【壓縮機(jī)網(wǎng)】空氣壓縮機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的轉(zhuǎn)換裝置，是氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造、礦山、冶金、電力、電子、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。我國(guó)空氣動(dòng)力用螺桿壓縮機(jī)行業(yè)起步于 20 世紀(jì) 80 年代，發(fā)展歷程相對(duì)較短， 但其銷售量從 2008 年的 11.5萬(wàn)臺(tái)迅速上升至2013 年的 20.98 萬(wàn)臺(tái)。空氣動(dòng)力用螺桿壓縮機(jī)除了用于各種氣動(dòng)工具、氣控儀表、食品、醫(yī)藥等，也在一些新的應(yīng)用領(lǐng)域大展身手，如發(fā)動(dòng)機(jī)增壓、汽車噴涂行業(yè)以及高壓氧艙、生物行業(yè)、膠片感光材料行業(yè)、國(guó)防科研等行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用。隨著國(guó)家關(guān)于工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃的出臺(tái)，以及企業(yè)對(duì)于設(shè)備節(jié)能降耗改造、自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、無人值守等智能控制需求，螺桿式空氣壓縮機(jī)的智能控制研究與應(yīng)用成為許多企業(yè)技改重點(diǎn)工作， 并已經(jīng)取得較好的應(yīng)用效果。

 

　　1  螺桿式空氣壓縮機(jī)改造背景

　　1.1  國(guó)家對(duì)工業(yè)發(fā)展實(shí)施綠色監(jiān)管，引導(dǎo)綠色消費(fèi)

　　1) 國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能改造，綠色制造

 

　　資源與環(huán)境問題是人類面臨的共同挑戰(zhàn)，推進(jìn)綠色發(fā)展是提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必然途徑。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗量在逐年增加，為此，國(guó)家及各行業(yè)積極實(shí)施節(jié)能減排，安排大量資金用于新型高效能源設(shè)備技術(shù)的研發(fā)以及既有設(shè)備技術(shù)的替代和改造。“十二五”期間，規(guī)模以上企業(yè)單位工業(yè)增加值能耗累計(jì)下降 28%， 實(shí)現(xiàn)節(jié)能量 6.9 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。但是，我國(guó)工業(yè)總體上尚未擺脫高投入、高消耗、高排放的發(fā)展方式，形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。因此， 《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》規(guī)定: 淘汰低效風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等用能設(shè)備，要求全面推進(jìn)傳統(tǒng)行業(yè)節(jié)能技術(shù)改造，強(qiáng)化空氣壓縮機(jī)等設(shè)備技術(shù)節(jié)能。

 

　　2) 實(shí)施綠色制造 + 互聯(lián)網(wǎng)，提升工業(yè)綠色智能水平

 

　　國(guó)家及行業(yè)主管部門要求以先進(jìn)適用技術(shù)裝備應(yīng)用為手段， 加快推廣智能控制等先進(jìn)技術(shù)。《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》規(guī)定， 鼓勵(lì)工業(yè)企業(yè)采用高效、節(jié)能的電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備以及先進(jìn)的用能監(jiān)測(cè)和控制等技術(shù)。《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃( 2016－2020 年) 》提出: 實(shí)施綠色制造 + 互聯(lián)網(wǎng)，提升工業(yè)綠色智能水平。實(shí)施數(shù)字能效推進(jìn)計(jì)劃，鼓勵(lì)企業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、先進(jìn)過程控制等技術(shù)應(yīng)用，對(duì)能源消情況及大型耗設(shè)備實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源管理數(shù)字化和精細(xì)化。

 

　　1.2 企業(yè)精細(xì)化管理對(duì)設(shè)備智能化控制的需求

 

　　礦山用空氣壓縮機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)供氣動(dòng)設(shè)備動(dòng)力，在發(fā)生災(zāi)變時(shí)，必須能安全可靠地為壓風(fēng)自救系統(tǒng)提供新鮮空氣。目前空氣壓縮機(jī)的控制方式主要是就地控制，人工操作不能保證壓力相對(duì)穩(wěn)定供氣，影響供氣質(zhì)量，且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障自診斷、早預(yù)警，影響氣動(dòng)設(shè)備壓風(fēng)供應(yīng)和礦井安全生產(chǎn)。而企業(yè)精細(xì)化管理對(duì)設(shè)備安全管理、智能化控制的需求越來越高，加之企業(yè)用工成本逐年增高，從高效節(jié)能管理、人性化管理、精細(xì)化管理方面也需進(jìn)行設(shè)備智能化改造，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能監(jiān)控，無人值守等功能。

 

　　2  公司螺桿式空氣壓縮機(jī)使用現(xiàn)狀及存在問題

　　2.1 使用現(xiàn)狀

 

　　公司下轄 4 個(gè)單位， 所用 14 臺(tái)空氣壓縮機(jī)均為某國(guó)內(nèi)大型壓縮機(jī)公司生產(chǎn)的 LGS-65 /8G 型螺桿式空氣壓縮機(jī)，排氣壓力 0.8 MPa， 排氣量為 65 m3 /min， 于 2013 年采購(gòu)、安裝、投入運(yùn)行。其中太平礦配備有 3 臺(tái)螺桿式空氣壓縮機(jī)，一用一備一檢修。

 

　　2.2 螺桿式空氣壓縮機(jī)使用中存在問題

　　1) 電機(jī)啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)， 影響設(shè)備壽命

 

　　LGS-65 /8G-6K 型螺桿式空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)為: 額定電壓 Ue 為 6 kV， 額定電流 In 為 40 A， 額定頻率 f 為 50Hz， 額定功率 355 kW， 電機(jī)啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)，空載啟動(dòng)電流較大，加載和卸載時(shí)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部分沖擊較大，會(huì)引起供氣質(zhì)量壓力波動(dòng)，加速設(shè)備磨損，降低設(shè)備使用壽命。

 

　　2) 設(shè)備長(zhǎng)期空載運(yùn)行，存在電能損耗

 

　　氣動(dòng)設(shè)備在每班作業(yè)時(shí)用氣量增加，而交接班時(shí)用氣很少，為了減少啟動(dòng)頻繁度，壓縮機(jī)啟動(dòng)后常常處于卸載運(yùn)行狀態(tài)，卸載運(yùn)行期間空氣壓縮機(jī)不供給壓縮空氣，但仍要耗費(fèi)電能，造成較大的能源浪費(fèi)。

　　3) 現(xiàn)場(chǎng)噪聲工作環(huán)境，影響職工身心健康

 

　　雖然空氣壓縮機(jī)采用了隔振及降噪技術(shù)，但運(yùn)行時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲較大，崗位工作人員在操作設(shè)備啟動(dòng)、停止及在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中定期巡查時(shí)，置身在噪聲、高溫的惡劣環(huán)境下工作， 不利于身心健康。當(dāng)前國(guó)家及行業(yè)主管部門對(duì)于職工健康權(quán)益保障日趨完善，對(duì)于惡劣工作環(huán)境下作業(yè)的工人保護(hù)力度增加，企業(yè)推行人性化管理，實(shí)施智能控制改造，實(shí)現(xiàn)無人值守成為較好選擇。

 

　　4) 無法及時(shí)掌控在用及備用設(shè)備情況，影響安全生產(chǎn)

 

　　3 臺(tái)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行方式是一用一備一檢修，運(yùn)行期間，由值守人員人工巡查設(shè)備，檢查泄漏、溫度、壓力等情況，并記錄在設(shè)備運(yùn)行記錄本上，無法實(shí)現(xiàn)及時(shí)連續(xù)準(zhǔn)確地反饋數(shù)據(jù)。另外，備用的空氣壓縮機(jī)不開機(jī)試運(yùn)行，無法保證在工作設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，備用設(shè)備能及時(shí)完好投入使用，如果在用、備用設(shè)備均出現(xiàn)故障，將影響工作區(qū)域正常生產(chǎn)。

 

　　3  螺桿空氣壓縮機(jī)智能控制技術(shù)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

 

　　經(jīng)認(rèn)真分析螺桿空氣壓縮機(jī)存在問題，研究、設(shè)計(jì)智能控制方案，于2018 年 6 月實(shí)施了空壓機(jī)組智能控制技術(shù)改造。采用變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無人值守。

 

　　3.1 設(shè)計(jì)實(shí)施變頻改造方案，實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能

 

　　變頻改造技術(shù)主要適用于空氣壓縮機(jī)、水泵等負(fù)荷經(jīng)常變化，沒有恒速要求的場(chǎng)合，通過加裝變頻器，從而改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，達(dá)到節(jié)電目的。變頻控制系統(tǒng)由 PL-6-2 型旁路柜、移向變壓器柜、變頻器、智能 PID 控制器、傳感器和空氣壓縮機(jī)等組成，通過安裝在壓縮空氣系統(tǒng)總管上的壓力傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)壓力反饋給高壓變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán) PID 控制，變頻器根據(jù)壓力大小自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。空氣壓縮機(jī)變頻控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率的關(guān)系根據(jù)公式 n = 60 f(1－s) /p 可知，式中: n 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速; s 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率; f 為電源頻率; p 為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

 

　　三臺(tái)空氣壓縮機(jī)采用 1 臺(tái)變頻器進(jìn)行控制，正常情況，1 臺(tái)變頻器做 1 拖 1 運(yùn)行，最多同時(shí)啟動(dòng) 2 臺(tái)空壓機(jī)。采用變頻調(diào)速后， 將供氣壓力設(shè)定為一個(gè)數(shù)值，變頻器根據(jù)反饋給控制器的供氣壓力的波動(dòng)隨時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，使供氣壓力在很小的區(qū)間(例如0.75 ± 0.02 MPa) 內(nèi)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，如果用氣量很小，變頻器運(yùn)行在下限頻率并持續(xù)一段時(shí)間(如5分鐘) 時(shí)，可停止空壓機(jī)工作，當(dāng)壓力繼續(xù)下降到設(shè)定的下限閾值時(shí)再啟動(dòng)空壓機(jī)。

 

　　3.2 設(shè)計(jì)實(shí)施計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方案，實(shí)現(xiàn)無人值守

 

　　利用公司現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)及礦井自動(dòng)化集成平臺(tái)，設(shè)計(jì)基于西門子 PLC 控制器為核心控制元件的智能控制、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序，增加高清數(shù)字?jǐn)z像儀、液位傳感器、正壓傳感器、溫度傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)圖像、運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，反饋給高壓變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán) PID控制， 并通過 PLC 通訊端口、遠(yuǎn)程 DCS 接口接入工業(yè)以太網(wǎng)， 在壓風(fēng)機(jī)房增設(shè)一臺(tái)高清數(shù)字?jǐn)z像儀，設(shè)備經(jīng)光纖接入以太網(wǎng)，形成 KJ90-YF 壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并入礦井自動(dòng)化控制平臺(tái)， 由礦調(diào)度集控室自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能控制，無人值守。在調(diào)度集控室可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，監(jiān)控空壓機(jī)的用能時(shí)間、用能狀況，分析判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況， 使氣動(dòng)設(shè)備長(zhǎng)期處于最佳用氣狀態(tài)，按“所需即所供”的原則科學(xué)供風(fēng)，實(shí)現(xiàn)終端用能設(shè)備耗能的科學(xué)管理和有效利用。同時(shí)，主管領(lǐng)導(dǎo)及部門均可在公司內(nèi)任何與以太網(wǎng)連接的計(jì)算機(jī)終端上查看設(shè)備運(yùn)行情況及現(xiàn)場(chǎng)情況。空氣壓縮機(jī)計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖見圖1。

 

　　                                                                                                                                                                   圖1  空氣壓縮機(jī)計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

 

　　4  空壓機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)具備的功能

 

　　4.1 節(jié)能降耗， 經(jīng)濟(jì)效益明顯

 

　　空壓機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)軟啟動(dòng)、軟停機(jī)，智能調(diào)節(jié)供氣，避免機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于卸載運(yùn)行狀態(tài)耗費(fèi)電能。同時(shí)，啟動(dòng)過程平滑穩(wěn)定，啟動(dòng)時(shí)幾乎無沖擊電流，電網(wǎng)電壓波動(dòng)很小，不會(huì)對(duì)電氣設(shè)備形成大電流沖擊，有效提高了電網(wǎng)上相關(guān)電氣設(shè)備的使用壽命;平穩(wěn)的軟啟動(dòng)過程減小機(jī)械沖擊，減少機(jī)械部件磨損，減少設(shè)備維修量。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 較改造前節(jié)約電費(fèi)11萬(wàn)元/年，節(jié)約維修費(fèi)用 1 萬(wàn)元/年，實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)約工資支出12萬(wàn)元/年。

 

　　4.2 恒壓供氣， 保證供風(fēng)質(zhì)量

 

　　空壓機(jī)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，根據(jù)供風(fēng)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，提高了供風(fēng)質(zhì)量，杜絕了因風(fēng)量不足影響生產(chǎn)現(xiàn)象，保障氣動(dòng)設(shè)備工作效能，提高氣動(dòng)設(shè)備使用壽命，保障了壓風(fēng)自救系統(tǒng)可靠性，對(duì)于安全生產(chǎn)具有重要作用和意義。

 

　　4.3 互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)智能控制，無人值守

 

　　應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將進(jìn)水電動(dòng)球閥、冷卻風(fēng)機(jī)、攝像儀及各傳感器等與 PLC 控制器、工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前控制方式、壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)采集壓風(fēng)機(jī)進(jìn)水溫度、儲(chǔ)氣罐及總管壓力、水池液位、電流參數(shù)等，出現(xiàn)故障，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并啟動(dòng)安全保護(hù)，實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、控制和智能化管理。

 

　　系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、就地控制、集中控制三種控制模式，即在調(diào)度集控室工控機(jī)或空壓機(jī)房PLC 控制箱上，可遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制; 在空壓機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)采用人工操作方式，可實(shí)現(xiàn)就地控制; 另外系統(tǒng)可以按預(yù)先設(shè)定的程序，根據(jù)傳感器檢測(cè)的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行集中控制。

 

　　智能控制系統(tǒng)保護(hù)齊全，具有過載、短路、過流、過壓、門開關(guān)聯(lián)鎖等保護(hù)，并有故障報(bào)警、故障記錄及報(bào)警顯示功能，查詢、打印報(bào)表功能及權(quán)限管理功能。

 

　　5  結(jié)語(yǔ)

 

　　空氣壓縮機(jī)智能控制技術(shù)改造項(xiàng)目，應(yīng)用了變頻控制技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)及信息化技術(shù)、恒壓供風(fēng)控制技術(shù)等，有效實(shí)現(xiàn)了設(shè)備軟啟動(dòng)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)檢測(cè)故障并報(bào)警、節(jié)能降耗、無人值守功能，經(jīng)過一年半的運(yùn)行，效果良好， 對(duì)減少設(shè)備機(jī)械磨損及故障率、降低使用、維護(hù)成本，提高設(shè)備使用壽命及減員增效具有明顯益處，對(duì)于企業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制、現(xiàn)代化管理、安全系數(shù)提升具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。