自動沖壓線雙空壓機系統的研究與應用

牛同威

（一汽轎車股份有限公司，吉林 長春 130000）

自動沖壓線使用的高壓壓縮空氣具有用氣量大、用氣點多的特點，通常儲存于一個或多個壓力容器內，其氣體供給由活塞式空壓機提供，傳統氣源設計方案為單臺空壓機增壓空氣后存儲于壓力容器內，再供應系統其它用氣部位。該種方案由于空壓機運行時間較長，故障率較高，包括電機過熱、泵頭磨損、皮帶老化等，并且一旦損壞，更換和恢復的時間花費較多。雙空壓機系統的空氣供給方案，通過均衡兩臺壓縮機的運行時間，降低單臺設備運行負荷，可實現不同壓力條件下的自動切換，以完成系統壓縮空氣的供應。

1 雙空壓機系統

1.1 雙空壓機系統運行時間分析

對于空壓機系統來說，啟停條件是由安裝于壓力容器上的電子壓力傳感器決定的，根據壓力容器內的氣體壓力，判斷整個系統氣壓的充足與否。傳感器選型為IFM公司產品PN5002，測量范圍0～100bar，對于氣體介質來說，最大壓力為25bar。

由于壓力容器內的氣體壓力是一個波動值，采用遲滯功能有助于穩定開關輸出狀態，設置開點（SP）和關點（rP），為了保證系統壓力在一定范圍達到使用需求，設定空壓機在容器壓力回落至關點（rp）時應開始工作，當壓力上升至開點（SP）時應停止工作。在保障出口氣體壓力基本相同的前提下，單空壓機系統選用功率較大的電動機（M0）作為原動力，雙空壓機系統對應選用兩臺較小功率電動機（M1+M2）作為原動力，假定兩種系統所處工況一致，則根據該原則可得到單空壓機系統和雙空壓機系統的運行時序圖，如圖1。

圖1 單空壓機系統與雙空壓機系統運行時序圖

引入參數q，定義為空壓機在一個運行周期內的空閑時間與運行時間的比值，q值越大，表明運行周期內設備承載運行壓力越小。令單空壓機、雙空壓機系統中q分別為q1和q2。

（1）一般工作狀態。系統壓降可通過單臺空壓機工作進行補償，通常運行時間小于空閑時間。單空壓機系統中空壓機M0的運行時間為Tw，雙空壓機系統中單臺空壓機M1（或M2）的運行時間為2Tw，兩種系統中空壓機的空閑時間為Tf。

在單空壓機系統中，M0連續兩次運行的時間間隔為Tf，則。

在雙空壓機系統中，M1與M2交替運行，針對其中一臺空壓機，連續兩次運行的時間間隔為2Tw+2Tf，則

可以看到，一般工作狀態下，雙空壓機系統中盡管空壓機每次運行的時間變長，但兩次運行的時間間隔相比單空壓機系統大大增加，導致其q值大于單空壓機系統。

（2）重載工作狀態。系統壓降無法通過單臺空壓機工作進行補償，通常運行時間大于空閑時間。單空壓機系統中空壓機M0的運行時間為Tw，雙空壓機系統中空壓機運行時間包括兩部分，即單臺空壓機M1（或M2）的運行時間Tw1和兩臺空壓機（M1+M2）共同運行時間Tw，兩種系統中空壓機的空閑時間為Tf。

在單空壓機系統中，M0連續兩次運行的時間間隔為Tf，

在雙空壓機系統中，壓力下降初期投入一臺空壓機（M1或M2）運行，壓力持續下降后兩臺空壓機（M1+M2）共同運行。針對其中一臺空壓機，連續兩次運行的時間間隔包括兩種情況，兩種情況是交替進行的。

①運行Tw+Tw1后，與下一次運行時間間隔為Tf+Tw1，則

針對該種情況，q2可經由運算得到以下結果：

②運行Tw后，與下一次運行時間間隔為Tf，

圖2 雙空壓機系統氣動原理圖

綜合以上，無論在何種工作狀態下，雙空壓機系統中空壓機的使用時間和頻率均低于單空壓機系統，避免了設備長期連續的運行損耗，有利于延長設備的使用壽命、降低電機及活塞式泵頭故障率。同時在雙空壓機系統中對其中一臺空壓機進行更換或維修時，并不影響整體系統運行，基本消除了設備停機。

1.2 雙空壓機系統結構設計

外界低壓供氣壓力6bar，根據空壓機選型不同也可以采用直接由空氣供氣。氣體通過兩組獨立的空壓機系統進行加壓，將壓縮空氣送入壓力存儲容器內，壓力容器上安裝有壓力傳感器，通過采集壓力狀態送入PLC用以控制空壓機的接通和切換。雙空壓機系統氣動原理圖如圖2。

針對空壓機1（M11）和空壓機2（M12），Y13、Y14分別為氣源接通電磁閥，可控制外界供氣的通斷；Y15、Y16分別為無壓啟動電磁閥，在空壓機剛開始啟動的10s內，電磁閥接通，空壓機不向壓力容器內供給壓縮空氣，當空壓機穩定運行時，開始向壓縮容器內供氣；F14、F15分別為潤滑油位檢測傳感器，檢查泵頭內潤滑油油量防止嚴重機械磨損。

F11安裝于外界供氣管路，檢測氣體供應壓力是否滿足要求；F12安裝于壓縮容器通往系統管路，采用雙通道，分別檢測雙空壓機系統的低壓供氣壓力（Hno，5.5-4.5bar）與高壓供氣壓力（Hno，16-15.5bar），外界供氣可直接通過單向閥對壓力容器進行充壓，當預充氣完畢后，控制Y11、Y12接通切換為壓力容器向系統供氣；F13、F14安裝于壓力容器上，其中F13采用單通道（Hnc，25-23bar），F14采用雙通道（Hnc，24-21bar；Hno，16-15.5bar），作為判斷雙空壓機運行的前提條件。

2 雙空壓機運行控制

2.1 空壓機投切規則

雙空壓機系統（M1+M2）中兩臺空壓機的投入和切除時機是由系統壓力值決定的，根據壓力容器內部的壓力范圍可將系統分為3種壓力狀態（P1、P2、P3），與其對應有3種空壓機運行狀態（C1、C2、C3）。3種狀態的對應關系如下：①壓力充足狀態P1—＞2臺空壓機均不運行C1；②壓力欠缺狀態P2—＞一臺空壓機運行C2；③壓力不足狀態P3—＞2臺空壓機均運行C3。

其中壓力充足狀態P1指壓力達到25bar后，不低于23bar的狀態。壓力欠缺狀態P2指壓力下降低于23bar，但高于21bar的狀態。壓力不足狀態P3是指系統壓力低于21bar的狀態。

空壓機運行狀態與壓力波動關系示意圖如圖3。

圖3 空壓機投切時機與壓力關系圖

雙空壓機的投切采取交替運行的方式，幾種不同工況下的投切方式如下：①當系統首次補充壓力（P3）情況下（即從未達到峰值25bar），采取兩臺空壓機共同運行方式（C3）；②當系統達到壓力峰值25bar時，兩臺空壓機進入休眠狀態，在壓力下降不低于23bar之前（P1），兩臺空壓機均不運行（C1）；③隨著系統氣體的使用，壓力低于23bar時（P2），采取一臺空壓機運行方式（C2），該臺空壓機加壓使系統壓力升高，再次達到25bar時，空壓機進入休眠狀態（C1）；④下一個循環周期，壓力從25bar下降再次低于23bar時（P2），切換為另一臺空壓機運行方式（C2）；⑤當系統重載工作，即一臺空壓機運行無法補充氣體消耗，隨著系統壓力持續下降低于21bar時（P3），采取兩臺空壓機共同運行方式（C3）。

2.2 空壓機均衡投入

理想雙空壓機系統中兩臺空壓機的運行時間接近一致，稱為空壓機的均衡投入。當處于P1和P3狀態時，2臺空壓機的運行狀態一致，運行時間無差異，僅當處于P2狀態時，兩臺空壓機運行狀態不一致，運行時間產生差異。實現空壓機的均衡投入即在P2狀態下平衡兩臺空壓機的運行時間，這需要在每個工作周期開始前判斷該空壓機是否參與上個工作周期，實現兩臺空壓機交替參與工作周期。

2臺空壓機均衡參與工作周期的4個原則為：原則①：1臺空壓機的工作周期（升壓至25bar）已完成才能進入另1臺空壓機的工作周期；原則②：切換選擇在一個工作周期內不發生變化，直至下一個工作周期開始；原則③：壓力欠缺時開始切換選擇；原則④：參與上一個工作周期的空壓機不參與本次工作周期。

需要3個條件完成均衡切換：①壓力測量傳感器（I23.3），設定壓力，判斷工作周期的起止壓力點；②切換前提標志位（M46.1），判斷上一臺空壓機是否完成工作周期；③空壓機選擇標志（M46.0），儲存當前選擇狀態，表示選擇哪臺空壓機，為1表示空壓機1工作，為0表示空壓機2工作。PLC程序如圖4。

圖4 空壓機均衡切換選擇

其中I23.3采用PN5002傳感器輸出的數字量信號，設定SP為25bar，rP為23bar，信號模式采用Hnc，即滯后模式常閉：壓力高于25bar時輸出低電平，壓力低于23bar時輸出高電平。

系統在首次升壓達到25bar后開始進入均衡投入狀態。切換前提標志位（M46.1）在當壓力達到25bar時置位1，即上一臺空壓機已完成工作周期，允許切換動作執行，滿足原則①；當壓力低于23bar時，I23.3接通，允許空壓機切換選擇，滿足原則③；若上一個周期空壓機1未參與工作（M46.0初始狀態為0），則置位空壓機1選擇（M46.0），令空壓機1參與此次工作周期，滿足原則④，同時復位切換前提標志位（M46.1），鎖定此次工作周期的空壓機狀態，滿足原則②；同理，若上一個周期空壓機1參與工作（M46.0初始狀態為1），則復位空壓機1選擇（M46.0），令空壓機2參與此次工作周期，同時復位切換前提標志位（M46.1），鎖定此次工作周期的空壓機選擇狀態，以此實現兩臺空壓機交替切換投入使用。

2.3 空壓機運行控制

空壓機運行控制程序可分為三部分，即接通前提、工況判斷、設備啟動。

接通前提包括判斷兩臺空壓機保護斷路器是否脫扣、外界氣體供給壓力是否正常（可選擇）、預充壓是否達到壓力（可選擇）、空氣干燥器運行是否正常、兩臺空壓機潤滑油位是否正常。

工況判斷包括兩部分，其一是系統首次充壓，即空壓機在初始啟動狀態，此時兩臺空壓機的接通邏輯一致，一起運行；其二是系統壓力達到25bar之后，激活均衡選擇切換程序，壓力在21-23bar時啟動一臺空壓機運行，通過選擇標志M46.0進行空壓機1和2的切換運行，壓力在低于21bar后，兩臺空壓機接通邏輯一致，一起運行。

設備啟動包括兩部分，其一是動力接通，即同時接通供氣電磁閥與空壓機主接觸器，空壓機啟動運行；其二是無壓啟動，即空壓機啟動運行10s時間段內空壓機產生的壓縮氣體直接排出至大氣，不進入壓縮容器，當空壓機入口出口壓力接近一致時，出口電磁閥得電換向，空壓機系統開始向壓力容器內供氣。

兩臺空壓機接通控制程序如圖5。

圖5 空壓機接通控制

4 結語

無論是對自動沖壓線整體供氣還是區域供氣，雙空壓機系統相對于單空壓機系統都有著獨特的優勢，該方案可有效延長設備使用壽命，大幅降低故障發生頻次和故障恢復時間，對壓機線氣動系統的穩定性有著重要意義。