SE521518C2 - Förfarande och system för att styra ett antal kompressorer - Google Patents

Description

20 25 30 35 -à fï". gu stämd mängd luft per tidsenhet, medan andra kan leverera en variabel mängd luft per tidsenhet.

Trycket i tanken ligger vanligtvis någonstans inom området 1-12 bar. En givare mäter trycket i tanken och beroende på om trycket i tanken överstiger eller understiger ett i förväg bestämt gräns- värde startas någon av kompressorerna eller stängs av. Vilken kompressor som ska startas eller stängas av bestäms av i förväg uppgjorda sekvenser. En sekvens specificerar dels vilken kom- pressor som utgör baskompressor, d.v.s. den kompressor som ska kopplas in först och som ska leverera bastrycket, och dels i vilken ordning de övriga kompressorerna ska kopplas in eller kopplas ur om trycket inte räcker till respektive blir för högt.

Kompressorcentralen kan styras av en eller flera sekvenser. Oli- ka sekvenser kan användas beroende på tiden på dygnet, vecko- dag eller vilket skift som körs. Dessa sekvenser bestäms i förväg baserat på tidigare erfarenheter av hur behovet av tryckluft varie- rar under dygnet. Om trycket i tanken överstiger gränsvärdet kopplas nästa kompressor i sekvensen in och om trycket under- stiger gränsvärdet bestämmer sekvensen vilken kompressor som ska kopplas ur.

En nackdel med dessa kompressorcentraler är att de är mycket energikrävande och dessutom har låg verksamhetsgrad. Verk- ningsgraden för inkommande el till verksamt mekaniskt arbete ligger på cirka 4%. En av orsakerna till den låga verkningsgraden är att kompressorerna en stor del av tiden står i avlastat tillstånd.

En kompressor som står i avlastat tillstånd drar energi utan att utföra något arbete. Energiåtgången i avlastat tillstånd kan vara uppemot 40-50% av energiåtgången i pålastat tillstånd. När en kompressor som befinner sig i pålastat tillstånd ska stängas av bör den först vara i avlastat tillstånd i en viss tid, innan den över- går till avstängt tillstånd. Om kompressorn stängs av utan att kompressorn först gått ner till avlastat tillstånd hinner kompres- sorns interntank inte tömmas och det kommer att ta extra lång tid att starta upp kompressorn igen. 10 15 20 25 30 35 521 5123 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfarande för att styra ett antal kompressorer som gemensamt producerar en fluid, vilket förfarande möjliggör minskad energiåt- gång och hög verkningsgrad i förhållande till ovan diskuterad känd teknik.

Detta ändamål uppnås med det inledningsvis avgivna förfarandet och kännetecknas av att förfarandet innefattar att information lagras för var och en av kompressorerna avseende hur stor effekt kompressorn drar i pålastat och avlastat tillstånd samt vilket eller vilka flöden som kompressorn kan leverera. Information tas emot avseende trycket i fluiden och aktuella ventillägen för kompres- sorerna. Aktuellt behov av fluid uppskattas baserat på kompres- sorernas aktuella ventilpositioner, det flöde som kompressorerna kan leverera och trycket i fluiden. Kompressorernas ventillägen ställs in under hänsynstagande till det aktuella behovet av fluid och kompressorernas energiförbrukning i ett antal möjliga upp- sättningar av ventillägen som tillgodoser det aktuella behovet av fluid. l en föredragen utföringsform framtas den uppsättning ven- tillägen som ger den lägsta energiförbrukningen. Men även andra uppsättningar som ligger i närheten av den lägsta energiförbruk- ningen kan ge en acceptabel energiförbrukning, såsom den upp- sättning som beräknas ge den näst lägsta energiförbrukningen. l en utföringsform kan kompressorernas ventillägen exempelvis ställas in under hänsynstagande till att kompressorernas energi- förbrukning högst får vara 10% högre än energiförbrukningen för den uppsättning ventillägen som har den lägsta energiförbruk- ningen.

Istället för att som i teknikens ståndpunkt i förväg besluta vilken kompressor som ska startas eller stängas av baserat på tidigare erfarenheter tas hela tiden nya beslut om vilken eller vilka kom- pressorer som ska startas eller stängas av baserat på beräkning- ar avseende kompressorernas energiförbrukningen med hänsyn tagen till det aktuella behovet av fluid. Med ett sådant förfarande 10 15 20 25 30 35 . . . . i . erhålls en dynamisk anpassning av kompressorernas tillstånd till vid varje enskilt tillfälle rådande förhållanden med hänsyn tagen till oförutsedda händelser. Genom att man hela tiden har möjlig- het att välja en uppsättning ventillägen som ger en låg energiför- brukningen med hänsyn tagen till det aktuella behovet av fluid, minskar den totala energiförbrukningen och verkningsgraden ökar. Energiförbrukningen minskas tack vare att tiden som kom- pressorerna befinner sig i avlastat tillstånd minimeras med detta förfarande.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen tas ett antal möjliga uppsättningar med skilda kombinationer av ventillägen fram. För var och en av dessa uppsättningar av ventillägen be- räknas det flöde, d.v.s. den volym per tidsenhet, som uppsätt- ningen kan producera. Ur nämnda uppsättningar av möjliga kom- binationer av ventillägen väljs en uppsättning av ventillägen som tillgodoser det aktuella behovet av fluid med hänsyn tagen till kompressorernas energiförbrukning baserat på hur stor effekt kompressorerna drar i pålastat och avlastat tillstånd. I en före- dragen utföringsform avgörs för nämnda utvalda uppsättningar av ventillägen vilken av uppsättningarna som ger den lägsta energi- förbrukningen. Genom att ta fram alla tänkbara kombinationer av ventillägen för kompressorerna, beräkna de flöden som dessa kombinationer ger och sedan jämföra dessa flöden med det aktu- ella behovet av fluid är det möjligt att avgöra vilka kombinationer av ventillägen som ger det aktuella behovet av fluid. När kombi- nationerna är fastställda utväljs en av dem i beroende av sin energiförbrukning.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen uppskattas aktuellt behov av fluid genom att aktuellt flöde beräknas i bero- ende av kompressorernas aktuella ventillägen och flödet som de kan leverera och huruvida flödet behöver ändras avgörs i bero- ende av trycket i fluiden. Genom att beräkna det aktuella flödet och att med hjälp av trycket avgöra om flödet behöver ökas eller minskas, erhålls en uppskattning av det aktuella behovet i form av ett villkor som säger att flödet ska vara större eller mindre än 10 15 20 25 30 35 521 518 ett visst värde. Genom att sedan pröva om en uppsättning av ventillägen uppfyller detta villkor kan det på ett enkelt sätt fast- ställas huruvida uppsättningen av ventillägen uppfyller det aktu- ella behovet av fluid eller ej.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen jämförs trycket i fluiden med en övre och en undre gräns för trycket och huruvida flödet behöver ökas eller minskas avgörs l beroende av nämnda jämförelse. Företrädesvis är den övre gränsen för trycket mer än 5% högre än den undre gränsen. Genom att man tillåter ett stort spann mellan den övre och den undre gränsen för tryck- et behöver inte kompressorerna startas och stoppas lika ofta som om spannet vore litet. På så sätt minskar både slitage och ener- giförbrukning för kompressorerna.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen beräknas de- rivatan för trycket i fluiden och huruvida flödet behöver ökas eller minskas avgörs i beroende av den beräknade derivatan. Genom att man tar hänsyn till tryckets derivata vid bedömningen av hu- ruvida flödet behöver ändras, kan onödiga starter och avstäng- ningar av kompressorerna förhindras. Exempelvis, om trycket är strax under det undre gränsvärdet samtidigt som trycket i tanken stiger kraftigt, är det onödigt att starta ytterligare en kompressor och om trycket är strax över det övre gränsvärdet samtidigt som trycket faller snabbt i tanken är det onödigt att stoppa ytterligare en kompressor. Genom att man tar hänsyn till derivatan undviks sådana onödiga manövrer.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen beräknas in- tegralen för trycket i fluiden och huruvida flödet behöver ökas eller minskas avgörs i beroende av den beräknade integralen.

Om man bara strikt följer gränsvårdena för trycket vid bedöm- ningen av det aktuella behovet blir styrningen ryckig och leder ibland till onödiga starter och stopp av kompressorerna. Genom att man också tar hänsyn till tryckets integral vid bedömningen av om flödet behöver ändras, kan onödiga starter och avstäng- ningar av kompressorerna förhindras i samband med tillfälliga 10 15 20 25 30 35 521 Slå variationer i trycket i tanken, exempelvis vid tryckspikar och mindre överträdelser av tryckgränserna. På så sätt erhåller man en mjukare styrning.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen mäts tiden som kompressorerna befinner sig i avlastat tillstånd och när tiden för någon kompressor överstiger ett givet gränsvärde, genereras en styrsignal för att överföra kompressorn till avstängt tillstånd samt information lagras om att kompressorn är avstängd. En kompressor som befinner sig i avlastat tillstånd kan snabbt över- gå till ett pålastat tillstånd, medan en avlastad kompressor behö- ver lång tid på sig innan den kommer gång. Genom att undvika att stänga av kompressorn direkt när den inte behövs längre, och istället avvakta en tid och låta kompressorerna stanna kvar i av- lastat tillstånd, finns möjligheten kvar att snabbt få igång kom- pressorn igen om behovet av fluid inom kort skulle öka igen. I en föredragen utföringsform är gränsvärdet valbart och matas in av användaren. Genom att man lagrar information om att kompres- sorn är avstängd i samband med att den stängs av, är det möjligt att hålla reda på vilka kompressorer som befinner sig i avstängt tillstånd. Med fördel ställs kompressorernas ventillägen in under hånsynstagande till den lagrade informationen angående vilka av kompressorerna som är avstängda.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen ställs kom- pressorernas ventillägen in med hänsyn tagen till antal gånger som var och en av kompressorerna tillåts starta under ett givet tidsintervall. Med fördel sparas för var och en av kompressorerna information om antal gånger per tidsenhet som kompressorn har övergått från avstängt tillstånd till pålastat tillstånd och detta antal gånger per tidsenhet jämförs med maximalt tillåtet antal gånger per tidsenhet, i beroende av jämförelsen bestäms huruvi- da kompressorn är tillgänglig eller ej och vid inställningen av ventillägena tas hänsyn till vilka kompressorn som är tillgängliga.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att till- handahålla ett datorprogram direkt inladdningsbart i en dators in- 10 15 20 25 30 35 . . - - f - ternminne, innefattande instruktioner för att påverka en proces- sor att utföra stegen i förfarandet enligt uppfinningen.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att till- handahålla ett datorläsbart medium innefattande ett datorpro- gram innefattande instruktioner för att påverka en processor att utföra stegen i förfarandet enligt uppfinningen.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhan- dahålla ett system för att styra ett antal kompressorer som ge- mensamt producerar en fluid, vilket möjliggör en minskad energi- åtgång och hög verkningsgrad. Detta ändamål uppnås med det inledningsvis angivna systemet och kännetecknas av att det in- nefattar medel för att mata in och lagra information avseende hur stor effekt kompressorerna drar i pålastat och avlastat tillstånd samt vilket eller vilka flöden som kompressorerna kan leverera, medel för att läsa in mätvärden för trycket i fluiden i åtminstone en punkt och aktuella ventillägen hos kompressorerna, medel för att uppskatta aktuellt behov av fluid baserat på kompressorernas aktuella ventilpositioner, det flöde som kompressorerna kan leve- rera och trycket i fluiden, samt medel för att ta fram en uppsätt- ning ventillägen med hänsyn tagen till det aktuella behovet av fluid och kompressorernas energiförbrukning, utifrån ett antal möjliga uppsättningar av ventillägen som tillgodoser det aktuella behovet av fluid FIGURBESKRIVNING Föreliggande uppfinning ska nu förklaras med hjälp av olika så- som exempel beskrivna utföringsformer och medhänvisning till de bifogade ritningarna.

Figur 1 visar en kompressorcentral och ett system för att styra kompressorerna enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 521 518 8 Figur 2 visar i form av ett fiödesdiagram en metod för att styra kompressorerna i kompressorcentalen enligt uppfin- ningen.

Figur 3 visar en graf över hur trycket varierar i fluiden efter kom pressorerna.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar en kompressorcentral som innefattar tre kompresso- rer 1, 2, 3 anordnade att leverera trycksatt luft till en tank 5. Var och en av kompressorerna 1-3 innefattar en ventil 7, 8, 9, vars läge bestämmer storleken av flödet av luft från kompressorn.

Kompressorerna kan inta tre olika tillstånd: ett avstängt tillstånd där kompressorn är spänningslös och ventilen är i stängt läge, ett avlastat tillstånd där kompressorn är spänningssatt och ven- tilen är i stängt läge och ett pålastat tillstånd där kompressorn är spänningssatt och ventilen är helt öppen. Det är endast i det på- lastade tillståndet som kompressorn producerar trycksatt luft.

Dessa kompressor är av typen on/off-maskiner, d.v.s. antingen producerar de sitt maximiflöde eller inget alls. Det finns också kompressorer som har en variabel flödesproduktion. Uppfinning- en är även tillämpbar för dessa kompressorer och längre fram i texten beskrivs ett utföringsexempel med en kompressorcentral som innefattar en kompressor med variabel flödesproduktion.

Alla tre kompressorerna 1, 2, 3 levererar tryckluft till tanken 5.

Från tanken 5 levereras tryckluften vidare till en anläggning 10 där luften tas emot av olika konsumenter. Konsumenterna kan exempelvis vara verktyg eller transportörer som drivs med hjälp av tryckluften. Trycket P1(t) i tanken mäts med hjälp av en tryck- givare 12 anordnad i tanken. Trycket P2(t), P3(t), P4(t) mäts ock- så på tre olika ställen i anläggningen med tre tryckgivare 13.

Tryckgivarna 13 placeras på kritiska punkter, där det är viktigt för funktionen att ett visst tryck upprätthålls och trycket därför inte får understiga givna nivåer. Data från kompressorerna i kom- pressorcentralen 1, 2, 3, tanken 5 och anläggningen 10 överförs 10 15 20 25 30 35 till ett system 15 för styrning av kompressorerna. Styrsignaler och data överförs mellan systemet 15 och kompressorerna och anläggningen via en bussledning 16.

Systemet 15 innefattar en processor, minnen och I/O-enheter för kommunikation med andra enheter. Från kompressorena 1, 2 ,3 överförs till systemet 15 uppgifter om ventilernas 7, 8, 9 aktuella lägen. Från tanken 5 och anläggningen 10 överförs till systemet 15 uppgifter avseende trycket i tanken 5 och i de kritiska punk- terna 13. Systemet 15 är också kopplat till en dator 18, vilken möjliggör för en operator att kommunicera med systemet 15 och mata in data till systemet. Data som matas in via datorn 18 är in- formation avseende hur stor effekt var och en av kompressorerna drar i pålastat och avlastat tillstånd och vilket maximalt flöde som var och en av kompressorerna kan leverera. Systemet 15 har till uppgift att uppskatta aktuellt behov av fluid och med hänsyn ta- gen till det aktuella behovet av fluid bestämma de ventillägen som ger den lägsta sammanlagda energiförbrukningen för alla kompressorerna. Systemet 15 har också till uppgift att sända styrsignaler till kompressorerna avseende att byta tillstånd.

Figur 2 visar i form av ett flödesschema hur systemet 15 tar fram de ventillägen som ger den lägsta energiförbrukningen. I ett för- sta steg, ruta 20, inläses data avseende hur stor effekt var och en av kompressorerna drar i pålastat tillstånd P2 och avlastat till- stånd P: samt det flödet fn som kompressorn levererar i pålastat tillstånd. Vanligtvis specificeras flödet i liter per minut. Dessa data avseende kompressorerna lagras och behöver inte läsas in på nytt, förrän någon uppgift ändras. Därefter inläses information avseende trycket P1(t) i tanken, trycket P2(t) - P4(t) i de kritiska punkterna i anläggningen, ruta 21, och aktuella ventillägen ön för var och en av kompressorena, ruta 22. Eftersom kompressorerna är on/off-kompressorer har ventillägena antingen värdet O eller värdet 1. Om ventilpositionen har värdet 0 år ventilen stängd och om den har värdet 1 är ventilen helt öppen. lnläsningen av indata sker med ett valfritt tidsintervall. 10 15 20 25 30 35 10 Den flödesproduktion F som en uppsättning av kompressorer N med ventillägen ön ger kan beräknas enligt följande ekvation: F = 2 fn 'ön (1) F = det totala flödet N = antalet kompressorer fn = flödet från kompressor n när ventilen är helt öppen. ön = ventilläget för kompressor n.

När alla indata har lästs in beräknas aktuell flödesproduktion FA medelst ekvation 1, ruta 23.

För trycket i tanken och trycken i de kritiska punkterna sätts gränsvärden för vad som är tillåtet tryck. l vissa av de kritiska punkterna räcker det med en undre gräns som trycket måste hålla sig över. För trycket i tanken sätts både ett övre gränsvärde Pnnnx och ett undre gränsvärde Pnnn som ger ett intervall för tillå- ten variation av trycket. Det är viktigt att tillåta en så stor tryck- differens som möjligt mellan det övre och det undre gränsvärdet utan att funktionen hos anslutna komponenter äventyras. Diffe- rensen mellan gränsvärdena Pnnnx - Pnnn bör vara minst 5% men helst så mycket som 10%. Hur stor tryckdifferens som ska tillåtas beror på olika faktorer såsom vilka krav som finns på anlägg- ningen, vilken typ av industri det är frågan om och tankens stor- lek. Om börvärdet exempelvis är 7 bar sätts det övre gränsvärdet Pnnnx lämpligen till 7,5 bar och Pnnn sätts lämpligen till 6,5 bar. Ju större differensen är mellan gränsvärdena, desto färre gånger behöver kompressorerna startas och stoppas, vilket leder till minskat slitage och minskad energiåtgång.

Trycket i fluiden jämförs med det undre gränsvärdet Pnnin, ruta 24, och med det övre gränsvärdet Pnnax, ruta 25, och om tryckvärdet ligger inom gränsvärdena, sker ingen justering av ventillägena förutsatt att det inte är första gången som programmet genomlö- pes. Om det är första gången som programmet genomlöpes sker 10 15 20 25 30 11 en bestämning av optimala ventillägen, ruta 27, på samma sätt som beskrivas längre fram i texten, och styrsignaler genereras för inställning av ventillägena i enlighet med de optimerade ven- tillägena, ruta 28. Om trycket i någon av mätpunkterna är lägre än det undre gränsvärdet, behövs eventuellt någon mer kompres- sor startas. Innan någon åtgärd vidtas, avgörs det om det verkli- gen är nödvändigt att öka flödesproduktionen. För att kunna ta ställning till om flödet verkligen behöver ökas, beräknas deriva- tan av trycket ruta 31. Derivatan ä: beräknas enligt följande ekvation: P(t+1)-P(t) (2) At Om värdet på derivatan är mycket stort, d.v.s. om trycket stiger kraftigt och värdet på trycket är större än 0,85 ' Pm,,,, bör inte sy- stemet reagera med att öka flödet ytterligare, eftersom man re- dan ligger ganska nära gränsen och trycket ökar kraftigt. På samma sätt beräknas derivatan, ruta 30, om trycket är större än det maximala gränsvärdet. Om derivatan har ett stort negativt värde, vilket betyder att trycket sjunker kraftigt, och trycket är mindre än 1,15 ' Pm, får inte systemet reagera med att sänka flö- det ytterligare. Eftersom trycket redan sjunker och det dessutom är nära den maximala gränsen, vidtas ingen åtgärd i detta fall.

Figur 3 visar ett exempel på hur trycket kan variera över tiden.

Vid snabba förändringar i trycket kan mätningarna av derivatan bli otillförlitliga. Om beräkningarna av derivatan baseras på tryck- et i punkterna A och B, som visas i figur 3, kommer derivatan att få värdet O, vilket är felaktigt, eftersom derivatan i punkten B istället är kraftigt stigande. Detta exempel visar att beslut som baseras enbart på analys av derivatan utanför det övre Pm, och det undre Pmm gränsvärdet för trycket inte är tillräckliga. För att utesluta att det enbart rör sig om snabba spikar, beräknas även integralen för trycket när trycket är utanför gränsvärdena, ruta 32 och 33. lntegralen för trycket beräknas så länge trycket ligger 10 15 20 25 30 35 under Pm", eller ovanför Pmax. Så länge som trycket häller sig in- nanför gränsvärdena, beräknas inte integralen.

Ovan beskrivna analys leder fram till en insikt om huruvida det aktuella behovet av tryckluft är större eller mindre än den aktuel- la produktionen av tryckluft. Om analysen visar att behovet av tryckluft är större eller mindre än den nuvarande produktionen, ruta 34, 35, går systemet vidare och tar fram optimala ventillä- gen, ruta 36 och 37, d.v.s. bestämmer den uppsättning av ven- tillägen som ger den lägsta energiförbrukningen och samtidigt uppfyller det aktuella behovet av tryckluft.

För att bestämma de optimala ventillägena beräknas först vilka möjliga kombinationer av ventillägen som kan erhållas från kom- pressorcentralen. I detta utföringsexempel innefattar centralen tre kompressorer av typen on/off-maskiner, vilket betyder att det finns sju möjliga uppsättningar av kombinationer av ventillägen.

Antalet möjliga uppsättningar av ventillägen ges av ekvationen: Km. A) = <3) N = totalt antal kompressorer A = antalet maskiner som väljs vid olika tidpunkter.

För var och en av uppsättningarna av ventillägen beräknas det sammanlagda flöde Fi som dessa ventillägen kan ge. Det flöde F; som varje uppsättning ger beräknas med hjälp av ekvation 1. Ob- servera att flera olika uppsättningar av ventillägen kan ge samma flöde. Framtagningen av möjliga uppsättningar av ventillägen och de flöden som dessa ger kan beräknas en gång för alla. För att hitta de uppsättningar av ventillägen som uppfyller det aktuella behovet av fluid jämför man de beräknade flödena Fi för uppsätt- ningarna med det beräknade aktuella flödet FA från ekvation 1.

Om analysen ovan har visat att flödet bör ökas, utväljs de upp- sättningar av ventillägen som ger ett flöde FB som är närmast 10 15 20 25 30 521 51k) 13 högre än det aktuella flödet FA. Om flödet ska ökas, ruta 37, gäll- er således följande randvillkor: F12 FB > FA Om analysen ovan har visat att flödet bör minskas, utväljs de uppsättningar av ventillägen som ger ett flöde FC som är närmast lägre än det aktuella flödet FA. Om flödet ska minska, ruta 26, gäller således följande randvillkor: Fi 2 Fc < FA Randvillkoret 4b ger att F, måste vara större än eller lika med FC för att förhindra att svaret från beräkningen blir att inget flöde alls ska produceras i de fall när flödet ska minskas. l praktiken kommer den kombination av ventillägen som ger F, = FC att ge det lägsta effektuttaget.

Om det är första gången loopen genomlöps och flödet inte behö- ver ändras, ruta 27, gäller följande randvillkor: F, z FA (4c) Vilket av dessa randvillkor som ska användas bestäms av aktuellt behov av fluid. Om antalet kompressorer är stort finns det van- ligtvis många uppsättningar av ventillägen som uppfyller randvill- koret. Med hänsyn tagen till tillämpligt randvillkor beräknar sy- stemet vilken uppsättning av ventillägen som ger det lägsta el- effektuttaget med hjälp av en matematisk optimeringsmodell. För att hitta den uppsättning av ventillägen som ger det lägsta ef- fektuttaget uppställs följande formel för effektuttaget: 10 15 20 25 30 35 Min IP: <1-s.>+ P: m) <4d> ön = [0/1] 2 fn 'ön 2 K där K = FA, FB eller FC P: = effektuttaget för kompressor n i avlastat tillstånd P2 = effektuttaget för kompressor n i pålastat tillstånd N = antalet kompressorer i systemet 8,, = ventillägena i uppsättningen som i detta utföringsexempel endast kan anta värdet 0 eller 1.

Formel 4d utgör ett optimeringsproblem som ger en matris som kan lösas med hjälp av kommersiella eller egenkonstruerade op- timerings lösningar. Vilket av randvillkoren 4a, 4b eller 4c som används beror på det aktuella behovet av fluid. Lösningen på op- timeringsproblemet är den uppsättning av ventillägen som ger det lägsta effektuttaget. Om antalet kompressorer är stort, är detta en tidskrävande beräkning och det är lämpligt att man an- vänder någon känd optimeringsmetod för att få fram en lösning på optimeringsproblemet. Det matematiska optimeringsproblemet är densamma för rutorna 27, 36 och 37. Det som ändras i mo- dellen, beroende på om flödet ska ökas eller minskas, är vilket av randvillkoren 4a, 4b, 4c som ska användas. När de optimala ventillägena har bestäms, genereras styrsignaler till kompresso- rerna avseende vilka tillstånd de ska inta och vilka lägen venti- lerna ska ha, rutorna 28, 38 och 39. Detta förfarande för att hitta och ställa in de optimala ventillägena upprepas med valfritt inter- vall så att kompressorerna hela tiden har optimala ventillägen.

I ovan beskrivna utföringsexempel är alla kompressorerna av on/off-typ. Uppfinningen är även tillämpbar för kompressorer med variabel eller delvis variabel flödesproduktion. En kompressor med delvis variabel flödesproduktion har tre distinkta ventillägen: ett första läge där ventilen är stängd och ingen produktion av tryckluft sker, ett andra läge som ger en minsta produktion av tryckluft och ett tredje läge där ventilen är helt öppen och kom- 10 15 20 25 30 a» V., 521 5'l_ 15 pressorn levererar vad den maximalt förmår. Mellan det andra och det tredje läget är flödet variabelt. Enligt uppfinningen inde- las området mellan det andra och det tredje läget i ett antal dis- kreta lägen. Indelningen av de diskreta lägena är valbar och be- ror på vilken noggrannhet som önskas. Vid beräkningen av aktu- ell flödesproduktion tillkommer en separat summering om kom- pressorcentralen innehåller kompressorer med variabelt flödes- område.

Kompressorcentralen i ovan beskrivna exempel kompletteras med en kompressor med ett delvis variabelt flödesomràde, där flödet kan vara antingen O eller variera mellan 5 och 10 flödes- enheter. En uppdelning av området mellan 5 och 10 flödesenhe- ter sker i steg om 1 flödesenhet. Varje diskret läge definieras av ett binärt heltal orm som kan anta värdet 0 eller 1. I detta exempel blir antalet diskreta positioner = 7 (0, 5, 6, 7, 8, 9, 10). Flödet från den fjärde kompressorn ges av ekvationen: Z f4m' Oumü) (5) Tillsammans med villkoret om + om + ot43 + oc” = 1 säkerställs att flödet F4 för den fjärde kompressorn endast kan anta något av värdena 0, 5, 6, 7, 8, 9, 10 i senare optimeringar. Uttrycket för den totala flödesproduktionen för de fyra kompressorerna blir: F=2fn'ön+Zf4m-0l4m (68) På sä sätt kan även optimala ventillägen för icke on/off-maskiner bestämmas. Alla kompressorer med variabelt flödesområde delas upp i M diskreta flödeslägen. Denna indelning kan göras maskin- specifik genom ett variabelt index. Varje diskret flödesläge mot- svarar ett visst eleffektuttag. 10 15 20 25 16 Den aktuella flödesproduktionen FA beräknas i fallet med fyra kompressorer med användande av ekvation 6. För det generella fallet med d kompressorer beräknas FA med användande av föl- jande ekvation: FA=EfnIÖn+XfdmIÛLdm n d (Gb) På samma sätt som i förgående exempel bestäms värdet på FB eller FC beroende på om flödet ska ökas eller minskas. Randvill- koren i detta utföringsexempel ges av 4a, 4b eller 4c, där det sammanlagda flöde Fi som ventillägen kan ge beräknas med hjälp av följande ekvation: Fi =zfnlön+zdlz(fdm'adm) Om systemet innehåller kompressorer med variabelt flödesområ- de, används formel 8 för optimering av ventillägena istället för formel 4d och följande optimeringsproblem erhålles: Man( [P3 (1-an)+ Pg - an] + [P3 - adfiå Pgm-admj) (s) 2 fn'ön+ Z 2 (fdn-j'(ldm).>_ FA, FB enef FC d m H M :ëoadfi otdm = [O/1], ön = [O/1] och övriga variabler 2 0 d = 1, 2, D = index för kompressorer med variabla flödes- områden n = index för kompressorer av on/off-typ m = antalet distreta steg för det variabla flödesområdet Detta optimeringsproblem är möjligt att lösa med kända optime- ringsmetoder. 10 15 20 25 30 35 .t w-a En kompressor bör inte gå direkt från pålastat tillstånd till av- stängt tillstånd. Kompressorn bör först befinna sig i avlastat till- stånd i en viss tid, innan den övergår till avstängt tillstånd. Sy- stemet 15 håller reda på alla kompressorernas tillstånd och när en kompressor går från pålastat tillstånd till avlastat tillstånd, på- börjas en loggning av tiden i avlastat tillstånd. För var och en av kompressorerna inmatas den tid som kompressorn bör befinna sig i avlastat tillstånd innan motorn stängs av. Denna tid kan be- stämmas valfritt och beror exempelvis på kompressorns storlek.

Den uppmätta tiden i avlastat tillstånd jämförs med den inmatade tiden och när den uppmätta tiden överstiger tiden som kompres- sorn bör befinna sig i avlastat tillstånd, skickar systemet en styr- signal till motorn som stänger av den. Samtidigt lagras informa- tion om att kompressorn har stängts av.

Systemet håller också reda på hur många gånger per timme var och en av kompressorerna har startat. l systemet finns lagrat ti- digare imatade data avseende hur många starter per timme som var och en av kompressorerna tillåts utföra. Antalet tillåtna star- ter per tidsenhet beror av kompressorns effekt. Antalet tillåtna starter minskar med högre motoreffekt. En tumregel är att kom- pressorer med 90 kW motoreffekt tillåts göra tio starter per tim- me, medan en kompressor med 5 kW motoreffekt tillåts göra femtio starter per timme. Så fort en kompressor kommit igång, håller systemet reda på antalet starter närmast efterföljande tim- me. Om motorn skulle stängas av utan att kompressorn först gått ned till avlastad position, kommer det att ta cirka 30 sekunder innan kompressorn kommer igång igen. Detta beror på att kom- pressorns interntank först måste tömmas för att motorn ska kun- na starta. Annars blir motståndet för stort. lnterntanken i en kom- pressor töms på cirka 30 sekunder vid avlastning. Alternativt kan antalet starter under en viss tidsperiod baseras på temperaturen i motorn.

Vid varje optimeringstillfälle måste systemet ta reda på om det finns några kompressorer som inte får starta. Beroende på sin storlek kan kompressorerna den senaste timmen ha startats tre 10 15 20 25 30 521 5 l 18 respektive tio gånger. När man tar fram vilka kombinationer som uppfyller det aktuella behovet och vid beräkningen av matrisen 4 eller 8 måste således hänsyn tas till vilka kompressorer som är tillgängliga och vilka som inte är det.

Tiden från avstängt tillstånd till full luftproduktion och från avlas- tat tillstånd till full luftproduktion är inställbar för varje maskin.

Om en optimeringslösning säger att en viss kompressor som är i avstängd position ska startas, uppstår en tidslucka innan kom- pressorn kan leverera full luftproduktion. En fråga som uppstår är hur systemet bör agera om optimeringen har givit att en avstängd kompressor ska startas men det samtidigt finns en avlastad kom- pressor som kan startas mycket snabbare. Om nätverket som le- vererar tryckluften till konsumenterna och trycktanken har en till- räckligt stor tröghet, hindras trycket från att sjunka alltför mycket under tidsluckan och någon avlastad kompressor behöver inte ut- nyttjas. l annat fall kan man göra en analys av tryckförändringen under tidsluckan och ta beslut om huruvida en avlastad kompres- sor ska utnyttjas istället. Om trycket i tanken eller i någon av de kritiska punkterna är lägre än 0,85 ' Pmm, startas den avlastade kompressorn för att bromsa tryckfallet. Den avlastade kompres- sorn är i gång till dess att P är större än 0,9 ' Pm", eller till dess att den kompressor som är under uppstart levererar full effekt.

Ytterligare ett alternativ är att trycket mäts ute i anläggningen i ett antal kritiska punkter och om trycket i någon av dessa punkter understiger ett givet värde, startas den avlastade kompressorn.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsformerna utan kan varieras och modifieras inom ramen för de efterföljande kraven.

Claims (21)

10 15 20 25 30 35 19 PATENTKRAV

1. Förfarande för att styra ett antal kompressorer (1-3) anord- nade för att gemensamt producera en trycksatt fluid, varvid var och en av kompressorerna innefattar en ventil (7-9) vars läge be- stämmer storleken på flödet av fluid och kompressorn kan inta åtminstone tre olika tillstånd: ett avstängt tillstånd där kompres- sorn är spänningslös och ventilen är i stängt läge, ett avlastat till- stånd där kompressorn är spänningssatt och ventilen är i stängt läge och ett pålastat tillstånd där kompressorn är spänningssatt och ventilen är i ett åtminstone delvis öppet läge, kännetecknat a_v att förfarandet innefattar: - information lagras för var och en av kompressorerna avseende hur stor effekt kompressorn drar i pålastat och avlastat tillstånd samt vilket eller vilka flöden som kompressorn kan leverera, - information tas emot avseende trycket i fluiden (P1 - P4) och aktuella ventillägen för kompressorerna, - aktuellt behov av fluid uppskattas baserat på kompressorernas aktuella ventilpositioner, det flöde som kompressorerna kan leve- rera samt trycket i fluiden, - kompressorernas ventillägen ställs in under hänsynstagande till det aktuella behovet av fluid och kompressorernas energiför- brukning i ett antal möjliga uppsättningar av ventillägen som till- godoser det aktuella behovet av fluid.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att - ett antal möjliga uppsättningar med skilda kombinationer av ventillägen tas fram, - för var och en av nämnda uppsättningar av ventillägen beräk- nas det flöde som uppsättningen ger och - ur nämnda uppsättningar av möjliga kombinationer av ventillä- gen väljs en uppsättning av ventillägen som tillgodoser det aktu- ella behovet av fluid med hänsyn tagen till kompressorernas energiförbrukning baserat på hur stor effekt kompressorerna drar i pålastat och avlastat tillstànd. 10 15 20 25 30 35 521 35153 20

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att kom- pressorernas ventillägen ställs in under hänsynstagande till att kompressorernas energiförbrukning högst får vara 10% högre än energiförbrukningen för den uppsättning ventillägen som ger den lägsta energiförbrukningen.

4. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att kom- pressorernas ventillägen ställs in under hänsynstagande till vil- ken uppsättning ventillägen som ger den lägsta energiförbruk- ningen.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat a_v att aktuellt behov av fluid uppskattas genom att aktuellt flöde beräknas i beroende av kompressorernas aktuella ventillägen och flödet som de kan leverera och huruvida flödet behöver änd- ras avgörs i beroende av trycket i fluiden.

6. Förfarande enligt krav 5, kännetecknat av att trycket i flui- den jämförs med en övre och en undre gräns för trycket och hu- ruvida flödet behöver ökas eller minskas avgörs i beroende av nämnda jämförelse och att den övre gränsen för trycket är mer än 5% högre än den undre gränsen.

7. Förfarande enligt krav 5 eller 6, kännetecknat av att deriva- tan för trycket i fluiden beräknas och huruvida flödet behöver ändras avgörs i beroende av den beräknade derivatan.

8. Förfarande enligt något av kraven 5-7, kännetecknat av att integralen för trycket i fluiden beräknas och huruvida flödet behö- ver ändras avgörs i beroende av den beräknade integralen.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat gy att tiden som kompressorerna befinner sig i avlastat tillstånd mäts och när tiden för någon kompressor överstiger ett givet gränsvärde genereras en styrsignal för att överföra kompressorn till avstängt tillstånd samt lagras information om att kompressorn är avstängd. 10 15 20 25 30 35 521 5 'l íiš 21

10. Förfarande enligt krav 9, kännetecknat av att kompresso- rernas ventillägen ställs in under hänsynstagande till den lagrade informationen angående vilka av kompressorerna som är av- stängda.

11. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat a_v att kompressorernas ventillägen ställs in med hänsyn tagen till antal gånger som var och en av kompressorerna tillåts starta un- der ett givet tidsintervall.

12. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat av att för var och en av kompressorerna sparas information om antal gånger per tidsenhet som kompressorn har övergått från avstängt tillstånd till pàlastat tillstånd, nämnda antalet gånger per tidsenhet jäm- förs med maximalt tillåtet antal gånger per tidsenhet, kompresso- rernas ventillägen ställs in med hänsyn tagen till nämnda jämfö- relse.

13. Ett datorprogram direkt inladdningsbart i en dators intern- minne, innefattande instruktioner för att påverka en processor att utföra stegen i förfarandet enligt något av kraven 1-12.

14. Ett datorläsbart medium innefattande ett datorprogram inne- fattande instruktioner för att påverka en processor att utföra ste- gen i förfarandet enligt något av kraven 1-12.

15. System för att styra ett antal kompressorer (1-3) anordnade att gemensamt producera en trycksatt fluid, varvid var och en av kompressorerna innefattar en ventil (7-9), vars läge bestämmer storleken på flödet av fluid och kompressorn kan inta åtminstone tre olika tillstånd, ett avstängt tillstånd där kompressorn är spän- ningslös och ventilen är i stängt läge, ett avlastat tillstånd där kompressorn är spänningssatt och ventilen är i stängt läge och ett pàlastat tillstånd där kompressorn är spänningssatt och ven- tilen är i ett åtminstone delvis öppet läge, kännetecknat av att systemet innefattar: 10 15 20 25 30 35 521 518 22 - medel (18) för att mata in och lagra information avseende hur stor effekt kompressorerna drar i pålastat och avlastat tillstånd samt vilket eller vilka flöden som kompressorerna kan leverera, - medel för att läsa in mätvärden för trycket i fluiden i åtminstone en punkt och aktuella ventillägen hos kompressorerna, - medel för att uppskatta aktuellt behov av fluid baserat på kom- pressorernas aktuella ventilpositioner, det flöde som kompresso- rerna kan leverera och trycket i fluiden, samt - medel för att ta fram en uppsättning ventillägen med hänsyn ta- gen till det aktuella behovet av fluid och kompressorernas energi- förbrukning, utifrån ett antal möjliga uppsättningar av ventillägen som tillgodoser det aktuella behovet av fluid

16. System enligt krav 15, kännetecknat av att nämnda upp- sättning ventillägen som tas fram får högst ha en energiförbruk- ning som är 10% högre än energiförbrukning för den uppsättning ventillägen som har lägst energiförbrukning.

17. System enligt krav 15, kännetecknat av att nämnda medel för att ta fram en uppsättning ventillägen är anordnat att ta fram den uppsättning ventillägen som ger den lägsta energiförbruk- ningen baserat på hur stor effekt kompressorerna drar i pålastat och avlastat läge.

18. System enligt krav 15, kännetecknat av att nämnda medel för att uppskatta aktuellt behov av fluid innefattar ett deriverings- organ anordnat att beräkna derivatan av trycket i fluiden och att nämnda medel är anordnat att uppskatta aktuellt behov i beroen- de av den beräknade derivatan.

19. System enligt krav 15, kännetecknat av att nämnda medel för att uppskatta aktuellt behov av fluid innefattar ett integre- ringsorgan anordnat att beräkna integralen av trycket i fluiden och att nämnda medel är anordnat att uppskatta aktuellt behov i beroende av den beräknade integralen. 10

20. System enligt något av kraven 15 och 16, kännetecknat av att det innefattar medel för att för var och en av kompressorerna mäta tiden som kompressorn befinner sig i avlastat tillstånd samt medel för att generera en styrsignal för överföring kompressorn till avstängt tillstånd när tiden överstiger ett givet gränsvärde.

21. System enligt något av kraven 15-17, kännetecknat av att det innefattar medel för att för var och en av kompressorerna hål- la reda på antal gånger per tidsenhet som kompressorn har över- gått från avstängt tillstånd till pàlastat tillstånd, medel för att jäm- föra nämnda antalet gånger per tidsenhet med maximalt tillåtet antal gånger per tidsenhet och i beroende av jämförelsen be- stäms huruvida kompressorn är tillgänglig eller ej.