摘" 要： 對空氣懸掛空壓機(jī)的等熵效率測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入探討，提出一種最優(yōu)測量等熵效率的系統(tǒng)。首先詳細(xì)分析了計算等熵效率的步驟，并探討了輸入?yún)?shù)對等熵效率不確定性的影響。通過充罐排氣量檢測方法構(gòu)建了試驗裝置，并設(shè)計了基于S7?200?SMART PLC控制的等熵效率檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用VB6.0作為上位機(jī)軟件，并通過ModBus協(xié)議及RS 485接口實現(xiàn)與PLC或觸摸屏的點對點通信。研究還分析了等熵效率不確定性的來源，通過量化不確定度及其偏導(dǎo)數(shù)來估算各輸入量對等熵效率的影響程度，進(jìn)而預(yù)測空壓機(jī)的性能變化趨勢。測試結(jié)果顯示，壓力比是影響等熵效率的主要輸入量。進(jìn)一步試驗表明，隨著壓力比的增加，等熵效率的不確定性區(qū)域穩(wěn)定，最終達(dá)到3.6%，則在此條件下評估空壓機(jī)性能的等熵效率是可靠的。

關(guān)鍵詞： 空氣懸掛； 空壓機(jī)； PLC控制； 等熵效率； 充罐法； 排氣壓力； 不確定度評估

中圖分類號： TN925?34； TP274.2" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）06?0016?07

PLC?controlled based isentropic efficiency measurement system for

air?suspended compressors

ZHOU Qingxia， QING Zhaobo， LI Kunpeng

（College of Mechanical and Electrical Enginnering， China Jiliang University， Hangzhou 310000， China）

Abstract： An in?depth discussion on the isentropic efficiency measurement system for air?suspended air compressors is conducted， and a system design for optimal measurement of isentropic efficiency is proposed. The steps of calculating isentropic efficiency are analyzed in detail， and the influence of input parameters on the uncertainty of isentropic efficiency is explored. The testing device is constructed by means of the method of filling tank exhaust detection， and the isentropic efficiency detection system based on S7?200?SMART PLC control is designed. In the system， VB6.0 is used as the upper computer software to realize point?to?point communication with PLC or touch screen by means of ModBus protocol and RS485 interface. The sources of uncertainty in isentropic efficiency are analyzed， and the impact of various input quantities on isentropic efficiency is estimated by quantifying uncertainty and its partial derivatives， so that the performance trend of the air compressor is predicted. The testing results show that the pressure ratio is the main input quantity that affects the isentropic efficiency. Further experiments show that as the pressure ratio increases， the uncertainty region of isentropic efficiency stabilizes， ultimately reaching 3.6%. Therefore， the isentropic efficiency for evaluating the performance of air compressors under these conditions is reliable.

Keywords： air suspension; air compressor; PLC control; isentropic efficiency; filling method; exhaust pressure; uncertainty assessment

0" 引" 言

在現(xiàn)代工業(yè)和汽車制造領(lǐng)域，空氣懸掛系統(tǒng)因其卓越的乘坐舒適性和行駛穩(wěn)定性而被廣泛采用?？諌簷C(jī)作為空氣懸掛系統(tǒng)的核心組件，其效率直接影響到系統(tǒng)的性能和能耗[1]。在這一背景下，空氣懸掛空壓機(jī)的等熵效率測量顯得尤為重要。等熵效率作為評估壓縮過程中能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵指標(biāo)，直接關(guān)系到空壓機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)性[2]。

隨著節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，提高空壓機(jī)的等熵效率成為提升空氣懸掛系統(tǒng)整體性能和降低運行成本的有效途徑。因此，開發(fā)一個準(zhǔn)確測量空氣懸掛空壓機(jī)等熵效率的系統(tǒng)，不僅能為優(yōu)化空壓機(jī)設(shè)計提供理論依據(jù)，還能為實際應(yīng)用中空壓機(jī)的性能評估與監(jiān)控提供技術(shù)支撐。

1" 系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

1.1" 測試裝置方案設(shè)計

在空壓機(jī)測試過程中，由于測量活動被限制在壓縮單元外部，不能直接測量壓縮單元內(nèi)的溫度和壓力。因此，需要在不直接測量壓縮單元內(nèi)部的溫度和壓力的情況下，確定空壓機(jī)的等熵效率。為此，在空壓機(jī)的入口和出口處安裝壓力、溫度和濕度等傳感器以采集數(shù)據(jù)，并配置一臺可調(diào)節(jié)的直流電源，使得可以根據(jù)實際需要調(diào)整空壓機(jī)的運行狀態(tài)。在連續(xù)排氣時，空氣懸掛空壓機(jī)依賴于一個閉合系統(tǒng)來壓縮空氣，因此，當(dāng)空壓機(jī)運行時，儲氣罐被用于構(gòu)建封閉系統(tǒng)并儲存壓縮空氣[3]。

經(jīng)分析，設(shè)計一套基于充罐法測試空氣懸掛空壓機(jī)等熵效率的系統(tǒng)，以實現(xiàn)能源系統(tǒng)等熵效率的高精度、低成本和便捷式測量。測試裝置系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖1所示，圖中的各數(shù)字代表相關(guān)測試量的傳感器。

1.2" 測試系統(tǒng)控制方案設(shè)計

空壓機(jī)性能測試系統(tǒng)采用分層的硬件和軟件架構(gòu)設(shè)計。在此架構(gòu)中，下位機(jī)硬件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的直接采集和空壓機(jī)控制，這一層包括多種傳感器，用于實時監(jiān)測空壓機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)，如電壓、電流、壓力、溫度和流量。此外，下位機(jī)還負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令，以確?？諌簷C(jī)按照預(yù)定的測試參數(shù)運行[4]。

在系統(tǒng)設(shè)計中，以PLC為核心控制單元，負(fù)責(zé)實現(xiàn)空壓機(jī)啟動和停止。整個系統(tǒng)的操作和監(jiān)控由上位機(jī)完成，選擇基于微軟VB6.0的上位機(jī)軟件作為測控軟件，該軟件與系統(tǒng)硬件聯(lián)合構(gòu)成了一套基于計算機(jī)測控系統(tǒng)，軟件功能架構(gòu)涵蓋了空壓機(jī)操作界面、參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸與實時顯示、數(shù)據(jù)采集與計算、曲線圖繪制以及報警提示等關(guān)鍵內(nèi)容[5]。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在該系統(tǒng)中，各種待測量值的檢測工作由智能儀表和傳感器共同完成。這些設(shè)備專責(zé)于各信號路徑的測量工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示。系統(tǒng)中智能儀表與各類傳感器和上位機(jī)通過RS 485連接，形成一個網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)，允許多個設(shè)備之間進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交換和控制指令的傳遞。在數(shù)據(jù)通信方面，系統(tǒng)采用ModBus通信協(xié)議來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和響應(yīng)速度。

2" 數(shù)學(xué)模型

2.1" 等熵效率

等熵效率是評估空壓機(jī)如何有效地將輸入能量轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的關(guān)鍵指標(biāo)，通過對比實際壓縮過程與理想等熵壓縮過程之間的能量損失，提供一種精確的性能評估方法[6]。通過構(gòu)建等熵效率的數(shù)學(xué)模型，精確地描述和計算在特定條件下系統(tǒng)的性能。以下為確定等熵效率數(shù)學(xué)模型的步驟。

1） 壓縮和冷卻計算

在沒有內(nèi)部測量的情況下，計算壓縮單元的熱力學(xué)特性。對于實際氣體，等熵指數(shù)是混合物比熱的比值，壓力比是出口壓力與進(jìn)氣壓力的比值，公式如下：

式中：[Pr]表示壓力比；P1為空壓機(jī)入口的壓力；P2為空壓機(jī)出口的壓力。

濕度比（HR）是混合物中空氣質(zhì)量與蒸汽質(zhì)量的比率，在空壓機(jī)的進(jìn)氣口和出氣口均有計算。在這兩處，濕度比用式（2）計算。

式中：Rda和Rvp分別是干燥空氣和蒸汽的氣體常數(shù)；Pda和Pvp分別是干燥空氣和蒸汽的壓力。

2） 質(zhì)量流量計算

入口質(zhì)量流量的計算需要測量空壓機(jī)出口處的實際質(zhì)量流量，以及空壓機(jī)入口和出口的濕度比。空壓機(jī)入口處的質(zhì)量流量用式（3）計算。

式中：qm，1為空壓機(jī)入口的質(zhì)量流量；qm，2為空壓機(jī)出口的質(zhì)量流量；HR1為空壓機(jī)入口的濕度比；HR2為空壓機(jī)出口的濕度比。

3） 等熵效率計算

等熵效率公式由步驟1）和步驟2）的計算結(jié)果來確定，其是以理想功率（Wis）與實際功率（Wact）的比率來計算的。等熵效率ηis用式（4）計算。

式中：κ是絕熱指數(shù)，取[κ=1.4]；R是混合物的比氣體常數(shù)；T1是空壓機(jī)入口的氣體溫度。

2.2" 影響因素的不確定度

根據(jù)等熵效率的數(shù)學(xué)模型，可確定不確定度來源為入口溫度、實際功率、等熵指數(shù)、入口質(zhì)量流量、混合物的比氣體常數(shù)和壓力比。量化這些不確定度并通過求其偏導(dǎo)數(shù)，以估算每個輸入量對等熵效率的影響程度[7]。因求各影響因素的方式一樣，具體以求壓力比為例，如式（5）～式（8）所示。

在效率計算過程中的每一步，不確定度都將被組合起來，利用式（9）采用覆蓋因子為2來計算正態(tài)分布的擴(kuò)展不確定性，以得到95%的置信區(qū)間[8]。

式中：U為相對擴(kuò)展不確定度；α為覆蓋因子。

組合所有不確定度確定理想輸入功率的不確定度，如式（10）所示。

3" 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計中，構(gòu)建控制系統(tǒng)的核心組件是S7?200?SMART PLC，主要負(fù)責(zé)信號的輸入與輸出處理。在輸入端，PLC接收多種信號，包括電壓、電流和流量等；輸出端，PLC控制負(fù)載空壓機(jī)啟動和停止以及控制泄壓閥的開啟和關(guān)閉。被測空壓機(jī)與氣路系統(tǒng)連接，該氣路系統(tǒng)配備多種傳感器，用于直接測量空壓機(jī)的各項性能參數(shù)，這些參數(shù)隨后被傳輸至PC上位機(jī)或是本地觸摸屏，通過與PLC的通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動調(diào)用和實時顯示[9]。

電控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。通過傳感器、變送器將空壓機(jī)運轉(zhuǎn)的實時待測量數(shù)據(jù)傳送至PLC，然后存放在PLC指定的寄存器中，觸摸屏與PLC通過網(wǎng)口連接通信，上位機(jī)通過RS 485串口通信線與觸摸屏連接，采用ModBus通信協(xié)議使兩個設(shè)備實時通信，從而實現(xiàn)對空壓機(jī)運行參數(shù)的即時顯示與監(jiān)控。在設(shè)計中，還考慮電源管理方案，為系統(tǒng)配備專有的工業(yè)級電源，提供穩(wěn)定的電壓和電流，以滿足PLC和其他電子設(shè)備的功率需求。

在負(fù)載電路設(shè)計中，PLC通過中間繼電器控制交流繼電器，進(jìn)而對負(fù)載進(jìn)行控制。利用層次化的控制鏈路在物理上隔離控制信號與負(fù)載電路，保護(hù)PLC不受高電壓和大電流的負(fù)載影響，避免系統(tǒng)短路、過載等異常突變情況對PLC模塊造成的損害，同時減輕電磁干擾對PLC的影響。模擬量輸入輸出模塊配置型號為EM?AM03，收集空壓機(jī)出口壓力和流量信息，將采集到的信息傳輸至上位機(jī)，用于數(shù)據(jù)分析和等熵效率的計算。

4" 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1" PLC單元

本控制系統(tǒng)中的PLC編程軟件平臺選用SIEMENS的PLC Windows版編程軟件STEP 7?Micro/WIN SMART V2.6。在程序設(shè)計中，采用梯形圖的模式進(jìn)行程序設(shè)計，PLC程序設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

程序設(shè)計中有兩種測試模式，分別為手動模式和自動循環(huán)測試模式。整個設(shè)計流程為：PLC啟動時，進(jìn)行自檢及程序初始化。在自動循環(huán)測試條件下，開啟空壓機(jī)，PLC持續(xù)監(jiān)控連接到其輸入端的各種傳感器和開關(guān)狀態(tài)，并對預(yù)設(shè)值條件進(jìn)行判斷，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)停機(jī)不再測試；在手動測試條件下，開啟氣泵，連續(xù)測試并采集空壓機(jī)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，最后手動停機(jī)。

4.2" 觸摸屏組態(tài)設(shè)計

系統(tǒng)選用的觸摸屏為繁易旗下的FE4070CE型號的HMI，其編程軟件為FStudio?2，該款產(chǎn)品專注于設(shè)備自動化和數(shù)字化的融合，適用于多種通信方式和程序下載方式。觸摸屏的組態(tài)設(shè)計界面包括主界面、參數(shù)設(shè)置[10]。

主界面的功能主要是在設(shè)備運行時能第一時間知道主要參數(shù)信息，如電壓、電流、氣壓、流量和時間，對于循環(huán)測試功能，能夠計數(shù)循環(huán)次數(shù)并展示數(shù)據(jù)，界面還包含設(shè)置按鈕、啟停空壓機(jī)狀態(tài)的按鈕，設(shè)置按鈕用于切換至其他界面，默認(rèn)開機(jī)狀態(tài)下顯示為主界面。

參數(shù)設(shè)置界面主要是設(shè)定好測試開始之前的閾值和報警參數(shù)，當(dāng)運行狀態(tài)超出設(shè)定閾值或超出報警上下限值，能夠及時停止空壓機(jī)運轉(zhuǎn)，防止空壓機(jī)損壞。當(dāng)系統(tǒng)的測試量超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時，對應(yīng)的測試量便出現(xiàn)在報警畫面中，其對應(yīng)指示燈顯示報警色，報警畫面程序可以對報警的測試量進(jìn)行分析，并提出簡要的解決方案。

4.3" 觸摸屏與PLC通信

PLC與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信是一個關(guān)鍵的集成任務(wù)，涉及到精確的寄存器配置及協(xié)議同步。此過程首要任務(wù)是確保雙方設(shè)備在相同通信協(xié)議下運作，并對通信參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位及奇偶校驗等進(jìn)行嚴(yán)格配置，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與可靠性。在此基礎(chǔ)上，PLC根據(jù)自身型號與編程環(huán)境的特定要求，指定數(shù)據(jù)存儲的寄存器地址，這些地址需在觸摸屏的配置軟件中進(jìn)行相應(yīng)的映射設(shè)置，確保數(shù)據(jù)源的一致性[11]。PLC與觸摸屏寄存器地址分配表如表1所示。

4.4" 上位機(jī)軟件設(shè)計

空壓機(jī)測試系統(tǒng)的軟件功能由測試模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集與計算模塊和數(shù)據(jù)顯示與保存模塊四部分組成。上位機(jī)軟件采用微軟的VB6.0軟件開發(fā)，完成數(shù)據(jù)傳輸、實時顯示、數(shù)據(jù)處理與計算、曲線繪制等功能[12]。PC端軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

上位機(jī)軟件用于控制和管理空氣懸掛空壓機(jī)性能測試系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)包含測試模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集與計算模塊和數(shù)據(jù)顯示與保存模塊4個主要功能模塊，每個模塊都具有特定的結(jié)構(gòu)和功能，以確保空壓機(jī)測試的有效性和準(zhǔn)確性。

1） 測試模塊

此模塊的主要職責(zé)是完成各個測試類型界面的切換，通過控制泄壓閥的開閉狀態(tài)來完成系統(tǒng)的封閉和開合，以此實現(xiàn)空載測試、連續(xù)加載測試、循環(huán)測試和泄壓測試的不同過程。

2） 通信模塊

該模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)上位機(jī)與PLC下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，包括測試參數(shù)的設(shè)置和串口通信設(shè)置，保證測試參數(shù)的正確傳輸和系統(tǒng)控制指令的準(zhǔn)確執(zhí)行。

3） 數(shù)據(jù)采集與計算模塊

此模塊負(fù)責(zé)實時采集電壓、電流、壓力、溫度和流量等關(guān)鍵信號，并經(jīng)過相關(guān)等熵效率以及不確定度算法的計算，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取相應(yīng)的結(jié)果。

4） 數(shù)據(jù)顯示與保存模塊

該模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、曲線圖繪制和數(shù)據(jù)存儲的功能，為測試人員提供直觀的數(shù)據(jù)反饋和長期的數(shù)據(jù)保留功能。

主程序負(fù)責(zé)上位機(jī)軟件的整體控制，包括空壓機(jī)和測試系統(tǒng)的運行。軟件采取模塊化設(shè)計，增強系統(tǒng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展能力，允許測試人員根據(jù)需要增加新的測試項或參數(shù)。子程序和函數(shù)的使用使得獨立的功能組件能夠組合為一個統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)，完成空壓機(jī)性能測試系統(tǒng)的自動化管理[13]。

5" 試驗結(jié)果與分析

在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下進(jìn)行試驗，即環(huán)境溫度為20 ℃、環(huán)境壓力為101.325 kPa、相對濕度為60%，并采集不同排氣壓力下出氣壓力、溫度、電壓、電流等相關(guān)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)代入式（4），計算出等熵效率。為確保等熵效率計算的可靠性，計算不同被測量對象的不確定度，將多個輸入變量的不確定度相結(jié)合，計算它們對最終測量結(jié)果的不確定度的貢獻(xiàn)。

為避免試驗過程受到隨機(jī)誤差的影響，多次重復(fù)每一組試驗并求其平均值以提高結(jié)果的可靠性。因此，在計算不確定度的過程中，每一組排氣壓力經(jīng)4次試驗，求其相對應(yīng)參數(shù)的平均值，最后求得相對應(yīng)的不確定度和擴(kuò)展不確定度。以0.4 MPa為例，在連續(xù)加載測試模式下試驗，上位機(jī)進(jìn)行等熵效率計算和不確定度計算結(jié)果界面，如圖6和圖7所示。

在0.4 MPa排氣壓力條件下，經(jīng)分析表明該款空氣懸掛空壓機(jī)的等熵效率為37.5%。分析各輸入?yún)?shù)對空壓機(jī)等熵效率的影響，其不確定度均在1%以內(nèi)，具體而言，壓力比、入口質(zhì)量流量和相對實際功率的不確定度分別為±0.46%、±0.37%、±0.2%。綜合這些因素，對等熵效率結(jié)果的綜合擴(kuò)展不確定度擴(kuò)展至±3.62%，其中壓力比對結(jié)果的影響最為顯著。盡管各單一輸入量對效率結(jié)果的影響相對較小，但綜合考慮后，不確定度顯著增加。因此在進(jìn)行效率評估時，綜合考慮所有關(guān)鍵參數(shù)十分重要。

為準(zhǔn)確評估壓力比對效率不確定度的影響，本文在固定其他變量不變的前提下，系統(tǒng)地調(diào)整了空壓機(jī)的出口壓力，選取了5個不同的壓力水平進(jìn)行分析，精確量化壓力比變化對空壓機(jī)等熵效率不確定度的影響，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8和圖9所示。

在圖8中展示了不同壓力比下空壓機(jī)的等熵效率，圖9中展示了不同壓力比對空壓機(jī)等熵效率計算不確定度的影響。

由圖8的試驗條件可知，空壓機(jī)的入口壓力為環(huán)境壓力，保持不變。因此，壓力比的變化即為排氣壓力的變化。隨著排氣壓力的增加，空壓機(jī)的等熵效率也呈現(xiàn)上升趨勢，此時空壓機(jī)的性能在所測試壓力范圍內(nèi)，壓縮過程中的能量轉(zhuǎn)換效率隨壓力增加而提高。該上升趨勢表明，在所測試范圍內(nèi)，空壓機(jī)的設(shè)計和操作都處于較優(yōu)化的狀態(tài)，能夠隨著壓力的增加更加有效地進(jìn)行氣體壓縮。

從圖9中可看出，隨著壓力比的增加，空壓機(jī)等熵效率的不確定度呈下降趨勢，等熵效率結(jié)果的不確定性保持在3.7%以內(nèi)，最終趨于3.6%。

6" 結(jié)" 語

本文通過結(jié)合PLC和VB6.0上位機(jī)軟件，構(gòu)建了一個空壓機(jī)自動化控制測試系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，在整個分析的范圍內(nèi)，等熵效率的不確定度保持在一個相對較低的水平，從而確保了結(jié)果的可靠性。因此，這些等熵效率的數(shù)據(jù)可被視為評估空壓機(jī)性能的可靠指標(biāo)，同時也間接驗證了該測試系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)確性。

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作者簡介：周慶霞（1999—），女，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向為機(jī)械制造及其自動化。

卿兆波（1981—），男，湖南邵陽人，碩士研究生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為越野車裝備設(shè)計與制造。

收稿日期：2024?03?25" " " " " "修回日期：2024?05?07