作者：文麗 戴巨川 袁賢松
引言
空壓機是一種氣體壓縮、輸送設備，廣泛運用于礦山、機械、電子、醫療等各個行業�？諝鈮嚎s機耗能巨大，根據相關資料顯示，2011年我國空壓機系統耗電量近3000億度。
空壓機輸出有壓力的氣體，排氣壓力控制方式的不同與能源耗損密切相關。對于壓力的控制，主要有以下3種方式：
①通過開關進氣口閥門加載、卸載來調節氣壓；
②通過控制電機啟、停的方式調節氣壓；
③通過變頻調速控制電機轉速調節氣壓，儲氣壓力低于需求壓力時，電機加速運行，而在儲氣壓力高于需求壓力時，電機減速運行。
方式①控制簡單，但當用氣量減小，氣壓超過設定值時，空壓機處于空載狀態，做無用功，能耗較大；
方式②需要頻繁啟、停電機，對電網沖擊電流大，電機自身壽命也會受到影響，此時監控器的作用主要在于參數檢測以便及時報警及發出簡單的電機啟、停信號；
方式③具有良好的節能效果，對壓力控制效果好，電機需要配備變頻調速主電路及控制系統，結構復雜，此時空壓機需要監控器進行參數檢測，并且還需要控制器實現控制算法（如PLC控制器）。作為一種帶壓工作設備，在運行過程中須對空壓機關鍵運行狀態參數在線監測以保證運行的安全性，主要包括：傳感器狀態、排氣壓力、排氣溫度、排氣量、電機負載、電機溫度等多種參數。根據這些狀態參數的監測結果，空壓機監控系統進行故障預警或采取相應的保護措施。
國內外研究現狀
有關
空壓機運行監控的研究主要集中在故障診斷、運行節能與控制等方面。
1、空壓機故障診斷技術
空壓機在長期運行過程中，各種故障不可避免，利用故障診斷技術找出故障源、分析故障原因，預防故障，對于延長空壓機運行壽命，保證運行安全意義重大。國外對壓縮機故障診斷的研究較早，20世紀90年代James等將前饋神經網絡(FNNS)用于空壓機故障診斷中，取得了良好的效果[1]；Aretakis等將模式識別技術應用到壓縮機故障分類中，一些不影響壓縮機整體性能的小故障也能夠被識別出來[2]; Hongkai等采用自適應冗余提升方案進行了空壓機齒輪箱故障診斷[3]。國內對空壓機故障診斷的研究一直是行業熱點，近年來仍然十分活躍，如由繼國等以單螺桿空壓機為對象，通過對螺桿及左右星輪的振動頻域測試，對加工和安裝誤差導致的振動特性進行了分析[4];劉璇斐等設計了適用于空壓機故障診斷的專家系統，對系統結構、知識庫的構建與推理機實現進行了分析[5];戴俊等針對空壓機故障診斷過程中參數的多樣性及復雜性，在單BP網絡基礎上提出了組合式BP網絡方法對其主要故障進行建模和診斷，有效地提高空壓機故障診斷的準確率[6];蔣旭鑫等提出了一種空氣壓縮機聲發射信號的關聯維數故障診斷方法，該方法采用奇異值分析的嵌入維數計算法以及平均位移延遲時間計算法來獲取聲發射信號關聯維數，能有效診斷壓縮機氣閥的故障模式[7];王躍飛等以某往復空壓縮機的排氣閥為例，研究了利用聲發射信號進行往復空壓機氣閥故障診斷方法，通過對氣閥漏氣、閥片裂紋、斷裂以及變形等故障進行測量，獲得了故障特征信號[8];馬晉等提出了基于活塞桿軸心位置軌跡的故障診斷方法，該方法通過定義圖形和特征參數反映活塞桿運行狀態，能夠較好地發現往復壓縮機活塞組件的潛在故障[9];潘責等利用振動的尖峰能量實時檢測螺桿空壓機的軸承的性能，成功地預測了故障的發生[1 0]；唐友福等以往復壓縮機氣閥正常、閥片缺口、閥片斷裂及彈簧損壞等狀態下氣閥振動信號為依據，利用小波理論和BP人工神經網絡等對不同狀態的壓縮機氣閥故障進行了分析[1 1]；周敏等在往復壓縮機關鍵部件故障機理分析基礎上，通過建立示功圖、活塞桿下沉量監測量化數學模型，構建了往復壓縮機故障專家診斷系統[12]。
2、空壓機節能技術
各行業空壓機運行過程能量消耗巨大，同時存在嚴重的能量損失，其原因多種多樣，如空氣壓縮機選型時，一般按最大生產工況來確定裝機容量，實際運行時，大多數情況下只能用到額定供氣量的50%～60%。通過運行過程的優化，可以在一定程度減少能耗。如朱機靈等人利用閑置氣罐，增加高壓儀表風儲量，在儀表風壓力高時停機、壓力低時開機的間歇式運行，在一定程度上減少了能損[13-14]。就空壓機運行控制而言，控制模式的缺陷同樣帶來了嚴重的能量損失，如常用的加卸載方式，卸載狀態下
空壓機不向儲氣罐提供壓縮氣體，處于“空轉”狀態；加卸載交替進行帶來的“富裕氣壓”能量損失同樣不可小覷。為此，孔德文等通過分析螺桿式空壓機排氣壓力對其容積效率的影響，構建了螺桿式空壓機運行能耗模型，并得到了在加卸載運行模式下最優的卸載壓力線，從而減小運行能耗[15]。此外，空壓機排除氣體仍保留一定壓力，回收應用還能獲得一定能量，為此，Fisher等設計了能量回收裝置，并申請了美國專利[16]。隨著電機PWM控制[17]、矢量控制[18]和直接轉矩控制[19]等現代變頻控制策略的出現，采用變頻空氣壓縮機替代定轉速空壓機成為目前和今后主要的節能措施，該方法不但避免了空氣壓縮機頻繁起停，而且具有顯著的節能效果。
現階段空氣壓縮機變頻節能主要手段是采用空壓機配置變頻器，運行及保護多數采用PLC智能控制的方式。系統多以輸出壓力作為控制對象，由壓力傳感器取出反饋信號，按壓力的變動量決定電動機的工作頻率和轉速的大小，實現自動調節。如高相家等對普通螺桿空壓機和變頻螺桿空氣壓縮機的運行狀況進行了比較分析，分析了螺桿空壓機變頻節能改造的策略和經濟性能[20]。在控制手段上，Hafaifa等構建了壓縮機模糊控制系統，能夠更好地保護壓縮機安全并降低生產成本[21-22]; Ghorbanian等利用人工神經網絡方法進行了空壓機性能預測；何鳳有等基于PLC控制平臺，設計了基于模糊PID控制器的空壓機恒壓供氣系統，通過結合傳統PID控制與模糊控制技術完成整個系統的參數自動調整，實現根據供氣設備及環境的變化做出最優控制，保證系統恒壓供氣的目的，提高了系統動態響應速度和節能效果[24]；夏云忠等通過對空壓機站增加群控聯動控制策略，實現多臺空壓機相互協調工作，有效降低能耗并維持供氣系統運行在最佳狀況[25]；孔德文等開發了基于現場總線技術的螺桿空壓機群控制系統，提出了螺桿空壓機群聯動控制的控制策略，節能效果明顯[26]；杜玉霞等通過對空壓機的負載特性進行分析，根據永磁同步電機的控制特點和空壓機負載特點設計了滑�？刂破鱗27]。
3、空壓機控制器設計技術
空壓機控制器是完成空壓機各項操作的核心，除了滿足基本的壓力控制外，還可以將各種先進的預測控制、專家系統等寫入控制算法，融入控制器實現優化控制。控制器一方面需要采集空壓機各種運行狀態參數，另一方面需要根據這些狀態參數完成故障診斷、狀態判斷從而發出各種操作指令。
目前市場上的空壓機控制器名目繁多，一些知名空壓機廠商都有性能可靠的空氣壓縮機控制器，如阿特拉斯(Atlas Copco)空壓縮控制器，英格素蘭(Ingersoll Rand)空壓縮控制器，壽力( Sullair)空氣壓縮機控制器，德耐爾(DE-NAIR)空壓機控制器等。以阿特拉斯空壓機控制器（第三代）為例，其主要性能特點如表1所示。
在空壓機控制器的設計方面，表現出多種形式，如王利全等設計了以MCS-5系列單片機為控制核心的螺桿式空壓機控制器，包括外圍信號采集放大電路、鍵盤掃描電路、液晶顯示電路和繼電器控制電路等；陳輝等基于ATmega16單片機開發了一款小型單螺桿空壓機控制器，設計了A／D采樣、開關量輸入、鍵盤掃描、開關量輸出、LCD顯示與報警等外圍接口電路，并開發了相應的控制器系統軟件[29]；王瑾輝等采用分散控制系統(DCS)對空壓機系統進行組態控制[30]；姜良銀等運用虛擬儀器技術( LabVIEw)設計了空壓機測試系統[31]；孫斐等構建了包含由上位機和下位機的空壓機監控系統，其中以MSC1210為核心的多路數據采集系統作為下位機，以Advantech Web Access制作的空壓機管理軟件作為上位機，并通過RS - 485傳遞數據[32]；葛鎖良、張旭領等設計了基于PIC單片機的螺桿空壓機控制器[33]；楊偉新等設計了基于DSP的空壓機示功圖測試系統，能實時反映空壓機工作狀態下的示功圖，實現了運行狀態的實時監測。
空壓機監控系統未來發展趨勢
雖然空壓機監控系統目前已有較成熟的產品，但在可靠性、多功能性、高集成性等方面還有很大的提升空間。隨著電子技術、信息處理技術的不斷進步，今后空壓機監控器在以下幾個方面必將進一步發展：
(1)具有空壓機故障智能診斷能力的集成監控系統�；趩蝹�或單類傳感器數據的空壓機故障診斷技術難以得到精確的結果，基于多傳感器信息，運用現代智能故障診斷算法雖然可以得到更精確的結果，但對硬件運算能力要求更高，新型微處理器DSP或ARM的廣泛應用使之實際應用成為可能。為了滿足監控系統可靠性和無人值守機房的需要，監控系統進一步集成化，多種功能集成于一體式控制器中，并能遠程訪問具有顯著的競爭優勢。
(2)新型節能型空壓機控制系統�，F有的空壓機節能技術多采用額外添加變頻器對現有系統進行改造，鮮見將現代電機調速技術嵌入空壓機控制器中。采用變頻器進行改造的方式，使得空壓機的節能控制系統與監控系統分離，一方面提高了系統成本；另一方面增加了整個系統分散器件，不利于實現底層控制系統集成化以提高可靠性。開發集監測、節能控制于一體的新型控制器可以彌補這一缺陷。
(3)空壓系統管網多點綜合控制。為了應對壓縮空氣系統中用氣量、用氣壓力的變化引起的管網流量、壓力變化，
空壓機運行工況需要不斷調節；調度算法不合理會造成空壓站機群部分空氣壓縮機運行負荷過重。根據系統的壓力和流量等參數的變化特性，借助現代智能控制算法，以每臺空壓機平均運行時間最少為目標，用氣壓力為約束，得到每一時刻合理的空壓機運行數量和容量，從而堿少空壓機運行和維護費用的空壓站機群優化控制成為發展趨勢。
