【压缩机网】空气压缩机是将机械能转换为气体压力能的转换装置，是气动系统的动力源，广泛应用于石油化工、机械制造、矿山、冶金、电力、电子、食品、医药等行业。我国空气动力用螺杆压缩机行业起步于 20 世纪 80 年代，发展历程相对较短， 但其销售量从 2008 年的 11.5万台迅速上升至2013 年的 20.98 万台。空气动力用螺杆压缩机除了用于各种气动工具、气控仪表、食品、医药等，也在一些新的应用领域大展身手，如发动机增压、汽车喷涂行业以及高压氧舱、生物行业、胶片感光材料行业、国防科研等行业和领域应用。随着国家关于工业绿色发展规划的出台，以及企业对于设备节能降耗改造、自动控制、实时监控、无人值守等智能控制需求，螺杆式空气压缩机的智能控制研究与应用成为许多企业技改重点工作， 并已经取得较好的应用效果。
1 螺杆式空气压缩机改造背景
1.1 国家对工业发展实施绿色监管，引导绿色消费
1) 国家倡导节能改造，绿色制造
资源与环境问题是人类面临的共同挑战，推进绿色发展是提升国际竞争力的必然途径。随着我国经济的发展，能源消耗量在逐年增加，为此，国家及各行业积极实施节能减排，安排大量资金用于新型高效能源设备技术的研发以及既有设备技术的替代和改造。“十二五”期间，规模以上企业单位工业增加值能耗累计下降 28%， 实现节能量 6.9 亿吨标准煤。但是，我国工业总体上尚未摆脱高投入、高消耗、高排放的发展方式，形势依然十分严峻。因此， 《“十三五”节能减排综合工作方案》规定: 淘汰低效风机、水泵、压缩机等用能设备，要求全面推进传统行业节能技术改造，强化空气压缩机等设备技术节能。
2) 实施绿色制造 + 互联网，提升工业绿色智能水平
国家及行业主管部门要求以先进适用技术装备应用为手段， 加快推广智能控制等先进技术。《中华人民共和国节约能源法》规定， 鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、风机、泵类等设备以及先进的用能监测和控制等技术。《工业绿色发展规划( 2016－2020 年) 》提出: 实施绿色制造 + 互联网，提升工业绿色智能水平。实施数字能效推进计划，鼓励企业通过物联网、大数据、云计算、先进过程控制等技术应用，对能源消情况及大型耗设备实施动态监测、控制和优化管理，实现企业能源管理数字化和精细化。
1.2 企业精细化管理对设备智能化控制的需求
矿山用空气压缩机正常生产时供气动设备动力，在发生灾变时，必须能安全可靠地为压风自救系统提供新鲜空气。目前空气压缩机的控制方式主要是就地控制，人工操作不能保证压力相对稳定供气，影响供气质量，且无法实现对设备故障自诊断、早预警，影响气动设备压风供应和矿井安全生产。而企业精细化管理对设备安全管理、智能化控制的需求越来越高，加之企业用工成本逐年增高，从高效节能管理、人性化管理、精细化管理方面也需进行设备智能化改造，实现实时智能监控，无人值守等功能。
2 公司螺杆式空气压缩机使用现状及存在问题
2.1 使用现状
公司下辖 4 个单位， 所用 14 台空气压缩机均为某国内大型压缩机公司生产的 LGS-65 /8G 型螺杆式空气压缩机，排气压力 0.8 MPa， 排气量为 65 m3 /min， 于 2013 年采购、安装、投入运行。其中太平矿配备有 3 台螺杆式空气压缩机，一用一备一检修。
2.2 螺杆式空气压缩机使用中存在问题
1) 电机启动方式为直接启动， 影响设备寿命
LGS-65 /8G-6K 型螺杆式空气压缩机电动机主要参数为: 额定电压 Ue 为 6 kV， 额定电流 In 为 40 A， 额定频率 f 为 50Hz， 额定功率 355 kW， 电机启动方式为直接启动，空载启动电流较大，加载和卸载时对机械传动部分冲击较大，会引起供气质量压力波动，加速设备磨损，降低设备使用寿命。
2) 设备长期空载运行，存在电能损耗
气动设备在每班作业时用气量增加，而交接班时用气很少，为了减少启动频繁度，压缩机启动后常常处于卸载运行状态，卸载运行期间空气压缩机不供给压缩空气，但仍要耗费电能，造成较大的能源浪费。
3) 现场噪声工作环境，影响职工身心健康
虽然空气压缩机采用了隔振及降噪技术，但运行时，运转噪声较大，岗位工作人员在操作设备启动、停止及在设备运转过程中定期巡查时，置身在噪声、高温的恶劣环境下工作， 不利于身心健康。当前国家及行业主管部门对于职工健康权益保障日趋完善，对于恶劣工作环境下作业的工人保护力度增加，企业推行人性化管理，实施智能控制改造，实现无人值守成为较好选择。
4) 无法及时掌控在用及备用设备情况，影响安全生产
3 台空气压缩机运行方式是一用一备一检修，运行期间，由值守人员人工巡查设备，检查泄漏、温度、压力等情况，并记录在设备运行记录本上，无法实现及时连续准确地反馈数据。另外，备用的空气压缩机不开机试运行，无法保证在工作设备发生故障时，备用设备能及时完好投入使用，如果在用、备用设备均出现故障，将影响工作区域正常生产。
3 螺杆空气压缩机智能控制技术方案设计与应用
经认真分析螺杆空气压缩机存在问题，研究、设计智能控制方案，于2018 年 6 月实施了空压机组智能控制技术改造。采用变频技术进行节能改造，利用工业以太网实现实时监测、无人值守。
3.1 设计实施变频改造方案，实现技术节能
变频改造技术主要适用于空气压缩机、水泵等负荷经常变化，没有恒速要求的场合，通过加装变频器，从而改变电机的运转速度，实现软启动，达到节电目的。变频控制系统由 PL-6-2 型旁路柜、移向变压器柜、变频器、智能 PID 控制器、传感器和空气压缩机等组成，通过安装在压缩空气系统总管上的压力传感器采集现场压力反馈给高压变频器实现闭环 PID 控制，变频器根据压力大小自动调节变频器输出频率，从而改变电动机转速，实现气量调节。空气压缩机变频控制电动机转速和电源频率的关系根据公式 n = 60 f(1－s) /p 可知，式中: n 为电动机转速; s 为电动机转差率; f 为电源频率; p 为电动机极对数。
三台空气压缩机采用 1 台变频器进行控制，正常情况，1 台变频器做 1 拖 1 运行，最多同时启动 2 台空压机。采用变频调速后， 将供气压力设定为一个数值，变频器根据反馈给控制器的供气压力的波动随时自动调节空气压缩机转速，使供气压力在很小的区间(例如0.75 ± 0.02 MPa) 内波动，实现恒压供气，如果用气量很小，变频器运行在下限频率并持续一段时间(如5分钟) 时，可停止空压机工作，当压力继续下降到设定的下限阈值时再启动空压机。
3.2 设计实施计算机远程智能监控方案，实现无人值守
利用公司现有工业以太网及矿井自动化集成平台，设计基于西门子 PLC 控制器为核心控制元件的智能控制、在线监测系统主程序，增加高清数字摄像仪、液位传感器、正压传感器、温度传感器等设备实现现场图像、运行数据采集，反馈给高压变频器实现闭环 PID控制， 并通过 PLC 通讯端口、远程 DCS 接口接入工业以太网， 在压风机房增设一台高清数字摄像仪，设备经光纤接入以太网，形成 KJ90-YF 压风机监控系统，并入矿井自动化控制平台， 由矿调度集控室自动监测控制，实现实时监测、智能控制，无人值守。在调度集控室可实现计算机远程监控，监控空压机的用能时间、用能状况，分析判断设备的运行状况， 使气动设备长期处于最佳用气状态，按“所需即所供”的原则科学供风，实现终端用能设备耗能的科学管理和有效利用。同时，主管领导及部门均可在公司内任何与以太网连接的计算机终端上查看设备运行情况及现场情况。空气压缩机计算机智能监控系统组成结构图见图1。
图1 空气压缩机计算机智能监控系统组成结构图
4 空压机智能监控系统具备的功能
4.1 节能降耗， 经济效益明显
空压机智能监控系统，实现空压机软启动、软停机，智能调节供气，避免机组长时间处于卸载运行状态耗费电能。同时，启动过程平滑稳定，启动时几乎无冲击电流，电网电压波动很小，不会对电气设备形成大电流冲击，有效提高了电网上相关电气设备的使用寿命;平稳的软启动过程减小机械冲击，减少机械部件磨损，减少设备维修量。据统计， 较改造前节约电费11万元/年，节约维修费用 1 万元/年，实现无人值守，节约工资支出12万元/年。
4.2 恒压供气， 保证供风质量
空压机自动化智能控制系统，根据供风负荷自动调节设备运转，实现恒压供气，提高了供风质量，杜绝了因风量不足影响生产现象，保障气动设备工作效能，提高气动设备使用寿命，保障了压风自救系统可靠性，对于安全生产具有重要作用和意义。
4.3 互联互通，实现智能控制，无人值守
应用互联网技术，将进水电动球阀、冷却风机、摄像仪及各传感器等与 PLC 控制器、工业以太网联网，实时监控系统当前控制方式、压风机运行状态，监测采集压风机进水温度、储气罐及总管压力、水池液位、电流参数等，出现故障，发出报警信号并启动安全保护，实施动态监测、控制和智能化管理。
系统具有远程控制、就地控制、集中控制三种控制模式，即在调度集控室工控机或空压机房PLC 控制箱上，可远程自动控制和远程手动控制; 在空压机房现场采用人工操作方式，可实现就地控制; 另外系统可以按预先设定的程序，根据传感器检测的相关参数，进行集中控制。
智能控制系统保护齐全，具有过载、短路、过流、过压、门开关联锁等保护，并有故障报警、故障记录及报警显示功能，查询、打印报表功能及权限管理功能。
5 结语
空气压缩机智能控制技术改造项目，应用了变频控制技术、工业以太网及信息化技术、恒压供风控制技术等，有效实现了设备软启动，远程实时监控、自动检测故障并报警、节能降耗、无人值守功能，经过一年半的运行，效果良好， 对减少设备机械磨损及故障率、降低使用、维护成本，提高设备使用寿命及减员增效具有明显益处，对于企业设备自动化控制、现代化管理、安全系数提升具有良好的经济效益和社会效益。
【压缩机网】空气压缩机是将机械能转换为气体压力能的转换装置，是气动系统的动力源，广泛应用于石油化工、机械制造、矿山、冶金、电力、电子、食品、医药等行业。我国空气动力用螺杆压缩机行业起步于 20 世纪 80 年代，发展历程相对较短， 但其销售量从 2008 年的 11.5万台迅速上升至2013 年的 20.98 万台。空气动力用螺杆压缩机除了用于各种气动工具、气控仪表、食品、医药等，也在一些新的应用领域大展身手，如发动机增压、汽车喷涂行业以及高压氧舱、生物行业、胶片感光材料行业、国防科研等行业和领域应用。随着国家关于工业绿色发展规划的出台，以及企业对于设备节能降耗改造、自动控制、实时监控、无人值守等智能控制需求，螺杆式空气压缩机的智能控制研究与应用成为许多企业技改重点工作， 并已经取得较好的应用效果。
1 螺杆式空气压缩机改造背景
1.1 国家对工业发展实施绿色监管，引导绿色消费
1) 国家倡导节能改造，绿色制造
资源与环境问题是人类面临的共同挑战，推进绿色发展是提升国际竞争力的必然途径。随着我国经济的发展，能源消耗量在逐年增加，为此，国家及各行业积极实施节能减排，安排大量资金用于新型高效能源设备技术的研发以及既有设备技术的替代和改造。“十二五”期间，规模以上企业单位工业增加值能耗累计下降 28%， 实现节能量 6.9 亿吨标准煤。但是，我国工业总体上尚未摆脱高投入、高消耗、高排放的发展方式，形势依然十分严峻。因此， 《“十三五”节能减排综合工作方案》规定: 淘汰低效风机、水泵、压缩机等用能设备，要求全面推进传统行业节能技术改造，强化空气压缩机等设备技术节能。
2) 实施绿色制造 + 互联网，提升工业绿色智能水平
国家及行业主管部门要求以先进适用技术装备应用为手段， 加快推广智能控制等先进技术。《中华人民共和国节约能源法》规定， 鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、风机、泵类等设备以及先进的用能监测和控制等技术。《工业绿色发展规划( 2016－2020 年) 》提出: 实施绿色制造 + 互联网，提升工业绿色智能水平。实施数字能效推进计划，鼓励企业通过物联网、大数据、云计算、先进过程控制等技术应用，对能源消情况及大型耗设备实施动态监测、控制和优化管理，实现企业能源管理数字化和精细化。
1.2 企业精细化管理对设备智能化控制的需求
矿山用空气压缩机正常生产时供气动设备动力，在发生灾变时，必须能安全可靠地为压风自救系统提供新鲜空气。目前空气压缩机的控制方式主要是就地控制，人工操作不能保证压力相对稳定供气，影响供气质量，且无法实现对设备故障自诊断、早预警，影响气动设备压风供应和矿井安全生产。而企业精细化管理对设备安全管理、智能化控制的需求越来越高，加之企业用工成本逐年增高，从高效节能管理、人性化管理、精细化管理方面也需进行设备智能化改造，实现实时智能监控，无人值守等功能。
2 公司螺杆式空气压缩机使用现状及存在问题
2.1 使用现状
公司下辖 4 个单位， 所用 14 台空气压缩机均为某国内大型压缩机公司生产的 LGS-65 /8G 型螺杆式空气压缩机，排气压力 0.8 MPa， 排气量为 65 m3 /min， 于 2013 年采购、安装、投入运行。其中太平矿配备有 3 台螺杆式空气压缩机，一用一备一检修。
2.2 螺杆式空气压缩机使用中存在问题
1) 电机启动方式为直接启动， 影响设备寿命
LGS-65 /8G-6K 型螺杆式空气压缩机电动机主要参数为: 额定电压 Ue 为 6 kV， 额定电流 In 为 40 A， 额定频率 f 为 50Hz， 额定功率 355 kW， 电机启动方式为直接启动，空载启动电流较大，加载和卸载时对机械传动部分冲击较大，会引起供气质量压力波动，加速设备磨损，降低设备使用寿命。
2) 设备长期空载运行，存在电能损耗
气动设备在每班作业时用气量增加，而交接班时用气很少，为了减少启动频繁度，压缩机启动后常常处于卸载运行状态，卸载运行期间空气压缩机不供给压缩空气，但仍要耗费电能，造成较大的能源浪费。
3) 现场噪声工作环境，影响职工身心健康
虽然空气压缩机采用了隔振及降噪技术，但运行时，运转噪声较大，岗位工作人员在操作设备启动、停止及在设备运转过程中定期巡查时，置身在噪声、高温的恶劣环境下工作， 不利于身心健康。当前国家及行业主管部门对于职工健康权益保障日趋完善，对于恶劣工作环境下作业的工人保护力度增加，企业推行人性化管理，实施智能控制改造，实现无人值守成为较好选择。
4) 无法及时掌控在用及备用设备情况，影响安全生产
3 台空气压缩机运行方式是一用一备一检修，运行期间，由值守人员人工巡查设备，检查泄漏、温度、压力等情况，并记录在设备运行记录本上，无法实现及时连续准确地反馈数据。另外，备用的空气压缩机不开机试运行，无法保证在工作设备发生故障时，备用设备能及时完好投入使用，如果在用、备用设备均出现故障，将影响工作区域正常生产。
3 螺杆空气压缩机智能控制技术方案设计与应用
经认真分析螺杆空气压缩机存在问题，研究、设计智能控制方案，于2018 年 6 月实施了空压机组智能控制技术改造。采用变频技术进行节能改造，利用工业以太网实现实时监测、无人值守。
3.1 设计实施变频改造方案，实现技术节能
变频改造技术主要适用于空气压缩机、水泵等负荷经常变化，没有恒速要求的场合，通过加装变频器，从而改变电机的运转速度，实现软启动，达到节电目的。变频控制系统由 PL-6-2 型旁路柜、移向变压器柜、变频器、智能 PID 控制器、传感器和空气压缩机等组成，通过安装在压缩空气系统总管上的压力传感器采集现场压力反馈给高压变频器实现闭环 PID 控制，变频器根据压力大小自动调节变频器输出频率，从而改变电动机转速，实现气量调节。空气压缩机变频控制电动机转速和电源频率的关系根据公式 n = 60 f(1－s) /p 可知，式中: n 为电动机转速; s 为电动机转差率; f 为电源频率; p 为电动机极对数。
三台空气压缩机采用 1 台变频器进行控制，正常情况，1 台变频器做 1 拖 1 运行，最多同时启动 2 台空压机。采用变频调速后， 将供气压力设定为一个数值，变频器根据反馈给控制器的供气压力的波动随时自动调节空气压缩机转速，使供气压力在很小的区间(例如0.75 ± 0.02 MPa) 内波动，实现恒压供气，如果用气量很小，变频器运行在下限频率并持续一段时间(如5分钟) 时，可停止空压机工作，当压力继续下降到设定的下限阈值时再启动空压机。
3.2 设计实施计算机远程智能监控方案，实现无人值守
利用公司现有工业以太网及矿井自动化集成平台，设计基于西门子 PLC 控制器为核心控制元件的智能控制、在线监测系统主程序，增加高清数字摄像仪、液位传感器、正压传感器、温度传感器等设备实现现场图像、运行数据采集，反馈给高压变频器实现闭环 PID控制， 并通过 PLC 通讯端口、远程 DCS 接口接入工业以太网， 在压风机房增设一台高清数字摄像仪，设备经光纤接入以太网，形成 KJ90-YF 压风机监控系统，并入矿井自动化控制平台， 由矿调度集控室自动监测控制，实现实时监测、智能控制，无人值守。在调度集控室可实现计算机远程监控，监控空压机的用能时间、用能状况，分析判断设备的运行状况， 使气动设备长期处于最佳用气状态，按“所需即所供”的原则科学供风，实现终端用能设备耗能的科学管理和有效利用。同时，主管领导及部门均可在公司内任何与以太网连接的计算机终端上查看设备运行情况及现场情况。空气压缩机计算机智能监控系统组成结构图见图1。
图1 空气压缩机计算机智能监控系统组成结构图
4 空压机智能监控系统具备的功能
4.1 节能降耗， 经济效益明显
空压机智能监控系统，实现空压机软启动、软停机，智能调节供气，避免机组长时间处于卸载运行状态耗费电能。同时，启动过程平滑稳定，启动时几乎无冲击电流，电网电压波动很小，不会对电气设备形成大电流冲击，有效提高了电网上相关电气设备的使用寿命;平稳的软启动过程减小机械冲击，减少机械部件磨损，减少设备维修量。据统计， 较改造前节约电费11万元/年，节约维修费用 1 万元/年，实现无人值守，节约工资支出12万元/年。
4.2 恒压供气， 保证供风质量
空压机自动化智能控制系统，根据供风负荷自动调节设备运转，实现恒压供气，提高了供风质量，杜绝了因风量不足影响生产现象，保障气动设备工作效能，提高气动设备使用寿命，保障了压风自救系统可靠性，对于安全生产具有重要作用和意义。
4.3 互联互通，实现智能控制，无人值守
应用互联网技术，将进水电动球阀、冷却风机、摄像仪及各传感器等与 PLC 控制器、工业以太网联网，实时监控系统当前控制方式、压风机运行状态，监测采集压风机进水温度、储气罐及总管压力、水池液位、电流参数等，出现故障，发出报警信号并启动安全保护，实施动态监测、控制和智能化管理。
系统具有远程控制、就地控制、集中控制三种控制模式，即在调度集控室工控机或空压机房PLC 控制箱上，可远程自动控制和远程手动控制; 在空压机房现场采用人工操作方式，可实现就地控制; 另外系统可以按预先设定的程序，根据传感器检测的相关参数，进行集中控制。
智能控制系统保护齐全，具有过载、短路、过流、过压、门开关联锁等保护，并有故障报警、故障记录及报警显示功能，查询、打印报表功能及权限管理功能。
5 结语
空气压缩机智能控制技术改造项目，应用了变频控制技术、工业以太网及信息化技术、恒压供风控制技术等，有效实现了设备软启动，远程实时监控、自动检测故障并报警、节能降耗、无人值守功能，经过一年半的运行，效果良好， 对减少设备机械磨损及故障率、降低使用、维护成本，提高设备使用寿命及减员增效具有明显益处，对于企业设备自动化控制、现代化管理、安全系数提升具有良好的经济效益和社会效益。
网友评论
条评论
最新评论