CN106150996A - 基于需求用气量计算的空压机群控控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于需求用气量计算的空压机群控控制系统及方法，涉及空压机群控技术领域，所述系统包括空压机组、分气缸及控制器，每组空压机组的空压机出气口连接有一流量计，用于采集该空压机供气流量，分气缸设置有一压力传感器，所述压力传感器用于采集所述分气缸的供气压力；控制器接收每组所述空压机组流量计采集的供气流量及所述压力传感器采集的供气压力，对接收的供气流量及供气压力进行数据处理，并根据处理结果来调整空压机群的空压机的运行；所述方法为控制器的计算方法；本控制系统及方法促进空压机稳定高效运行，降低了空压机群运行和维护成本。

Description

基于需求用气量计算的空压机群控控制系统及方法

技术领域

本发明涉及空压机群控技术领域，尤其涉及一种基于用气系统需求用气量的计算来调整空压机群空压机的运行的系统及方法。

背景技术

气动控制系统在提高生产效率、提升生产过程自动化率方面发挥着重要的作用。广泛应用于电气自动化、汽车制造等行业。

空压机群的控制系统是气动系统节能领域的核心技术，以压缩空气为基质的气动系统由于成本相对较低、无污染、易维护等优点在现代工业中得到了广泛的应用。同时，气动系统也是现代工业中提高生产效率、实现生产过程自动化的重要手段。然而气动控制系统使用效率低、严重浪费等问题也引起了工程人员的关注，针对气动系统的节能改造正成为工程技术人员的一个重要研究课题。

压缩空气是现代化工厂最重要的源动力，通常，为使系统输出压力扰动小，多数空压机系统采取吸气阀关闭卸载方式，但是这种卸载方式使得在没有供气的情况下也仍需消耗额定功率，电量浪费严重。且这种装置虽然能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大。

因此，有学者对空压机运行控制中存在的不合理处进行节能改造，通过加装IR5000控制系统，使变频器能够根据储气罐压力自动调节运行频率，从而达到按需求而给压缩气量及压力。但是必须保证空压机处于加/减载模式，控制过程复杂，容易发生空压机和IR5000故障停车现象，且变频器本身也要耗电。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于需求用气量计算的空压机群控控制系统及方法，该系统及方法能够对空压机系统进行简单精确的控制，以满足人们对节能的需求。

为实现上述目的，一方面，本发明提供一种基于需求用气量计算的空压机群控控制系统，所述系统包括：

至少两组空压机组，每组所述空压机组包括一空压机及一所述空压机出气口连通用于储存空压机输出的气体的储气罐；每组所述空压机组的空压机出气口连接有一流量计，用于采集该空压机供气流量；

一分气缸，每组所述空压机组的储气罐的出气口分别通过一管道与所述分气缸的进气口连通；所述分气缸设置有一压力传感器，所述压力传感器用于采集所述分气缸的供气压力；

一控制器，所述控制器接收每组所述空压机组流量计采集的供气流量及所述压力传感器采集的供气压力，对接收的供气流量及供气压力进行数据处理，并根据处理结果来调整空压机群的空压机的运行。

根据本发明提供的空压机群控控制系统，它还可以具有以下附加的技术特征。

根据本发明的一些实施例，每组所述空压机组的储气罐与所述分气缸之间分别设置有一干燥机，所述干燥机用于对空压机输出的气体进行干燥处理，并将经过干燥处理的气体输送给所述分气缸。

根据本发明的一些实施例，与所述分气缸出气口连通的用气系统，所述用气系统设置有用于减压的减压阀及用于稳压的稳压调节装置。

根据本发明的一些实施例，所述控制器为PLC控制器。

根据本发明的一些实施例，每个所述流量计设置有一流量数据输出端口，所述控制器对应每个流量数据输出端口设置有一数据输入端口，每个所述流量 计的流量数据输出端口与所述控制器上对应的数据输入端口通过一数据线信号连接；所述压力传感器设置有一压力数据输出端口，所述控制器设置有一压力数据输入端口，所述压力数据输出端口与所述压力数据输入端口通过一数据线信号连接；每个所述空压机设置有一控制信号输入端口，所述控制器设置有与每个所述控制信号输入端口对应的控制信号输出端口，每个所述控制信号输入端口分别通过一数据线与所述控制信号输出端口信号连接。

该空压机群控控制系统至少存在以下有益效果，本发明提供的系统，提高了空压机群的运行负荷率，降低了空压机群的运行能耗；根据用户需求实现精细化管控，极大地促进空压机稳定高效运行；空压机流量、分气缸压力结合控制避免了喘振现象，大大降低了运行和维护成本。

为实现上述目的，另一方面，本发明还提供了一种基于需求用气量计算的空压机群控控制方法，包括：

获取分气缸供气压力p的步骤；

根据供气压力p计算出用气系统需求用气量Q_用的步骤；

将用气系统需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比的步骤；

根据用气系统需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比结果调整空压机群的空压机的运行。

根据本发明提供的空压机群控控制方法，它还可以具有以下附加的技术特征。

根据本发明的一些实施例，还包括获取用气系统稳定工况时需求用气量Q _用的步骤，根据用气系统稳定工况时需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压 机额定流量对比结果调整空压机群的空压机的运行。

根据本发明的一些实施例，还包括获取空压机群中每台空压机供气流量Q _供1、Q_供2、…、Q_供n的步骤，n为大约或等于2的正整数；

根据用气系统稳定工况时需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比结果调整空压机群的空压机进行运行组合包括以下步骤：

步骤1：根据供气压力p计算用气系统需求用气量Q_用，由压缩空气状态方程，进行微分得出：

其中：Q_供＝Q_供1+Q_供2+…+Q_供n

步骤2：依次获取供气压力p峰值前后5s的数值P_H0、P_H、P_H1及谷值前后5s的数值P_L0、P_L、P_H1，将p及Q_供代入方程①；

步骤3：以供气压力峰值P_H为基准，提取P_H0对应时刻的供气流量值Q_供0，P_H1对应时刻的供气流量值Q_供1，则用气系统用气流量可由下式得到：

步骤4：定义Q_用0为P_H0时的用气系统用气流量；由于取值间隔时间短，用气系统用气量在这段时间内可看成不变的，因此，Q_用0＝Q_用1；联立②③得用气系统供气压力P_H下的用气流量Q_用0为：

步骤5：同理，定义Q_用2为P_L0时的用气系统用气流量；以供气压力峰值P_H 过后的下一个供气压力谷值P_L为基准可得：

步骤6：计算不同压力下需求供气量，用气系统用气流量Q_c大小不变，用气流量Q_p大小也仅取决于供气压力p，假设Q_p＝kp；则：

求解得出

步骤7：在得到用气系统用气流量Q_c和k的情况下，通过代入用气系统需求压力p便可得到该稳定工况下的需求流量，即Q_用＝f(p)；

步骤8：根据计算的需求用气量Q_用与每台空压机额定流量对比调整空压机群的空压机的运行。

根据本发明的一些实施例，所述调整空压机群空压机的运行的步骤为选择空压机的运行台数及空压机的运行型号的步骤。

本空压机群控控制方法至少具有以下有益效果：该控制方法，在空压机群供气压力波动的情况下，以空压机供气流量、用气系统需求用气量相匹配控制为基础，根据分气缸供气压力、空压机供气流量及供气压力一阶微分信号计算出用气系统需求压力下的需求流量。计算方法简单，结果精确。同时，它为空压机群机组优化组合运行提供了依据，从而提高了空压机群的运行负荷率，降低了空压机群的运行能耗。根据用户需求实现精细化管控，极大地促进空压机稳定高效运行。空压机供气流量、分气缸供气压力结合控制避免了喘振现象， 大大降低了运行和维护成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

图1为本发明空压机群控控制系统的方框原理图；

图2为本发明空压机群控控制方法的步骤流程图；

图3为本发明供气压力P特征信号提取示意图。

图中：

空压机110、120、130；

流量计210、220、230；

储气罐310、320、330；

干燥机410、420、430；

分气缸500；

压力传感器510；

用气系统600；

控制器700。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参照图1所示，作为本发明控制系统的一种实施例，所述系统包括：

设置有三组空压机组，三组空压机组分别设置有空压机110、120、130及与空压机110、120、130出气口连通用于储存空压机110、120、130输出的气体的储气罐310、320、330；空压机110、120、130的出气口分别连接有一流量计210、220、230，用于采集空压机110、120、130供气流量；

一分气缸500，每组所述空压机组的储气罐310、320、330的出气口分别通过一管道与所述分气缸500的进气口连通；所述分气缸500设置有一压力传感器510，所述压力传感器510用于采集所述分气缸500的供气压力；

一控制器700，所述控制器700接收每组所述空压机组流量计210、220、230采集的供气流量及所述压力传感器510采集的供气压力，对接收的供气流量及供气压力进行数据处理，并根据处理结果来调整空压机群的空压机110、120、130的运行。

本发明提供的系统，提高了空压机群的运行负荷率，降低了空压机群的运行能耗；根据用户需求实现精细化管控，极大地促进空压机110、120、130稳定高效运行；空压机110、120、130流量、分气缸500压力结合控制避免了喘振现象，大大降低了运行和维护成本。

作为优选的方式，每组所述空压机组的储气罐310、320、330与所述分气缸500之间分别设置有一干燥机410、420、430，所述干燥机410、420、430用于对空压机110、120、130输出的气体进行干燥处理，并将经过干燥处理的气体输送给所述分气缸500。空压机110、120、130对应设置有一干燥机410、420、430，干燥机410、420、430用于对空压机110、120、130压缩的空气进行干燥处理，并将干燥处理的压缩空气输送到储气罐310、320、330储备。

作为优选的方式，与所述分气缸500出气口连通的用气系统600，所述用 气系统600设置有用于减压的减压阀及用于稳压的稳压调节装置。用气系统600设置减压阀及稳压调节装置，可以对用气系统600进行对应的减压及稳压处理。

本发明所说的控制器700为PLC控制器。

作为本发明实施例的信号连接关系，每个所述流量计210、220、230设置有一流量数据输出端口，所述控制器700对应每个流量数据输出端口设置有一数据输入端口，每个所述流量计210、220、230的流量数据输出端口与所述控制器700上对应的数据输入端口通过一数据线信号连接；所述压力传感器510设置有一压力数据输出端口，所述控制器700设置有一压力数据输入端口，所述压力数据输出端口与所述压力数据输入端口通过一数据线信号连接；空压机110、120、130设置有一控制信号输入端口，所述控制器700设置有与每个所述控制信号输入端口对应的控制信号输出端口，每个所述控制信号输入端口分别通过一数据线与所述控制信号输出端口信号连接。

实施例二

参照图2所示，作为本发明基于需求用气量计算的空压机群控控制方法，该方法包括以下步骤：

S100，获取分气缸供气压力p的步骤；

S200，根据供气压力p计算出用气系统需求用气量Q_用的步骤；

S300，将用气系统需求用气量Q用与所述空压机群每台空压机额定流量对比的步骤；

S400，根据用气系统需求用气量Q用与所述空压机群每台空压机额定流量对比结果调整空压机群的空压机的运行。

该控制方法，在空压机群供气压力波动的情况下，以空压机供气流量、用 气系统需求用气量相匹配控制为基础，根据分气缸500供气压力、空压机供气流量及供气压力一阶微分信号计算出用气系统需求压力下的需求流量。计算方法简单，结果精确。同时，它为空压机群机组优化组合运行提供了依据，从而提高了空压机群的运行负荷率，降低了空压机群的运行能耗。根据用户需求实现精细化管控，极大地促进空压机110、120、130稳定高效运行。空压机供气流量、分气缸500供气压力结合控制避免了喘振现象，大大降低了运行和维护成本。

实施例三

作为实施例二优选的方式，上述方法还包括获取用气系统稳定工况时需求用气量Q_用的步骤，根据用气系统稳定工况时需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比结果调整空压机群的空压机110、120、130的运行。

实施例四，作为实施例二及实施例三优选的方式，进一步的，为了便于空压机110、120、130维护保养，平衡每台空压机110、120、130的使用时间，使整个供气系统中各空压机110、120、130运行时间尽量均匀。该基于需求用气量计算的空压机群控控制系统能确保供气系统的稳定性，根据供气压力计算系统需求用气量，实现空压机110、120、130恒压供气下的节能控制。本发明空压机群控控制系统根据以下步骤确定需求用气量的大小，对空压机群进行节能控制：

本发明的控制方法还包括获取空压机群中每台空压机供气流量Q_供1、Q_供2、…、Q_供n的步骤，n为大约或等于2的正整数。根据用气系统稳定工况时需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比结果调整空压机群的空压机进行运行组合包括以下步骤：

S510：根据供气压力p计算用气系统需求用气量Q用。整个空压系统相当于容腔充放气过程，可看成等温过程。由压缩空气状态方程，进行微分得出：

其中：Q_供＝Q_供1+Q_供2+…+Q_供n

S520：参照图3所示，图3为在工业现场采集的供气压力特征信号提取示意图，图中依次获取供气压力p峰值前后5s的数值P_H0、P_H、P_H1及谷值前后5s的数值P_LO、P_L、P_H1，将p及Q_供代入方程①；

S530：以供气压力峰值P_H为基准，在图3中提取P_H0对应时刻的供气流量值Q_供0，P_H1对应时刻的供气流量值Q_供1，则用气系统用气流量可由下式得到：

S540：定义Q_用0为P_H0时的用气系统用气流量；由于取值间隔时间短，用气系统用气量在这段时间内可看成不变的，因此，Q_用0＝Q_用1；联立②③得用气系统供气压力P_H下的用气流量Q_用0为：

S550：同理，定义Q_用2为P_L0时的用气系统用气流量；以供气压力峰值P_H过后的下一个供气压力谷值P_L为基准可得：

S560：计算不同压力下需求供气量，用气系统用气流量Q_c大小不变，用气 流量Q_p大小也仅取决于供气压力p，假设Q_p＝kp；则：

求解得出

S570：在得到用气系统用气流量Q_c和k的情况下，通过代入用气系统需求压力p便可得到该稳定工况下的需求流量，即Q_用＝f(p)；

S580：根据计算的需求用气量Q_用与每台空压机额定流量对比调整空压机群的空压机的运行。

需要说明的是，该基于需求用气量计算的空压机群控控制方法，所说的调整空压机群空压机的运行的步骤为选择空压机的运行台数及空压机的运行型号的步骤。

本发明实施例提供的基于需求用气量计算的空压机群控控制系统监测用气系统600需求压力得出该工况下的需求用气量，气动系统流量供需更加匹配，大大降低能源浪费。根据需求用气量优化调整空压机群的机组运行组合，使系统高效稳定运行。也降低了系统运行和维护成本。

通过压力传感器510测定的供气压力求得该稳定工况下的需求流量，将其与空压机110、120、130的额定流量进行对比，确定投用的空压机110、120、130。控制采用恒压供气使系统稳定运行。

本发明实施例提供的基于需求用气量计算的空压机群控控制系统通过建立空压机群运行模型，结合空压机群加/卸载运行特性，提出了一种空压机群供气场合用气系统600需求压力下需求流量的估计方法。可实现气动系统流量 供需匹配控制。较好的解决了空压机群运行负荷率低的问题。这跟现有的系统相比较，实现了高效节能。

上述实施例中，其一、通过对需求用气量值与额定产气量的比较控制，使系统供需流量更加匹配，控制精确。其二、流量压力结合控制不易发生喘振现象，压力损失小，系统运行更加稳定，明显减少了控制系统的能耗。其三、空压机群优化组合运行，既满足系统负荷要求，又可使系统各空压机110、120、130运行时间尽量均匀，延长其使用寿命，降低维护费用。其四、解决了空压机群运行负荷率低的问题，系统运行高效节能。

本发明实施例的所述系统的运行方法在上述实施例一中已经详细描述，在此不作赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于需求用气量计算的空压机群控控制系统，其特征在于，所述系统包括：

至少两组空压机组，每组所述空压机组包括一空压机及一所述空压机出气口连通用于储存空压机输出的气体的储气罐；每组所述空压机组的空压机出气口连接有一流量计，用于采集该空压机供气流量；

一分气缸，每组所述空压机组的储气罐的出气口分别通过一管道与所述分气缸的进气口连通；所述分气缸设置有一压力传感器，所述压力传感器用于采集所述分气缸的供气压力；

一控制器，所述控制器接收每组所述空压机组流量计采集的供气流量及所述压力传感器采集的供气压力，对接收的供气流量及供气压力进行数据处理，并根据处理结果来调整空压机群的空压机的运行。

2.根据权利要求1所述的基于需求用气量计算的空压机群控控制系统，其特征在于，每组所述空压机组的储气罐与所述分气缸之间分别设置有一干燥机，所述干燥机用于对空压机输出的气体进行干燥处理，并将经过干燥处理的气体输送给所述分气缸。

3.根据权利要求1所述的基于需求用气量计算的空压机群控控制系统，其特征在于，与所述分气缸出气口连通的用气系统，所述用气系统设置有用于减压的减压阀及用于稳压的稳压调节装置。

4.根据权利要求1所述的基于需求用气量计算的空压机群控控制系统，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。

5.根据权利要求1所述的基于需求用气量计算的空压机群控控制系统，其特征在于，每个所述流量计设置有一流量数据输出端口，所述控制器对应每个流量数据输出端口设置有一数据输入端口，每个所述流量计的流量数据输出端口与所述控制器上对应的数据输入端口通过一数据线信号连接；

所述压力传感器设置有一压力数据输出端口，所述控制器设置有一压力数据输入端口，所述压力数据输出端口与所述压力数据输入端口通过一数据线信号连接；

每个所述空压机设置有一控制信号输入端口，所述控制器设置有与每个所述控制信号输入端口对应的控制信号输出端口，每个所述控制信号输入端口分别通过一数据线与所述控制信号输出端口信号连接。

6.一种基于需求用气量计算的空压机群控控制方法，其特征在于，包括：

获取分气缸供气压力p的步骤；

根据供气压力p计算出用气系统需求用气量Q_用的步骤；

将用气系统需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比的步骤；

根据用气系统需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比结果调整空压机群的空压机的运行。

7.根据权利要求6所述的基于需求用气量计算的空压机群控控制方法，其特征在于：还包括获取用气系统稳定工况时需求用气量Q_用的步骤，根据用气系统稳定工况时需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比结果调整空压机群的空压机的运行。

8.根据权利要求7所述的基于需求用气量计算的空压机群控控制方法，其特征在于，还包括获取空压机群中每台空压机供气流量Q_供1、Q_供2、…、Q_供n的步骤，n为大约或等于2的正整数；

根据用气系统稳定工况时需求用气量Q_用与所述空压机群每台空压机额定流量对比结果调整空压机群的空压机进行运行组合包括以下步骤：

步骤1：根据供气压力p计算用气系统需求用气量Q_用，由压缩空气状态方程，进行微分得出：

其中：Q_供＝Q_供1+Q_供2+…+Q_供n

步骤2：依次获取供气压力p峰值前后5s的数值P_H0、P_H、P_H1及谷值前后5s的数值P_L0、P_L、P_H1，将p及Q_供代入方程①；

步骤3：以供气压力峰值P_H为基准，提取P_H0对应时刻的供气流量值Q_供0，P_H1对应时刻的供气流量值Q_供1，则用气系统用气流量可由下式得到：

步骤4：定义Q_用0为P_H0时的用气系统用气流量；由于取值间隔时间短，用气系统用气量在这段时间内可看成不变的，因此，Q_用0＝Q_用1；联立②③得用气系统供气压力P_H下的用气流量Q_用0为：

步骤5：同理，定义Q_用2为P_L0时的用气系统用气流量；以供气压力峰值P_H过后的下一个供气压力谷值P_L为基准可得：

步骤6：计算不同压力下需求供气量，用气系统用气流量Q_c大小不变，用气流量Q_p大小也仅取决于供气压力p，假设Q_p＝kp；则：

求解得出

步骤7：在得到用气系统用气流量Q_c和k的情况下，通过代入用气系统需求压力p便可得到该稳定工况下的需求流量，即Q_用＝f(p)；

步骤8：根据计算的需求用气量Q_用与每台空压机额定流量对比调整空压机群的空压机的运行。

9.根据权利要求8所述的基于需求用气量计算的空压机群控控制方法，其特征在于，所述调整空压机群空压机的运行的步骤为选择空压机的运行台数及空压机的运行型号的步骤。