压缩机自动化及测控技术研究

2021-01-13焦丹丹李大尉何冬青姚顺宇

黑龙江科学 2021年6期

焦丹丹，李大尉，何冬青，姚顺宇

(黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150001)

压缩机是工业生产中较为常见的一种能量转化装置，是制冷系统的心脏，也是仅次于电力的第二大动力能源。压缩机自动化管理，能实现电能、机械能、空气能量的高效转化，满足工业生产、控制及管理需要。为进一步提升压缩机的控制精度，保证能量之间转化效率，应加强对压缩机的自动化改造。

1 压缩机控制原理

作为一种常见的从动的流体机械，压缩机自控系统包含了单机、控制器及压缩机联锁控制系统等诸多单元[1]。压缩机控制系统管理中，大多数具有基于自身运行、调节的特点，采用量身定做的控制器，该控制器对整个压缩机的运行进行规范调节，确保压缩机运行的高效性和能量调节的精确性。

工业生产中，压缩机能从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，在电机运转的支撑下，对气体进行压缩，通过排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力，实现压缩、冷凝、膨胀、蒸发的制冷循环。压缩机在工业中的应用越来越广泛，但是在压缩空气过程中，其耗电量极大，占到了整个工厂电能消耗的30%，所以急需进行压缩机控制系统的自动化和节能创新。

2 压缩机控制管理问题

压缩机在生产生活中的应用较为广泛，但是其控制系统存在较多问题，具体表现如下：

压缩机设计中，管网系统的阻力计算具有一定的复杂性，这使得在气量选型过程中，难以准确地估算末梢设备的气量数据，末梢设备的气量余量较大，容易导致压缩机出现频繁卸载、加载问题。压缩机末梢设备所需的压力具有一定的差异，实际生产中，较多设备将最高压力值作为整个系统的运行标准值，使得系统压力过剩情况明显，造成了较大的能量损耗。压缩机的品牌较多，使得在联控管理中存在较大阻碍，设备自动启动、停机及加卸载过程困难，同时，设备启动、停机难以实现自动更替。此外，设备两个压差的间距控制存在一定误差，造成空压机逐一地投入或退出运行控制困难。当前较多压缩机启动、停机、加载、卸载控制仍由人工操作，而控制室键盘输入接口参数控制方式的应用存在局限性，控制规范性、精准性有待提升。

3 压缩机自动化及测控技术要点

3.1 压缩机自动化研究思路

人们对于压缩机控制系统自动化管理的要求不断提升，从控制过程来看，压缩机自动化控制管理的关键在于实现单片机系统自动控制的优化创新。应为压缩机配备必要的PLC控制单元，给压缩机内部固化一个能解释梯形图语言程序及辅助通信程序，以提升压缩机的性能。

从作用机理来看，通信程序直接决定了压缩机控制管理单元与外界信息交换的难易程度[2]。在通信程序支撑下，压缩机能实现多个信息源的有效分析，经过控制程序分析，能够系统展示可供选择的控制指令，操作人员输入控制指令后，压缩机能与其他设备实现系统联动。需要注意的是，在数控机床、医疗器械等特定场合中，设备往往采用独立控制器进行管理运作，不需要与外界交换信息，只需内部固化的程序即可。

3.2 压缩机自动化及测控系统硬件单元

工业生产中，基于生产需要，往往要将压缩机的压力值保持在一定范围内，这就需要多台压缩机协调作用。传统管理模式下，压缩机驱动装置采用不调速的交流异步电动机，即操作人员以用气量的大小为基础，来计算确定具体的压缩机台数。这种模式下，用气量越大，压缩机的启停控制就越烦琐，不仅增加了控制难度，还影响了压缩机的使用寿命。

对压缩机进行自动化设计时，要进行硬件系统的有效设计。选择压缩机自动控制器时，多采用Q系PLC控制器，该控制器以触摸屏作为人机交互界面，在内部总线系统的连接下，实现了控制指令的高效显示与传播。就输入侧信号而言，包含了机侧或控制室操作面板上的选择开关按钮，同时涉及设备限位开关。此外，接触器辅助触点、故障信号等都是输入侧信号的主要来源。在输出信号管理中，启动驱动压缩机的主电机、启动驱动油泵的辅助电机、冷却水阀开启键、进气阀等都是较为主要的输出信号。通过CPU控制模块、输入模块、输出模块、数模转化模块的有效运作，可为压缩机自动化控制的实现提供有效的硬件支撑。

3.3 压缩机自动化及测控系统软件设计

压缩机自动化及测控系统软件设计，应重点关注操作方式及智能控制算法的设计[3]。系统操作方式应具备自动、手动两种控制模式，同时，应实现机侧和远方两种控制模式的调节，实现设备操作控制协同管理。需要注意的是，软件操作顺序控制中，应注重控制优先等级的有效规范，机侧操作需由控制室操作，确保手动控制优先于自动控制，使操作人员能根据实际需要进行设备的及时调控。在设备智能算法控制中，首先应确保压缩机压力值的上限和下限间隔控制良好，为工业生产提供稳定气源。联动控制模式下，需要确保各个压缩机运行时间基本相等，以延长系统使用寿命。还应尽可能地避免设备频繁启动，防止启动电流对设备本身造成冲击损害。

3.4 压缩机测控功能实现

压缩机自动化控制系统应具备以下功能，即通过自动控制系统的运行管理，显示单元能够直观准确地显示控制数据，为设备控制提供数据支撑。触摸屏上应能较为准确地显示运转设备状态，并增设必要的报警功能，提醒操作人员采取相应措施，以免发生设备故障。自动化控制模型下，压缩机本身应具有一定的模拟量测点功能，即能实现机组运行历史记录和发展趋势预测，为故障检测提供指导。自动控制系统应使压缩机的连锁管理更加规范，确保系统控制的灵活性、有效性。

4 压缩机自动化及测控技术应用

某大型企业在我国东部沿海地区设有工程，生产对冷气的需求规模极大。在工业生产基地内，采用3台阿特拉斯·科普柯G A型号的喷油螺杆压缩机，传统控制管理中，这些压缩机采用人工控制方式，控制难度较大，且难以将压差控制在0.5 bar以内，致使企业能耗较大，节能建设缓慢。

自2017年起，该企业进行了设备节能改造，所有压缩机系统采用自动化控制管理系统。具体改造中，不仅进行了系统CPU控制模块、输入模块、输出模块、数模转化模块的全面创新，优化了系统控制单元，还进行了系统均衡管线采点控制，使节能控制系统将压差控制在0.3 bar以内，有效降低了企业能量损耗，实现了经济效益增长。