CN116792306B - 一种数字能源空压站的变频调速系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字能源空压站的变频调速系统及其方法，涉及空压站控制技术领域，解决了现有技术难以从稳定运行和节能控制两个角度实现对空压机控制的技术问题；本发明基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号控制执行控制模块对空压机进行调节，并在周期组中相邻调频周期的拼接处进行验证；本发明在节能的基础上保证了空压机的稳定负载运行；本发明依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量；本发明合理设置周期组，以避免对空压机进行频繁调速，而且能够降低相邻周期组之间最优转速的转速差，提高调速流畅性。

Description

一种数字能源空压站的变频调速系统及其方法

技术领域

本发明属于空压站控制领域，涉及数字能源空压站的变频调速控制技术，具体是一种数字能源空压站的变频调速系统及其方法。

背景技术

空压站有空压机、储气罐、空气处理净化设备、冷干机等组成，其原理是由空压机产生的压缩空气，必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理之后存储在储气罐中，最后将储气罐中的压缩空气供应给控制元件和执行元件。

在对空压站的空压机控制过程中，多数是在执行元件工作时启动空压机来压缩空气，而在执行元件不工作时则关闭空压机，这样频繁的启停会影响空压机的使用寿命。而为了避免空压机的频繁启停，现有技术则将空压机的运行状态在空载状态和负载状态之间进行切换，也就是空压机要么工作，要么空载运行，这样会造成能量损失，因此难以从稳定运行和节能控制角度对空压机进行控制。

本发明提供了一种数字能源空压站的变频调速系统及其方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种数字能源空压站的变频调速系统及其方法，用于解决现有技术控制空压机在空载状态和负载状态之间切换，难以从稳定运行和节能控制两个角度实现对空压机控制的技术问题。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种数字能源空压站的变频调速系统，包括中枢分析模块，以及与之相连接的数据交互模块和执行控制模块；中枢分析模块通过与数据交互模块相连接的数据库获取空压站中各执行元件的历史工作数据，整合之后获取空压站的供气曲线模型；中枢分析模块确定空压站供气曲线模型的若干驻点；根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期；依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量；以及基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号控制执行控制模块对空压机进行调节，并在周期组中相邻调频周期的拼接处进行验证。

空压站工作原理主要是通过空压机获取压缩空气，对压缩空气经过一系列处理之后存储在储气罐中；在需要使用的时候从储气罐中将压缩空气释放出来驱动执行元件。现有技术根据压缩空气的使用情况来对空压机控制时，要么以储气罐中压缩空气存储量为基础，通过频繁启停来保证压缩空气量，影响空压机乃至空压站的寿命；要么是保证空压机不停歇，通过切换其负载状态来控制存储的压缩空气量，造成能量的浪费。

本发明先分析空压站执行元件的历史工作数据，从历史工作数据中挖掘出执行元件的用气特征，根据用气特征整理出空压站的供气曲线模型；从供气曲线模型中确定周期组，结合供气曲线模型确定周期组对应的压缩空气需求量，进而完成空压机的转速调节；本发明尽可能保证空压机不停机、不空载的情况下，为执行元件工作提供源源不断的压缩空气。

本发明中的所述中枢分析模块分别与数据交互模块和执行控制模块通信和/或电气连接；所述数据交互模块分别与数据库和数据传感器通信和/或电气连接。中枢分析模块负责数据处理，数据交互模块负责数据采集，执行控制模块负责空压机的控制。数据传感器包括转速传感器、温度传感器等，用于获取空压机运行状态相关的数据。本发明中的执行元件是指通过储气罐压缩空气驱动工作的装置，如气缸、马达等。

优选的，所述分析各执行元件的历史工作数据，包括：提取各执行元件的历史工作数据；按天对执行元件的历史工作数据进行划分，获取若干数据组；挖掘若干数据组中压缩空气的用气特征，结合储气罐的标准储气压力获取执行元件的元件用气曲线。

本发明按天对各执行元件的历史工作数据进行划分，也就是按天来挖掘出各执行元件的用气特征。对于生产企业所使用的空压站来说，其所服务的执行元件基本不会发生太大变化，因此各执行元件用气特征叠加起来可理解为储气罐的供气特征。

本发明中的用气特征包括用气量和用气压力，将用气特征和用气压力与储气罐的供气之间建立一个映射关系，即假设储气罐按照一个固定压力(标准储气压力)来供给压缩空气，则根据执行元件的用气特征可反推该固定压力之下所需的压缩气体量。这样可得到各执行元件的元件用气曲线，便于后续计算压缩空气需求量。

优选的，所述整合之后获取空压站的供气曲线模型，包括：叠加若干执行元件的元件用气曲线，获取空压站的供气原始曲线；结合供气损耗和供气冗余对供气原始曲线进行调整，获取供气曲线模型。

本发明将若干执行元件的元件用气曲线按照时间来叠加，得到供气原始曲线。当供气原始曲线实际并没有考虑到压缩空气传输过程中的损耗，因此结合供气损耗和供气冗余来将执行元件角度的供给原始曲线调整为空压站角度的供气曲线模型。

本发明中的供给冗余是对储气罐的压缩空气存储量的下限进行设置，即在任何时刻至少保证储气罐中保存由部分压缩空气，以备不时之需。本发明将执行元件角度的用气规律转换为储气罐角度的供气规律，为后续空压机的控制奠定了数据基础。

优选的，所述根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期，包括：通过一阶导数确定供气曲线模型的若干驻点，并确定若干驻点对应的时刻；将相邻驻点对应时刻之间的时间范围作为一个调频周期，获取每天中空压站对应的若干调频周期。

本发明获取供气曲线模型对应函数的一阶导数，根据一阶导数理论确定供气曲线模型的若干驻点，将相邻驻点之间的时间范围作为一个调频周期。则每天中空压站，确切来说是其中的空压机存在多个调频周期。

本发明通过驻点来确定调频周期是初步将调频周期中的压缩空气需求量确定在单调区间内，但并不是每个调频周期对空压机的转速进行调整。本发明的调频周期也是对空压站的供气曲线模型规律的挖掘，为实现空压机的合理调整奠定数据基础。

优选的，所述结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量，包括：确定任一周期组之前储气罐的压缩空气剩余量，标记为YSS；将供气曲线模型对应的函数标记为F(t)，将该周期组对应的时间范围标记为[t1，t2]；通过公式YKL＝∫F(t)-YSS计算该周期组对应的压缩空气量YKL。

本发明依次将相邻两个调频周期拼接为一个周期组，也就是说每个周期组中包括两个相邻的调频周期，且若干周期组之间不存在重复的调频周期。而且，同一周期组中的两个调频周期对应的压缩空气需求量是相反的，一个增长一个减少，有利于避免根据周期组进行空压机转速调节时，相邻周期组对应的最优转速相差过大。

本发明通过积分方式来计算所需的压缩空气量，这里所需的压缩空气量主要是指空压机所需要产生的压缩空气量，则通过各执行元件所需的压缩空气总量减去储气罐中剩余的压缩空气量即可得到空压机所需要制造的压缩空气量。

优选的，所述基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，包括：调取各周期组所需的压缩空气量，以及空压机对应的转速能耗曲线；根据时间范围和压缩空气量确定所需的空压机最低转速；在最低转速的基础上结合转速能耗曲线确定最优转速。

本发明中转速能耗曲线根据空压机的测试数据获取，即空压机在各转速恒定运行之下的能耗表现。本发明根据周期组对应的时间范围以及空压机所需制造的压缩空气量可确定空压机对应的最低转速，也可以理解为空压机以该最低转速恒定运行，在周期组对应的时间范围内可以产生所需的压缩空气量。

本发明确定最低转速之后，结合转速能耗曲线匹配最低转速之上，一定转速差之内能耗最低的转速作为最优转速。也就是说在周期组对应的时间范围内空压机按照最优转速运行，即可保证该周期组内各执行元件的用气需求。根据最优转速可生成调速信号，在相邻周期组的交汇点时刻对空压机的转速进行平滑调整即可。

值得注意的是，本发明中周期组实际是包含了两个相邻的调频周期，其目的是监测空压机的工作状态。可在周期组中相邻调频周期的交汇点时刻进行验证，其验证原理是在已经结束的调频周期内空压机是否制造了与预期一致的压缩空气量，若没有达到预期则需要在周期组中后一个调频周期来提高空压机的转速。

本发明的第二方面提供了一种数字能源空压站的变频调速方法，包括：获取空压站中各执行元件的历史工作数据；分析各执行元件的历史工作数据，整合之后获取空压站的供气曲线模型；确定空压站供气曲线模型的若干驻点；根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期；依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量；基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号对空压机进行调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号控制执行控制模块对空压机进行调节，并在周期组中相邻调频周期的拼接处进行验证；本发明综合压缩空气的需求量和能耗问题来调节空压机的转速，在节能的基础上保证了空压机的稳定负载运行。

2.本发明确定空压站供气曲线模型的若干驻点；根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期；依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量；本发明对空压站的供气曲线模型进行特征挖掘，合理设置周期组，以避免对空压机进行频繁调速，而且能够降低相邻周期组之间最优转速的转速差，提高调速流畅性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的方法步骤示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，本发明第一方面实施例提供了一种数字能源空压站的变频调速系统，包括中枢分析模块，以及与之相连接的数据交互模块和执行控制模块；中枢分析模块通过与数据交互模块相连接的数据库获取空压站中各执行元件的历史工作数据，整合之后获取空压站的供气曲线模型；中枢分析模块确定空压站供气曲线模型的若干驻点；根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期；依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量；以及基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号控制执行控制模块对空压机进行调节，并在周期组中相邻调频周期的拼接处进行验证。

本实施例的第一步是中枢分析模块通过与数据交互模块相连接的数据库获取空压站中各执行元件的历史工作数据，整合之后获取空压站的供气曲线模型。

首先确定空压站所服务的执行元件，也就是空压站需要为哪些执行元件提供气源。本实施例以不间断工作若干气缸作为执行元件来举例说明技术方案。

从历史工作数据中挖掘出气缸的用气特征，如一天中每个1分钟用一次压缩空气，则每次使用的压缩空气的量和压力是固定的，将每次使用的压缩空气转换成标准储气压力下对应的压缩空气量，这样将该气缸的每天用气特征转换为每个一分钟用了多少量的压缩空气(标准储气压力下)。

这样就可以得到若干气缸对应的数据组，每个数据组均可拟合出对应的元件用气曲线，将这些连续的元件用气曲线以时刻为基础进行叠加，可获取空压站对应的供气曲线模型。在另外一个优选的实施例中，还可以将各执行元件对应的数据组按照时刻先进行叠加，在叠加之后再进行数据拟合来获取供气曲线模型。

供气曲线模型对应的时间范围是一天中的二十四小时，且相邻日期的供气曲线模型可拼接处理，保证周期组的连贯性，同时也能够保证对空压机的控制的连贯性，也就是说可实现对空压站中空压机的自动化调速。

本实施例的第二步是中枢分析模块确定空压站供气曲线模型的若干驻点；根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期；依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量。

确定空压站的供气曲线模型之后，通过一阶导数计算出供气曲线模型对应函数的若干驻点，驻点两侧的压缩空气需求量是相反的。将两个驻点之间的时间范围作为一个调频周期，则可以立即为每个调频周期中的压缩空气需求量随着时间是单调变化的。

将相邻的两个调频周期整合成一个周期组，一天之中也可以获取多个周期组。理论上驻点两侧均呈现单调变化，且单点变化趋势相反，则周期组中至少包括一个波峰或者波谷；若前一周期组包括波峰，则后一周期组包括波谷，因此本实施例以周期组为基础单位来计算压缩空气量是为了保证空压机前后两次调速之差不会太大，而且可以降低调速频率。

在确定若干周期组之后，以各周期组对应的时间范围作为积分曲线，对供气曲线模型的函数进行积分计算，可得到对应周期组中执行元件所需的压缩空气量。但考虑到储气罐在每个周期组中会剩余一定量的压缩空气，因此本实施例一次对周期组进行积分计算，在空压机即将完成上一周期组所需压缩空气的智造之后，计算下一周期组所需的压缩空气量，并减去上一周期组剩余的压缩空气量，得到空压机在下一周期需要制造的压缩空气量。

本实施例的第三步是基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号控制执行控制模块对空压机进行调节，并在周期组中相邻调频周期的拼接处进行验证。

本实施例根据下一周期组所需要制造的压缩空气量以及下一周期组对应时间范围来确定空压机的最低转速，从转速能耗曲线中匹配最低转速之上能耗最低的转速作为最优转速，从下一周期组开始时将空压机的转速调整为最优转速。

在最低转速的基础上匹配最优转速时，所选择的最优转速可与上一周期组的最优转速进行比较，保证二者之间的转速差不要太大，这样提高相邻周期组之间的调速流畅性。

本实例周期组中包括相邻的两个调频周期，在一个调频周期完成之后，计算该调频周期实际压缩空气的制造量与通过供气曲线模型积分计算的压缩空气需求量之间的差距。当二者差距超过一定阈值时，则可及时对周期组中后一调频周期的最优转速进行调整，以保证整合周期组实际制造的压缩空气量能够满足需求。

上述公式中的部分数据是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：获取空压站中各执行元件的历史工作数据；分析各执行元件的历史工作数据，整合之后获取空压站的供气曲线模型。确定空压站供气曲线模型的若干驻点；根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期；依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量。基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号对空压机进行调节。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (8)

1.一种数字能源空压站的变频调速系统，包括中枢分析模块，以及与之相连接的数据交互模块和执行控制模块；其特征在于：

中枢分析模块通过与数据交互模块相连接的数据库获取空压站中各执行元件的历史工作数据；分析各执行元件的历史工作数据，整合之后获取空压站的供气曲线模型；其中，执行元件是指通过储气罐压缩空气驱动工作的装置；

中枢分析模块确定空压站供气曲线模型的若干驻点；根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期；依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量；以及

基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号控制执行控制模块对空压机进行调节，并在周期组中相邻调频周期的拼接处进行验证；其中，最优转速是在满足压缩空气量需求和节能的基础上筛选匹配的。

2.根据权利要求1所述的一种数字能源空压站的变频调速系统，其特征在于，所述分析各执行元件的历史工作数据，包括：

提取各执行元件的历史工作数据；按天对执行元件的历史工作数据进行划分，获取若干数据组；

挖掘若干数据组中压缩空气的用气特征，结合储气罐的标准储气压力获取执行元件的元件用气曲线；其中，用气特征包括用气量和用气压力。

3.根据权利要求2所述的一种数字能源空压站的变频调速系统，其特征在于，所述整合之后获取空压站的供气曲线模型，包括：

叠加若干执行元件的元件用气曲线，获取空压站的供气原始曲线；

结合供气损耗和供气冗余对供气原始曲线进行调整，获取供气曲线模型；其中，供给损耗是指压缩气体从储气罐到执行元件之间的损耗，供气冗余是设置的储气罐存储压缩空气的冗余量。

4.根据权利要求1所述的一种数字能源空压站的变频调速系统，其特征在于，所述根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期，包括：

通过一阶导数确定供气曲线模型的若干驻点，并确定若干驻点对应的时刻；

将相邻驻点对应时刻之间的时间范围作为一个调频周期，获取每天中空压站对应的若干调频周期。

5.根据权利要求1所述的一种数字能源空压站的变频调速系统，其特征在于，所述结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量，包括：

确定任一周期组之前储气罐的压缩空气剩余量，标记为YSS；将供气曲线模型对应的函数标记为F(t)，将该周期组对应的时间范围标记为[t1，t2]；

通过公式YKL＝∫F(t)-YSS计算该周期组对应的压缩空气量YKL；其中，∫为积分符号，积分范围为t∈[t1，t2]。

6.根据权利要求5所述的一种数字能源空压站的变频调速系统，其特征在于，所述基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，包括：

调取各周期组所需的压缩空气量，以及空压机对应的转速能耗曲线；其中，转速能耗曲线根据空压机的测试数据获取；

根据时间范围和压缩空气量确定所需的空压机最低转速；在最低转速的基础上结合转速能耗曲线确定最优转速。

7.根据权利要求1所述的一种数字能源空压站的变频调速系统，其特征在于，所述中枢分析模块分别与数据交互模块和执行控制模块通信和/或电气连接；其中，执行控制模块用于控制空压机的运行；

所述数据交互模块分别与数据库和数据传感器通信和/或电气连接；其中，数据库用于存储历史工作数据，数据传感器用于监测空压站的运行状态。

8.一种数字能源空压站的变频调速方法，应用于权利要求1至7任一项所述的一种数字能源空压站的变频调速系统，其特征在于，包括：

获取空压站中各执行元件的历史工作数据；分析各执行元件的历史工作数据，整合之后获取空压站的供气曲线模型；其中，执行元件是指通过储气罐压缩空气驱动工作的装置；

确定空压站供气曲线模型的若干驻点；根据若干驻点中相邻驻点确定若干调频周期；依次将相邻两个调频周期整合为一个周期组，获取若干周期组；结合供气曲线模型计算若干周期组所需的压缩空气量；

基于各周期组所需的压缩空气量匹配空压机的最优转速，根据最优转速生成调速信号；基于调速信号对空压机进行调节。