吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器的智能控制與用材改進

梁肇文 劉劍君

摘? ?要： 原有吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器普遍存在抗干擾性差、生產(chǎn)工藝參數(shù)難以修改等問題，且未考慮節(jié)能需求。根據(jù)壓縮空氣干燥器的工作原理與工藝要求，設計干燥器吸附與再生周期圖、時序圖，將可編程控制器（PLC）與開關電源有機組合，實現(xiàn)了一體化智能控制。在PLC中按照標準應用，增加節(jié)能、自我修復等功能;設定不同的工作周期，對不同壓力、溫度、濕度下的空氣干燥效果進行優(yōu)化;采用三型聚丙烯（PP-R）、鋁塑復合材料（PAP）等新材料替代原有鋼材。經(jīng)驗證表明：壓縮空氣干燥器運行穩(wěn)定可靠，成品氣露點等技術指標滿足要求，節(jié)能減排30%，維護費節(jié)約可達5 000元/（臺·年）;同時實現(xiàn)了用材改進，降低了成本，增加了可靠性。

關鍵詞： 自熱再生;壓縮空氣干燥器;吸附法;智能控制;三型聚丙烯（PP-R）;用材改進

中圖分類號：TK173? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-016-07

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.004

引言

塔式ARD自熱再生（吸附式）壓縮空氣干燥裝置是壓力容器系列產(chǎn)品之一，其應用廣泛，是其他吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器（以下簡稱“壓縮空氣干燥器”），如加熱干燥器、微加熱干燥器、余熱回流干燥器、無排放干燥器等的制造基礎[1]。

現(xiàn)有壓縮空氣干燥器的控制系統(tǒng)主要采用自行研發(fā)的單片機控制系統(tǒng)，其缺點是抗干擾性差、生產(chǎn)工藝參數(shù)難以修改、技術門檻高。為使壓縮空氣干燥器運行更平穩(wěn)可靠、抗干擾能力更強、修改生產(chǎn)工藝參數(shù)更容易、功能可拓展性更好，筆者采用智能化的可編程控制器（PLC），與開關電源形成一體控制，并將新材料三型聚丙烯（PP-R）、鋁塑復合材料（PAP）引入研發(fā)工藝[2]，實現(xiàn)了壓縮空氣干燥器的智能控制與用材改進。本文首先闡述現(xiàn)有壓縮空氣干燥器的組成和工作原理，分析智能控制改造的必要性;然后對PLC與開關電源一體控制的初步設計、詳細設計方案進行論述;最后介紹引進新材料實現(xiàn)用材改進的情況。

1? 壓縮空氣干燥器的組成和工作原理

以工作電壓/功率為220 V/60 W、流量為20 m3/min、工作壓力為0.8 MPa（工作壓力<1.6 MPa為低壓容器）、露點≤-20℃～-15℃（露點越低越好）的壓縮空氣干燥裝置的制造為例。干燥裝置為鋼制，因其體積小巧，須用手工電弧焊及埋弧焊兼顧完成機械實體的制造過程，而電氣箱的設計、安裝、調(diào)試、檢測、維修須人工完成。

空氣干燥方法有吸附法和冷卻法。吸附法節(jié)能，其干燥露點低至-15℃甚至-40℃;冷卻法耗能，且露點僅為3℃。在低露點下，該干燥裝置采用吸附法。

1.1? 組成

壓縮空氣干燥器的組成如圖1所示。整套裝置由以下結構組成：

（1）A、B壓力容器罐，內(nèi)填滿氧化鋁干燥劑（又稱鋁膠干燥劑），并用不銹鋼篩網(wǎng)包圍罐內(nèi)出入氣口;

（2）四個氣動閥CV1～CV4，兩進氣、兩出氣;

（3）輸入管道、廢氣排走管道;

（4）85%輸出管道與A、B罐頂單向閥，裝置鐵架支座等;

（5）15%限流再生氣體供給管道;

（6）自熱（電動）控制箱。

1.2? 工作原理

壓縮空氣干燥器的工作原理如圖2所示。A、B罐內(nèi)干燥劑受到加壓，吸附空氣中的水分。自熱再生標準型裝置在A、B兩罐的工作周期為10 min。吸附時放熱，解吸時吸熱。因不需要外來熱能，故稱作自熱再生。

當A罐工作時，吸附（底部進氣，頂部出氣）5 min后，已干燥的空氣的85%經(jīng)單向閥輸出，供給用戶。B罐在再生、解吸過程中，已干燥的空氣的15%使B罐鋁膠干燥劑再生4 min，然后排氣閥B1自動關閉，空氣通過限流板孔節(jié)流閥使B罐充壓、均壓1 min，以待再生，即頂部進入干燥空氣，底部通過排氣閥B1排出廢氣（配有消音器）。B罐工作、A罐再生過程同理。兩罐日夜不停工作及再生，生產(chǎn)出合格的干燥壓縮空氣，供給用戶。各行各業(yè)的制造工藝及動力過程，如汽車生產(chǎn)公司車輛噴漆、假發(fā)生產(chǎn)、家具制造、鋼琴生產(chǎn)等，均需用到干燥壓縮空氣，以實現(xiàn)產(chǎn)品保質(zhì)、設備延壽。

2? 優(yōu)缺點分析與初步改造設計

2.1? 優(yōu)缺點分析

優(yōu)點：A、B罐內(nèi)干燥劑在低壓下吸附空氣水分，吸附法得到的輸出空氣比冷卻法更干燥、露點更低。

缺點：現(xiàn)有壓縮空氣干燥器的控制器都采用了自行研發(fā)的單片機控制系統(tǒng)，僅僅控制4個電磁先導閥有序工作。這就產(chǎn)生了如下缺點：

其一，軟件、硬件研發(fā)欠成熟，而且用戶用電環(huán)境復雜，使干燥器抗干擾性差，經(jīng)常出現(xiàn)誤動作、“死機”現(xiàn)象;

其二，修改生產(chǎn)工藝的控制程序困難，使得設計制造門檻較高，嚴重影響用戶的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，用戶無法自行修改程序，不如PLC可靠、方便、容易;

其三，罐內(nèi)鋁膠干燥劑一旦受潮，只有停電停氣、大動作地拆解整臺干燥器，才能換上全新干燥劑，重新安裝、調(diào)試、檢測校正、驗收后才能投入使用，影響生產(chǎn)效率;

其四，整機采用金屬鋼材，浪費材料資源。

2.2? 初步改造設計

將PLC、工業(yè)開關電源、新管道、閥門等有機組合，如圖3所示。在圖3a中，1、2、3、4是由電控式氣體先導閥控制的氣控式薄膜切換氣閥，其中1和2為排氣閥、3和4為進氣閥;5是金屬結構消聲器;6、7是金屬結構止回閥;8是金屬結構節(jié)流閥;9是PLC程序控制器，它是一個抗干擾能力極強的帶軟硬件的電子系統(tǒng)或工業(yè)計算機系統(tǒng);10、11是旁通電磁先導閥;12是本機輸出氣體氣動閥。10、11、12為新加硬件，與自修復程序共同執(zhí)行干燥劑的干燥修復任務。

3? 詳細設計方案

由于整機采用多個直流24 V電磁閥，故須配用大功率24 V開關電源供電，才能滿足安全可靠運行等要求。

控制箱見圖1中央或圖3的部件9，其電氣設計如下。

3.1? 干燥器吸附與再生周期圖

采用標準型工作控制，繪制干燥器吸附與再生周期圖，如圖4所示。

3.2? 時序圖設計

結合現(xiàn)有壓縮空氣干燥器工作原理（圖2）及技術工藝要求，設計時序圖[3]，方波為輸出高電平，如圖5所示。

3.3? 控制原理

“開機”按鈕用于設備開機，是個船型開關，而“手動切換”按鈕用于A罐、B罐切換，實現(xiàn)電氣調(diào)試及總機出廠前聯(lián)調(diào)、用戶驗收調(diào)試等人為調(diào)試。“周選”按鈕用于A、B罐工作切換周期的選擇[4]。

新裝置的PLC程序，改變了傳統(tǒng)5 min一切換、10 min一工作周期的單一時間控制程序。它考慮了壓縮空氣壓力、溫度、濕度的變化，根據(jù)按下“周選”按鈕的次數(shù)，選擇工作程序，以實現(xiàn)正常露點標準再生排放、低露點節(jié)能減少排放、高露點增加再生排放量等，或通過時間調(diào)整實現(xiàn)自我修復效果，具體如下：

（1）標準程序：10 min工作周期;

（2）節(jié)能程序1：12 min工作周期;

（3）節(jié)能程序2：16 min工作周期;

（4）節(jié)能程序3：26 min工作周期;

（5）自我修復：若換干燥劑、干燥劑過潮、干燥效果差等，設置4 min或6 min工作周期。

若干燥器在我國南方城市使用，多選擇標準程序;新購產(chǎn)品或更換吸附劑運行一個月至一年內(nèi)的，通?？蛇x擇節(jié)能程序，減少再生排放、節(jié)約能源，且保證成品氣質(zhì)量。但是，當干燥器工作在極其潮濕的空壓站系統(tǒng)環(huán)境下，或已年久失修時，必須增加一個本機輸出氣體氣動閥（圖3a中的12），選擇4 min（或6 min）工作周期，若PLC自動關閉本機輸出氣體氣動閥，甚至控制安裝在15%再生氣支管旁邊并聯(lián)加焊上的一組旁通電磁先導閥（圖3a中的10、11），則運行維修程序（使再生氣達到30%～100%），將干燥劑中的潮氣排走，干燥劑快速得到再生，從而實現(xiàn)了裝置的自我修復。通過手感或露點儀檢測成品氣，若達到出廠標準，再返回標準程序或節(jié)能程序。以上經(jīng)驗已由筆者在前幾年暑假赴十堰市東風二汽出差考察時經(jīng)歷的長達幾個月的供氣系統(tǒng)維修改造中得到了證實。改造時，為硬件機械部分增加管道及先導閥，為輸出管道增加一個氣動閥，而在電氣部分增加多個輸入輸出點，并編入軟件程序則可。

有了時序圖和電氣控制圖，就可以用經(jīng)驗法、移植法、狀態(tài)圖法或梯形圖法等進行編程了[5]。在此采用PLC步進編程法設計梯形圖控制程序，如圖6所示。

A、B缸控制程序解析如下：

該控制程序根據(jù)時序圖，采用狀態(tài)步進指令編寫，能夠?qū)碗s的控制過程轉(zhuǎn)化為簡單的程序，以滿足復雜的控制要求。

X000為手動切換的控制信號，主要目的是實現(xiàn)A、B缸啟動順序。當程序運行時，X000的常閉觸點[SET S21]接通，能使程序先執(zhí)行B缸電磁閥的工作，如需要A缸電磁閥先啟動工作，必須先操作X000，使其常閉觸點斷開、常開觸點閉合，并接通[SET S20]線圈。

線圈S20的作用是控制A缸的2個電磁閥工作。當線圈S20接電時，Y002、Y003電磁線圈得電工作，同時時間繼電器T0、T1也接通得電，T0（設定值K300=5 s）和T1（設定值K240=4 s）開始計時。當T1定時器的時間達到設定值240時，T1的常閉觸點斷開，A缸的常閉電磁閥線圈Y003失電。當T0定時器的時間達到設定值300時，其常開觸點閉合，接通S21線圈。當該線圈接通時，線圈S20斷開，常開電磁閥線圈Y2失電，控制A缸程序停止執(zhí)行，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行S21控制程序。

S21控制程序主要用于控制B再生缸，在B再生缸中，定時器T3（設定值K240=4 s）控制Y1常閉電磁閥線圈，定時器T2（設定值K300=5 s）控制常開電閥磁線圈。當S21控制程序被執(zhí)行時，定時器T2、T3，線圈Y000、Y001工作，當定時器工作時間達到設定值時，線圈Y000、Y001停止工作，同時S21控制程序停止執(zhí)行，定時器T2接通S20控制程序。S20控制程序再次被執(zhí)行，直至按下停止信號X001接通線圈S0，程序才回到初始狀態(tài)并停止執(zhí)行[6]。整臺裝置通常一年不停機運行。

3.4? 裝置調(diào)試

采用小銅管駁接、焊接等，按圖紙固定各元部件，然后以ARD電氣控制箱為裝置的中樞（三菱PLC+開關電源控制），全力投入通電、通氣、檢查設備運行情況等生產(chǎn)方總裝總調(diào)工作，再用肥皂溶液檢查裝置各連接部分是否漏氣。在正常運行狀況下，當A罐工作時，控制氣動閥2排氣、氣動閥3進氣;當B罐工作時，控制氣動閥1排氣、氣動閥4進氣。每隔幾分鐘記錄一次壓力、露點等參數(shù)。

逐一運行干燥器5套程序，直至全部正常運行。驗收整套成品的技術指標，直至達標。進氣溫度<40℃，流量為1～2 000 Nm3/h，露點≤-20℃，壓力為0.05～0.8 MPa。節(jié)能減排30%，維護費節(jié)約達5 000元/（臺·年）。

接好220 V單相空氣開關交流電源并扳上開關，打開本機壓縮空氣進氣手動閥，按下干燥器控制箱電源開關，燈亮后設備自動進入標準程序穩(wěn)定狀態(tài)。試按A、B罐切換開關，讓B罐先工作。觀察各儀表顯示正常，干燥器進入正常工作狀態(tài)，記錄一個周期情況，運行良好。目前裝置已批量投入生產(chǎn)。

4? 用材改進

以往，壓力容器罐體一般采用鋼材，如用20鋼作為筒體、封頭材料。但是，作為壓力容器，鋼材不停與水分接觸，會產(chǎn)生氧化、銹蝕等現(xiàn)象，因此國家強制規(guī)定這類容器的使用壽命為10年。

鑒于壓縮空氣干燥器與家用空調(diào)等設備的工作參數(shù)相近，而新材料三型聚丙烯（PP-R）、鋁塑復合材料（PAP）壽命長（在設計溫度70℃下使用壽命可達50年以上，在常溫20℃下使用壽命可達100年以上）、耐壓（高至2.5 MPa）、耐腐蝕，恰好適合壓縮空氣干燥器的工作環(huán)境，能夠替代20 m3/min以下的壓縮空氣干燥器的鋼材。這些材料還可逐步應用于20 m3/min以上的壓縮空氣干燥器。

壓縮空氣干燥器的A、B罐由筒體、頂封頭、底封頭三件一體組成。

對于圓筒體，直接與PP-R、PAP材料生產(chǎn)廠家特殊商定，按圖紙、國家標準、工藝要求制造加工即可;對于頂和底封頭，筆者與材料廠家深入合作，整合形成一套壓力容器PP-R、PAP材料封頭生產(chǎn)工藝，制造得到平板蓋形、橢圓形封頭;對于輸入、輸出管道部分材料，直接采購PP-R、PAP生產(chǎn)廠家的、滿足國家標準的材料，并購進閥門生產(chǎn)廠家的、滿足國家標準的先導閥、氣動閥。據(jù)此加工總裝，真正做到了智能控制改造和用材改進相統(tǒng)一[6]。

目前，該壓縮空氣干燥器已應用于肇慶市技師學院機械系數(shù)控技術實訓中心的數(shù)控機床加工群及電氣系的電氣自動化實訓生產(chǎn)線，反饋良好。改造后的干燥裝置與2018年獲得專利授權，在院辦工廠限量生產(chǎn)。

最后需要提醒的是，PP-R、PAP材料不能用于外加熱、微加熱等干燥器的筒體、封頭、管道制造。

5? 結論與展望

本文實現(xiàn)了吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器的智能控制和用材改進。在改造中，采用了PLC與開關電源的一體控制，加入了標準程序、節(jié)能程序、自我修復程序等，并積極進行了用材改進。裝置穩(wěn)定可靠，獲得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

后續(xù)，還可進一步開展PLC、觸摸屏、開關電源的一體化研發(fā)，與時俱進地實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，爭取更多的客戶。

致謝

論文在統(tǒng)稿過程中得到《工業(yè)技術創(chuàng)新》雜志社領導和責任編輯耐心的指導，在此表示深深的感謝！

參考文獻

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[5] 謝英. 可編程控制技術應用[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2017.

[6] 劉友葵， 劉劍雄. 干燥器的PLC改造[J]. 機電工程技術， 2018（7）： 28-30.

作者簡介：

梁肇文（1964—），通信作者，男，廣東高要人，肇慶市技師學院機修鉗工高級技師。研究方向：機電一體化、機械、信息技術等領域的學校服務設備的研制、安裝、調(diào)試、檢修等。曾獲國家專利多項。

E-mail： 2215015142@qq.com

劉劍君（1989—），男，廣東肇慶人，本科，肇慶市聲科磁電設備有限公司工程師。研究方向：計算機與工業(yè)自動化控制。

E-mail： 382936598@qq.com

（收稿日期：2020-07-27）