CN109854492B - 一种基于用气需求的压缩空气控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用气需求的压缩空气控制系统及方法，系统包括空压机、系统控制器、前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器、流量计和比例调节阀，所述空压机为一台或多台，带有外部通信接口或外部数字量输入输出接口，可用于系统控制器的数据通信或干接点状态反馈与控制；本发明从用气终端的需求出发，通过比例调节阀动态控制压缩空气总管的供气压力为用气终端所需的最低保障压力，根据压缩空气的实际流量控制空压机的运行数量，使压缩空气系统的用气和产气达到动态平衡，从而提高压缩空气系统的运行效率，减少能源浪费。

Description

一种基于用气需求的压缩空气控制系统及方法

技术领域

本发明涉及空压机系统控制技术，特别涉及一种基于用气需求的压缩空气控制系统及方法。

背景技术

目前工厂一般都有配套的压缩空气系统，为生产车间提供作为设备动力之一的压缩空气。压缩空气的生产流程一般是空气经过空压机压缩后，再经过后处理设备(吸干机、冷干机、过滤器等)除水除油，经过压缩空气管道到达用气终端。

工频空压机为减少电机的启动次数、延长电机的使用寿命，使用压力带来控制机组的加载与卸载，这样造成了压缩空气的压力有一定的波动，而高于最低保障压力的压力波动则属于能源损耗。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于用气需求的压缩空气控制系统及方法，从而提高压缩空气系统的运行效率，减少能源浪费。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于用气需求的压缩空气控制系统，包括空压机、系统控制器、前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器、流量计和比例调节阀，

所述空压机为一台或多台，带有外部通信接口或外部数字量输入输出接口，可用于系统控制器的数据通信或干接点状态反馈与控制；

所述系统控制器，是整个控制系统的中枢，用于对空压机、前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器、流量计和比例调节阀进行监视与控制；

所述前端压力传感器安装于压缩空气总管，比例调节阀的前端，用于检测一台或多台空压机的总排气压力；

所述压缩空气出口压力传感器安装于压缩空气总管，比例调节阀的后端，用于检测空压站房的压缩空气出口实际压力；

所述流量计安装于压缩空气总管，比例调节阀的后端，用于检测空压站房的压缩空气出口流量；

所述比例调节阀安装于压缩空气总管，空压机后处理设备的后端，利用阀门开度调节压缩空气出口实际压力，该比例调节阀在失去动力时阀门应处于全开状态。

作为优选的技术方案，所述系统控制器包括中央处理器、数据存储模块、通信模块、模拟量输入输出模块和数字量输入输出模块；其中，所述模拟量输入输出模块包括模拟量输入模块和模拟量输出模块，所述数字量输入输出模块包括数字量输入模块和数字量输出模块；所述数据存储模块、通信模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块分别与中央处理器连接；所述通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块均与空压机连接；所述通信模块还与流量计连接，所述模拟量输入模块分别与前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器连接；所述模拟量输出模块与比例调节阀连接；

所述数据存储模块用于存储空压站房内空压机的数量，工频空压机的额定功率、压力调节范围、额定产气量，变频空压机的功率范围、压力调节范围、产气量范围，空压机的优先启停次序，压缩空气出口设定压力，设定控制压力的上限值与下限值。

作为优选的技术方案，每台空压机通过RS-485总线与系统控制器的通信模块进行数据连接，

或每台空压机使用系统控制器2个数字量输出点和3个数字量输入点实现状态反馈与控制。

作为优选的技术方案，所述流量计使用RS-485总线与系统控制器的通信模块进行数据传输。

作为优选的技术方案，所述比例调节阀使用系统控制器1个模拟量输出点。

本发明还提供了一种基于用气需求的压缩空气控制系统的控制方法，包括下述步骤：

(1)系统控制器内预先存储空压站房内空压机的数量，工频空压机的额定功率、压力调节范围和额定产气量，变频空压机的功率范围、压力调节范围和产气量范围，空压机的优先启停次序，压缩空气出口设定压力，设定控制压力的上限值与下限值；

(2)系统上电启动，系统控制器检测压缩空气出口实际压力与流量，读取各空压机的数量，并读取各空压机的数据信息，包括机组的启停状态、加卸载状态、排气压力、排气温度、累计运行时间和累计加载时间；

(3)系统控制器在每个压力采样周期内对压缩空气出口的比例调节阀的开度进行控制，使用压缩空气出口的实际压力与压缩空气出口设定压力趋近直至匹配；

(4)系统控制器根据压缩空气出口的实际流量、空压机优先启动次序启动并加载对应的空压机；

(5)系统控制器在每个控制周期内检测比例调节阀的前端实际压力，并将前端实际压力与设定控制压力进行比对，且系统控制器根据设定值与实际值的差值对空压机进行启停与加卸载控制。

作为优选的技术方案，所述系统控制器在每个压力采样周期内对压缩空气出口的比例调节阀的开度进行控制，即根据实际压力与设定压力进行PID控制，实际压力小于设定压力时增大阀门开度，实际压力大于设定压力时减小阀门开度，每个控制周期对阀门开度进行运算与调节，直至实际压力与设定压力相等。

作为优选的技术方案，所述趋近直至匹配是指实际压力与设定压力趋近于相等。

作为优选的技术方案，所述系统控制器根据设定值与实际值的差值对空压机进行启停与加卸载控制的具体方法为：

(5-1)若前端实际压力低于设定控制压力的下限值，系统控制器根据实际流量以及前端实际压力与设定控制压力的下限值的差值运算出缺失的流量值，再根据各空压机额定流量、累计运行时间运算出空压机的加载次序，根据该次序逐台将空压机投入到加载状态，使前端实际压力满足设定控制压力的需求，同时使各空压机的累计运行时间趋于均衡；

(5-2)若前端实际压力稳定在设定控制压力的上下限值范围内，系统维持当前的运行状态；

(5-3)若前端实际压力高于设定控制压力的上限值，系统控制器根据实际流量以及设定控制压力的上限值与前端实际压力的差值运算出超出的流量值，再根据各空压机额定流量、累计运行时间运算出空压机的卸载次序，系统控制器逐台将空压机投入到卸载状态，使前端实际压力满足设定控制压力的需求，同时使各空压机的累计运行时间趋于均衡；

(5-4)若某些已启动的空压机长时间处于卸载状态，则控制逐台关闭这些处于卸载状态的空压机。

作为优选的技术方案，所述空压机启停次序的计算方法如下：

(6-1)压缩空气的压力、温度、容积的关系遵守气体状态方程：

pV＝nRT

式中p为气体的压力，单位为kgf/m²；V为气体容积，单位为m³；n为物质的量；T为绝对温度，单位为K；R表示气体常数；

对空压机而言，压缩相同体积空气，忽略气体温度的变化，压缩后压力与容积的变化成反比：

p_额定Q_额定＝p_实际Q_实际

式中p_额定为空压机的额定产气压力，Q_额定为空压机的额定压力下产气流量，p_实际为空压机的实际的产气压力，Q_实际为空压机在实际压力下产气流量；

(6-2)根据压缩站房总管的气体密度、流量、压力产生如下等式：

式中ρ为气体密度，单位为kg/m³，p为气体的压力，单位为kgf/m²，Q为气体流量，单位为m³；

不同压力下的空气密度ρ_前端实际、ρ_设定控制可查表得到，在已获得Q_前端实际、p_前端实际、p_设定控制的情况下，可运算出对应的Q_设定控制；

(6-3)要运算目标压力下压缩空气总管的缺失流量或富余流量，应先根据各台空压机的额定产生压力与额定产气流量以及(6-1)中的公式计算出目标压力下各空压机的实际产气流量；

以正在加载的空压机的流量之和与(6-2)运算得出的Q_设定控制进去对比，运算出缺失流量或富余流量：

ΔQ＝|Q_设定控制-(Q_{加载目标1}+Q_{加载目标2}+…+Q_{加载目标n})|

(6-4)根据(6-3)的△Q，目标压力下各空压机的实际产气流量以及各空压机的累计运行时间的多少，累计运行时间短的先开，累计运行时间长的先停，即可运算出相应的空压机启停次序。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明从用气需求出发，根据用气末端的实际需求生产达标的压缩空气，从而提高空压机系统的产气效率，减少了能量消耗，达到节能的目的。

2、本发明利用比例调节阀实现压缩空气出口压力的稳定，减少了压缩空气管网的压力波动，能有效减少因管网泄漏造成的浪费。

3、本发明在空压机投入数量控制中增加了功率、压力调节范围、流量的运算，相比普通固定次序的控制方法，减少了系统的压力响应时间，提高了空压站房设备整体的运行效率。

附图说明

图1是本基于用气需求的压缩空气控制系统结构图。

图2是本基于用气需求的压缩空气控制系统的系统控制器结构原理图。

图3是本基于用气需求的压缩空气控制方法的流程图。

图4是实施例基于用气需求的压缩空气控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，基于用气需求的压缩空气系统控制系统，包括多台空压机、一个储气罐、系统控制器、前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器、流量计、比例调节阀。

如图2所示，所述系统控制器由中央处理器、数据存储模块、通信模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块组成；其中，所述模拟量输入输出模块包括模拟量输入模块和模拟量输出模块，所述数字量输入输出模块包括数字量输入模块和数字量输出模块；所述数据存储模块、通信模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块分别与中央处理器连接；数据存储模块用于存储空压站房内空压机的数量C_air，工频空压机的额定功率P₁、P₂…P_n、压力调节范围F₁、F₂…F_n、额定产气量Q₁、Q₂…Q_n，变频空压机的功率范围Pv₁、Pv₂…Pv_n、压力调节范围Fv₁、Fv₂…Fv_n、产气量范围Qv₁、Qv₂…Qv_n，空压机默认的优先启停次序Index，压缩空气出口设定压力F_set，设定控制压力的上限值Cf_h与下限值Cf_l；所述通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块与空压机连接；所述通信模块还与流量计连接，所述模拟量输入模块分别与前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器连接；所述模拟量输出模块与比例调节阀连接。在本实施例中，通信模块为RS-485通信模块。本实施例所述的空压机为一台或多台，需带有外部通信接口或外部数字量输入输出接口，使用RS-485总线与系统控制器的通信模块进行数据连接或每台空压机使用系统控制器2个数字量输出点和3个数字量输入点实现状态反馈与控制。

所述前端压力传感器安装于压缩空气总管，比例调节阀的前端，用于检测一台或多台空压机的总排气压力Cf_act，前端压力传感器使用系统控制器1个数字量输入点。

所述压缩空气出口压力传感器安装于压缩空气总管，比例调节阀的后端，用于检测空压站房的压缩空气出口实际压力F_act，压缩空气出口压力传感器使用系统控制器1个数字量输入点。

所述流量计安装于压缩空气总管，比例调节阀的后端，用于检测空压站房的压缩空气出口流量Q_act，流量计使用RS-485总线与系统控制器的通信模块进行数据连接。

所述比例调节阀安装于压缩空气总管，空压机后处理设备的后端，利用阀门开度调节压缩空气出口实际压力F_act，该比例调节阀在失去动力时阀门应处于全开状态，比例调节阀使用系统控制器1个模拟量输出点。

如图3、图4所示，针对上述基于用气需求的压缩空气系统控制系统的控制方法，包括下述步骤：

(1)系统控制器内预先存储空压站房内空压机的数量C_air，工频空压机的额定功率P₁、P₂…P_n、压力调节范围F₁、F₂…F_n、额定产气量Q₁、Q₂…Q_n，变频空压机的功率范围Pv₁、Pv₂…Pv_n、压力调节范围Fv₁、Fv₂…Fv_n、产气量范围Qv₁、Qv₂…Qv_n，空压机默认的优先启停次序Index，压缩空气出口设定压力F_set，设定控制压力的上限值Cf_h与下限值Cf_l。

(2)系统上电启动，系统控制器检测压缩空气出口实际压力F _act与流量Q_act，读取各空压机的数量C_air，包括机组的启停状态、加卸载状态、排气压力、排气温度、累计运行时间T₁、T₂…T_n、累计加载时间。

(3)系统控制器在每个压力采样周期T_p内对压缩空气出口的比例调节阀的开度O_v进行控制，使用压缩空气出口的实际压力F_act与压缩空气出口设定压力F_set趋近直至匹配。若F_act>F_set，则减少O_v；若F_act<F_set，则增大O_v；若F_act＝F_set，则维持O_v不变。

(4)系统控制器根据压缩空气出口的实际流量Q_act、空压机优先启动次序Index启动并加载对应的空压机。

(5)系统控制器在每个控制周期T_c内检测比例调节阀的前端实际压力Cf_act，并将前端实际压力Cf_act与设定控制压力Cf_set进行比对。系统控制器根据设定值Cf_set与实际值Cf_act的差值△Cf对空压机进行启停与加卸载控制，控制方法如下：

(5-1)若Cf_act<Cf_l，系统控制器根据Q_act以及前端实际压力与设定控制压力的下限值的差值△Cf_l运算出缺失的流量值△Q，再根据Q₁、Q₂…Q_n，Qv₁、Qv₂…Qv_n、T₁、T₂…T_n运算出实际加载次序I_l，根据实际加载次序I_l逐台将空压机投入到加载状态，使Cf_l<Cf_act<Cf_h，同时使T₁、T₂…T_n趋于均衡；

(5-2)若Cf_l≤Cf_act≤Cf_h，系统维持当前的运行状态；

(5-3)若Cf_act>Cf_h，系统控制器根据实际流量Q_act以及设定控制压力的上限值Cf_h与前端实际压力Cf_act的差值△Cf_h运算出超出的流量值△Q，再根据Q₁、Q₂…Q_n，Qv₁、Qv₂…Qv_n、T₁、T₂…T_n运算出实际卸载次序I_u，系统控制器逐台将空压机投入到卸载状态，使Cf_l<Cf_act<Cf_h，同时使T₁、T₂…T_n趋于均衡；

(5-4)若某些已启动的空压机长时间处于卸载状态，则控制逐台关闭这些实际卸载时间T_u1、T_u2..T_un>设定空久停机时间T_mu的空压机。

上述步骤5涉及空压机启停次序的计算方法如下：

(6-1)压缩空气的压力、温度、容积的关系遵守气体状态方程：

pV＝nRT

式中p为气体的压力，单位为kgf/m²；V为气体容积，单位为m³；n为物质的量；T为绝对温度，单位为K；R表示气体常数。

对空压机而言，压缩相同体积空气，忽略气体温度的变化，压缩后压力与容积的变化成反比：

p_额定Q_额定＝p_实际Q_实际

式中p_额定为空压机的额定产气压力，Q_额定为空压机的额定压力下产气流量，p_实际为空压机的实际的产气压力，Q_实际为空压机在实际压力下产气流量。

(6-2)根据压缩站房总管的气体密度、流量、压力产生如下等式：

式中ρ为气体密度，单位为kg/m³，p为气体的压力，单位为kgf/m²，Q为气体流量，单位为m³。

不同压力下的空气密度ρ_前端实际、ρ_设定控制可查表得到，在已获得Q_前端实际、p_前端实际、p_设定控制的情况下，可运算出对应的Q_设定控制。

(6-3)要运算目标压力下压缩空气总管的缺失流量或富余流量，应先根据各台空压机的额定产气压力(p_额定1、p_额定2、…p_额定n)与额定产气流量(Q_额定1、Q_额定2、…Q_额定n)以及(6-1)中的公式计算出目标压力下各空压机的实际产气流量(Q_目标1、Q_目标2、…Q_目标n)。

以正在加载的空压机的流量之和与(6-2)运算得出的Q_设定控制进去对比，运算出缺失流量或富余流量：

ΔQ＝|Q_设定控制-(Q_{加载目标1}+Q_{加载目标2}+…+Q_{加载目标n})|

(6-4)根据(6-3)的△Q，目标压力下各空压机的实际产气流量(Q_目标1、Q_目标2、…Q_目标n)，以及各空压机的累计运行时间的多少(累计运行时间短的先开，累计运行时间长的先停)，即可运算出相应的空压机启停次序。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于用气需求的压缩空气控制系统，其特征在于，包括空压机、系统控制器、前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器、流量计和比例调节阀，

所述空压机为一台或多台，带有外部通信接口或外部数字量输入输出接口，可用于系统控制器的数据通信或干接点状态反馈与控制；

所述系统控制器，是整个控制系统的中枢，用于对空压机、前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器、流量计和比例调节阀进行监视与控制；

所述前端压力传感器安装于压缩空气总管，比例调节阀的前端，用于检测一台或多台空压机的总排气压力；

所述压缩空气出口压力传感器安装于压缩空气总管，比例调节阀的后端，用于检测空压站房的压缩空气出口实际压力；

所述流量计安装于压缩空气总管，比例调节阀的后端，用于检测空压站房的压缩空气出口流量；

所述比例调节阀安装于压缩空气总管，空压机后处理设备的后端，利用阀门开度调节压缩空气出口实际压力，该比例调节阀在失去动力时阀门应处于全开状态。

2.根据权利要求1所述一种基于用气需求的压缩空气控制系统，其特征在于，所述系统控制器包括中央处理器、数据存储模块、通信模块、模拟量输入输出模块和数字量输入输出模块；其中，所述模拟量输入输出模块包括模拟量输入模块和模拟量输出模块，所述数字量输入输出模块包括数字量输入模块和数字量输出模块；所述数据存储模块、通信模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块分别与中央处理器连接；所述通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块均与空压机连接；所述通信模块还与流量计连接，所述模拟量输入模块分别与前端压力传感器、压缩空气出口压力传感器连接；所述模拟量输出模块与比例调节阀连接；

所述数据存储模块用于存储空压站房内空压机的数量，工频空压机的额定功率、压力调节范围、额定产气量，变频空压机的功率范围、压力调节范围、产气量范围，空压机的优先启停次序，压缩空气出口设定压力，设定控制压力的上限值与下限值。

3.根据权利要求2所述一种基于用气需求的压缩空气控制系统，其特征在于，每台空压机通过RS-485总线与系统控制器的通信模块进行数据连接，

或每台空压机使用系统控制器2个数字量输出点和3个数字量输入点实现状态反馈与控制。

4.根据权利要求2所述一种基于用气需求的压缩空气控制系统，其特征在于，所述流量计使用RS-485总线与系统控制器的通信模块进行数据传输。

5.根据权利要求1所述一种基于用气需求的压缩空气控制系统，其特征在于，所述比例调节阀使用系统控制器1个模拟量输出点。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述压缩空气控制系统实现的基于用气需求的压缩空气控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)系统控制器内预先存储空压站房内空压机的数量，工频空压机的额定功率、压力调节范围和额定产气量，变频空压机的功率范围、压力调节范围和产气量范围，空压机的优先启停次序，压缩空气出口设定压力，设定控制压力的上限值与下限值；

(2)系统上电启动，系统控制器检测压缩空气出口实际压力与流量，读取各空压机的数量，并读取各空压机的数据信息，包括机组的启停状态、加卸载状态、排气压力、排气温度、累计运行时间和累计加载时间；

(3)系统控制器在每个压力采样周期内对压缩空气出口的比例调节阀的开度进行控制，使用压缩空气出口的实际压力与压缩空气出口设定压力趋近直至匹配；

(4)系统控制器根据压缩空气出口的实际流量、空压机优先启动次序启动并加载对应的空压机；

(5)系统控制器在每个控制周期内检测比例调节阀的前端实际压力，并将前端实际压力与设定控制压力进行比对，且系统控制器根据设定值与实际值的差值对空压机进行启停与加卸载控制。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，所述系统控制器在每个压力采样周期内对压缩空气出口的比例调节阀的开度进行控制，即根据实际压力与设定压力进行PID控制，实际压力小于设定压力时增大阀门开度，实际压力大于设定压力时减小阀门开度，每个控制周期对阀门开度进行运算与调节，直至实际压力与设定压力相等。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述趋近直至匹配是指实际压力与设定压力趋近于相等。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤(5)中，所述系统控制器根据设定值与实际值的差值对空压机进行启停与加卸载控制的具体方法为：

(5-1)若前端实际压力低于设定控制压力的下限值，系统控制器根据实际流量以及前端实际压力与设定控制压力的下限值的差值运算出缺失的流量值，再根据各空压机额定流量、累计运行时间运算出空压机的加载次序，根据该次序逐台将空压机投入到加载状态，使前端实际压力满足设定控制压力的需求，同时使各空压机的累计运行时间趋于均衡；

(5-2)若前端实际压力稳定在设定控制压力的上下限值范围内，系统维持当前的运行状态；

(5-3)若前端实际压力高于设定控制压力的上限值，系统控制器根据实际流量以及设定控制压力的上限值与前端实际压力的差值运算出超出的流量值，再根据各空压机额定流量、累计运行时间运算出空压机的卸载次序，系统控制器逐台将空压机投入到卸载状态，使前端实际压力满足设定控制压力的需求，同时使各空压机的累计运行时间趋于均衡；

(5-4)若某些已启动的空压机长时间处于卸载状态，则控制逐台关闭这些处于卸载状态的空压机。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述空压机启停次序的计算方法如下：

(6-1)压缩空气的压力、温度、容积的关系遵守气体状态方程：

pV＝nRT

式中p为气体的压力，单位为kgf/m²；V为气体容积，单位为m³；n为物质的量；T为绝对温度，单位为K；R表示气体常数；

对空压机而言，压缩相同体积空气，忽略气体温度的变化，压缩后压力与容积的变化成反比：

p_额定Q_额定＝p_实际Q_实际

式中p_额定为空压机的额定产气压力，Q_额定为空压机的额定压力下产气流量，p_实际为空压机的实际的产气压力，Q_实际为空压机在实际压力下产气流量；

(6-2)根据压缩站房总管的气体密度、流量、压力产生如下等式：

式中ρ为气体密度，单位为kg/m³，p为气体的压力，单位为kgf/m²，Q为气体流量，单位为m³；

不同压力下的空气密度ρ_前端实际、ρ_设定控制可查表得到，在已获得Q_前端实际、p_前端实际、p_设定控制的情况下，可运算出对应的Q_设定控制；

(6-3)要运算目标压力下压缩空气总管的缺失流量或富余流量，应先根据各台空压机的额定产生压力与额定产气流量以及(6-1)中的公式计算出目标压力下各空压机的实际产气流量；

以正在加载的空压机的流量之和与(6-2)运算得出的Q_设定控制进去对比，运算出缺失流量或富余流量：

ΔQ＝|Q_设定控制-(Q_{加载目标1}+Q_{加载目标2}+…+Q_{加载目标n})|

(6-4)根据(6-3)的△Q，目标压力下各空压机的实际产气流量以及各空压机的累计运行时间的多少，累计运行时间短的先开，累计运行时间长的先停，即可运算出相应的空压机启停次序。