间歇性大流量用气工况下空压机群控制方法的优化

张业明，王 帅，魏绍亮，陈永安，蔡茂林

（1.河南理工大学，河南焦作 454000；2.北京航空航天大学，北京 100191）

1 前言

随着工业机械化和自动化的发展，气动技术越来越广泛地应用于汽车制造业、工业机器人、食品饮料行业等各个领域［1，2］。铝合金轮毂、电解铝、轮胎等企业的气动系统由于生产线维护或工艺性要求，间歇性大流量用气现象很普遍，经常导致压缩空气管网压力的大范围波动［3，4］。为了保证其他生产线的正常运行，企业通常采用提高整个压缩空气管网压力的方法来解决。压缩空气管网压力提高的同时也增加了整个系统的耗电量、空气泄漏量等［5～7］。为了有效地解决这个问题，就需要针对间歇性大流量用气工况对空气压缩机群控制方法进行优化。目前，有关空气压缩机群控制方法的研究很多，但大多集中在空气压缩机群的变频控制、空气压缩机群的智能控制、空气压缩机群的节能改造以及空气压缩机群的控制系统研究等方面［8～16］，而有关间歇性大流量用气工况下空气压缩机群控制方法的研究还比较少。本文通过对间歇性大流量用气工况下气动管网压力变化特性进行分析，对现有空气压缩机群控制方法进行优化，并搭建试验台进行试验验证。

2 控制方法优化

2.1 大流量用气对气动管网压力的影响

图1为某正常运行的气动系统突然开启一个大流量用气设备后管网压力变化情况，其中主管路压力在大流量用气设备开启后迅速下降，直至气动系统设定的最低压力值0.4 MPa时备用空气压缩机启动，主管路压力迅速上升；支路压力在大流量用气设备开启的瞬间急剧下降，接着迅速降低，直至备用空气压缩机启动，支路压力逐步上升。从大流量用气设备开启到备用压缩机启动这一过程用时约100 s，期间主管路压力下降了约20%，支路压力下降了约26%，支路压力下降的平均速率大于主管路压力下降的平均速率；备用空气压缩机启动后，支路压力上升的平均速率略小于主管路压力上升的平均速率。

图1 大流量用气时管网压力变化情况

2.2 空气压缩机群控制方法优化

空气压缩机群传统的控制方法是通过主管路压力（即储气罐出口压力）来控制备用空气压缩机的启停，即主管路低于设定的最低压力时启动备用空气压缩机，主管路压力高于设定的最高压力时停止备用空气压缩机，其控制流程如图2所示。当气动系统管网支路出现大流量用气情况时，管网支路压力急剧下降，由于管道传输距离、气罐缓冲作用等因素的影响，主管路压力下降的平均速率小于支路压力下降的平均速率，从而使备用空气压缩机不能及时启动，导致了支路压力进一步降低。由图1的压力数据变化情况可以得出：为了减小气动系统管网压力的下降程度，在大流量用气设备开启后，备用空气压缩机启动响应时间越短越好。因此通过将大流量用气装置的开启信号作为备用空气压缩机机的启动信号之一对传统空气压缩机群的控制方法进行优化，以达到缩短备用空气压缩机的启动响应时间的目的。其控制流程如图3所示。

图2 优化前空气压缩机群控制方法流程

图3 优化后空气压缩机群控制方法流程

3 试验平台设计

3.1 气动系统设计

气动系统的气源空气压缩机群由2台活塞式空气压缩机组成，其中一台空气压缩机为气动系统的正常运行提供压缩空气；另一台空气压缩机作为备用空气压缩机，当气动系统出现大流量用工况时为气动系统补充压缩空气。2台空气压缩机的功率为750 W，0.5 MPa时的额定产气量为60 L/min，最大产气压力为0.75 MPa。

气动系统的气动回路采用树枝型管网结构，考虑到工业现场不同的用气情况将气动系统的管网结构设计成具有3个用气支路的气动回路。3个用气支路的用气设备为3种典型的工业现场用气设备，分别为：双作用气缸、气动打磨笔和气枪（间歇性大流量用气设备）。其中双作用气缸的型号为MAL25×100-0；气动打磨笔的型号为威氏-45862，平均耗气量60 L/min。气动系统原理如图4所示。

图4 气动系统原理示意

3.2 控制系统设计

控制系统主要由西门子S7-200 SMART PLC、西门子PLC EM AI04扩展模块、无纸记录仪、压力传感器、继电器及交流接触器等部分组成。其中西门子S7-200 SMART PLC是控制系统的核心，主要用于处理气动管网压力数据以及控制气动系统空气压缩机群［17］；EM AI04扩展模块主要用于将压力传感器采集的压力数据传送至PLC；压力传感器主要用于采集气动管网压力数据；无纸记录仪主要用于记录压力传感器采集的气动管网压力数据。控制系统如图5所示。

图5 控制系统示意

4 试验研究

4.1 试验方案

在相同的间歇性大流量用气工况下，分别采用优化前和优化后2种控制方法对空气压缩机群进行控制［18～21］；试验过程中实时记录相关试验数据，包括：气动系统管网主管路和各支管路压力数据、大流量用气设备的开启时间和备用空气压缩机的启动时间等；试验结束后，将2种控制方法下的试验数据进行对比分析，根据试验数据对比分析的结果来判定优化后的空气压缩机群控制方法是否达到了缩短备用空气压缩机的启动响应时间、减小气动系统管网压力波动范围的目的。试验平台如图6所示。

图6 试验平台示意

4.2 试验步骤及试验数据

首先设定气动系统的管网工作压力（即主管路压力）为0.5 MPa，最高压力为0.6 MPa，最低压力为0.4 MPa；其次开启气动系统并调节气动系统管网的实际压力，使主管路压力稳定在0.5 MPa；气动系统压力调整步骤：（1）关闭3个支路上的用气设备，启动气动系统；（2）等待气动系统主管路压力高于0.5 MPa时开启支路一和支路二上的用气设备；（3）通过调整支路二上气动打磨笔进气口大小和可调节流阀阀口开度，使气动系统主管路的压力稳定0.5 MPa左右，可以进行下一步试验的压力标准为1 min内主管路的压力波动小于±0.01 MPa；然后在优化前和优化后2种不同的空气压缩机群控制方法下分别开启支路三上的气枪（大流量用气设备），观察无纸记录仪上的压力数据，当气动系统管网压力趋于稳定时关闭试验系统；最后导出试验数据，并对试验数据进行分析处理。

优化前和优化后2种不同的空气压缩机群控制方法下的试验数据如图7所示。

图7 优化前、后2种空气压缩机机群控制方法下的试验数据

4.3 试验数据分析

优化前和优化后2种不同的空气压缩机群控制方法下气动系统管网压力试验数据对比如图8所示，其中在使用优化前的空气压缩机群控制方法进行试验时主管路的压力波动范围约为0.1 MPa，最低压力约为0.4 MPa；支路一和支路二的压力波动范围约为0.14 MPa，最低压力约为0.35 MPa；支路三（间歇性大流量用气支路）的压力波动范围约为0.15 MPa，最低压力约为0.34 MPa。使用优化后的空气压缩机群控制方法进行试验时主管路的压力波动范围约为0.01 MPa，最低压力约为0.49 MPa；支路一和支路二的压力波动范围约为0.07 MPa，最低压力约为0.41 MPa；支路三（间歇性大流量用气支路）的压力波动范围约为0.09 MPa，最低压力约为0.4 MPa。优化后的空气压缩机群控制方法的控制效果明显，其中主管路的最低压力值提高了0.09 MPa，压力波动范围减小了90%；支路一和支路二的最低压力值提高了0.06 MPa，压力波动范围减小了50%；支路三的最低压力值提高了0.06 MPa，压力波动范围减小了40%；备用空气压缩机的启动响应时间缩短了100 s左右。

图8 主管路、支路三（大流量支路）优化前、后试验数据对比

5 结语

本文分析了间歇性大流量用气设备对气动系统管网压力变化特性的影响，提出了将大流量用气设备的开启信号作为备用空气压缩机的启动信号，当某支路大流量用气设备开启时迅速启动备用空气压缩机的控制方法，最后搭建了试验台进行了对比试验验证。结果表明：在间歇性大流量用气工况下，优化后的空气压缩机群控制方法能够有效的减小气动管网的压力波动范围，提高气动管网的最低压力，极大地缩短了备用空气压缩机的响应时间，为工业现场空气压缩机群控制方法优化提供了理论依据。

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