壓縮機自動化及測控技術(shù)研究

焦丹丹，李大尉，何冬青，姚順宇

(黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150001)

壓縮機是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的一種能量轉(zhuǎn)化裝置，是制冷系統(tǒng)的心臟，也是僅次于電力的第二大動力能源。壓縮機自動化管理，能實現(xiàn)電能、機械能、空氣能量的高效轉(zhuǎn)化，滿足工業(yè)生產(chǎn)、控制及管理需要。為進(jìn)一步提升壓縮機的控制精度，保證能量之間轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)加強對壓縮機的自動化改造。

1 壓縮機控制原理

作為一種常見的從動的流體機械，壓縮機自控系統(tǒng)包含了單機、控制器及壓縮機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)等諸多單元[1]。壓縮機控制系統(tǒng)管理中，大多數(shù)具有基于自身運行、調(diào)節(jié)的特點，采用量身定做的控制器，該控制器對整個壓縮機的運行進(jìn)行規(guī)范調(diào)節(jié)，確保壓縮機運行的高效性和能量調(diào)節(jié)的精確性。

工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮機能從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，在電機運轉(zhuǎn)的支撐下，對氣體進(jìn)行壓縮，通過排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為制冷循環(huán)提供動力，實現(xiàn)壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)的制冷循環(huán)。壓縮機在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，但是在壓縮空氣過程中，其耗電量極大，占到了整個工廠電能消耗的30%，所以急需進(jìn)行壓縮機控制系統(tǒng)的自動化和節(jié)能創(chuàng)新。

2 壓縮機控制管理問題

壓縮機在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用較為廣泛，但是其控制系統(tǒng)存在較多問題，具體表現(xiàn)如下：

壓縮機設(shè)計中，管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力計算具有一定的復(fù)雜性，這使得在氣量選型過程中，難以準(zhǔn)確地估算末梢設(shè)備的氣量數(shù)據(jù)，末梢設(shè)備的氣量余量較大，容易導(dǎo)致壓縮機出現(xiàn)頻繁卸載、加載問題。壓縮機末梢設(shè)備所需的壓力具有一定的差異，實際生產(chǎn)中，較多設(shè)備將最高壓力值作為整個系統(tǒng)的運行標(biāo)準(zhǔn)值，使得系統(tǒng)壓力過剩情況明顯，造成了較大的能量損耗。壓縮機的品牌較多，使得在聯(lián)控管理中存在較大阻礙，設(shè)備自動啟動、停機及加卸載過程困難，同時，設(shè)備啟動、停機難以實現(xiàn)自動更替。此外，設(shè)備兩個壓差的間距控制存在一定誤差，造成空壓機逐一地投入或退出運行控制困難。當(dāng)前較多壓縮機啟動、停機、加載、卸載控制仍由人工操作，而控制室鍵盤輸入接口參數(shù)控制方式的應(yīng)用存在局限性，控制規(guī)范性、精準(zhǔn)性有待提升。

3 壓縮機自動化及測控技術(shù)要點

3.1 壓縮機自動化研究思路

人們對于壓縮機控制系統(tǒng)自動化管理的要求不斷提升，從控制過程來看，壓縮機自動化控制管理的關(guān)鍵在于實現(xiàn)單片機系統(tǒng)自動控制的優(yōu)化創(chuàng)新。應(yīng)為壓縮機配備必要的PLC控制單元，給壓縮機內(nèi)部固化一個能解釋梯形圖語言程序及輔助通信程序，以提升壓縮機的性能。

從作用機理來看，通信程序直接決定了壓縮機控制管理單元與外界信息交換的難易程度[2]。在通信程序支撐下，壓縮機能實現(xiàn)多個信息源的有效分析，經(jīng)過控制程序分析，能夠系統(tǒng)展示可供選擇的控制指令，操作人員輸入控制指令后，壓縮機能與其他設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動。需要注意的是，在數(shù)控機床、醫(yī)療器械等特定場合中，設(shè)備往往采用獨立控制器進(jìn)行管理運作，不需要與外界交換信息，只需內(nèi)部固化的程序即可。

3.2 壓縮機自動化及測控系統(tǒng)硬件單元

工業(yè)生產(chǎn)中，基于生產(chǎn)需要，往往要將壓縮機的壓力值保持在一定范圍內(nèi)，這就需要多臺壓縮機協(xié)調(diào)作用。傳統(tǒng)管理模式下，壓縮機驅(qū)動裝置采用不調(diào)速的交流異步電動機，即操作人員以用氣量的大小為基礎(chǔ)，來計算確定具體的壓縮機臺數(shù)。這種模式下，用氣量越大，壓縮機的啟?？刂凭驮綗┈崳粌H增加了控制難度，還影響了壓縮機的使用壽命。

對壓縮機進(jìn)行自動化設(shè)計時，要進(jìn)行硬件系統(tǒng)的有效設(shè)計。選擇壓縮機自動控制器時，多采用Q系PLC控制器，該控制器以觸摸屏作為人機交互界面，在內(nèi)部總線系統(tǒng)的連接下，實現(xiàn)了控制指令的高效顯示與傳播。就輸入側(cè)信號而言，包含了機側(cè)或控制室操作面板上的選擇開關(guān)按鈕，同時涉及設(shè)備限位開關(guān)。此外，接觸器輔助觸點、故障信號等都是輸入側(cè)信號的主要來源。在輸出信號管理中，啟動驅(qū)動壓縮機的主電機、啟動驅(qū)動油泵的輔助電機、冷卻水閥開啟鍵、進(jìn)氣閥等都是較為主要的輸出信號。通過CPU控制模塊、輸入模塊、輸出模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊的有效運作，可為壓縮機自動化控制的實現(xiàn)提供有效的硬件支撐。

3.3 壓縮機自動化及測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

壓縮機自動化及測控系統(tǒng)軟件設(shè)計，應(yīng)重點關(guān)注操作方式及智能控制算法的設(shè)計[3]。系統(tǒng)操作方式應(yīng)具備自動、手動兩種控制模式，同時，應(yīng)實現(xiàn)機側(cè)和遠(yuǎn)方兩種控制模式的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)設(shè)備操作控制協(xié)同管理。需要注意的是，軟件操作順序控制中，應(yīng)注重控制優(yōu)先等級的有效規(guī)范，機側(cè)操作需由控制室操作，確保手動控制優(yōu)先于自動控制，使操作人員能根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)備的及時調(diào)控。在設(shè)備智能算法控制中，首先應(yīng)確保壓縮機壓力值的上限和下限間隔控制良好，為工業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定氣源。聯(lián)動控制模式下，需要確保各個壓縮機運行時間基本相等，以延長系統(tǒng)使用壽命。還應(yīng)盡可能地避免設(shè)備頻繁啟動，防止啟動電流對設(shè)備本身造成沖擊損害。

3.4 壓縮機測控功能實現(xiàn)

壓縮機自動化控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能，即通過自動控制系統(tǒng)的運行管理，顯示單元能夠直觀準(zhǔn)確地顯示控制數(shù)據(jù)，為設(shè)備控制提供數(shù)據(jù)支撐。觸摸屏上應(yīng)能較為準(zhǔn)確地顯示運轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)，并增設(shè)必要的報警功能，提醒操作人員采取相應(yīng)措施，以免發(fā)生設(shè)備故障。自動化控制模型下，壓縮機本身應(yīng)具有一定的模擬量測點功能，即能實現(xiàn)機組運行歷史記錄和發(fā)展趨勢預(yù)測，為故障檢測提供指導(dǎo)。自動控制系統(tǒng)應(yīng)使壓縮機的連鎖管理更加規(guī)范，確保系統(tǒng)控制的靈活性、有效性。

4 壓縮機自動化及測控技術(shù)應(yīng)用

某大型企業(yè)在我國東部沿海地區(qū)設(shè)有工程，生產(chǎn)對冷氣的需求規(guī)模極大。在工業(yè)生產(chǎn)基地內(nèi)，采用3臺阿特拉斯·科普柯G A型號的噴油螺桿壓縮機，傳統(tǒng)控制管理中，這些壓縮機采用人工控制方式，控制難度較大，且難以將壓差控制在0.5 bar以內(nèi)，致使企業(yè)能耗較大，節(jié)能建設(shè)緩慢。

自2017年起，該企業(yè)進(jìn)行了設(shè)備節(jié)能改造，所有壓縮機系統(tǒng)采用自動化控制管理系統(tǒng)。具體改造中，不僅進(jìn)行了系統(tǒng)CPU控制模塊、輸入模塊、輸出模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊的全面創(chuàng)新，優(yōu)化了系統(tǒng)控制單元，還進(jìn)行了系統(tǒng)均衡管線采點控制，使節(jié)能控制系統(tǒng)將壓差控制在0.3 bar以內(nèi)，有效降低了企業(yè)能量損耗，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益增長。

5 結(jié)語

壓縮機自動化及測控管理對控制效果具有較大影響。只有充分認(rèn)識到壓縮機自動化及測控技術(shù)創(chuàng)新的必要性，解決壓縮機的管理問題，進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的全面優(yōu)化，才能有效提升壓縮機自動化控制水平，保證壓縮機能量轉(zhuǎn)化效率，促進(jìn)現(xiàn)代節(jié)能工業(yè)的有序發(fā)展。