＞一臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行C2；③壓力不足狀態(tài)P3—＞2臺(tái)空壓機(jī)均運(yùn)行C3。

其中壓力充足狀態(tài)P1指壓力達(dá)到25bar后，不低于23bar的狀態(tài)。壓力欠缺狀態(tài)P2指壓力下降低于23bar，但高于21bar的狀態(tài)。壓力不足狀態(tài)P3是指系統(tǒng)壓力低于21bar的狀態(tài)。

空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與壓力波動(dòng)關(guān)系示意圖如圖3。

圖3 空壓機(jī)投切時(shí)機(jī)與壓力關(guān)系圖

雙空壓機(jī)的投切采取交替運(yùn)行的方式，幾種不同工況下的投切方式如下：①當(dāng)系統(tǒng)首次補(bǔ)充壓力（P3）情況下（即從未達(dá)到峰值25bar），采取兩臺(tái)空壓機(jī)共同運(yùn)行方式（C3）；②當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到壓力峰值25bar時(shí)，兩臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，在壓力下降不低于23bar之前（P1），兩臺(tái)空壓機(jī)均不運(yùn)行（C1）；③隨著系統(tǒng)氣體的使用，壓力低于23bar時(shí)（P2），采取一臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行方式（C2），該臺(tái)空壓機(jī)加壓使系統(tǒng)壓力升高，再次達(dá)到25bar時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)（C1）；④下一個(gè)循環(huán)周期，壓力從25bar下降再次低于23bar時(shí)（P2），切換為另一臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行方式（C2）；⑤當(dāng)系統(tǒng)重載工作，即一臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行無法補(bǔ)充氣體消耗，隨著系統(tǒng)壓力持續(xù)下降低于21bar時(shí)（P3），采取兩臺(tái)空壓機(jī)共同運(yùn)行方式（C3）。

2.2 空壓機(jī)均衡投入

理想雙空壓機(jī)系統(tǒng)中兩臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間接近一致，稱為空壓機(jī)的均衡投入。當(dāng)處于P1和P3狀態(tài)時(shí)，2臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)一致，運(yùn)行時(shí)間無差異，僅當(dāng)處于P2狀態(tài)時(shí)，兩臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不一致，運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)生差異。實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的均衡投入即在P2狀態(tài)下平衡兩臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，這需要在每個(gè)工作周期開始前判斷該空壓機(jī)是否參與上個(gè)工作周期，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)空壓機(jī)交替參與工作周期。

2臺(tái)空壓機(jī)均衡參與工作周期的4個(gè)原則為：原則①：1臺(tái)空壓機(jī)的工作周期（升壓至25bar）已完成才能進(jìn)入另1臺(tái)空壓機(jī)的工作周期；原則②：切換選擇在一個(gè)工作周期內(nèi)不發(fā)生變化，直至下一個(gè)工作周期開始；原則③：壓力欠缺時(shí)開始切換選擇；原則④：參與上一個(gè)工作周期的空壓機(jī)不參與本次工作周期。

需要3個(gè)條件完成均衡切換：①壓力測量傳感器（I23.3），設(shè)定壓力，判斷工作周期的起止壓力點(diǎn)；②切換前提標(biāo)志位（M46.1），判斷上一臺(tái)空壓機(jī)是否完成工作周期；③空壓機(jī)選擇標(biāo)志（M46.0），儲(chǔ)存當(dāng)前選擇狀態(tài)，表示選擇哪臺(tái)空壓機(jī)，為1表示空壓機(jī)1工作，為0表示空壓機(jī)2工作。PLC程序如圖4。

圖4 空壓機(jī)均衡切換選擇

其中I23.3采用PN5002傳感器輸出的數(shù)字量信號(hào)，設(shè)定SP為25bar，rP為23bar，信號(hào)模式采用Hnc，即滯后模式常閉：壓力高于25bar時(shí)輸出低電平，壓力低于23bar時(shí)輸出高電平。

系統(tǒng)在首次升壓達(dá)到25bar后開始進(jìn)入均衡投入狀態(tài)。切換前提標(biāo)志位（M46.1）在當(dāng)壓力達(dá)到25bar時(shí)置位1，即上一臺(tái)空壓機(jī)已完成工作周期，允許切換動(dòng)作執(zhí)行，滿足原則①；當(dāng)壓力低于23bar時(shí)，I23.3接通，允許空壓機(jī)切換選擇，滿足原則③；若上一個(gè)周期空壓機(jī)1未參與工作（M46.0初始狀態(tài)為0），則置位空壓機(jī)1選擇（M46.0），令空壓機(jī)1參與此次工作周期，滿足原則④，同時(shí)復(fù)位切換前提標(biāo)志位（M46.1），鎖定此次工作周期的空壓機(jī)狀態(tài)，滿足原則②；同理，若上一個(gè)周期空壓機(jī)1參與工作（M46.0初始狀態(tài)為1），則復(fù)位空壓機(jī)1選擇（M46.0），令空壓機(jī)2參與此次工作周期，同時(shí)復(fù)位切換前提標(biāo)志位（M46.1），鎖定此次工作周期的空壓機(jī)選擇狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)空壓機(jī)交替切換投入使用。

2.3 空壓機(jī)運(yùn)行控制

空壓機(jī)運(yùn)行控制程序可分為三部分，即接通前提、工況判斷、設(shè)備啟動(dòng)。

接通前提包括判斷兩臺(tái)空壓機(jī)保護(hù)斷路器是否脫扣、外界氣體供給壓力是否正常（可選擇）、預(yù)充壓是否達(dá)到壓力（可選擇）、空氣干燥器運(yùn)行是否正常、兩臺(tái)空壓機(jī)潤滑油位是否正常。

工況判斷包括兩部分，其一是系統(tǒng)首次充壓，即空壓機(jī)在初始啟動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)兩臺(tái)空壓機(jī)的接通邏輯一致，一起運(yùn)行；其二是系統(tǒng)壓力達(dá)到25bar之后，激活均衡選擇切換程序，壓力在21-23bar時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行，通過選擇標(biāo)志M46.0進(jìn)行空壓機(jī)1和2的切換運(yùn)行，壓力在低于21bar后，兩臺(tái)空壓機(jī)接通邏輯一致，一起運(yùn)行。

設(shè)備啟動(dòng)包括兩部分，其一是動(dòng)力接通，即同時(shí)接通供氣電磁閥與空壓機(jī)主接觸器，空壓機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行；其二是無壓啟動(dòng)，即空壓機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行10s時(shí)間段內(nèi)空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣體直接排出至大氣，不進(jìn)入壓縮容器，當(dāng)空壓機(jī)入口出口壓力接近一致時(shí)，出口電磁閥得電換向，空壓機(jī)系統(tǒng)開始向壓力容器內(nèi)供氣。

兩臺(tái)空壓機(jī)接通控制程序如圖5。

圖5 空壓機(jī)接通控制

4 結(jié)語

無論是對自動(dòng)沖壓線整體供氣還是區(qū)域供氣，雙空壓機(jī)系統(tǒng)相對于單空壓機(jī)系統(tǒng)都有著獨(dú)特的優(yōu)勢，該方案可有效延長設(shè)備使用壽命，大幅降低故障發(fā)生頻次和故障恢復(fù)時(shí)間，對壓機(jī)線氣動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要意義。