壓縮機自動化及測控技術研究

焦丹丹，李大尉，何冬青，姚順宇

(黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱 150001)

壓縮機是工業生產中較為常見的一種能量轉化裝置，是制冷系統的心臟，也是僅次于電力的第二大動力能源。壓縮機自動化管理，能實現電能、機械能、空氣能量的高效轉化，滿足工業生產、控制及管理需要。為進一步提升壓縮機的控制精度，保證能量之間轉化效率，應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，壓縮機自控系統包含了單機、控制器及壓縮機聯鎖控制系統等諸多單元[1]。壓縮機控制系統管理中，大多數具有基于自身運行、調節的特點，采用量身定做的控制器，該控制器對整個壓縮機的運行進行規范調節，確保壓縮機運行的高效性和能量調節的精確性。

工業生產中，壓縮機能從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，在電機運轉的支撐下，對氣體進行壓縮，通過排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為制冷循環提供動力，實現壓縮、冷凝、膨脹、蒸發的制冷循環。壓縮機在工業中的應用越來越廣泛，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%，所以急需進行壓縮機控制系統的自動化和節能創新。

2 壓縮機控制管理問題

壓縮機在生產生活中的應用較為廣泛，但是其控制系統存在較多問題，具體表現如下：

壓縮機設計中，管網系統的阻力計算具有一定的復雜性，這使得在氣量選型過程中，難以準確地估算末梢設備的氣量數據，末梢設備的氣量余量較大，容易導致壓縮機出現頻繁卸載、加載問題。壓縮機末梢設備所需的壓力具有一定的差異，實際生產中，較多設備將最高壓力值作為整個系統的運行標準值，使得系統壓力過剩情況明顯，造成了較大的能量損耗。壓縮機的品牌較多，使得在聯控管理中存在較大阻礙，設備自動啟動、停機及加卸載過程困難，同時，設備啟動、停機難以實現自動更替。此外，設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控制方式的應用存在局限性，控制規范性、精準性有待提升。

3 壓縮機自動化及測控技術要點

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鍵在于實現單片機系統自動控制的優化創新。應為壓縮機配備必要的PLC控制單元，給壓縮機內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，壓縮機能實現多個信息源的有效分析，經過控制程序分析，能夠系統展示可供選擇的控制指令，操作人員輸入控制指令后，壓縮機能與其他設備實現系統聯動。需要注意的是，在數控機床、醫療器械等特定場合中，設備往往采用獨立控制器進行管理運作，不需要與外界交換信息，只需內部固化的程序即可。

3.2 壓縮機自動化及測控系統硬件單元

工業生產中，基于生產需要，往往要將壓縮機的壓力值保持在一定范圍內，這就需要多臺壓縮機協調作用。傳統管理模式下，壓縮機驅動裝置采用不調速的交流異步電動機，即操作人員以用氣量的大小為基礎，來計算確定具體的壓縮機臺數。這種模式下，用氣量越大，壓縮機的啟停控制就越煩瑣，不僅增加了控制難度，還影響了壓縮機的使用壽命。

對壓縮機進行自動化設計時，要進行硬件系統的有效設計。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，在內部總線系統的連接下，實現了控制指令的高效顯示與傳播。就輸入側信號而言，包含了機側或控制室操作面板上的選擇開關按鈕，同時涉及設備限位開關。此外，接觸器輔助觸點、故障信號等都是輸入側信號的主要來源。在輸出信號管理中，啟動驅動壓縮機的主電機、啟動驅動油泵的輔助電機、冷卻水閥開啟鍵、進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、數模轉化模塊的有效運作，可為壓縮機自動化控制的實現提供有效的硬件支撐。

3.3 壓縮機自動化及測控系統軟件設計

壓縮機自動化及測控系統軟件設計，應重點關注操作方式及智能控制算法的設計[3]。系統操作方式應具備自動、手動兩種控制模式，同時，應實現機側和遠方兩種控制模式的調節，實現設備操作控制協同管理。需要注意的是，軟件操作順序控制中，應注重控制優先等級的有效規范，機側操作需由控制室操作，確保手動控制優先于自動控制，使操作人員能根據實際需要進行設備的及時調控。在設備智能算法控制中，首先應確保壓縮機壓力值的上限和下限間隔控制良好，為工業生產提供穩定氣源。聯動控制模式下，需要確保各個壓縮機運行時間基本相等，以延長系統使用壽命。還應盡可能地避免設備頻繁啟動，防止啟動電流對設備本身造成沖擊損害。

3.4 壓縮機測控功能實現

壓縮機自動化控制系統應具備以下功能，即通過自動控制系統的運行管理，顯示單元能夠直觀準確地顯示控制數據，為設備控制提供數據支撐。觸摸屏上應能較為準確地顯示運轉設備狀態，并增設必要的報警功能，提醒操作人員采取相應措施，以免發生設備故障。自動化控制模型下，壓縮機本身應具有一定的模擬量測點功能，即能實現機組運行歷史記錄和發展趨勢預測，為故障檢測提供指導。自動控制系統應使壓縮機的連鎖管理更加規范，確保系統控制的靈活性、有效性。

4 壓縮機自動化及測控技術應用

某大型企業在我國東部沿海地區設有工程，生產對冷氣的需求規模極大。在工業生產基地內，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，致使企業能耗較大，節能建設緩慢。

自2017年起，該企業進行了設備節能改造，所有壓縮機系統采用自動化控制管理系統。具體改造中，不僅進行了系統CPU控制模塊、輸入模塊、輸出模塊、數模轉化模塊的全面創新，優化了系統控制單元，還進行了系統均衡管線采點控制，使節能控制系統將壓差控制在0.3 bar以內，有效降低了企業能量損耗，實現了經濟效益增長。

5 結語

壓縮機自動化及測控管理對控制效果具有較大影響。只有充分認識到壓縮機自動化及測控技術創新的必要性，解決壓縮機的管理問題，進行軟硬件系統的全面優化，才能有效提升壓縮機自動化控制水平，保證壓縮機能量轉化效率，促進現代節能工業的有序發展。