葉寒生，顧宇，呂棟

（合肥科邁捷智能傳感技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230031）

壓縮空氣作為制造業(yè)從事生產(chǎn)作業(yè)最主要的動(dòng)力能源之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，為了能夠滿足不同的需求，市場(chǎng)上可以提供不同型號(hào)、不同壓縮原理的空壓機(jī)。但是目前空壓機(jī)運(yùn)行的基本邏輯是能夠提供穩(wěn)定、安全、可靠的具有一定壓力的壓縮空氣，最為普遍的螺桿空壓機(jī)自動(dòng)運(yùn)行邏輯是依靠壓力來(lái)判定空壓機(jī)加載和卸載的工作模式。其實(shí)在壓縮空氣領(lǐng)域范疇內(nèi)，壓力是作為該系統(tǒng)內(nèi)最重要的特征參數(shù)指標(biāo)，但是其本質(zhì)是流量的大小，在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的壓縮空氣系統(tǒng)中，是流量的大小決定了系統(tǒng)內(nèi)的壓力是否達(dá)標(biāo)。

當(dāng)前壓縮空氣系統(tǒng)是以壓力為基準(zhǔn)作為空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)控制，其主要原因：第一，壓力的測(cè)量手段容易且測(cè)量成本較低；第二，壓力是壓縮空氣系統(tǒng)的特征指標(biāo)，判斷標(biāo)準(zhǔn)明確；第三，用壓力作為基準(zhǔn)，更能夠直觀地感受到系統(tǒng)的可靠性。但是只用壓力作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)同樣也會(huì)有缺點(diǎn)，系統(tǒng)發(fā)生泄漏的時(shí)候，只能通過(guò)多開(kāi)機(jī)器來(lái)補(bǔ)充壓力，而無(wú)法提醒用戶系統(tǒng)有泄漏。

評(píng)價(jià)壓縮空氣系統(tǒng)其實(shí)壓力是特征指標(biāo)，而本質(zhì)是壓縮空氣的氣量，可以嘗試研究在保證壓力的基礎(chǔ)上，通過(guò)流量來(lái)調(diào)配控制系統(tǒng)內(nèi)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。精準(zhǔn)的流量測(cè)量可以根據(jù)系統(tǒng)的用氣量來(lái)制定空壓機(jī)的運(yùn)行規(guī)則，并可以實(shí)時(shí)判斷是否泄漏，是否供需平衡，評(píng)判壓縮空氣系統(tǒng)是否處于健康的運(yùn)行狀態(tài)，最重要的是增加了壓縮空氣系統(tǒng)流量檢測(cè)，可以提升系統(tǒng)的節(jié)能效率，更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)系統(tǒng)的節(jié)能量。

實(shí)施過(guò)程大致分為以下步驟。

1 壓縮空氣系統(tǒng)重要節(jié)點(diǎn)流量測(cè)量

壓縮空氣在生產(chǎn)作業(yè)應(yīng)用中是由氣源端和用氣端組成的閉合并且達(dá)成運(yùn)行平衡的能源利用系統(tǒng)。一般的氣源端由一臺(tái)或者多臺(tái)空壓機(jī)組成，產(chǎn)生具有一定壓力的壓縮空氣，用氣端一般是從事生產(chǎn)作業(yè)需要消耗壓縮空氣作為動(dòng)力能源手段來(lái)做功，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的消耗量和氣源端的產(chǎn)氣量達(dá)到平衡后，該系統(tǒng)就進(jìn)入了穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

空壓機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中由于機(jī)組大小，維保情況，使用年限等很多因素會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行效率有較大差異，比功率（kW/(m3/min)）是作為評(píng)價(jià)空壓機(jī)能效的計(jì)量指標(biāo)，想要測(cè)量真實(shí)的空壓機(jī)比功率就需要為每臺(tái)空壓機(jī)安裝計(jì)量用的電表和在出口處安裝渦街流量計(jì)，用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量每一臺(tái)空壓機(jī)的真實(shí)運(yùn)行能效。

壓縮空氣的具體使用場(chǎng)景非常多，當(dāng)前討論以絕大多數(shù)消耗氣量作為動(dòng)力介質(zhì)能源作為研究對(duì)象。用氣端可以分級(jí)計(jì)量，以廠房或車間為一級(jí)計(jì)量，每一條產(chǎn)線或工作組為二級(jí)計(jì)量，每一個(gè)終端為三級(jí)計(jì)量。在每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)都安裝對(duì)應(yīng)的智能流量計(jì)，如果氣量比較小的節(jié)點(diǎn)處可以安裝熱式流量計(jì)或差壓流量計(jì)。流量計(jì)安裝完成后，通過(guò)計(jì)量應(yīng)該遵循產(chǎn)氣量等于用氣量，每個(gè)分級(jí)計(jì)量的流量也都大致相當(dāng)。

2 邊緣服務(wù)器本地采集數(shù)據(jù)，匯總上傳云端分析

壓縮空氣系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，可以在本地增加邊緣服務(wù)器，該服務(wù)器在氣源端采集的數(shù)據(jù)包括空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、空壓機(jī)產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)，空壓機(jī)的實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)；在用氣端采集系統(tǒng)各流量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

2.1 空壓機(jī)數(shù)據(jù)采集

當(dāng)前市場(chǎng)上的空壓機(jī)幾乎都具備通訊功能，通訊協(xié)議采用RS485、CAN等形式，不同品牌不同型號(hào)的空壓機(jī)采用的通訊協(xié)議不一樣，筆者經(jīng)過(guò)多年的工作積累和協(xié)作交流，目前具備市場(chǎng)上95%的空壓機(jī)通訊協(xié)議對(duì)接。

針對(duì)空壓機(jī)實(shí)際的工作狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)分為“必采”參數(shù)和“選采”參數(shù)。“必采”參數(shù)是作為評(píng)判一臺(tái)空壓機(jī)最真實(shí)有效的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括“排氣壓力”“排氣溫度”“加載壓力”“卸載壓力”“加載時(shí)間”“卸載時(shí)間”“運(yùn)行狀態(tài)”“加卸載狀態(tài)”，如果是變頻器還需要采集“目標(biāo)壓力值”。

將不同品牌不同型號(hào)空壓機(jī)按照一定邏輯提前將數(shù)據(jù)通訊協(xié)議存放在云服務(wù)器，邊緣服務(wù)器需要對(duì)接空壓機(jī)的時(shí)候，需要通過(guò)手機(jī)App預(yù)先在云端系統(tǒng)建立一臺(tái)虛擬與之對(duì)應(yīng)的空壓機(jī)設(shè)備，并根據(jù)品牌和型號(hào)通過(guò)App將對(duì)應(yīng)的通訊協(xié)議加載到邊緣服務(wù)器中，邊緣服務(wù)器就會(huì)按照該協(xié)議來(lái)采集空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)并發(fā)送到云服務(wù)器存儲(chǔ)。

2.2 流量計(jì)和電量數(shù)據(jù)采集

科邁捷流量計(jì)遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus通訊協(xié)議，所使用的智能電表也都遵循DL/T 645-2007協(xié)議，按照該協(xié)議將數(shù)據(jù)采集并上傳云端，該數(shù)據(jù)需要與在云服務(wù)器建立的空壓機(jī)數(shù)據(jù)與之一一對(duì)應(yīng)，這樣每一臺(tái)空壓機(jī)的真實(shí)運(yùn)行能效得以計(jì)算，實(shí)時(shí)比功率=實(shí)時(shí)功率/瞬時(shí)流量，也可以計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氣成本，即“單位能耗”=單位時(shí)間耗電量/單位時(shí)間累積產(chǎn)氣量。

2.3 用氣端流量數(shù)據(jù)采集

用氣端的流量數(shù)據(jù)采集需要與真實(shí)用氣場(chǎng)景一致，系統(tǒng)需要預(yù)先定義節(jié)點(diǎn)層級(jí)，并將每層節(jié)點(diǎn)位置所屬關(guān)系定義清楚，保證流量計(jì)在系統(tǒng)里展示的是該節(jié)點(diǎn)的計(jì)量數(shù)據(jù)。便于后續(xù)的計(jì)算分析。

3 將已有的數(shù)據(jù)根據(jù)真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行預(yù)處理

云服務(wù)已經(jīng)通過(guò)邊緣服務(wù)器拿到了整個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，需要將已有的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，整合計(jì)算，建立數(shù)據(jù)關(guān)系，把不符合運(yùn)行邏輯規(guī)則的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理清洗，通過(guò)數(shù)據(jù)還原整個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，并且進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)記，以便于后續(xù)的智能模型建立。

3.1 壓縮空氣系統(tǒng)氣源端重要參數(shù)定義

空壓機(jī)瞬時(shí)流量：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3…

空壓機(jī)單位時(shí)間累積流量：TF1，TF2，TF3…

空壓機(jī)實(shí)時(shí)壓力：P1，P2，P3…

空壓機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)：運(yùn)行/停機(jī)。

空壓機(jī)加卸載狀態(tài)：加載/卸載。

空壓機(jī)瞬時(shí)功率：W1，W2，W3…

空壓機(jī)單位時(shí)間耗電量：Q1，Q2，Q3…

空壓機(jī)瞬時(shí)比功率：n1，n2，n3…（n1=W1/F1）。

空壓機(jī)單位能耗：E1，E2，E3…（E1=Q1/TF1）。

壓縮空氣系統(tǒng)壓力：Ps。

壓縮空氣系統(tǒng)流量：Fs。

壓縮空氣系統(tǒng)單位時(shí)間累積流量：TFs。

壓縮空氣系統(tǒng)單位時(shí)間耗電量：TQs。

壓縮空氣系統(tǒng)單位能耗：Es（Es=TQs/TFs）。

在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，Ps的波動(dòng)大小是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定程度；Es是評(píng)價(jià)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的運(yùn)行能效；n1，n2，n3的大小和波動(dòng)值是評(píng)價(jià)單機(jī)空壓機(jī)的能效及運(yùn)行穩(wěn)定程度；E1，E2，E3的大小表示空壓機(jī)的產(chǎn)氣能效。通過(guò)這些特征參數(shù)對(duì)每一臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行重新定義，以備建模使用。

3.2 用氣端重要參數(shù)定義

車間節(jié)點(diǎn)壓力：P(I)，P(II)，P(III)…

車間節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)流量：F(I)，F(xiàn)(II)，F(xiàn)(III)…

車間節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間累積流量：TF(I)，TF(II)，TF(III)…

加工線體節(jié)點(diǎn)壓力：P(I-I)代表1車間1號(hào)線體的壓力，

P(II -IV)代表2車間4號(hào)線體的壓力。

加工線體節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)流量：F(I-I)代表1車間1號(hào)線體的瞬時(shí)流量。

加工線體節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間累積流量：TF(I-I)代表1車間1號(hào)線體的累積流量。

車間與對(duì)應(yīng)線體瞬時(shí)流量總和相當(dāng)代表用氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于計(jì)量誤差，還要計(jì)算出兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的計(jì)量率。如果對(duì)應(yīng)車間與線體的累積流量有差異，說(shuō)明在使用過(guò)程有泄漏，要解決泄漏問(wèn)題，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過(guò)車間與線體的壓力差可以得知實(shí)際運(yùn)行的壓損，同時(shí)結(jié)合瞬時(shí)流量，可以找到壓損與瞬時(shí)流量的平衡點(diǎn)。

4 建立分析模型，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)積累訓(xùn)練優(yōu)化模型

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義完成后，通過(guò)這些數(shù)據(jù)需要建立一個(gè)以用氣端流量為初始值，以兩端壓力差的最小值為目標(biāo)，匹配最優(yōu)能效的空壓機(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行邏輯規(guī)則，達(dá)到壓縮空氣系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行平衡狀態(tài)。

系統(tǒng)模型的建立流程圖如圖1：

圖1

5 將模型還原到實(shí)際工況中來(lái)驗(yàn)證，進(jìn)行實(shí)踐調(diào)整

將上述的該系統(tǒng)按照既定的方案在某一制造型企業(yè)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，該企業(yè)的氣源端有4臺(tái)空壓機(jī)，用氣段為2條不同的產(chǎn)線，目前只使用1條，并且在用氣端的總管處節(jié)點(diǎn)葉安裝了流量計(jì)過(guò)程如下。

5.1 準(zhǔn)確計(jì)量空壓機(jī)流量

為氣源端的4臺(tái)空壓機(jī)安裝科邁捷VFM-60MV系列智能流量計(jì)，在線數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2

5.2 測(cè)量空壓機(jī)真實(shí)能效

為配套的空壓機(jī)安裝智能電表，并與流量計(jì)組合計(jì)算實(shí)時(shí)比功率；在線數(shù)據(jù)展示如圖3所示。

圖3

5.3 用氣端流量計(jì)量

系統(tǒng)針對(duì)歷史瞬時(shí)流量的統(tǒng)計(jì)，對(duì)流量值進(jìn)行范圍劃分，找到符合運(yùn)行規(guī)則邏輯的范圍，下圖4是從2021年10月28日到2021年11月03日運(yùn)行的7天的用氣端匯總的流量數(shù)據(jù)和展示曲線。

圖4

5.4 系統(tǒng)分析過(guò)程

通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算分析，得出該用氣端的瞬時(shí)流量呈現(xiàn)出典型的2個(gè)流量數(shù)據(jù)范圍F∈（55-62，83-90），其中對(duì)應(yīng)的壓力P∈（0.57-0.65，0.65-0.73）；系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)如下圖5所示。

圖5

氣源端該時(shí)間段統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如下圖6所示。

圖6

該系統(tǒng)的計(jì)量率λ=（236759+505086）/819848.9=90.48%

F∈（55-62）的用氣端與氣源端的匹配度η統(tǒng)計(jì)結(jié)果：84.16%

F∈（83-90）的用氣端與氣源端的匹配度η統(tǒng)計(jì)結(jié)果：88.23%

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行并根據(jù)流量匹配關(guān)系，通過(guò)Es值進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，單位能耗是在呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)（見(jiàn)圖7）。

圖7

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上方法的理論研究和實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，目前該方法對(duì)于生產(chǎn)成規(guī)模化的企業(yè)實(shí)用度比較高，壓縮空氣在這類型企業(yè)的使用范圍成階梯狀，可以智能分析出比較準(zhǔn)確的流量值范圍，而且空壓站流量匹配度也比較合理，通過(guò)一定時(shí)間的模型優(yōu)化，可以起到壓縮空氣系統(tǒng)的智能優(yōu)化效果，達(dá)到一定的節(jié)能目的。