基于流量測量的壓縮空氣系統(tǒng)智能運行調(diào)控研究

葉寒生，顧宇，呂棟

（合肥科邁捷智能傳感技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230031）

壓縮空氣作為制造業(yè)從事生產(chǎn)作業(yè)最主要的動力能源之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，為了能夠滿足不同的需求，市場上可以提供不同型號、不同壓縮原理的空壓機。但是目前空壓機運行的基本邏輯是能夠提供穩(wěn)定、安全、可靠的具有一定壓力的壓縮空氣，最為普遍的螺桿空壓機自動運行邏輯是依靠壓力來判定空壓機加載和卸載的工作模式。其實在壓縮空氣領(lǐng)域范疇內(nèi)，壓力是作為該系統(tǒng)內(nèi)最重要的特征參數(shù)指標，但是其本質(zhì)是流量的大小，在一個動態(tài)平衡的壓縮空氣系統(tǒng)中，是流量的大小決定了系統(tǒng)內(nèi)的壓力是否達標。

當前壓縮空氣系統(tǒng)是以壓力為基準作為空壓機的運行狀態(tài)控制，其主要原因：第一，壓力的測量手段容易且測量成本較低；第二，壓力是壓縮空氣系統(tǒng)的特征指標，判斷標準明確；第三，用壓力作為基準，更能夠直觀地感受到系統(tǒng)的可靠性。但是只用壓力作為系統(tǒng)的基準同樣也會有缺點，系統(tǒng)發(fā)生泄漏的時候，只能通過多開機器來補充壓力，而無法提醒用戶系統(tǒng)有泄漏。

評價壓縮空氣系統(tǒng)其實壓力是特征指標，而本質(zhì)是壓縮空氣的氣量，可以嘗試研究在保證壓力的基礎(chǔ)上，通過流量來調(diào)配控制系統(tǒng)內(nèi)空壓機的運行狀態(tài)。精準的流量測量可以根據(jù)系統(tǒng)的用氣量來制定空壓機的運行規(guī)則，并可以實時判斷是否泄漏，是否供需平衡，評判壓縮空氣系統(tǒng)是否處于健康的運行狀態(tài)，最重要的是增加了壓縮空氣系統(tǒng)流量檢測，可以提升系統(tǒng)的節(jié)能效率，更準確的評價系統(tǒng)的節(jié)能量。

實施過程大致分為以下步驟。

1 壓縮空氣系統(tǒng)重要節(jié)點流量測量

壓縮空氣在生產(chǎn)作業(yè)應(yīng)用中是由氣源端和用氣端組成的閉合并且達成運行平衡的能源利用系統(tǒng)。一般的氣源端由一臺或者多臺空壓機組成，產(chǎn)生具有一定壓力的壓縮空氣，用氣端一般是從事生產(chǎn)作業(yè)需要消耗壓縮空氣作為動力能源手段來做功，當系統(tǒng)內(nèi)的消耗量和氣源端的產(chǎn)氣量達到平衡后，該系統(tǒng)就進入了穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

空壓機在實際運行中由于機組大小，維保情況，使用年限等很多因素會導致運行效率有較大差異，比功率（kW/(m3/min)）是作為評價空壓機能效的計量指標，想要測量真實的空壓機比功率就需要為每臺空壓機安裝計量用的電表和在出口處安裝渦街流量計，用來準確測量每一臺空壓機的真實運行能效。

壓縮空氣的具體使用場景非常多，當前討論以絕大多數(shù)消耗氣量作為動力介質(zhì)能源作為研究對象。用氣端可以分級計量，以廠房或車間為一級計量，每一條產(chǎn)線或工作組為二級計量，每一個終端為三級計量。在每個測量節(jié)點都安裝對應(yīng)的智能流量計，如果氣量比較小的節(jié)點處可以安裝熱式流量計或差壓流量計。流量計安裝完成后，通過計量應(yīng)該遵循產(chǎn)氣量等于用氣量，每個分級計量的流量也都大致相當。

2 邊緣服務(wù)器本地采集數(shù)據(jù)，匯總上傳云端分析

壓縮空氣系統(tǒng)在實際運行中，可以在本地增加邊緣服務(wù)器，該服務(wù)器在氣源端采集的數(shù)據(jù)包括空壓機的運行參數(shù)、空壓機產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)，空壓機的實時用電數(shù)據(jù)；在用氣端采集系統(tǒng)各流量節(jié)點的數(shù)據(jù)。

2.1 空壓機數(shù)據(jù)采集

當前市場上的空壓機幾乎都具備通訊功能，通訊協(xié)議采用RS485、CAN等形式，不同品牌不同型號的空壓機采用的通訊協(xié)議不一樣，筆者經(jīng)過多年的工作積累和協(xié)作交流，目前具備市場上95%的空壓機通訊協(xié)議對接。

針對空壓機實際的工作狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)分為“必采”參數(shù)和“選采”參數(shù)。“必采”參數(shù)是作為評判一臺空壓機最真實有效的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括“排氣壓力”“排氣溫度”“加載壓力”“卸載壓力”“加載時間”“卸載時間”“運行狀態(tài)”“加卸載狀態(tài)”，如果是變頻器還需要采集“目標壓力值”。

將不同品牌不同型號空壓機按照一定邏輯提前將數(shù)據(jù)通訊協(xié)議存放在云服務(wù)器，邊緣服務(wù)器需要對接空壓機的時候，需要通過手機App預(yù)先在云端系統(tǒng)建立一臺虛擬與之對應(yīng)的空壓機設(shè)備，并根據(jù)品牌和型號通過App將對應(yīng)的通訊協(xié)議加載到邊緣服務(wù)器中，邊緣服務(wù)器就會按照該協(xié)議來采集空壓機運行參數(shù)并發(fā)送到云服務(wù)器存儲。

2.2 流量計和電量數(shù)據(jù)采集

科邁捷流量計遵循標準Modbus通訊協(xié)議，所使用的智能電表也都遵循DL/T 645-2007協(xié)議，按照該協(xié)議將數(shù)據(jù)采集并上傳云端，該數(shù)據(jù)需要與在云服務(wù)器建立的空壓機數(shù)據(jù)與之一一對應(yīng)，這樣每一臺空壓機的真實運行能效得以計算，實時比功率=實時功率/瞬時流量，也可以計算出一段時間內(nèi)的產(chǎn)氣成本，即“單位能耗”=單位時間耗電量/單位時間累積產(chǎn)氣量。

2.3 用氣端流量數(shù)據(jù)采集

用氣端的流量數(shù)據(jù)采集需要與真實用氣場景一致，系統(tǒng)需要預(yù)先定義節(jié)點層級，并將每層節(jié)點位置所屬關(guān)系定義清楚，保證流量計在系統(tǒng)里展示的是該節(jié)點的計量數(shù)據(jù)。便于后續(xù)的計算分析。

3 將已有的數(shù)據(jù)根據(jù)真實的運行環(huán)境進行預(yù)處理

云服務(wù)已經(jīng)通過邊緣服務(wù)器拿到了整個壓縮空氣系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，需要將已有的關(guān)鍵參數(shù)進行分析，整合計算，建立數(shù)據(jù)關(guān)系，把不符合運行邏輯規(guī)則的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理清洗，通過數(shù)據(jù)還原整個壓縮空氣系統(tǒng)的運行過程，并且進行狀態(tài)標記，以便于后續(xù)的智能模型建立。

3.1 壓縮空氣系統(tǒng)氣源端重要參數(shù)定義

空壓機瞬時流量：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3…

空壓機單位時間累積流量：TF1，TF2，TF3…

空壓機實時壓力：P1，P2，P3…

空壓機實時運行狀態(tài)：運行/停機。

空壓機加卸載狀態(tài)：加載/卸載。

空壓機瞬時功率：W1，W2，W3…

空壓機單位時間耗電量：Q1，Q2，Q3…

空壓機瞬時比功率：n1，n2，n3…（n1=W1/F1）。

空壓機單位能耗：E1，E2，E3…（E1=Q1/TF1）。

壓縮空氣系統(tǒng)壓力：Ps。

壓縮空氣系統(tǒng)流量：Fs。

壓縮空氣系統(tǒng)單位時間累積流量：TFs。

壓縮空氣系統(tǒng)單位時間耗電量：TQs。

壓縮空氣系統(tǒng)單位能耗：Es（Es=TQs/TFs）。

在實際運行的過程中，Ps的波動大小是評價系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定程度；Es是評價一段時間內(nèi)系統(tǒng)的運行能效；n1，n2，n3的大小和波動值是評價單機空壓機的能效及運行穩(wěn)定程度；E1，E2，E3的大小表示空壓機的產(chǎn)氣能效。通過這些特征參數(shù)對每一臺空壓機進行重新定義，以備建模使用。

3.2 用氣端重要參數(shù)定義

車間節(jié)點壓力：P(I)，P(II)，P(III)…

車間節(jié)點瞬時流量：F(I)，F(xiàn)(II)，F(xiàn)(III)…

車間節(jié)點單位時間累積流量：TF(I)，TF(II)，TF(III)…

加工線體節(jié)點壓力：P(I-I)代表1車間1號線體的壓力，

P(II -IV)代表2車間4號線體的壓力。

加工線體節(jié)點瞬時流量：F(I-I)代表1車間1號線體的瞬時流量。

加工線體節(jié)點單位時間累積流量：TF(I-I)代表1車間1號線體的累積流量。

車間與對應(yīng)線體瞬時流量總和相當代表用氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于計量誤差，還要計算出兩個數(shù)據(jù)之間的計量率。如果對應(yīng)車間與線體的累積流量有差異，說明在使用過程有泄漏，要解決泄漏問題，再進行數(shù)據(jù)分析。通過車間與線體的壓力差可以得知實際運行的壓損，同時結(jié)合瞬時流量，可以找到壓損與瞬時流量的平衡點。

4 建立分析模型，通過大量的數(shù)據(jù)積累訓練優(yōu)化模型

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義完成后，通過這些數(shù)據(jù)需要建立一個以用氣端流量為初始值，以兩端壓力差的最小值為目標，匹配最優(yōu)能效的空壓機開機運行邏輯規(guī)則，達到壓縮空氣系統(tǒng)的最優(yōu)運行平衡狀態(tài)。

系統(tǒng)模型的建立流程圖如圖1：

圖1

5 將模型還原到實際工況中來驗證，進行實踐調(diào)整

將上述的該系統(tǒng)按照既定的方案在某一制造型企業(yè)進行實際驗證，該企業(yè)的氣源端有4臺空壓機，用氣段為2條不同的產(chǎn)線，目前只使用1條，并且在用氣端的總管處節(jié)點葉安裝了流量計過程如下。

5.1 準確計量空壓機流量

為氣源端的4臺空壓機安裝科邁捷VFM-60MV系列智能流量計，在線數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2

5.2 測量空壓機真實能效

為配套的空壓機安裝智能電表，并與流量計組合計算實時比功率；在線數(shù)據(jù)展示如圖3所示。

圖3

5.3 用氣端流量計量

系統(tǒng)針對歷史瞬時流量的統(tǒng)計，對流量值進行范圍劃分，找到符合運行規(guī)則邏輯的范圍，下圖4是從2021年10月28日到2021年11月03日運行的7天的用氣端匯總的流量數(shù)據(jù)和展示曲線。

圖4

5.4 系統(tǒng)分析過程

通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算分析，得出該用氣端的瞬時流量呈現(xiàn)出典型的2個流量數(shù)據(jù)范圍F∈（55-62，83-90），其中對應(yīng)的壓力P∈（0.57-0.65，0.65-0.73）；系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)如下圖5所示。

圖5

氣源端該時間段統(tǒng)計的結(jié)果如下圖6所示。

圖6

該系統(tǒng)的計量率λ=（236759+505086）/819848.9=90.48%

F∈（55-62）的用氣端與氣源端的匹配度η統(tǒng)計結(jié)果：84.16%

F∈（83-90）的用氣端與氣源端的匹配度η統(tǒng)計結(jié)果：88.23%

經(jīng)過一段時間的運行并根據(jù)流量匹配關(guān)系，通過Es值進行數(shù)據(jù)驗證，單位能耗是在呈現(xiàn)減小的趨勢（見圖7）。

圖7

6 結(jié)語

通過以上方法的理論研究和實際操作的經(jīng)驗結(jié)合，目前該方法對于生產(chǎn)成規(guī)模化的企業(yè)實用度比較高，壓縮空氣在這類型企業(yè)的使用范圍成階梯狀，可以智能分析出比較準確的流量值范圍，而且空壓站流量匹配度也比較合理，通過一定時間的模型優(yōu)化，可以起到壓縮空氣系統(tǒng)的智能優(yōu)化效果，達到一定的節(jié)能目的。