无油涡旋空压机性能测试系统设计与试验

汤易升 唐铭迪 李明帅

（1. 广东省高性能伺服系统企业重点实验室，珠海 519070；2.珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

无油涡旋空气压缩机作为当前最新形式的容积式压缩机，相比于其他类型空压机，具有结构紧凑、重量轻、体积小、噪声小、高效节能以及压缩气体洁净无污染等特点，被广泛应用于新能源汽车、食品加工、医疗以及电子等领域[1-2]。尤其是近年来，由于全球气候问题日益严重和不可再生能源的短缺，人们更加注重节能环保。国家加大实施推广新能源汽车力度，提高了电动车产业化水平，其中作为新能源汽车气源动力的无油空气压缩机得到了迅猛发展[3]。空压机作为设备提供压缩空气的动力装置，其性能直接影响设备及其气动元件的正常运行。准确测试空压机的排气压强、流量、电压、电流、功率以及比功率等主要指标，对于评价空压机的性能具有重要意义。其中，比功率表示在一定排气压强下每升排气量消耗的功率，用以衡量相同条件、介质的压缩机的经济性。相同条件下，比功率越高，消耗的电能越多，经济性越差。

目前，根据《容积式压缩机流量测试方法》（GB/T 15487—2015）中的ASME喷嘴测试法，结合NI公司的LabVIEW虚拟仪器技术建立参数自动化测试已进行了大量研究。

姜良银等重点研究了基于LabVIEW下自动实时采集数据、数据处理、报警设置和保存技术，实现了地铁空压机测试自动化[4]。陈建林根据LabVIEW软件及其硬件平台设计了活塞式空压机自动化测试系统，实现了对空压机可靠性的自动化测试[5]。金海军等主要介绍了基于LabVIEW软件的自动化系统的构成及试验流程的计算方法，实现了喷嘴系数的自动选择，具有快速、开放性好以及精度高的特点[6]。以上研究及应用主要集中在大流量空压机，对小流量空压机测试台和集成化研究较少。

空压机性能测试的难点主要体现在对排气压强的控制。排气压强不稳定会造成空压机工作不稳定，对空压机本身及其所在的系统的寿命和性能造成极大危害[7]，且快速调节和保持排气压强对减少测试时间也具有重要意义。

本文主要关注小流量涡旋空压机测试，通过LabVIEW软件及其硬件平台与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制、触摸屏技术相结合，实现空压机性能参数数据的实时采集和显示、自动记录保存、自动报警和断电的自动化性能测试，同时兼顾手动操作按钮，保证测试的安全性。优化结构设计与布局，做到集成化程度高和占地面积小。经过多次试验，结果表明系统稳定性好，测试数据精度高，验证了测试系统设计的正确性和合理性。

1 测试系统整体设计

根据《容积式压缩机流量测试方法》（GB/T 15487—2015）中式（17）（未计及冷凝水和空压机吸气压力等于试验处大气压的情况下）和《容积式压缩机验收试验》（GB/T 3853—2017）测量的要求，测试系统整体设计如图1所示。它可对测试过程中涉及的参数如吸气温度Tx1、吸气压强P1、排气压强P2、喷嘴上游气体温度T2和T3、喷嘴压差ΔP、喷嘴前压强P3、空压机电流I、电压V和有功功率W进行准确测试，便于空压机流量的自动计算。

1.1 系统的硬件设计

设计的测试系统由上位机和下位机组成。上位机采用LabVIEW软件及NI工控触摸屏进行设计。下位机由PLC控制系统、研华采集卡以及PID表等组成，可实现变频空压机和定频空压机的实时控制和测试，硬件组成如图2所示。NI工控触摸屏使用以太网通信，硬件控制系统使用RS-232/RS-485通信，通过RS-232/RS-422/RS-485-EtherNet总线转换进行上位机与下位机联动，实现数据传输与控制指令的下发。

图2 测试系统硬件组成

研华六路采集卡ADAM-4018+通过模/数（Analog/Digital，A/D）转换将温度变送器、热电偶传感器、压力/差压变送器测得的模拟量转换为数字量。选用的各传感器和变送器的精度远高于国标测试仪器误差要求，提高了测试精度。小野FT2500转速表配合加速度传感器，可实现空压机的转速测试。功率仪可对空压机的电压、电流和有功功率进行直接测试。欧姆龙PLC及其通信扩展模块通过控制交流接触器和继电器的通断，实现空压机的启停与报警显示。

PID控制由于结构简单、鲁棒性好、工作可靠以及调整方便的特点，已成为工业闭环控制的主要技术之一，可快速而精确地调节储气罐内排气压强。横河UT55A型PID表可实时显示储气罐内排气压强P2、喷嘴压差ΔP和吸气温度Tx1，同时通过设置的PID参数或者根据上位机设定值自动反馈控制电子调节阀，实现储气内排气压强快速而精确的调节。它具有自动/手动无扰动切换及双向通信功能，便于上位机控制电子调节阀，调节和显示测量值及阀位反馈值。为了减少干扰和信号的耗损，压力和差压变送器采用4～20 mA输出。

1.2 系统的软件设计

根据空压机实时控制和测试的要求，基于LabVIEW软件编写测试程序，系统程序流程如图3所示。

图3 系统程序流程图

试验台上电后启动系统，先对试验台进行自检和参数化，根据排查结果决定是否进行下一步测试。设置测试工况包括设置所测空压机产品参数及报警值，为试验中储气罐内排气压强的自动调节和空压机输入电流、功率、转速、温度等报警提供基础信息。参数监测将数据采集卡采集的数字信号进行均值滤波处理和计算，实时显示测试数据和计算结果，并对相关参数绘制变化曲线，便于操作人员观察和随时调整工况。根据设置的相关参数进行报警，控制空压机的启停及系统的运行。当测试参数达到设定工况即储气罐内排气压强达到设定值1%以内时，系统自动保存数据、生成EXCEL报表并保存至数据库，便于以后查询和打印报表。

1.3 软件操作界面与设备前面板设计

启动测试系统后，触摸屏操作界面如图4所示。软件设计界面友好，操作便利，功能齐全。设计界面分为参数监测、参数设置和状态监控3个部分。参数监测是对测试中相关参数瞬态值进行显示，并绘制变化曲线。各个变化曲线既可同时显示，也可单独显示，便于分析相关参数的整体变化趋势。参数设置主要以控制电子调节阀达到控制排气压强的目的。状态监控是对系统运行状态进行监控，监控空压机正常运行还是发生故障。如果空压机发生故障，程序自动控制空压机停机，也可手动控制，防止发生意外。

根据测试系统的软硬件设计，优化结构设计和布局，搭建完成集成化程度高、结构紧凑、外观美观大方、可移动的标准化测试台，如图5所示。测试台前面板按钮与触摸屏软件相对应，同样分为状态监控按钮和控制按钮。其中，控制按钮控制空压机本体和变频控制器的启停。当出现故障时，故障灯亮起，蜂鸣器报警，提醒操作者出现故障，此时可按下紧急停止按钮，停止试验。所有按钮分为触摸屏软按钮和试验台前面板实物按钮，方便操作，保证安全。

图5 测试台前面板外观

2 空压机性能测试试验

应用测试台对国产某款无油涡旋空压机进行试验验证。该款空压机使用三相异步电动机，标称排气量为355 L·min-1，排气压强不小于1 MPa。空压机要求能在不同工况下保持稳定高效的工装状态，因此测试了在不同排气压强下的性能。在常温和大气压下，测试负载压强从500 kPa变化到1 000 kPa。每次改变100 kPa时，测试空压机的性能数据如表1所示。

从表1数据可以看出：排气压强控制精度高，最大误差为0.2 kPa；空压机排气流量和转速随着排气压强的增大而线性减小，变化曲线如图6所示。流量和转速在无负载的情况即大气压下达到最大，其中大气压下最大流量与标称最大排气流量误差为1.98%。不同排气压强条件下，流量与转速成正相关关系，流量随着转速的增大而增大。功率和比功率随着排气压强的增大而线性增大，变化曲线如图7所示。比功率增大，意味着耗能增多。总体而言，随着排气压强的增大，转速降低，流量减小，消耗功率反而增大。这与一般异步电动机负载增加时引起转速降低、转差率上升、输入电流变大、电机功率上升的原理相符合[8]，从侧面验证了测试系统测试结构的正确性。

表1 空压机性能测试数据

图6 流量和转速随排气压强的变化

图7 功率和比功率随排气压强的变化

3 结语

根据国标的容积式压缩机测试原理，基于LabVIEW软件及其硬件平台与PLC及PID控制相结合设计的测试系统，实现了测试和调节控制的自动化。PID控制快速控制调节排气压强，保持排气压强的稳定性。相较于传统的空压机测试系统，排除了人为影响，测试更加准确，节约了时间，降低了测试成本。此外，优化结构设计，使得测试系统集成化程度较高，便于装置移动。

试验证明，排气压强对空压机流量有较大影响。对于使用异步电机的定频空压机，随着排气压强的增大，空压机转速和流量线性减小，功率和比功率线性增大，对空压机设计有一定的指导意义。