卷煙廠空壓系統(tǒng)數(shù)智化控制模型研究

［摘 要］某卷煙廠緊密圍繞綠色低碳發(fā)展路線，以推進實施“綠色工廠”建設(shè)為目標(biāo)，大力推廣綠色低碳的生產(chǎn)生活方式。對卷煙廠空壓系統(tǒng)數(shù)智化控制模型的研究對于實現(xiàn)節(jié)能減排、打造智能工廠、提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量以及促進綠色發(fā)展等方面都具有重要的意義。文章以此為契機提出了構(gòu)建空壓系統(tǒng)數(shù)智化控制模型，旨在實現(xiàn)建設(shè)數(shù)字化站房，設(shè)備智能化控制及整站節(jié)能降耗。

［關(guān)鍵詞］空壓機；數(shù)智化；控制模型；節(jié)能降耗

［中圖分類號］TU83 ［文獻標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0006–03

1 業(yè)務(wù)背景

某卷煙廠動力中心建有1 個空壓站房，含6 臺英格索蘭空壓機和6 臺干燥機以及配套儲氣罐。對當(dāng)前空壓系統(tǒng)進行深入分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的空壓系統(tǒng)尚存在許多不足，如生產(chǎn)用氣變化頻繁，須操作工到現(xiàn)場啟停設(shè)備；對投入設(shè)備數(shù)量及參數(shù)進行調(diào)整依靠操作工個人經(jīng)驗設(shè)置；當(dāng)空壓機或干燥機發(fā)生故障時，不能快速切換備用機或停機；設(shè)備頻繁加卸載，運行效率低下產(chǎn)生浪費；設(shè)備供氣方案無法與生產(chǎn)用氣情況實時匹配，產(chǎn)氣端與用氣端壓力不匹配，或者在特定情況下，不能開啟最優(yōu)的設(shè)備組合，導(dǎo)致壓力波動，加劇能耗損失等。

2 必要性與可行性

2.1 必要性

對該廠當(dāng)前空壓系統(tǒng)進行現(xiàn)狀分析，總結(jié)如下：①單臺空壓機頻繁加卸載，空載率高；②設(shè)備電機無過電流保護；③無法固定時間啟停，能源浪費大；④生產(chǎn)用氣需求變化，供需壓力不匹配；⑤無法均衡設(shè)備運行時間。

當(dāng)前空壓系統(tǒng)的痛點：①站房10%～30% 的能源浪費；②壓縮空氣品質(zhì)不穩(wěn)定；③浪費人工。

產(chǎn)生上述問題的根本原因為：①缺乏數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析；②無法在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，進行AI 智能控制。

該廠空壓站智能管控缺少手段，表現(xiàn)在生產(chǎn)用氣發(fā)生變化時，需要專門安排人員啟停設(shè)備，不能根據(jù)實時用氣量對投入設(shè)備數(shù)量進行調(diào)整；各設(shè)備參數(shù)依靠操作人員個人經(jīng)驗設(shè)置，發(fā)生故障時，不能快速切換備機投入運行，容易對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響；不能開啟最優(yōu)的設(shè)備組合，產(chǎn)氣端壓力與用氣端壓力存在不匹配情況，造成能耗損失；現(xiàn)有的能源管控系統(tǒng)用于空壓機運行數(shù)據(jù)監(jiān)測，尚未實現(xiàn)智能控制，與空壓機精細(xì)化管理要求還存在差距。

2.2 可行性

該廠現(xiàn)有空壓系統(tǒng)已接入動力能源管理系統(tǒng)，為模型提供了前期的統(tǒng)計數(shù)據(jù)支撐；系統(tǒng)管路已安裝部分壓力表、流量計等儀器儀表，可在原有基礎(chǔ)上加裝傳感器、攝像頭等數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)控智能儀表，通過非侵入式施工實現(xiàn)系統(tǒng)改造。

（1）對站房現(xiàn)場配置安裝1 臺邊緣智能服務(wù)器，通過Lora 實現(xiàn)秒級的控制指揮現(xiàn)場所有設(shè)備；在站房的母管上分別安裝2 個壓力變送器（1 主1 備）和1 個流量計，依靠母管壓力和流量進行AI 算法控制，另外在母管上加裝1 臺露點儀，實現(xiàn)實時監(jiān)測壓縮空氣露點情況。

（2）在空壓機、干燥機、壓力變送器、流量計、露點儀上各安裝1 臺數(shù)采網(wǎng)關(guān)。根據(jù)母管上的壓力和流量實現(xiàn)對站房內(nèi)的空壓機、干燥機整體的實時智能控制和監(jiān)測。

3 研究目標(biāo)

總體目標(biāo)：空壓站輸出穩(wěn)定壓力，實現(xiàn)能效最優(yōu)。

具體目標(biāo)：對空壓站房6 臺空壓機的運行狀態(tài)、運行參數(shù)進行監(jiān)測，提供設(shè)備實時報警提醒，提供遠(yuǎn)程手動及定時啟停操作。通過單點壓力窄帶恒壓控制，解決多臺設(shè)備層疊式壓力帶導(dǎo)致的系統(tǒng)壓力過高帶來的能耗浪費，同時通過壓力、流量等多參數(shù)及設(shè)備優(yōu)先級約束機制對設(shè)備進行調(diào)度控制，確保整個空壓系統(tǒng)處于最優(yōu)的運行工況。

4 建模準(zhǔn)備

4.1 成本分析

構(gòu)建空壓系統(tǒng)數(shù)智化控制模型的成本分析公式為：總成本= 建模技術(shù)成本＋硬件安裝成本+ 培訓(xùn)成本＋維護成本＋其他相關(guān)成本－降低能耗帶來的成本節(jié)省－降低維護成本帶來的成本節(jié)省。

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為數(shù)智化控制模型收集和準(zhǔn)備必要的數(shù)據(jù)?？刂颇Ｐ托枰臄?shù)據(jù)類型包括：①歷史數(shù)據(jù)。包括空壓系統(tǒng)過去性能的數(shù)據(jù)，取自動力能管監(jiān)控系統(tǒng)，例如，壓力歷史曲線、流量歷史曲線等。②實時數(shù)據(jù)。包括控制模型中安裝的傳感器和智能儀表采集的數(shù)據(jù)。③環(huán)境數(shù)據(jù)。包括站房溫濕度、空壓機內(nèi)部溫濕度和其他可能影響空壓系統(tǒng)性能的環(huán)境因素數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可用于調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以優(yōu)化不同環(huán)境條件下的性能。④能源定價數(shù)據(jù)。包括有關(guān)能源成本的數(shù)據(jù)，主要是電能成本，包括高峰和非高峰電能費率。該數(shù)據(jù)用于開發(fā)基于當(dāng)前能源價格優(yōu)化能源使用的算法。⑤系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)。包括有關(guān)英格索蘭SH300 型無油水冷螺桿空壓機系統(tǒng)特定組件的數(shù)據(jù)，包括每個組件的品牌和型號，以及他們的運行參數(shù)和規(guī)格。

5 建模邏輯

5.1 模型概述

對現(xiàn)場6 臺空壓機及6 臺干燥機的運行狀態(tài)、運行參數(shù)進行監(jiān)測，提供設(shè)備實時報警提醒，提供遠(yuǎn)程手動及定時啟停操作。通過智能控制單點壓力窄帶恒壓控制，解決多臺設(shè)備層疊式壓力帶導(dǎo)致的系統(tǒng)壓力過高帶來的能耗浪費，同時可通過壓力、流量等多參數(shù)及設(shè)備投入優(yōu)先級順序機制對設(shè)備進行調(diào)度控制，確保整個空壓系統(tǒng)處于最優(yōu)的運行工況。

實現(xiàn)智能化控制一般分為兩個步驟，即識別+ 調(diào)度。識別：用氣需求是多少、供氣能力有多少、設(shè)備運行時長多少等；調(diào)度：AI 算法建立模型、強化學(xué)習(xí)、精準(zhǔn)控制。

5.2 模型介紹

5.2.1 模型目標(biāo)

通過全數(shù)據(jù)采集分析實現(xiàn)智能化控制；利用智能AI 算法實現(xiàn)整站節(jié)能；通過預(yù)防性決策降低維護成本。

5.2.2 模型邏輯

空壓系統(tǒng)的數(shù)智化控制模型基于反饋控制回路。該模型不斷收集有關(guān)空壓系統(tǒng)性能的數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置以優(yōu)化其性能。

模型采用集中PLC 控制柜實現(xiàn)智能化算法控制，流程如圖1 所示。步驟如下。

（1）收集和分析空壓系統(tǒng)性能的歷史數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將作為模型算法的基線。從傳感器及智能儀表收集實時數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將提供有關(guān)系統(tǒng)性能的實時信息。

（2）對收集的數(shù)據(jù)進行清洗、組織，移除異常值或錯誤數(shù)據(jù)點，對不同來源的數(shù)據(jù)以及以與控制模型兼容的方式格式化數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)實際工況，基于供需動態(tài)匹配序列決策、窄帶恒壓技術(shù)，按供需匹配生成供需流量動態(tài)平衡AI 算法。以母管壓力、流量作調(diào)控依據(jù)預(yù)測模型，充分利用設(shè)備效能，調(diào)整運行設(shè)備數(shù)量，將設(shè)備的加載率提高至90% 以上。

（4）使用模擬數(shù)據(jù)測試模型算法，根據(jù)反饋控制回路的序列決策微調(diào)算法以提高其準(zhǔn)確性和有效性。采用母管壓力與流量數(shù)據(jù)，根據(jù)供需模型觸發(fā)調(diào)節(jié)。

（5）依托多開機浪費、運行組合效率低、單機能效低、后處理損耗、局部高壓浪費等評價指標(biāo)，分別建立回歸模型和分類模型。

（6）驗證模型以確保其符合預(yù)期結(jié)果。將模型的輸出結(jié)果與實際性能數(shù)據(jù)進行比較，驗證系統(tǒng)能保證供需平衡，實現(xiàn)按需供給，不斷降低供需差異導(dǎo)致的卸載放空及壓力波動的能耗浪費。

模型序列決策過程（實現(xiàn)供需實時動態(tài)匹配）如圖2 所示。

（1）在任意時刻，決策者觀察到系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)S（空壓機加卸載狀態(tài)、主機運行時長、母管壓力及流量、空壓機單臺流量、生產(chǎn)用氣量等）。

（2）根據(jù)這個狀態(tài)從可行的決策行為中選一個行動A（空壓主機啟動或停機、加/ 卸載、切換備機、干燥機的啟動/ 停止等）。

（3）這個行動對系統(tǒng)后續(xù)運行產(chǎn)生兩方面影響：①產(chǎn)生一個即時的獎勵或懲罰R ；②系統(tǒng)下一階段的狀態(tài)按某種規(guī)律P 產(chǎn)生變化（生產(chǎn)用氣量大決策增開設(shè)備，提高加載時間；生產(chǎn)用氣量小決策控制設(shè)備卸載或停機；先停工頻、優(yōu)先啟動變頻機、按優(yōu)先級順序啟動、平衡設(shè)備運行時間）。

（4）決策行為循環(huán)往復(fù)，算出使整體收益最大的策略π（空壓站根據(jù)生產(chǎn)用氣量輸出穩(wěn)定壓力，實現(xiàn)能效最優(yōu)）。

5.2.3 輸入數(shù)據(jù)

輸入數(shù)據(jù)分為模型傳感器和智能儀表采集的實時數(shù)據(jù)、主機的狀態(tài)參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)庫中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)又包括：①空壓主機數(shù)據(jù)。包括入口真空壓力、二級進氣壓力、二級排氣壓力、壓縮機排氣壓力、一級排氣溫度等。②干燥機數(shù)據(jù)。包括干燥機各閥門狀態(tài)、進口壓力、進口溫度、出口壓力、再生排氣溫度、后冷進口溫度、后冷出口溫度等。③儲氣罐數(shù)據(jù)。包括各儲氣罐的壓力、溫度、精過濾器壓差等。④分氣缸數(shù)據(jù)。包括主分氣缸、卷包、制絲分氣缸及母管的氣體壓力、溫度、流量數(shù)據(jù)。⑤冷卻塔系統(tǒng)。冷卻水進水溫度、出水溫度、循環(huán)泵頻率、風(fēng)扇電機狀態(tài)等。⑥其他狀態(tài)參數(shù)。加/ 卸載狀態(tài)、主機報警狀態(tài)、一級溫度報警、二級溫度報警、進氣真空度報警等。⑦歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)。單機設(shè)備能耗、主機正常運行時間、用氣量累計和其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

5.2.4 輸出數(shù)據(jù)

5.2.4.1 空壓系統(tǒng)主機的控制輸出

（1）設(shè)備自定義啟停。自定義啟停時間，按照計劃時間開啟和關(guān)閉設(shè)備。

（2）設(shè)備開啟組合。根據(jù)生產(chǎn)用氣及設(shè)備優(yōu)先級動態(tài)決策自動開啟最優(yōu)設(shè)備運行組合。

（3）自動加/ 卸載。當(dāng)用氣減少時，自動控制設(shè)備卸載、停機，當(dāng)用氣增加時，自動控制待機設(shè)備啟動加載。

（4）故障切換備機。設(shè)備發(fā)生重故障時，自動停機切換并啟動備機，防止低壓風(fēng)險。

（5）均衡設(shè)備運行時長。根據(jù)策略均衡設(shè)備運行時間，運行時間長的先停，運行時間短的先啟。

5.2.4.2 干燥機控制輸出

實現(xiàn)干燥機遠(yuǎn)程啟停，并監(jiān)測其運行狀態(tài)和故障狀態(tài)，提供故障信息提醒。

（1）當(dāng)空壓機啟動時，對應(yīng)的干燥機立即啟動，保證氣體質(zhì)量。

（2）當(dāng)空壓機停機時，對干燥機進行較短的延時停機控制。

（3）當(dāng)干燥機發(fā)生故障停機時，設(shè)定短暫延時后自動停止對應(yīng)的空壓機并進行鎖定，不再參與智能控制。

6 效果驗證

6.1 可量化收益（單位能耗）

降低管網(wǎng)平均壓力：從670～780 kPa 降至680～730 kPa，降低能效比為0.2×7%=1.4%，收益=685 萬元×1.4%=9.59 萬元/a，綜合成本下降1.4%。減少卸載節(jié)能空間：根據(jù)用氣需求匹配空壓機啟停加卸載，將工頻機加載率提高至98% 以上，節(jié)能空間為4%，年收益=685 萬元×4%=27.4 萬元/a， 綜合成本下降4%。

6.2 非量化收益（潛在價值）

數(shù)字化能效監(jiān)測：數(shù)字化大屏實時監(jiān)控全設(shè)備運行狀態(tài)，故障在線預(yù)警，保養(yǎng)周期提醒。降低運維成本≥ 30%，6 000 元/a。

智能化無人值守：空壓機自動控制，AI 算法自主調(diào)參，設(shè)備優(yōu)先級動態(tài)決策，附屬設(shè)備智能控制。按需供氣，智能調(diào)機，省人提效。減少人工成本≥ 50%，60 000 元/a。

隱形成本：因壓縮空氣穩(wěn)定性及品質(zhì)不良導(dǎo)致增加的其他成本費用，包括：①車間產(chǎn)品不良成本費用；②氣動元件購買費用；③氣動設(shè)備維修費用；④氣動設(shè)備停機損失費用；⑤設(shè)備損壞提前購置費用。降低產(chǎn)值成本≥ 0.8%。

6.3 預(yù)期收益

通過計算分析，按現(xiàn)狀在不置換改造空壓機的狀態(tài)下，該廠空壓站房使用數(shù)智化控制模型后，可在原有的用電基礎(chǔ)上最少節(jié)省用電約37 萬元/a，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上至少節(jié)能5.4%。

7 結(jié)束語

隨著行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的深入，傳統(tǒng)的空壓系統(tǒng)運行模式已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)數(shù)字化，以及智能化的發(fā)展需求，空壓系統(tǒng)的數(shù)智化改造成為智能工廠建設(shè)的必然要求。通過對某卷煙廠空壓系統(tǒng)數(shù)智化控制模型進行研究，企業(yè)可在能源效率、成本節(jié)約和整體生產(chǎn)力方面取得顯著效益。

參考文獻

[1] 姚嵐，張東平，王紅梅，等. 企業(yè)空壓機節(jié)能改造技術(shù)[J].中國科技信息，2015（23）：69-70，54.