無油渦旋空壓機性能測試系統設計與試驗

湯易升 唐銘迪 李明帥

（1. 廣東省高性能伺服系統企業重點實驗室，珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

無油渦旋空氣壓縮機作為當前最新形式的容積式壓縮機，相比于其他類型空壓機，具有結構緊湊、重量輕、體積小、噪聲小、高效節能以及壓縮氣體潔凈無污染等特點，被廣泛應用于新能源汽車、食品加工、醫療以及電子等領域[1-2]。尤其是近年來，由于全球氣候問題日益嚴重和不可再生能源的短缺，人們更加注重節能環保。國家加大實施推廣新能源汽車力度，提高了電動車產業化水平，其中作為新能源汽車氣源動力的無油空氣壓縮機得到了迅猛發展[3]。空壓機作為設備提供壓縮空氣的動力裝置，其性能直接影響設備及其氣動元件的正常運行。準確測試空壓機的排氣壓強、流量、電壓、電流、功率以及比功率等主要指標，對于評價空壓機的性能具有重要意義。其中，比功率表示在一定排氣壓強下每升排氣量消耗的功率，用以衡量相同條件、介質的壓縮機的經濟性。相同條件下，比功率越高，消耗的電能越多，經濟性越差。

目前，根據《容積式壓縮機流量測試方法》（GB/T 15487—2015）中的ASME噴嘴測試法，結合NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術建立參數自動化測試已進行了大量研究。

姜良銀等重點研究了基于LabVIEW下自動實時采集數據、數據處理、報警設置和保存技術，實現了地鐵空壓機測試自動化[4]。陳建林根據LabVIEW軟件及其硬件平臺設計了活塞式空壓機自動化測試系統，實現了對空壓機可靠性的自動化測試[5]。金海軍等主要介紹了基于LabVIEW軟件的自動化系統的構成及試驗流程的計算方法，實現了噴嘴系數的自動選擇，具有快速、開放性好以及精度高的特點[6]。以上研究及應用主要集中在大流量空壓機，對小流量空壓機測試臺和集成化研究較少。

空壓機性能測試的難點主要體現在對排氣壓強的控制。排氣壓強不穩定會造成空壓機工作不穩定，對空壓機本身及其所在的系統的壽命和性能造成極大危害[7]，且快速調節和保持排氣壓強對減少測試時間也具有重要意義。

本文主要關注小流量渦旋空壓機測試，通過LabVIEW軟件及其硬件平臺與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制、觸摸屏技術相結合，實現空壓機性能參數數據的實時采集和顯示、自動記錄保存、自動報警和斷電的自動化性能測試，同時兼顧手動操作按鈕，保證測試的安全性。優化結構設計與布局，做到集成化程度高和占地面積小。經過多次試驗，結果表明系統穩定性好，測試數據精度高，驗證了測試系統設計的正確性和合理性。

1 測試系統整體設計

根據《容積式壓縮機流量測試方法》（GB/T 15487—2015）中式（17）（未計及冷凝水和空壓機吸氣壓力等于試驗處大氣壓的情況下）和《容積式壓縮機驗收試驗》（GB/T 3853—2017）測量的要求，測試系統整體設計如圖1所示。它可對測試過程中涉及的參數如吸氣溫度Tx1、吸氣壓強P1、排氣壓強P2、噴嘴上游氣體溫度T2和T3、噴嘴壓差ΔP、噴嘴前壓強P3、空壓機電流I、電壓V和有功功率W進行準確測試，便于空壓機流量的自動計算。

1.1 系統的硬件設計

設計的測試系統由上位機和下位機組成。上位機采用LabVIEW軟件及NI工控觸摸屏進行設計。下位機由PLC控制系統、研華采集卡以及PID表等組成，可實現變頻空壓機和定頻空壓機的實時控制和測試，硬件組成如圖2所示。NI工控觸摸屏使用以太網通信，硬件控制系統使用RS-232/RS-485通信，通過RS-232/RS-422/RS-485-EtherNet總線轉換進行上位機與下位機聯動，實現數據傳輸與控制指令的下發。

圖2 測試系統硬件組成

研華六路采集卡ADAM-4018+通過模/數（Analog/Digital，A/D）轉換將溫度變送器、熱電偶傳感器、壓力/差壓變送器測得的模擬量轉換為數字量。選用的各傳感器和變送器的精度遠高于國標測試儀器誤差要求，提高了測試精度。小野FT2500轉速表配合加速度傳感器，可實現空壓機的轉速測試。功率儀可對空壓機的電壓、電流和有功功率進行直接測試。歐姆龍PLC及其通信擴展模塊通過控制交流接觸器和繼電器的通斷，實現空壓機的啟停與報警顯示。

PID控制由于結構簡單、魯棒性好、工作可靠以及調整方便的特點，已成為工業閉環控制的主要技術之一，可快速而精確地調節儲氣罐內排氣壓強。橫河UT55A型PID表可實時顯示儲氣罐內排氣壓強P2、噴嘴壓差ΔP和吸氣溫度Tx1，同時通過設置的PID參數或者根據上位機設定值自動反饋控制電子調節閥，實現儲氣內排氣壓強快速而精確的調節。它具有自動/手動無擾動切換及雙向通信功能，便于上位機控制電子調節閥，調節和顯示測量值及閥位反饋值。為了減少干擾和信號的耗損，壓力和差壓變送器采用4～20 mA輸出。

1.2 系統的軟件設計

根據空壓機實時控制和測試的要求，基于LabVIEW軟件編寫測試程序，系統程序流程如圖3所示。

圖3 系統程序流程圖

試驗臺上電后啟動系統，先對試驗臺進行自檢和參數化，根據排查結果決定是否進行下一步測試。設置測試工況包括設置所測空壓機產品參數及報警值，為試驗中儲氣罐內排氣壓強的自動調節和空壓機輸入電流、功率、轉速、溫度等報警提供基礎信息。參數監測將數據采集卡采集的數字信號進行均值濾波處理和計算，實時顯示測試數據和計算結果，并對相關參數繪制變化曲線，便于操作人員觀察和隨時調整工況。根據設置的相關參數進行報警，控制空壓機的啟停及系統的運行。當測試參數達到設定工況即儲氣罐內排氣壓強達到設定值1%以內時，系統自動保存數據、生成EXCEL報表并保存至數據庫，便于以后查詢和打印報表。

1.3 軟件操作界面與設備前面板設計

啟動測試系統后，觸摸屏操作界面如圖4所示。軟件設計界面友好，操作便利，功能齊全。設計界面分為參數監測、參數設置和狀態監控3個部分。參數監測是對測試中相關參數瞬態值進行顯示，并繪制變化曲線。各個變化曲線既可同時顯示，也可單獨顯示，便于分析相關參數的整體變化趨勢。參數設置主要以控制電子調節閥達到控制排氣壓強的目的。狀態監控是對系統運行狀態進行監控，監控空壓機正常運行還是發生故障。如果空壓機發生故障，程序自動控制空壓機停機，也可手動控制，防止發生意外。

根據測試系統的軟硬件設計，優化結構設計和布局，搭建完成集成化程度高、結構緊湊、外觀美觀大方、可移動的標準化測試臺，如圖5所示。測試臺前面板按鈕與觸摸屏軟件相對應，同樣分為狀態監控按鈕和控制按鈕。其中，控制按鈕控制空壓機本體和變頻控制器的啟停。當出現故障時，故障燈亮起，蜂鳴器報警，提醒操作者出現故障，此時可按下緊急停止按鈕，停止試驗。所有按鈕分為觸摸屏軟按鈕和試驗臺前面板實物按鈕，方便操作，保證安全。

圖5 測試臺前面板外觀

2 空壓機性能測試試驗

應用測試臺對國產某款無油渦旋空壓機進行試驗驗證。該款空壓機使用三相異步電動機，標稱排氣量為355 L·min-1，排氣壓強不小于1 MPa。空壓機要求能在不同工況下保持穩定高效的工裝狀態，因此測試了在不同排氣壓強下的性能。在常溫和大氣壓下，測試負載壓強從500 kPa變化到1 000 kPa。每次改變100 kPa時，測試空壓機的性能數據如表1所示。

從表1數據可以看出：排氣壓強控制精度高，最大誤差為0.2 kPa；空壓機排氣流量和轉速隨著排氣壓強的增大而線性減小，變化曲線如圖6所示。流量和轉速在無負載的情況即大氣壓下達到最大，其中大氣壓下最大流量與標稱最大排氣流量誤差為1.98%。不同排氣壓強條件下，流量與轉速成正相關關系，流量隨著轉速的增大而增大。功率和比功率隨著排氣壓強的增大而線性增大，變化曲線如圖7所示。比功率增大，意味著耗能增多。總體而言，隨著排氣壓強的增大，轉速降低，流量減小，消耗功率反而增大。這與一般異步電動機負載增加時引起轉速降低、轉差率上升、輸入電流變大、電機功率上升的原理相符合[8]，從側面驗證了測試系統測試結構的正確性。

表1 空壓機性能測試數據

圖6 流量和轉速隨排氣壓強的變化

圖7 功率和比功率隨排氣壓強的變化

3 結語

根據國標的容積式壓縮機測試原理，基于LabVIEW軟件及其硬件平臺與PLC及PID控制相結合設計的測試系統，實現了測試和調節控制的自動化。PID控制快速控制調節排氣壓強，保持排氣壓強的穩定性。相較于傳統的空壓機測試系統，排除了人為影響，測試更加準確，節約了時間，降低了測試成本。此外，優化結構設計，使得測試系統集成化程度較高，便于裝置移動。

試驗證明，排氣壓強對空壓機流量有較大影響。對于使用異步電機的定頻空壓機，隨著排氣壓強的增大，空壓機轉速和流量線性減小，功率和比功率線性增大，對空壓機設計有一定的指導意義。