秦勇，王榮華，張振生

（1.浙江陸虎汽車有限公司，浙江 臺州 317015；2.浙江聚能互聯(lián)科技有限公司，浙江 嘉興 314000）

壓縮空氣在整個制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用，在可調(diào)節(jié)范圍條件下滿足操作氣動工具和設(shè)備、儀表、噴涂等工藝要求。壓縮空氣的耗能主要體現(xiàn)為空壓機(jī)的電耗，通常占工廠總電耗的20%～25%，少數(shù)以氣動工具為主的工廠甚至達(dá)到50%，因此關(guān)于壓縮空氣的節(jié)能就顯得尤為重要。而傳統(tǒng)空壓機(jī)站房的運(yùn)行方式以人工管理為主，僅依賴精細(xì)化管理實(shí)施節(jié)能，有一定的模糊性，不能利用大數(shù)據(jù)和智能分析進(jìn)行科學(xué)而精確的工況判斷，存在著較大能源浪費(fèi)。此外，傳統(tǒng)管控下的技術(shù)環(huán)節(jié)也僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的判斷對空壓機(jī)設(shè)備配置、維護(hù)和優(yōu)化運(yùn)行等進(jìn)行調(diào)整作業(yè)，節(jié)能量有限。因此，運(yùn)用數(shù)字化與智能化系統(tǒng)對空壓機(jī)組的需求側(cè)、供給側(cè)及輔助系統(tǒng)進(jìn)行合理的匹配；通過相關(guān)函數(shù)，對采集數(shù)據(jù)做分析計(jì)算且結(jié)合設(shè)備劣化的安全系數(shù)形成最優(yōu)集群聯(lián)控策略是空壓機(jī)系統(tǒng)的有效節(jié)能途徑。

1 傳統(tǒng)空壓機(jī)站房運(yùn)營存在的主要問題

傳統(tǒng)的空壓機(jī)站房設(shè)備的啟停、開啟數(shù)量、參數(shù)設(shè)置、巡點(diǎn)檢等操作完全依賴人工進(jìn)行管理，通過對每臺空壓機(jī)設(shè)置不同的加、卸載壓力值，可一定程度避免空壓機(jī)頻繁加卸載，但存在以下問題。

1.1 管理成本高

需配備24 小時班次操作人員進(jìn)行巡點(diǎn)檢、記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)；需提前統(tǒng)計(jì)每個車間第二天用氣信息，進(jìn)而確定次日空壓機(jī)開啟臺數(shù)。

1.2 縮短設(shè)備壽命

當(dāng)用氣量波動大的極端情況出現(xiàn)時，空壓機(jī)將頻繁加、卸載，嚴(yán)重時甚至引起喘振，減少電磁換向閥、溫控閥、壓力控制單元和卸荷閥等零件的壽命。

1.3 能源浪費(fèi)

為保障生產(chǎn)供氣防止現(xiàn)場工藝波動，操作人員會根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷開啟一定裕量數(shù)量的空壓機(jī)，冷卻水及其他輔助系統(tǒng)未能隨空壓機(jī)負(fù)荷變化有效調(diào)節(jié)，存在供應(yīng)過量現(xiàn)象。

1.4 響應(yīng)滯后

無法實(shí)時掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，存在設(shè)備長時間帶故障運(yùn)行現(xiàn)象以及預(yù)防性維護(hù)管理不及時等現(xiàn)象。

1.5 設(shè)備劣化的不確定性浪費(fèi)

由于缺乏科學(xué)判斷策略，在多臺并聯(lián)使用條件下的空壓機(jī)群組不能夠智能判斷任意單臺出氣量和工況異常情況，對設(shè)備劣化狀態(tài)無法界定，只能依靠單臺設(shè)備完全損壞引發(fā)設(shè)備自身的報(bào)警判斷，導(dǎo)致高昂的維修成本。

2 數(shù)字化與智能化解決方案概述

運(yùn)用大數(shù)據(jù)、窄帶恒壓技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)為空壓機(jī)房搭建運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測、能效分析、智能策略輸出的管理平臺。如圖1 所示，系統(tǒng)由現(xiàn)場采集層、邊緣層、平臺層與應(yīng)用層構(gòu)成。根據(jù)所采集的壓力、能耗、溫度等設(shè)備信號，采用多約束條件、多參數(shù)控制算法實(shí)現(xiàn)空壓站的數(shù)字化與智能化管理。其中邊緣層通過HMI、服務(wù)器和基站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和拓?fù)洌蓪Σ煌放频目諌簷C(jī)實(shí)現(xiàn)與平臺層的信息交換和握手。軟件平臺層為核心算法的搭載平臺，其中的內(nèi)置邏輯基于群策、路線優(yōu)化的函數(shù)為基礎(chǔ)，輸入不同參數(shù)后形成自動運(yùn)算結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 大數(shù)據(jù)

采集監(jiān)測空壓機(jī)站房所有設(shè)備，包括空壓機(jī)、干燥機(jī)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)各個儀器儀表及各車間流量計(jì)、壓力傳感器等。也可在PC 端、移動應(yīng)用端進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、啟停控制等操作。

2.2 窄帶恒壓技術(shù)

變層疊式壓力帶為單壓力帶，以母管壓力作調(diào)控依據(jù)，可充分利用設(shè)備效能調(diào)整運(yùn)行設(shè)備數(shù)量，提高設(shè)備加載率。恒壓控制能夠有效抑制氣壓波動形成的能量浪費(fèi)，使得能量曲線平穩(wěn)化。

2.3 多參數(shù)多約束控制算法

采用多參數(shù)協(xié)同調(diào)節(jié)的算法模型，多點(diǎn)捕捉系統(tǒng)工況變化，快速反應(yīng)，準(zhǔn)確執(zhí)行。快速反應(yīng)的時間與延時均可在系統(tǒng)中設(shè)置，系統(tǒng)可根據(jù)不同工況會設(shè)置軟時間保護(hù)且與空壓機(jī)本體的延遲時間相匹配，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。

2.4 邊緣計(jì)算技術(shù)

基于設(shè)備及傳感器數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，集中智能控制設(shè)備，從而加快執(zhí)行系統(tǒng)的反應(yīng)速度。對空壓機(jī)本體反應(yīng)時間、軟件設(shè)計(jì)的安全防護(hù)時間以及執(zhí)行系統(tǒng)反應(yīng)時間予以統(tǒng)籌考慮，使得系統(tǒng)整體反應(yīng)時間科學(xué)合理。

3 空壓機(jī)系統(tǒng)數(shù)字化與智能化改造可實(shí)現(xiàn)的功能

3.1 動態(tài)監(jiān)測

實(shí)時動態(tài)監(jiān)測空壓機(jī)組、干燥機(jī)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)及各類流量傳感器、壓力變送器等設(shè)備及儀器的各種技術(shù)參數(shù)，自動生成數(shù)據(jù)報(bào)表，包括機(jī)組單位能耗、累計(jì)用氣量、用氣波動率、加載率、排空率、泄漏等情況。同時報(bào)表可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行客戶化編譯，且預(yù)留接口確保能和MES、PMC 等進(jìn)行信息握手。另外，空壓機(jī)的內(nèi)置單片機(jī)、PLC 可通過網(wǎng)絡(luò)將信息存儲至上位機(jī)或者終端服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的對比分析、算法二次優(yōu)化等功能。

3.2 在線預(yù)警

通過大數(shù)據(jù)得累積，設(shè)置故障或超限預(yù)警條件。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)觸發(fā)預(yù)警條件后自動報(bào)警，PC 端或移動端可接收到報(bào)警信息。達(dá)到上限條件時甚至可關(guān)閉設(shè)備以防止事故發(fā)生。在線預(yù)警閾值則源于不同空壓機(jī)單機(jī)設(shè)備的設(shè)定，同時符合安全設(shè)計(jì)規(guī)范。并聯(lián)的空壓機(jī)管網(wǎng)中，每一路均至少需要2個壓力和流量傳感器，即出口和入口處，中間環(huán)節(jié)的壓力執(zhí)行或控制單元較多的可以多設(shè)置傳感器從而探索最敏感壓力或流量信號。目的是判斷需求和供給的平衡系數(shù)，實(shí)現(xiàn)各回路最大化用氣平衡，從而在多約束條件下的算法中進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)壓力。此外，通過報(bào)文形式，故障信息可以傳遞至用戶終端或外部連接的MES、PMC 系統(tǒng)形成故障履歷。最終通過5W 或8D 分析確定故障原因和故障措施，該控制系統(tǒng)將逐步完善系統(tǒng)的trouble shooting 且可與EAM 系統(tǒng)握手完成工單下達(dá)、備件庫存控制數(shù)據(jù)控制、工時統(tǒng)計(jì)等多種功能，實(shí)現(xiàn)故障匯總、處理、統(tǒng)計(jì)一體化。

3.3 精準(zhǔn)計(jì)算

通過多參數(shù)多約束控制算法模型，以母管壓力為調(diào)控依據(jù)，根據(jù)用氣情況，多點(diǎn)捕捉系統(tǒng)工況變化，快速反應(yīng)，準(zhǔn)確執(zhí)行，自主調(diào)節(jié)設(shè)備加卸載，云端AI 算法持續(xù)優(yōu)化控制參數(shù)，如圖3 所示，除了實(shí)現(xiàn)可手動調(diào)整參數(shù)外，還可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動調(diào)優(yōu)，結(jié)合設(shè)備比功率、排氣量、總運(yùn)行時長，動態(tài)匹配最優(yōu)的開機(jī)設(shè)備組合。

3.4 恒壓供氣

以用氣末端的壓力和流量為調(diào)控依據(jù)，變層疊式壓力帶為窄帶恒定壓力帶，實(shí)現(xiàn)對空壓站所有空壓機(jī)的集中智能控制，縮窄、降低壓力波動范圍。經(jīng)過對參數(shù)的調(diào)整和一定時間的系統(tǒng)運(yùn)行，多約束控制算法使得并聯(lián)各個回路的壓力帶變化為恒定窄式范圍。通過系統(tǒng)壓力變化以及時間變化整體比對，綜合能源節(jié)約率通?？蛇_(dá)在8%以上。

4 空壓機(jī)組數(shù)字與智能化節(jié)能改造案例

4.1 改造前

公司共有5 臺機(jī)組，3 臺120 立方的離心機(jī)和2 臺40 立方的螺桿機(jī)，而公司正常生產(chǎn)時用氣量在150～300L3/min，正常情況下開啟二臺離心機(jī)即可滿足生產(chǎn)，但用氣高峰時用氣量達(dá)到300L3/min，此時需人工開啟增開2 臺螺桿機(jī)才能滿足，用氣低谷時需人工關(guān)閉螺桿機(jī)，因用氣量波動性較大，且離心機(jī)達(dá)到設(shè)定壓力后不會自動停機(jī)，而是將多余氣量放空，如長期開4 臺設(shè)備（2 臺離心機(jī)和2 臺螺桿機(jī)），能源浪費(fèi)嚴(yán)重，離心機(jī)的功率為750kW,螺桿機(jī)的功率為250kW，同時干燥機(jī)系統(tǒng)（50kW）及冷卻循環(huán)水系統(tǒng)（92kW）需同步開啟。

4.2 改造后

構(gòu)建空壓機(jī)房數(shù)字化及智能化系統(tǒng)，1 臺離心機(jī)+1 臺螺桿機(jī)為主機(jī)，5 臺空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與智能化聯(lián)控，系統(tǒng)主要控制邏輯如圖2 所示、系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置圖如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)主要控制圖

圖3 參數(shù)設(shè)置圖

4.3 有形效益

（1）避免了長期開啟2 臺離心機(jī)+2 臺螺桿機(jī)造成的供氣量過剩浪費(fèi)。有效降低壓縮空氣單價成本，改造前壓縮空氣單價約為0.084 元/m3（單價=空壓機(jī)系統(tǒng)總耗電量×電單價/用氣量），改造后單價降為0.055 元/m3，下降0.029元/m3，每個月耗氣量約為600 萬m3，年節(jié)約金額為600 萬×0.029=17.4 萬元。

（2）有效降低人工成本，改造前站房6 個人，2 人一班，改造后站房縮減至4 個人，實(shí)現(xiàn)單人值班，每月節(jié)約人工成本5000×2=1 萬元。每月合計(jì)節(jié)約金額17.4 萬元+1 萬元=18.4 萬元，年節(jié)約費(fèi)用18.4×12=220.8 萬元。

5 結(jié)語

通過構(gòu)建數(shù)字化與智能化系統(tǒng)對空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行自動化、數(shù)字化、智能化運(yùn)營管理，不僅有效的保障了生產(chǎn)及工藝的正常用氣、節(jié)約了能源，還延長設(shè)備使用壽命、降低人工成本，是現(xiàn)代化空壓機(jī)站房的一種有效節(jié)能途徑。