張業(yè)明，王 帥，魏紹亮，陳永安，蔡茂林

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

1 前言

隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車制造業(yè)、工業(yè)機(jī)器人、食品飲料行業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域［1，2］。鋁合金輪轂、電解鋁、輪胎等企業(yè)的氣動(dòng)系統(tǒng)由于生產(chǎn)線維護(hù)或工藝性要求，間歇性大流量用氣現(xiàn)象很普遍，經(jīng)常導(dǎo)致壓縮空氣管網(wǎng)壓力的大范圍波動(dòng)［3，4］。為了保證其他生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，企業(yè)通常采用提高整個(gè)壓縮空氣管網(wǎng)壓力的方法來(lái)解決。壓縮空氣管網(wǎng)壓力提高的同時(shí)也增加了整個(gè)系統(tǒng)的耗電量、空氣泄漏量等［5～7］。為了有效地解決這個(gè)問(wèn)題，就需要針對(duì)間歇性大流量用氣工況對(duì)空氣壓縮機(jī)群控制方法進(jìn)行優(yōu)化。目前，有關(guān)空氣壓縮機(jī)群控制方法的研究很多，但大多集中在空氣壓縮機(jī)群的變頻控制、空氣壓縮機(jī)群的智能控制、空氣壓縮機(jī)群的節(jié)能改造以及空氣壓縮機(jī)群的控制系統(tǒng)研究等方面［8～16］，而有關(guān)間歇性大流量用氣工況下空氣壓縮機(jī)群控制方法的研究還比較少。本文通過(guò)對(duì)間歇性大流量用氣工況下氣動(dòng)管網(wǎng)壓力變化特性進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)有空氣壓縮機(jī)群控制方法進(jìn)行優(yōu)化，并搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 控制方法優(yōu)化

2.1 大流量用氣對(duì)氣動(dòng)管網(wǎng)壓力的影響

圖1為某正常運(yùn)行的氣動(dòng)系統(tǒng)突然開啟一個(gè)大流量用氣設(shè)備后管網(wǎng)壓力變化情況，其中主管路壓力在大流量用氣設(shè)備開啟后迅速下降，直至氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定的最低壓力值0.4 MPa時(shí)備用空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)，主管路壓力迅速上升；支路壓力在大流量用氣設(shè)備開啟的瞬間急劇下降，接著迅速降低，直至備用空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)，支路壓力逐步上升。從大流量用氣設(shè)備開啟到備用壓縮機(jī)啟動(dòng)這一過(guò)程用時(shí)約100 s，期間主管路壓力下降了約20%，支路壓力下降了約26%，支路壓力下降的平均速率大于主管路壓力下降的平均速率；備用空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)后，支路壓力上升的平均速率略小于主管路壓力上升的平均速率。

圖1 大流量用氣時(shí)管網(wǎng)壓力變化情況

2.2 空氣壓縮機(jī)群控制方法優(yōu)化

空氣壓縮機(jī)群傳統(tǒng)的控制方法是通過(guò)主管路壓力（即儲(chǔ)氣罐出口壓力）來(lái)控制備用空氣壓縮機(jī)的啟停，即主管路低于設(shè)定的最低壓力時(shí)啟動(dòng)備用空氣壓縮機(jī)，主管路壓力高于設(shè)定的最高壓力時(shí)停止備用空氣壓縮機(jī)，其控制流程如圖2所示。當(dāng)氣動(dòng)系統(tǒng)管網(wǎng)支路出現(xiàn)大流量用氣情況時(shí)，管網(wǎng)支路壓力急劇下降，由于管道傳輸距離、氣罐緩沖作用等因素的影響，主管路壓力下降的平均速率小于支路壓力下降的平均速率，從而使備用空氣壓縮機(jī)不能及時(shí)啟動(dòng)，導(dǎo)致了支路壓力進(jìn)一步降低。由圖1的壓力數(shù)據(jù)變化情況可以得出：為了減小氣動(dòng)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力的下降程度，在大流量用氣設(shè)備開啟后，備用空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間越短越好。因此通過(guò)將大流量用氣裝置的開啟信號(hào)作為備用空氣壓縮機(jī)機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)之一對(duì)傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)群的控制方法進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到縮短備用空氣壓縮機(jī)的啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的目的。其控制流程如圖3所示。

圖2 優(yōu)化前空氣壓縮機(jī)群控制方法流程

圖3 優(yōu)化后空氣壓縮機(jī)群控制方法流程

3 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)的氣源空氣壓縮機(jī)群由2臺(tái)活塞式空氣壓縮機(jī)組成，其中一臺(tái)空氣壓縮機(jī)為氣動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供壓縮空氣；另一臺(tái)空氣壓縮機(jī)作為備用空氣壓縮機(jī)，當(dāng)氣動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)大流量用工況時(shí)為氣動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充壓縮空氣。2臺(tái)空氣壓縮機(jī)的功率為750 W，0.5 MPa時(shí)的額定產(chǎn)氣量為60 L/min，最大產(chǎn)氣壓力為0.75 MPa。

氣動(dòng)系統(tǒng)的氣動(dòng)回路采用樹枝型管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同的用氣情況將氣動(dòng)系統(tǒng)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有3個(gè)用氣支路的氣動(dòng)回路。3個(gè)用氣支路的用氣設(shè)備為3種典型的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用氣設(shè)備，分別為：雙作用氣缸、氣動(dòng)打磨筆和氣槍（間歇性大流量用氣設(shè)備）。其中雙作用氣缸的型號(hào)為MAL25×100-0；氣動(dòng)打磨筆的型號(hào)為威氏-45862，平均耗氣量60 L/min。氣動(dòng)系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)系統(tǒng)原理示意

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由西門子S7-200 SMART PLC、西門子PLC EM AI04擴(kuò)展模塊、無(wú)紙記錄儀、壓力傳感器、繼電器及交流接觸器等部分組成。其中西門子S7-200 SMART PLC是控制系統(tǒng)的核心，主要用于處理氣動(dòng)管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)以及控制氣動(dòng)系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)群［17］；EM AI04擴(kuò)展模塊主要用于將壓力傳感器采集的壓力數(shù)據(jù)傳送至PLC；壓力傳感器主要用于采集氣動(dòng)管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)；無(wú)紙記錄儀主要用于記錄壓力傳感器采集的氣動(dòng)管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)示意

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)方案

在相同的間歇性大流量用氣工況下，分別采用優(yōu)化前和優(yōu)化后2種控制方法對(duì)空氣壓縮機(jī)群進(jìn)行控制［18～21］；試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括：氣動(dòng)系統(tǒng)管網(wǎng)主管路和各支管路壓力數(shù)據(jù)、大流量用氣設(shè)備的開啟時(shí)間和備用空氣壓縮機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間等；試驗(yàn)結(jié)束后，將2種控制方法下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析的結(jié)果來(lái)判定優(yōu)化后的空氣壓縮機(jī)群控制方法是否達(dá)到了縮短備用空氣壓縮機(jī)的啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、減小氣動(dòng)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力波動(dòng)范圍的目的。試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)示意

4.2 試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

首先設(shè)定氣動(dòng)系統(tǒng)的管網(wǎng)工作壓力（即主管路壓力）為0.5 MPa，最高壓力為0.6 MPa，最低壓力為0.4 MPa；其次開啟氣動(dòng)系統(tǒng)并調(diào)節(jié)氣動(dòng)系統(tǒng)管網(wǎng)的實(shí)際壓力，使主管路壓力穩(wěn)定在0.5 MPa；氣動(dòng)系統(tǒng)壓力調(diào)整步驟：（1）關(guān)閉3個(gè)支路上的用氣設(shè)備，啟動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)；（2）等待氣動(dòng)系統(tǒng)主管路壓力高于0.5 MPa時(shí)開啟支路一和支路二上的用氣設(shè)備；（3）通過(guò)調(diào)整支路二上氣動(dòng)打磨筆進(jìn)氣口大小和可調(diào)節(jié)流閥閥口開度，使氣動(dòng)系統(tǒng)主管路的壓力穩(wěn)定0.5 MPa左右，可以進(jìn)行下一步試驗(yàn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)為1 min內(nèi)主管路的壓力波動(dòng)小于±0.01 MPa；然后在優(yōu)化前和優(yōu)化后2種不同的空氣壓縮機(jī)群控制方法下分別開啟支路三上的氣槍（大流量用氣設(shè)備），觀察無(wú)紙記錄儀上的壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)氣動(dòng)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力趨于穩(wěn)定時(shí)關(guān)閉試驗(yàn)系統(tǒng)；最后導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

優(yōu)化前和優(yōu)化后2種不同的空氣壓縮機(jī)群控制方法下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前、后2種空氣壓縮機(jī)機(jī)群控制方法下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

優(yōu)化前和優(yōu)化后2種不同的空氣壓縮機(jī)群控制方法下氣動(dòng)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示，其中在使用優(yōu)化前的空氣壓縮機(jī)群控制方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)主管路的壓力波動(dòng)范圍約為0.1 MPa，最低壓力約為0.4 MPa；支路一和支路二的壓力波動(dòng)范圍約為0.14 MPa，最低壓力約為0.35 MPa；支路三（間歇性大流量用氣支路）的壓力波動(dòng)范圍約為0.15 MPa，最低壓力約為0.34 MPa。使用優(yōu)化后的空氣壓縮機(jī)群控制方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)主管路的壓力波動(dòng)范圍約為0.01 MPa，最低壓力約為0.49 MPa；支路一和支路二的壓力波動(dòng)范圍約為0.07 MPa，最低壓力約為0.41 MPa；支路三（間歇性大流量用氣支路）的壓力波動(dòng)范圍約為0.09 MPa，最低壓力約為0.4 MPa。優(yōu)化后的空氣壓縮機(jī)群控制方法的控制效果明顯，其中主管路的最低壓力值提高了0.09 MPa，壓力波動(dòng)范圍減小了90%；支路一和支路二的最低壓力值提高了0.06 MPa，壓力波動(dòng)范圍減小了50%；支路三的最低壓力值提高了0.06 MPa，壓力波動(dòng)范圍減小了40%；備用空氣壓縮機(jī)的啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間縮短了100 s左右。

圖8 主管路、支路三（大流量支路）優(yōu)化前、后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了間歇性大流量用氣設(shè)備對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力變化特性的影響，提出了將大流量用氣設(shè)備的開啟信號(hào)作為備用空氣壓縮機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)某支路大流量用氣設(shè)備開啟時(shí)迅速啟動(dòng)備用空氣壓縮機(jī)的控制方法，最后搭建了試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：在間歇性大流量用氣工況下，優(yōu)化后的空氣壓縮機(jī)群控制方法能夠有效的減小氣動(dòng)管網(wǎng)的壓力波動(dòng)范圍，提高氣動(dòng)管網(wǎng)的最低壓力，極大地縮短了備用空氣壓縮機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)空氣壓縮機(jī)群控制方法優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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