空壓機智能控制系統(tǒng)的研究與應用

范高原(青海鹽湖鎂業(yè)有限公司，青海 格爾木 816099)

0 引言

空氣壓縮機用于壓縮空氣的氣壓改變發(fā)生設備，與水泵的構造類似?，F(xiàn)今比較常用的空壓機是是永磁壓縮機、旋轉螺桿壓縮機和離心壓縮機?？諌簷C的種類繁多，按工作原理可分為熱力型、動力型、容積型三種類型；根據(jù)用途可分為空調(diào)壓縮機、冰箱壓縮機、天然氣加氣站用、礦用壓縮機、船用壓縮機、醫(yī)用壓縮機等。也可按型式、潤滑方式和性能劃分。螺桿壓縮機屬于回轉容積式壓縮機的一種，一般采用新型數(shù)控磨床，配合使用在線激光技術，使得制造公差較小，提高了空壓機的可靠性，降低了壓縮機在使用周期內(nèi)的運行成本。其工作原理是根據(jù)兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處的面積與體積逐漸減小，帶動空氣壓縮并排出。永磁變頻壓縮機是利用變頻器的無級調(diào)速原理，即變頻化的螺桿空壓機，通過控制器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)啟動平緩，保證運行可靠；變頻壓縮機適用于需要快速調(diào)節(jié)用氣量的場合。雙極永磁變頻空壓機是較為新型的空壓機，其結合了雙極壓縮技術和永磁變頻的特點，具有非常高的節(jié)能效率。而離心式壓縮機屬于速度型壓縮機，采用徑向的主氣流(旋轉葉輪的葉片在其側面)，通過氣體加速壓縮空氣[1-2]。

智能控制系統(tǒng)是以控制理論、控制技術、人工智能、信息理論等為基礎，無需人為實時管控，能夠實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)控制方式僅采用單一方式對空壓機等設備進行監(jiān)測，很難自主應對系統(tǒng)所面臨的操作環(huán)境變化等帶來的種種問題。而智能控制系統(tǒng)可采用模糊控制算法，有效驅動被控對象，并隨著環(huán)境的變化而調(diào)整控制系統(tǒng)之前的控制條件，使被控系統(tǒng)更加穩(wěn)定。大多數(shù)研究者將模糊控制與PID控制相結合，形成了模糊PID控制器，不必對控制系統(tǒng)進行精確控制[3]。

1 空壓機控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

影響空壓機的運行的參數(shù)復雜，現(xiàn)階段仍然沒有一個精確的數(shù)學模型模擬空壓機的運行方式，而傳統(tǒng)的控制方式是采用固定控制算法將整個控制系統(tǒng)置于一成不變的模型框架下，該控制方式很難對復雜系統(tǒng)進行控制。

1.1 空壓機控制系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)空壓機智能控制研究者采用時間片技術解決RS485控制節(jié)點優(yōu)先級沖突的缺點，通過自主設計的軟件算法根據(jù)空壓機的工作壓力控制空壓機的卸載和停機時間來降低空壓機的能耗，保證系統(tǒng)最佳運行。也有學者采用XMD614智能控制儀表與PLC可編程控制器取代空壓機壓力調(diào)節(jié)閥，目的是使空壓機達到更加有效地控制，同時該系統(tǒng)抗干擾能力較強，可實現(xiàn)單機或者多機地穩(wěn)定運行。有的學者采用SDR(開關磁阻調(diào)速系統(tǒng))調(diào)節(jié)空壓機的電機轉速，通過外部壓力的負反饋進行閉環(huán)控制，將壓力信號變?yōu)闃藴孰娏餍盘枺尤隨DR控制器的模擬量輸入端，可進行空壓機壓力比較，通過控制電機的轉矩、轉速等實現(xiàn)空壓機出口壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)[4]。

1.2 空壓機控制系統(tǒng)國外研究現(xiàn)狀

德國博格壓縮機有限公司研發(fā)的MCS7主控制器采用PLC控制器順序輪換控制，使空壓機與硬件進行通信，根據(jù)用氣量大小與空壓機的反應時間，來調(diào)整壓差。西門子公司推出一種超小型可編程的控制器LOGO，集成了與、或、非等基本控制邏輯，同時能夠完成技術與定時功能。可將其安裝在U型導軌上代替繼電器的使用。因而使用西門西LOGO控制器對空壓機進行控制時，不僅可減少控制柜的體積，而且節(jié)省元器件，簡化控制結構。國際上空壓機的智能化控制技術以設計優(yōu)化、自動變負荷控制、操作優(yōu)化、過程監(jiān)控與動態(tài)流程模擬等[5]。如Honeywell公式的TPS控制系統(tǒng)、Foxboro的I/A S 50系列控制系統(tǒng)、橫河的CENTUM-CS控制系統(tǒng)以及西門子的PLC(可編程控制器)等，可實現(xiàn)變負荷控制，降低了用戶的勞動強度，優(yōu)化控制，節(jié)能降耗[6-8]。

國內(nèi)對空壓機的控制系統(tǒng)仍然通過不穩(wěn)定的變頻器設備控制，控制手段遠遠落后于國外，而且變頻器的加工成本高，導致其使用與維護成本上升。而引進國外先進的控制技術與系統(tǒng)，其維護的成本較高，難以本土化，現(xiàn)有的較為先進的空壓機監(jiān)測系統(tǒng)是基于DCS組態(tài)軟件Visual Field設計的監(jiān)測系統(tǒng)，不僅應用方便，而且可大幅度提高國內(nèi)空壓機系統(tǒng)的應用控制效率，降低電能耗[3]。

2 空壓機智能控制系統(tǒng)的應用

空壓機集中控制系統(tǒng)一般是針對螺桿式壓縮機的生產(chǎn)使用工藝要求，設計制造的自動化控制系統(tǒng)。采用上位機觸摸，PLC控制器，根據(jù)空壓機群配置信息，通過智能化的邏輯集中控制，達到節(jié)能降耗、精確控制和操作維護方便的功能與效用[9]。螺桿式空壓機智能控制系統(tǒng)的特點是，可通過自我偵測檢視系統(tǒng)與全機預警偵測系統(tǒng)，實時數(shù)字顯示空壓機運轉中的壓力、溫度、負載時數(shù)，通過數(shù)字屏幕中顯示運轉狀況，判斷工序所需要的壓力、溫度，可直接在面板上設定。也可通過電腦連接網(wǎng)絡遠程監(jiān)控實現(xiàn)多機連鎖控制，顯示故障停機記憶。

德耐爾公司研發(fā)的變頻螺桿式空壓機內(nèi)置大量維護、監(jiān)視與診斷功能，可以隨時記錄空壓機故障數(shù)據(jù)，同時添加人性化的觸屏設計，讓用戶操作更加智能與簡單，同時可以遠程聯(lián)動控制。而臺灣三碁電氣公司所推出的空壓機電腦智能控制器不僅適用于螺桿變頻空壓機，而且適用于螺桿永磁空壓機。但螺桿式空壓機在電廠機組應用中，運行效率較低，未能實現(xiàn)智能化控制。而升級為離心式空壓機與壓縮熱再生吸附式干燥機，以及對電源改造后，實現(xiàn)了智能監(jiān)控、能耗評估，可在移動端實時查看分析數(shù)據(jù)，為火電廠的穩(wěn)定運行提供很大方便[10]。

3 空壓機智能控制系統(tǒng)的節(jié)能應用

空壓機系統(tǒng)節(jié)能技術原理包括生產(chǎn)需求最優(yōu)壓力供給、系統(tǒng)優(yōu)化、余熱回收等?？諌簷C設備選型與機群的系統(tǒng)設計都是按最大負荷進行，但實際用氣車間空氣使用負荷是不斷變化的，壓縮空氣系統(tǒng)使用率約65%，其余用氣負荷的35%是以卸載方式運行，卸載運行功率能耗占總能耗9%～18%，造成以電能耗為主的能量消耗[9]。而空壓機節(jié)能應用的生產(chǎn)需求最優(yōu)壓力供給，即空壓機與用氣車間被智能流量控制柜隔離，由智能流量控制系統(tǒng)實時監(jiān)測用氣流量，當出現(xiàn)用氣高峰時，首先由儲存壓縮空氣來滿足車間用氣，而不靠空壓機來直接滿足車間用氣?？諌簷C系統(tǒng)優(yōu)化是指通過智能控制系統(tǒng)優(yōu)化不同空壓機的運行策略，提高整個空壓機系統(tǒng)的運行效率；空壓機余熱回收是指將空壓機運行時產(chǎn)生的大量壓縮熱通過熱交換裝置將其熱量回收，并應用于生產(chǎn)生活熱水中。也有研究者通過空壓機集群節(jié)能優(yōu)化控制的系統(tǒng)工程，采用應用優(yōu)先權、流量匹配與時間均值控制模式與原則，優(yōu)化了空壓機機群的運行模式，重點解決了加工轉換環(huán)節(jié)的智能控制問題，降低空壓機能耗的功能[11-12]。而四川巨倫科技公司研發(fā)的空壓機智能節(jié)電控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)智能控制空壓機進行按需供氣，在原有運行成本的基礎上能夠降低電能消耗成本的10%～30%。

隨著節(jié)能環(huán)保觀念與政策的不斷深入與實施，空壓機節(jié)能智能控制系統(tǒng)受到越來越多學者與制造者的關注。而節(jié)能控制系統(tǒng)應與監(jiān)測系統(tǒng)相互融合與促進，才能提高控制系統(tǒng)的安全性、可靠性與經(jīng)濟性，實現(xiàn)空壓機系統(tǒng)的高效運行[13]。

4 結語

空壓機智能控制系統(tǒng)一般采用模糊控制與PID控制相結合的控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)空壓機變負荷控制，提高空壓機運行效率?？諌簷C智能系統(tǒng)的應用能夠降低機群能耗，其節(jié)能技術原理包括生產(chǎn)需求最優(yōu)壓力供給、系統(tǒng)優(yōu)化、余熱回收等，該技能技術的應用可降低空壓機機群的運行成本。