基于物联网技术的智慧空压机应用研究

万红生 孟源

摘 要：随着物联网通信技术和芯片研发的快速发展，工业物联网愈加得到各行各业的认可。空压机能够提供清洁能源，已经应用到多个领域，在市场中占有很大份额。因此，在政府倡导“智能制造2025”方针下，空压机与物联网、大数据、云计算等新兴技术的融合是必然趋势。文中通过对比研究物联网技术的性能和特点，构思物联网技术对传统空压机行业带来的革新，衍生出更加巧妙的空压机使用与运维方式，从低碳节能、高效产出、放心使用三个维度，对未来智慧空压机应用开展研究。

关键词：物联网技术;工业物联网;智能制造;空压机;应用;节能

中图分类号：TP391;TN393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

随着物联网技术的快速发展，设备连接入网已成为可能。由于无线网络使用便捷，设备可以轻松联网。尤其是5G网络和NB-IoT（窄带物联网）等技术的突破，物联网可以更大程度满足低功耗终端设备的需求[1]。通过物联网，终端设备能够进行遥信、遥测的数据上报。在大多数场景下，设备只是进行数据上行通信，而在个别情况下也存在遥控、遥调等控制需求。

空气压缩机（以下简称空压机）作为压缩气体产出源，已广泛应用到多种行业中[2]。但空压机能效问题以及维护保养是目前社会关注的重点。若空压机结合物联网技术，将赋予空压机崭新的工作模式[3]，使得整个空压机系统更加环保、安全和耐用。

1 空压机现状

1.1 空压机的定义

空压机是气源装置中的主体。它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。空压机已广泛用于制造业、纺织业、五金加工、木材家具、机械加工、医疗、印刷、冶金铸造及仪表等行业。现在常用的空压机有活塞式空压机、螺杆式空压机、离心式空压机以及滑片式空压机。大多数空压机不具备联网能力，主要作为气体压力的产出单元。中国空压机产量统计如图1所示。

1.2 空压机能耗现状

在工业生产中，空压机耗电量占据工厂总量的10%～20%，部分纺织行业工厂甚至高达35%，因此空压机系统成为节能工作的重点[4]。空压机至今已形成全球年销售额约110亿美元的市场份额，其中中国销售额达到近

50亿人民币。在能源日益萎缩和愈加注重环保的今天，能源浪费严重引起全社会的关注[5]，空压机能耗和如何节能环保成为我们急须解决的问题。空压机一般在使用中采取间歇式运行或空载运行来调节能量。频繁地间歇式启停运行会大大增加电能损耗，引起电网波动，同时也会影响设备寿命[6]。而空载运行不仅会加剧空压机的损耗，增加零器件的运行成本，也会造成全球能源的浪费。由此可见，空压机惯有使用方式存在的问题，及全球行业对于空压机的市场需求，使得空压机能耗的改进与技术升级成为空压机行业中的重中之重。

1.3 空压机现场问题

在使用过程中，空压机的问题主要表现在漏气严重、供给配置不合理、缺乏组合使用、工人用气成本意识[7]淡薄等方面。在泄露问题上，工厂供气量的15%～30%均被泄露浪费[8]，更有管理混乱的企业漏气量占比甚至超过50%。此外，现场管理人员没有意识到漏气造成损失的严重性。比如气管上如果有1 mm直径的漏气孔，每年漏气产生的用电量高达3 500 kw·h，相当于一个家庭两年的用电量[9]。

此外，也存在供给量远大于需求量的情况，绝大部分产气在容器中或者管路中被浪费。在缺乏级联控制条件下，空压机长期单机运行，加快了设备磨损，导致生产效率降低。设备长期投入使用也会使空压机温度过高，降低能效。从空压机使用周期来看，除了能耗成本以外，维护成本也占很大比重。由于空压机保养习惯与汽车相似，设备购买后需要定期保养维护。一般情况下，设备首次购入后，在使用500 h时进行“首保”，使用到3 000 h时进行定时保養。而由于空压机不易统计工作时长，对维保提出了较高要求，否则设备一旦出现故障，将导致设备无法供气，进一步影响工厂或企业的生产，造成巨大经济损失。

2 物联网技术的研究

2.1 物联网概念

物联网（ Internet of Things，IoT）是指将各种信息传感设备及系统，如传感器设备、RFID标签和其他智能终端的联网[10]，通过各种通信技术（如NB-IoT、Sigfox和5G等）与互联网结合起来而形成的一个巨大智能网络。互联网实现了人与人之间的交流，物联网则可以实现人与物的沟通和对话，实现物与物互相间的连接和交互。未来，随着科技发展和社会的不断进步，物联网将更快地融入到社会中，万物互联已成趋势。

2.2 物联网与空压机结合的可行性探讨

目前，空压机存在漏气严重、配置不合理、缺乏级联控制和难以准确保养等问题。而通过结合压力传感器获得气压变动的加速度曲线，从而感知整个空压机系统是否存在漏气点;通过气体流量计监测下端用气需求，从而灵活配置空压机系统;通过物联网通信能够在云端远程下发遥控信令，从而控制空压机的开关使得设备运行更合理。

综上，空压机系统与物联网的结合，能够让整个空压机系统形成闭环，感知更加丰富，运行更加高效。

3 基于物联网的空压机应用

3.1 空压机远程运维应用

空压机的运维保养非常关键，而空压机工作压缩气体因系统组成和下游用气量各异极不规律，因此空压机的运维保养变得非常艰难。

由于空压机基于物联网技术能够连接入网，因此每次工作时长都能够记录在云端。虽然空压机工作是离散不规律的，但是通过云端积分计算可以把离散的量累计起来，进而得到精准的工作时长，从而为空压机制造商、工厂或企业提供数据参考。制造商能够更好地服务空压机用户，空压机用户也能够更加放心地使用空压机设备。

3.2 空压机健康管理应用

空压机的安全稳定和保障设备的良好运行至关重要。由于现场工作环境十分复杂，诸如粉尘和空气质量差等，因而引起空压机设备故障的原因也多种多样。如果空压机出现“宕机”，导致工厂流水线或企业停工，经济损失十分巨大。因此，空压机非常迫切地需要从抢救性维修到预防性保护的转型。

在物联网通信通道建立后，空压机设备、系统配套传感器以及辅助设备可以通过设备接口向云端发送运行数据，比如设备当前温度、抖动振幅和频率、电流电压等。一旦空压机运行数据出现异常，空压机提前将报警通知发送至监管平台和移动端APP，从而起到预防性健康管理的作用。

3.3 空压机绿色低碳应用

在中大型工厂和企业当中，空压机多为主备切换管理。这会导致设备闲置，产生大量的资源浪费，提高了设备故障率，并且设备不断发热，空压机的压缩效率急剧下降，造气成本和碳排放量也随之增加。空压机系统能耗拓扑如图2所示。

因此，可以通过云端对空压机设备温度等数据进行监测，自动判断是否有其他“空闲”空压机设备进行切换。如果系统认为有备用设备可以切换，则将远程信令下发至“疲惫”空压机设备，令其停机冷却，同时命令备用空压机设备开始工作。这既保障了生产高效、绿色低碳的运行，也实现了主备设备间的无缝切换，确保企业稳定生产。

3.4 基于物聯网的空压机数据分析

为了验证与物联网技术结合的智慧空压机性能提升效果，我们在某纺织车间进行空压机系统物联网方案改造升级，并对生产用的压缩空气使用工况和原压缩空气气源站进行了标准周期的精密测量和改造分析。现场选择6条流水线共

12台空压机设备进行测试，具体配置参数见表1所列。

通过基于SaaS的物联网云平台数据观测，其中气体流量计数据显示，下游实际用气量远不足300 m3/min，并且现场存在备用设备资源闲置等现象。因此，在车间内对空压机设备配置进行调整，改造后配置参数见表2所列。

气电比是空压机衡量能效的重要指标，对车间空压机进行联网级联控制及远程优化生产等操作调整。通过科学的系统调优控制、合理轮歇和平衡下游用气供给量，显著提高了气电转化能力。测试数据见表3所列。

通过上述物联网与空压机结合的实际案例可以得出以下结论：空压机通过物联网将数据传到云端，能够为企业进行合理优化与方案配置提供决策依据;结合控制算法远程开关空压机设备，优化提升气电转化效率，为企业节约生产成本。

4 结 语

通过上述分析可知，空压机与物联网技术相结合切实可行。通过物联网技术，建立了设备与互联网平台通道。在空压机联网条件下，利用物联网通道可以实现无人值守、自动监管，为企业节约人力物力;此外，也改变了传统的工作模式，低碳环保。与传统空压机相比，基于物联网的空压机更加智能、环保、可靠，是产业转型升级的最佳选择。

参考文献

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