【壓縮機網】空氣壓縮機是將機械能轉換為氣體壓力能的轉換裝置，是氣動系統的動力源，廣泛應用于石油化工、機械制造、礦山、冶金、電力、電子、食品、醫藥等行業。我國空氣動力用螺桿壓縮機行業起步于 20 世紀 80 年代，發展歷程相對較短， 但其銷售量從 2008 年的 11.5萬臺迅速上升至2013 年的 20.98 萬臺。空氣動力用螺桿壓縮機除了用于各種氣動工具、氣控儀表、食品、醫藥等，也在一些新的應用領域大展身手，如發動機增壓、汽車噴涂行業以及高壓氧艙、生物行業、膠片感光材料行業、國防科研等行業和領域應用。隨著國家關于工業綠色發展規劃的出臺，以及企業對于設備節能降耗改造、自動控制、實時監控、無人值守等智能控制需求，螺桿式空氣壓縮機的智能控制研究與應用成為許多企業技改重點工作， 并已經取得較好的應用效果。
1 螺桿式空氣壓縮機改造背景
1.1 國家對工業發展實施綠色監管，引導綠色消費
1) 國家倡導節能改造，綠色制造
資源與環境問題是人類面臨的共同挑戰，推進綠色發展是提升國際競爭力的必然途徑。隨著我國經濟的發展，能源消耗量在逐年增加，為此，國家及各行業積極實施節能減排，安排大量資金用于新型高效能源設備技術的研發以及既有設備技術的替代和改造。“十二五”期間，規模以上企業單位工業增加值能耗累計下降 28%， 實現節能量 6.9 億噸標準煤。但是，我國工業總體上尚未擺脫高投入、高消耗、高排放的發展方式，形勢依然十分嚴峻。因此， 《“十三五”節能減排綜合工作方案》規定: 淘汰低效風機、水泵、壓縮機等用能設備，要求全面推進傳統行業節能技術改造，強化空氣壓縮機等設備技術節能。
2) 實施綠色制造 + 互聯網，提升工業綠色智能水平
國家及行業主管部門要求以先進適用技術裝備應用為手段， 加快推廣智能控制等先進技術。《中華人民共和國節約能源法》規定， 鼓勵工業企業采用高效、節能的電動機、風機、泵類等設備以及先進的用能監測和控制等技術。《工業綠色發展規劃( 2016－2020 年) 》提出: 實施綠色制造 + 互聯網，提升工業綠色智能水平。實施數字能效推進計劃，鼓勵企業通過物聯網、大數據、云計算、先進過程控制等技術應用，對能源消情況及大型耗設備實施動態監測、控制和優化管理，實現企業能源管理數字化和精細化。
1.2 企業精細化管理對設備智能化控制的需求
礦山用空氣壓縮機正常生產時供氣動設備動力，在發生災變時，必須能安全可靠地為壓風自救系統提供新鮮空氣。目前空氣壓縮機的控制方式主要是就地控制，人工操作不能保證壓力相對穩定供氣，影響供氣質量，且無法實現對設備故障自診斷、早預警，影響氣動設備壓風供應和礦井安全生產。而企業精細化管理對設備安全管理、智能化控制的需求越來越高，加之企業用工成本逐年增高，從高效節能管理、人性化管理、精細化管理方面也需進行設備智能化改造，實現實時智能監控，無人值守等功能。
2 公司螺桿式空氣壓縮機使用現狀及存在問題
2.1 使用現狀
公司下轄 4 個單位， 所用 14 臺空氣壓縮機均為某國內大型壓縮機公司生產的 LGS-65 /8G 型螺桿式空氣壓縮機，排氣壓力 0.8 MPa， 排氣量為 65 m3 /min， 于 2013 年采購、安裝、投入運行。其中太平礦配備有 3 臺螺桿式空氣壓縮機，一用一備一檢修。
2.2 螺桿式空氣壓縮機使用中存在問題
1) 電機啟動方式為直接啟動， 影響設備壽命
LGS-65 /8G-6K 型螺桿式空氣壓縮機電動機主要參數為: 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， 電機啟動方式為直接啟動，空載啟動電流較大，加載和卸載時對機械傳動部分沖擊較大，會引起供氣質量壓力波動，加速設備磨損，降低設備使用壽命。
2) 設備長期空載運行，存在電能損耗
氣動設備在每班作業時用氣量增加，而交接班時用氣很少，為了減少啟動頻繁度，壓縮機啟動后常常處于卸載運行狀態，卸載運行期間空氣壓縮機不供給壓縮空氣，但仍要耗費電能，造成較大的能源浪費。
3) 現場噪聲工作環境，影響職工身心健康
雖然空氣壓縮機采用了隔振及降噪技術，但運行時，運轉噪聲較大，崗位工作人員在操作設備啟動、停止及在設備運轉過程中定期巡查時，置身在噪聲、高溫的惡劣環境下工作， 不利于身心健康。當前國家及行業主管部門對于職工健康權益保障日趨完善，對于惡劣工作環境下作業的工人保護力度增加，企業推行人性化管理，實施智能控制改造，實現無人值守成為較好選擇。
4) 無法及時掌控在用及備用設備情況，影響安全生產
3 臺空氣壓縮機運行方式是一用一備一檢修，運行期間，由值守人員人工巡查設備，檢查泄漏、溫度、壓力等情況，并記錄在設備運行記錄本上，無法實現及時連續準確地反饋數據。另外，備用的空氣壓縮機不開機試運行，無法保證在工作設備發生故障時，備用設備能及時完好投入使用，如果在用、備用設備均出現故障，將影響工作區域正常生產。
3 螺桿空氣壓縮機智能控制技術方案設計與應用
經認真分析螺桿空氣壓縮機存在問題，研究、設計智能控制方案，于2018 年 6 月實施了空壓機組智能控制技術改造。采用變頻技術進行節能改造，利用工業以太網實現實時監測、無人值守。
3.1 設計實施變頻改造方案，實現技術節能
變頻改造技術主要適用于空氣壓縮機、水泵等負荷經常變化，沒有恒速要求的場合，通過加裝變頻器，從而改變電機的運轉速度，實現軟啟動，達到節電目的。變頻控制系統由 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等組成，通過安裝在壓縮空氣系統總管上的壓力傳感器采集現場壓力反饋給高壓變頻器實現閉環 PID 控制，變頻器根據壓力大小自動調節變頻器輸出頻率，從而改變電動機轉速，實現氣量調節。空氣壓縮機變頻控制電動機轉速和電源頻率的關系根據公式 n = 60 f(1－s) /p 可知，式中: n 為電動機轉速; s 為電動機轉差率; f 為電源頻率; p 為電動機極對數。
三臺空氣壓縮機采用 1 臺變頻器進行控制，正常情況，1 臺變頻器做 1 拖 1 運行，最多同時啟動 2 臺空壓機。采用變頻調速后， 將供氣壓力設定為一個數值，變頻器根據反饋給控制器的供氣壓力的波動隨時自動調節空氣壓縮機轉速，使供氣壓力在很小的區間(例如0.75 ± 0.02 MPa) 內波動，實現恒壓供氣，如果用氣量很小，變頻器運行在下限頻率并持續一段時間(如5分鐘) 時，可停止空壓機工作，當壓力繼續下降到設定的下限閾值時再啟動空壓機。
3.2 設計實施計算機遠程智能監控方案，實現無人值守
利用公司現有工業以太網及礦井自動化集成平臺，設計基于西門子 PLC 控制器為核心控制元件的智能控制、在線監測系統主程序，增加高清數字攝像儀、液位傳感器、正壓傳感器、溫度傳感器等設備實現現場圖像、運行數據采集，反饋給高壓變頻器實現閉環 PID控制， 并通過 PLC 通訊端口、遠程 DCS 接口接入工業以太網， 在壓風機房增設一臺高清數字攝像儀，設備經光纖接入以太網，形成 KJ90-YF 壓風機監控系統，并入礦井自動化控制平臺， 由礦調度集控室自動監測控制，實現實時監測、智能控制，無人值守。在調度集控室可實現計算機遠程監控，監控空壓機的用能時間、用能狀況，分析判斷設備的運行狀況， 使氣動設備長期處于最佳用氣狀態，按“所需即所供”的原則科學供風，實現終端用能設備耗能的科學管理和有效利用。同時，主管領導及部門均可在公司內任何與以太網連接的計算機終端上查看設備運行情況及現場情況。空氣壓縮機計算機智能監控系統組成結構圖見圖1。
圖1 空氣壓縮機計算機智能監控系統組成結構圖
4 空壓機智能監控系統具備的功能
4.1 節能降耗， 經濟效益明顯
空壓機智能監控系統，實現空壓機軟啟動、軟停機，智能調節供氣，避免機組長時間處于卸載運行狀態耗費電能。同時，啟動過程平滑穩定，啟動時幾乎無沖擊電流，電網電壓波動很小，不會對電氣設備形成大電流沖擊，有效提高了電網上相關電氣設備的使用壽命;平穩的軟啟動過程減小機械沖擊，減少機械部件磨損，減少設備維修量。據統計， 較改造前節約電費11萬元/年，節約維修費用 1 萬元/年，實現無人值守，節約工資支出12萬元/年。
4.2 恒壓供氣， 保證供風質量
空壓機自動化智能控制系統，根據供風負荷自動調節設備運轉，實現恒壓供氣，提高了供風質量，杜絕了因風量不足影響生產現象，保障氣動設備工作效能，提高氣動設備使用壽命，保障了壓風自救系統可靠性，對于安全生產具有重要作用和意義。
4.3 互聯互通，實現智能控制，無人值守
應用互聯網技術，將進水電動球閥、冷卻風機、攝像儀及各傳感器等與 PLC 控制器、工業以太網聯網，實時監控系統當前控制方式、壓風機運行狀態，監測采集壓風機進水溫度、儲氣罐及總管壓力、水池液位、電流參數等，出現故障，發出報警信號并啟動安全保護，實施動態監測、控制和智能化管理。
系統具有遠程控制、就地控制、集中控制三種控制模式，即在調度集控室工控機或空壓機房PLC 控制箱上，可遠程自動控制和遠程手動控制; 在空壓機房現場采用人工操作方式，可實現就地控制; 另外系統可以按預先設定的程序，根據傳感器檢測的相關參數，進行集中控制。
智能控制系統保護齊全，具有過載、短路、過流、過壓、門開關聯鎖等保護，并有故障報警、故障記錄及報警顯示功能，查詢、打印報表功能及權限管理功能。
5 結語
空氣壓縮機智能控制技術改造項目，應用了變頻控制技術、工業以太網及信息化技術、恒壓供風控制技術等，有效實現了設備軟啟動，遠程實時監控、自動檢測故障并報警、節能降耗、無人值守功能，經過一年半的運行，效果良好， 對減少設備機械磨損及故障率、降低使用、維護成本，提高設備使用壽命及減員增效具有明顯益處，對于企業設備自動化控制、現代化管理、安全系數提升具有良好的經濟效益和社會效益。
【壓縮機網】空氣壓縮機是將機械能轉換為氣體壓力能的轉換裝置，是氣動系統的動力源，廣泛應用于石油化工、機械制造、礦山、冶金、電力、電子、食品、醫藥等行業。我國空氣動力用螺桿壓縮機行業起步于 20 世紀 80 年代，發展歷程相對較短， 但其銷售量從 2008 年的 11.5萬臺迅速上升至2013 年的 20.98 萬臺。空氣動力用螺桿壓縮機除了用于各種氣動工具、氣控儀表、食品、醫藥等，也在一些新的應用領域大展身手，如發動機增壓、汽車噴涂行業以及高壓氧艙、生物行業、膠片感光材料行業、國防科研等行業和領域應用。隨著國家關于工業綠色發展規劃的出臺，以及企業對于設備節能降耗改造、自動控制、實時監控、無人值守等智能控制需求，螺桿式空氣壓縮機的智能控制研究與應用成為許多企業技改重點工作， 并已經取得較好的應用效果。
1 螺桿式空氣壓縮機改造背景
1.1 國家對工業發展實施綠色監管，引導綠色消費
1) 國家倡導節能改造，綠色制造
資源與環境問題是人類面臨的共同挑戰，推進綠色發展是提升國際競爭力的必然途徑。隨著我國經濟的發展，能源消耗量在逐年增加，為此，國家及各行業積極實施節能減排，安排大量資金用于新型高效能源設備技術的研發以及既有設備技術的替代和改造。“十二五”期間，規模以上企業單位工業增加值能耗累計下降 28%， 實現節能量 6.9 億噸標準煤。但是，我國工業總體上尚未擺脫高投入、高消耗、高排放的發展方式，形勢依然十分嚴峻。因此， 《“十三五”節能減排綜合工作方案》規定: 淘汰低效風機、水泵、壓縮機等用能設備，要求全面推進傳統行業節能技術改造，強化空氣壓縮機等設備技術節能。
2) 實施綠色制造 + 互聯網，提升工業綠色智能水平
國家及行業主管部門要求以先進適用技術裝備應用為手段， 加快推廣智能控制等先進技術。《中華人民共和國節約能源法》規定， 鼓勵工業企業采用高效、節能的電動機、風機、泵類等設備以及先進的用能監測和控制等技術。《工業綠色發展規劃( 2016－2020 年) 》提出: 實施綠色制造 + 互聯網，提升工業綠色智能水平。實施數字能效推進計劃，鼓勵企業通過物聯網、大數據、云計算、先進過程控制等技術應用，對能源消情況及大型耗設備實施動態監測、控制和優化管理，實現企業能源管理數字化和精細化。
1.2 企業精細化管理對設備智能化控制的需求
礦山用空氣壓縮機正常生產時供氣動設備動力，在發生災變時，必須能安全可靠地為壓風自救系統提供新鮮空氣。目前空氣壓縮機的控制方式主要是就地控制，人工操作不能保證壓力相對穩定供氣，影響供氣質量，且無法實現對設備故障自診斷、早預警，影響氣動設備壓風供應和礦井安全生產。而企業精細化管理對設備安全管理、智能化控制的需求越來越高，加之企業用工成本逐年增高，從高效節能管理、人性化管理、精細化管理方面也需進行設備智能化改造，實現實時智能監控，無人值守等功能。
2 公司螺桿式空氣壓縮機使用現狀及存在問題
2.1 使用現狀
公司下轄 4 個單位， 所用 14 臺空氣壓縮機均為某國內大型壓縮機公司生產的 LGS-65 /8G 型螺桿式空氣壓縮機，排氣壓力 0.8 MPa， 排氣量為 65 m3 /min， 于 2013 年采購、安裝、投入運行。其中太平礦配備有 3 臺螺桿式空氣壓縮機，一用一備一檢修。
2.2 螺桿式空氣壓縮機使用中存在問題
1) 電機啟動方式為直接啟動， 影響設備壽命
LGS-65 /8G-6K 型螺桿式空氣壓縮機電動機主要參數為: 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， 電機啟動方式為直接啟動，空載啟動電流較大，加載和卸載時對機械傳動部分沖擊較大，會引起供氣質量壓力波動，加速設備磨損，降低設備使用壽命。
2) 設備長期空載運行，存在電能損耗
氣動設備在每班作業時用氣量增加，而交接班時用氣很少，為了減少啟動頻繁度，壓縮機啟動后常常處于卸載運行狀態，卸載運行期間空氣壓縮機不供給壓縮空氣，但仍要耗費電能，造成較大的能源浪費。
3) 現場噪聲工作環境，影響職工身心健康
雖然空氣壓縮機采用了隔振及降噪技術，但運行時，運轉噪聲較大，崗位工作人員在操作設備啟動、停止及在設備運轉過程中定期巡查時，置身在噪聲、高溫的惡劣環境下工作， 不利于身心健康。當前國家及行業主管部門對于職工健康權益保障日趨完善，對于惡劣工作環境下作業的工人保護力度增加，企業推行人性化管理，實施智能控制改造，實現無人值守成為較好選擇。
4) 無法及時掌控在用及備用設備情況，影響安全生產
3 臺空氣壓縮機運行方式是一用一備一檢修，運行期間，由值守人員人工巡查設備，檢查泄漏、溫度、壓力等情況，并記錄在設備運行記錄本上，無法實現及時連續準確地反饋數據。另外，備用的空氣壓縮機不開機試運行，無法保證在工作設備發生故障時，備用設備能及時完好投入使用，如果在用、備用設備均出現故障，將影響工作區域正常生產。
3 螺桿空氣壓縮機智能控制技術方案設計與應用
經認真分析螺桿空氣壓縮機存在問題，研究、設計智能控制方案，于2018 年 6 月實施了空壓機組智能控制技術改造。采用變頻技術進行節能改造，利用工業以太網實現實時監測、無人值守。
3.1 設計實施變頻改造方案，實現技術節能
變頻改造技術主要適用于空氣壓縮機、水泵等負荷經常變化，沒有恒速要求的場合，通過加裝變頻器，從而改變電機的運轉速度，實現軟啟動，達到節電目的。變頻控制系統由 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等組成，通過安裝在壓縮空氣系統總管上的壓力傳感器采集現場壓力反饋給高壓變頻器實現閉環 PID 控制，變頻器根據壓力大小自動調節變頻器輸出頻率，從而改變電動機轉速，實現氣量調節。空氣壓縮機變頻控制電動機轉速和電源頻率的關系根據公式 n = 60 f(1－s) /p 可知，式中: n 為電動機轉速; s 為電動機轉差率; f 為電源頻率; p 為電動機極對數。
三臺空氣壓縮機采用 1 臺變頻器進行控制，正常情況，1 臺變頻器做 1 拖 1 運行，最多同時啟動 2 臺空壓機。采用變頻調速后， 將供氣壓力設定為一個數值，變頻器根據反饋給控制器的供氣壓力的波動隨時自動調節空氣壓縮機轉速，使供氣壓力在很小的區間(例如0.75 ± 0.02 MPa) 內波動，實現恒壓供氣，如果用氣量很小，變頻器運行在下限頻率并持續一段時間(如5分鐘) 時，可停止空壓機工作，當壓力繼續下降到設定的下限閾值時再啟動空壓機。
3.2 設計實施計算機遠程智能監控方案，實現無人值守
利用公司現有工業以太網及礦井自動化集成平臺，設計基于西門子 PLC 控制器為核心控制元件的智能控制、在線監測系統主程序，增加高清數字攝像儀、液位傳感器、正壓傳感器、溫度傳感器等設備實現現場圖像、運行數據采集，反饋給高壓變頻器實現閉環 PID控制， 并通過 PLC 通訊端口、遠程 DCS 接口接入工業以太網， 在壓風機房增設一臺高清數字攝像儀，設備經光纖接入以太網，形成 KJ90-YF 壓風機監控系統，并入礦井自動化控制平臺， 由礦調度集控室自動監測控制，實現實時監測、智能控制，無人值守。在調度集控室可實現計算機遠程監控，監控空壓機的用能時間、用能狀況，分析判斷設備的運行狀況， 使氣動設備長期處于最佳用氣狀態，按“所需即所供”的原則科學供風，實現終端用能設備耗能的科學管理和有效利用。同時，主管領導及部門均可在公司內任何與以太網連接的計算機終端上查看設備運行情況及現場情況。空氣壓縮機計算機智能監控系統組成結構圖見圖1。
圖1 空氣壓縮機計算機智能監控系統組成結構圖
4 空壓機智能監控系統具備的功能
4.1 節能降耗， 經濟效益明顯
空壓機智能監控系統，實現空壓機軟啟動、軟停機，智能調節供氣，避免機組長時間處于卸載運行狀態耗費電能。同時，啟動過程平滑穩定，啟動時幾乎無沖擊電流，電網電壓波動很小，不會對電氣設備形成大電流沖擊，有效提高了電網上相關電氣設備的使用壽命;平穩的軟啟動過程減小機械沖擊，減少機械部件磨損，減少設備維修量。據統計， 較改造前節約電費11萬元/年，節約維修費用 1 萬元/年，實現無人值守，節約工資支出12萬元/年。
4.2 恒壓供氣， 保證供風質量
空壓機自動化智能控制系統，根據供風負荷自動調節設備運轉，實現恒壓供氣，提高了供風質量，杜絕了因風量不足影響生產現象，保障氣動設備工作效能，提高氣動設備使用壽命，保障了壓風自救系統可靠性，對于安全生產具有重要作用和意義。
4.3 互聯互通，實現智能控制，無人值守
應用互聯網技術，將進水電動球閥、冷卻風機、攝像儀及各傳感器等與 PLC 控制器、工業以太網聯網，實時監控系統當前控制方式、壓風機運行狀態，監測采集壓風機進水溫度、儲氣罐及總管壓力、水池液位、電流參數等，出現故障，發出報警信號并啟動安全保護，實施動態監測、控制和智能化管理。
系統具有遠程控制、就地控制、集中控制三種控制模式，即在調度集控室工控機或空壓機房PLC 控制箱上，可遠程自動控制和遠程手動控制; 在空壓機房現場采用人工操作方式，可實現就地控制; 另外系統可以按預先設定的程序，根據傳感器檢測的相關參數，進行集中控制。
智能控制系統保護齊全，具有過載、短路、過流、過壓、門開關聯鎖等保護，并有故障報警、故障記錄及報警顯示功能，查詢、打印報表功能及權限管理功能。
5 結語
空氣壓縮機智能控制技術改造項目，應用了變頻控制技術、工業以太網及信息化技術、恒壓供風控制技術等，有效實現了設備軟啟動，遠程實時監控、自動檢測故障并報警、節能降耗、無人值守功能，經過一年半的運行，效果良好， 對減少設備機械磨損及故障率、降低使用、維護成本，提高設備使用壽命及減員增效具有明顯益處，對于企業設備自動化控制、現代化管理、安全系數提升具有良好的經濟效益和社會效益。
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