空压机智能控制系统的研究与应用

2021-01-08范高原青海盐湖镁业有限公司青海格尔木816099

化工管理 2021年25期

范高原(青海盐湖镁业有限公司，青海格尔木 816099)

0 引言

空气压缩机用于压缩空气的气压改变发生设备，与水泵的构造类似。现今比较常用的空压机是是永磁压缩机、旋转螺杆压缩机和离心压缩机。空压机的种类繁多，按工作原理可分为热力型、动力型、容积型三种类型；根据用途可分为空调压缩机、冰箱压缩机、天然气加气站用、矿用压缩机、船用压缩机、医用压缩机等。也可按型式、润滑方式和性能划分。螺杆压缩机属于回转容积式压缩机的一种，一般采用新型数控磨床，配合使用在线激光技术，使得制造公差较小，提高了空压机的可靠性，降低了压缩机在使用周期内的运行成本。其工作原理是根据两个带有螺旋型齿轮的转子相互啮合，使两个转子啮合处的面积与体积逐渐减小，带动空气压缩并排出。永磁变频压缩机是利用变频器的无级调速原理，即变频化的螺杆空压机，通过控制器内部的PID调节器，可实现启动平缓，保证运行可靠；变频压缩机适用于需要快速调节用气量的场合。双极永磁变频空压机是较为新型的空压机，其结合了双极压缩技术和永磁变频的特点，具有非常高的节能效率。而离心式压缩机属于速度型压缩机，采用径向的主气流(旋转叶轮的叶片在其侧面)，通过气体加速压缩空气[1-2]。

智能控制系统是以控制理论、控制技术、人工智能、信息理论等为基础，无需人为实时管控，能够实时监测与控制系统。传统控制方式仅采用单一方式对空压机等设备进行监测，很难自主应对系统所面临的操作环境变化等带来的种种问题。而智能控制系统可采用模糊控制算法，有效驱动被控对象，并随着环境的变化而调整控制系统之前的控制条件，使被控系统更加稳定。大多数研究者将模糊控制与PID控制相结合，形成了模糊PID控制器，不必对控制系统进行精确控制[3]。

1 空压机控制系统国内外研究现状

影响空压机的运行的参数复杂，现阶段仍然没有一个精确的数学模型模拟空压机的运行方式，而传统的控制方式是采用固定控制算法将整个控制系统置于一成不变的模型框架下，该控制方式很难对复杂系统进行控制。

1.1 空压机控制系统国内研究现状

国内空压机智能控制研究者采用时间片技术解决RS485控制节点优先级冲突的缺点，通过自主设计的软件算法根据空压机的工作压力控制空压机的卸载和停机时间来降低空压机的能耗，保证系统最佳运行。也有学者采用XMD614智能控制仪表与PLC可编程控制器取代空压机压力调节阀，目的是使空压机达到更加有效地控制，同时该系统抗干扰能力较强，可实现单机或者多机地稳定运行。有的学者采用SDR(开关磁阻调速系统)调节空压机的电机转速，通过外部压力的负反馈进行闭环控制，将压力信号变为标准电流信号，接入SDR控制器的模拟量输入端，可进行空压机压力比较，通过控制电机的转矩、转速等实现空压机出口压力的连续调节[4]。

1.2 空压机控制系统国外研究现状

德国博格压缩机有限公司研发的MCS7主控制器采用PLC控制器顺序轮换控制，使空压机与硬件进行通信，根据用气量大小与空压机的反应时间，来调整压差。西门子公司推出一种超小型可编程的控制器LOGO，集成了与、或、非等基本控制逻辑，同时能够完成技术与定时功能。可将其安装在U型导轨上代替继电器的使用。因而使用西门西LOGO控制器对空压机进行控制时，不仅可减少控制柜的体积，而且节省元器件，简化控制结构。国际上空压机的智能化控制技术以设计优化、自动变负荷控制、操作优化、过程监控与动态流程模拟等[5]。如Honeywell公式的TPS控制系统、Foxboro的I/A S 50系列控制系统、横河的CENTUM-CS控制系统以及西门子的PLC(可编程控制器)等，可实现变负荷控制，降低了用户的劳动强度，优化控制，节能降耗[6-8]。

国内对空压机的控制系统仍然通过不稳定的变频器设备控制，控制手段远远落后于国外，而且变频器的加工成本高，导致其使用与维护成本上升。而引进国外先进的控制技术与系统，其维护的成本较高，难以本土化，现有的较为先进的空压机监测系统是基于DCS组态软件Visual Field设计的监测系统，不仅应用方便，而且可大幅度提高国内空压机系统的应用控制效率，降低电能耗[3]。

2 空压机智能控制系统的应用

空压机集中控制系统一般是针对螺杆式压缩机的生产使用工艺要求，设计制造的自动化控制系统。采用上位机触摸，PLC控制器，根据空压机群配置信息，通过智能化的逻辑集中控制，达到节能降耗、精确控制和操作维护方便的功能与效用[9]。螺杆式空压机智能控制系统的特点是，可通过自我侦测检视系统与全机预警侦测系统，实时数字显示空压机运转中的压力、温度、负载时数，通过数字屏幕中显示运转状况，判断工序所需要的压力、温度，可直接在面板上设定。也可通过电脑连接网络远程监控实现多机连锁控制，显示故障停机记忆。

德耐尔公司研发的变频螺杆式空压机内置大量维护、监视与诊断功能，可以随时记录空压机故障数据，同时添加人性化的触屏设计，让用户操作更加智能与简单，同时可以远程联动控制。而台湾三碁电气公司所推出的空压机电脑智能控制器不仅适用于螺杆变频空压机，而且适用于螺杆永磁空压机。但螺杆式空压机在电厂机组应用中，运行效率较低，未能实现智能化控制。而升级为离心式空压机与压缩热再生吸附式干燥机，以及对电源改造后，实现了智能监控、能耗评估，可在移动端实时查看分析数据，为火电厂的稳定运行提供很大方便[10]。

3 空压机智能控制系统的节能应用

空压机系统节能技术原理包括生产需求最优压力供给、系统优化、余热回收等。空压机设备选型与机群的系统设计都是按最大负荷进行，但实际用气车间空气使用负荷是不断变化的，压缩空气系统使用率约65%，其余用气负荷的35%是以卸载方式运行，卸载运行功率能耗占总能耗9%～18%，造成以电能耗为主的能量消耗[9]。而空压机节能应用的生产需求最优压力供给，即空压机与用气车间被智能流量控制柜隔离，由智能流量控制系统实时监测用气流量，当出现用气高峰时，首先由储存压缩空气来满足车间用气，而不靠空压机来直接满足车间用气。空压机系统优化是指通过智能控制系统优化不同空压机的运行策略，提高整个空压机系统的运行效率；空压机余热回收是指将空压机运行时产生的大量压缩热通过热交换装置将其热量回收，并应用于生产生活热水中。也有研究者通过空压机集群节能优化控制的系统工程，采用应用优先权、流量匹配与时间均值控制模式与原则，优化了空压机机群的运行模式，重点解决了加工转换环节的智能控制问题，降低空压机能耗的功能[11-12]。而四川巨伦科技公司研发的空压机智能节电控制系统，能够实现智能控制空压机进行按需供气，在原有运行成本的基础上能够降低电能消耗成本的10%～30%。

随着节能环保观念与政策的不断深入与实施，空压机节能智能控制系统受到越来越多学者与制造者的关注。而节能控制系统应与监测系统相互融合与促进，才能提高控制系统的安全性、可靠性与经济性，实现空压机系统的高效运行[13]。