CN105223917B - 一种基于不同类型空气压缩设备的综合控制***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于不同类型空气压缩设备的综合控制***与方法。所述***包括主控制单元，中间控制单元，终端控制单元，空气压缩机组。主控制单元、中间控制单元和终端控制单元通过通信模块进行数据交换。中间控制单元、终端控制单元均与CAN总线相连，终端控制单元分别与被控制的空气压缩机组相连。本发明根据空气压缩设备的压力、流量和频率等控制量的实时变化，应用不同类型空气压缩设备的控制模型，实现了对目前工业通用设备中的双螺杆式空气压缩机、离心式空气压缩机及活塞式空气压缩机的综合控制，达到了节能的目的。实验表明，本发明所述控制***运行稳定，节能效果达到30％以上。
Description
技术领域
本发明属于空气压缩机领域，涉及一种多机型、多品牌不同类型空气压缩设备的综合控制***与方法。
背景技术
随着现代化生产的迅速的发展，压缩空气已成为人类生产生活中不可或缺的一大能源——气源，其应用在生产生活中越来越广泛，其所消耗的能源所占的比例也越来越大。
空气压缩控制的一个重要目标就是节省***能耗。空气压缩***的节能主要通过节省气源发生装置即空气压缩机的能耗实现，对于整个空气压缩机组***来说，节省空气压缩机组的能耗就必须要使设备最大程度地做有用功。
典型的空气压缩***具有多品牌、多类型的特点，常常一个空气压缩***管网中就包含两种以上不同制造能力的设备，不同品牌特性的设备，以及不同压缩原理的设备。目前国内外众多厂家都推出了各具特色的产品，主要可以分为两大类：厂家产品和第三方企业开发的产品。由于厂家的自我保护意识和第三方的非专业性使控制***存在问题较多，主要体现在以下两个方面：一是控制***的功能仅能用于监视。大多的控制***其实只是实现了一个监视的功能，仅能提供设备运行的状态和报警等功能。二是控制***对操作人员要求较高。目前空气压缩***的智能化程度并不高，只能称为半自动化设备，一旦***出现突然的状况，***本身不能及时处理。因此，只有不断调整参数***才能正常运行，这就要求操作人员对整个***相当地熟悉。
公开号为CN101526080A、名称为“空气压缩机组节能控制***及方法”的中国发明专利，公开了一种压缩机组变频节能控制方法，该方法具有自动诊断压力变化趋势的功能，能够对压力变化做出快速反应，从而节省了能源。该方法适用用户一直处于波动用气的情况，但如果用于机器保养时部分机器用户可能会作为备用机一周才运行一两次的情况，特别是多品牌不同类型设备的统一控制时，效果不佳。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于不同类型空气压缩设备的综合控制***与方法，对目前工业通用设备中的双螺杆式空气压缩机、离心式空气压缩机及活塞式空气压缩机进行集中控制，实现多品牌多类型多规格协调供气，从而达到节能目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于不同类型空气压缩设备的综合控制***，包括：主控制单元，中间控制单元，终端控制单元1～n，被控制的空气压缩机组1～n，所述主控制单元、所述中间控制单元和所述终端控制单元通过通信模块进行数据交换，所述中间控制单元、所述终端控制单元1～n均与CAN总线相连，所述终端控制单元1～n分别与被控制的空气压缩机组1～n相连。n为所述空气压缩机组的数量。
进一步地，所述中间控制单元用于空气压缩机组的管网压力控制及报警应急处理。所述中间控制单元包括通信模块、逻辑控制模块和数据存储模块。所述通信模块用于所述中间控制单元与主控制单元、终端控制单元之间的通信。所述逻辑控制模块用于当主控制单元通信失效时，按逻辑控制方式实施控制。
进一步地，所述主控制单元包括处理器模块、通信模块、人机交互模块。所述处理器模块分别与通信模块、人机交互模块相连。所述处理器模块是数据处理及控制中心。所述通信模块用于传送控制指令，实现所述主控制单元与中间控制单元、终端控制单元之间的通信。
进一步地，所述终端控制单元从所述空气压缩机组获取控制量信号，并根据所述主控制单元或中间控制单元的指令，对所述空气压缩机组实施控制。所述终端控制单元包括信号处理模块、通信模块、控制量传感器模块和报警模块。所述通信模块用于所述终端控制单元与中间控制单元、主控制单元之间的通信。所述控制量传感器模块安装在所述空气压缩机组上。所述报警模块用于空气压缩机组发生故障时发出报警信号。
进一步地，所述控制量传感器模块包括压力传感器、流量传感器。所述压力传感器安装在空气压缩机组的管网中便于数据采集的位置，流量传感器放置于主管道中。
进一步地，所述空气压缩机组1～n包括双螺杆式空气压缩机、离心式空气压缩机及活塞式空气压缩机。
一种应用所述***进行综合控制的方法，包括以下步骤：
步骤1，终端控制单元从空气压缩机组实时获取控制量信号，并进行信号处理，将模拟信号转换成数字信号。
步骤2，所述终端控制单元将控制量信号由CAN总线或通信模块发送给中间控制单元。
步骤3，所述控制量信号在所述中间控制单元中进行预处理后，送到主控制单元。所述预处理包括抗干扰滤波和数据分类处理。
步骤4，所述主控制单元根据所述控制量信号的变化量及对应的响应时间，按照所述空气压缩机组的控制模型判断所述空气压缩机组的工作状态。
步骤5，所述主控制单元根据所述空气压缩机组的工作状态，发出控制指令至中间控制单元，按重要性排序后再发送到终端控制单元，实现对所述空气压缩机组的控制。
进一步地，所述控制量信号包括压力信号、流量信号和频率信号。所述压力信号、流量信号分别由压力传感器、流量传感器获得，所述频率信号由空气压缩机组的变频器获得。
进一步地，所述控制模型包括总体控制模型和个体控制模型。其中，
总体控制模型：根据空气压缩机组的压力、流量和所缺少流量的对应关系，对空调余量进行评估。根据空调余量及所需的流量确定需要开启空气压缩机组的数量，然后计算启动这些空气压缩机组所用的时间，当达到时间节点时启动空气压缩机组。
个体控制模型：对于离心式空气压缩机组，根据启动响应时间、热备机响应时间和汇入管线后流量的变化进行多元计算，并进行汇总、统计；对于螺杆式空气压缩机组，根据启动响应时间、变频式响应时间和汇入管线的流量变化进行多元计算，并进行汇总、统计；对于其他类型的空气压缩机组，采用自学习优化方法，根据实际的变化对同类模型进行修正。
进一步地，所述主控制单元出现问题或故障或掉电时，所述中间控制单元无法与所述主控制单元通信，所述主控制单元将控制权自动移交到所述中间控制单元，在所述中间控制单元控制下，所述空气压缩机组最低压力时启动，最高压力时卸载及适时停机。所述中间控制单元失效时，终端控制单元无法接收到中间控制单元的指令，在所述终端控制单元控制下，所述空气压缩机组以加卸载的方式进行保压运行。所述主控制单元和中间控制单元均出现问题时，由终端控制单元实施控制，使空气压缩机组以加载与卸载的方式进行保压运行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明根据空气压缩设备的压力、流量和频率等控制量的实时变化，应用不同类型空气压缩设备的控制模型，实现了对目前工业通用设备中的双螺杆式空气压缩机、离心式空气压缩机及活塞式空气压缩机的综合控制，达到了节能的目的。实验表明，本发明所述控制***运行稳定，节能效果达到30％以上。
附图说明
图1为本发明所述空气压缩综合控制***的组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明提出一种基于不同类型空气压缩设备的综合控制***与方法，针对不同类型的空气压缩设备建立不同的控制模型，实现多品牌多类型多规格协调供气控制。图1是一种智慧型压缩空气***(Intelligence Compressed air management systems，简称IMS或ICMS)的组成框图，包括：主控制单元，中间控制单元，终端控制单元1～n，空气压缩机组1～n。主控制单元位于监控室，中间控制单元位于站房，终端控制单元位于空气压缩机组附近或者内部。主控制单元、中间控制单元和终端控制单元通过通信模块进行数据交换。中间控制单元、终端控制单元1～n均与CAN总线相连，终端控制单元1～n分别与被控制的空气压缩机组1～n相连。n为空气压缩机组的数量。
所述终端控制单元1～n从所述空气压缩机组1～n实时获取控制量信号，并将所述控制量信号送到所述中间控制单元，所述控制量信号经所述中间控制单元进行预处理后送到所述主控制单元，所述主控制单元根据所述控制量信号的变化情况发出控制指令，通过所述中间控制单元传送给所述终端控制单元1～n，对所述空气压缩机组1～n进行控制。
中间控制单元用于基本的管网压力控制及报警应急处理。中间控制单元包括通信模块、逻辑控制模块和数据存储模块。通信模块用于中间控制单元与主控制单元、终端控制单元之间的通信。逻辑控制模块采用处理器芯片，其主要功能是当主控制单元通信失效时，按逻辑控制方式对各单元进行控制；而当主控制单元通信正常时，对数据进行预处理和按指令进行控制。所述预处理包括抗干扰滤波，数据分类处理。数据存储模块用于实时存储所述终端控制单元采集到的空气压缩机运行的控制量数据。
主控制单元包括处理器模块、通信模块和人机交互模块。处理器模块分别与通信模块、人机交互模块相连。处理器模块是数据处理及控制中心，按客户需求置入优化控制程序，实现最优化控制。通信模块用于主控制单元与中间控制单元、终端控制单元之间的通信。人机交互模块是用户面向界面的匹配处理器，用于设置控制参数进行调试和与现场运行环境进行匹配。设置的控制参数如：工作压力范围(最低工作压力、最高工作压力)，每个设备的主要技术参数(起动时间、加载时间、通讯方式等)，***响应时间(可以调整避免***超调)。
终端控制单元用于获取所述空气压缩机组的控制量信号，并根据所述主控制单元或中间控制单元的指令，对所述空气压缩机组实施控制。终端控制单元包括信号处理模块、通信模块、控制量传感器模块和报警模块。信号处理模块用于对从空气压缩机组获取的控制量信号进行处理，将模拟信号转换成数字信号。通信模块用于终端控制单元与中间控制单元、主控制单元之间的通信。控制量传感器模块用于获取空气压缩机组的控制量信号，包括压力传感器、流量传感器、频率传感器。压力传感器安装在管网中适合数据采集的位置；流量传感器安装在主管道上。所述报警模块用于空气压缩机组及主控制单元发生故障时和控制逻辑数据发生错误发出报警信号。
空气压缩机组1～n为不同品牌、不同类型的空气压缩机。工业通用空调设备按工作原理分为离心式空气压缩机(动力式)、螺杆式空气压缩机(容积式)、活塞式空气压缩机(容积式)；按调节方式分为：加卸载控制空气压缩机、可调阀控制空气压缩机、变频控制空气压缩机。不同类型的设备具有不同的运行特点，反馈到整个***管网中的影响也各不相同。
一种应用所述***进行综合控制的方法，包括以下步骤：
步骤1，终端控制单元从空气压缩机组实时获取控制量信号，并进行信号处理，将模拟信号转换成数字信号。
步骤2，所述终端控制单元将控制量信号由CAN总线或通信模块发送给中间控制单元。
步骤3，所述控制量信号在所述中间控制单元中进行预处理后，送到主控制单元。所述预处理包括抗干扰滤波和数据分类处理。
步骤4，所述主控制单元根据所述控制量信号的变化量及对应的响应时间，按照所述空气压缩机组的控制模型判断所述空气压缩机组的工作状态。
步骤5，所述主控制单元根据所述空气压缩机组的工作状态，发出控制指令至中间控制单元，按重要性排序后发送到终端控制单元，例如，高级的警报要立即处理，频率调节要按响应进行调节处理等，实现对所述空气压缩机组的控制。
控制模型包括总体控制模型和个体控制模型。总体控制模型用于对所有空气压缩机组进行控制，个体控制模型用于对单个压缩机组控制。其中，
总体控制模型：根据空气压缩机组的压力、流量和所缺少流量的对应关系，对空调余量进行评估。根据空调余量及所需的流量确定需要开启空气压缩机组的数量，然后计算启动这些空气压缩机组所用的时间，当达到时间节点时启动空气压缩机组。
主控制单元中存储了主流品牌的产品数据库，在实际运行中根据运行情况对控制模型进行修正。可以按照数据库进行组合，选择最优化的运行方案。
个体控制模型：不同类型的空气压缩机组对应不同的模型，下面分别进行介绍。
离心式空气压缩机组：根据启动响应时间、热备机响应时间和汇入管线后流量的变化进行多元计算，并进行并汇总、统计。
螺杆式加空气压缩机组：根据启动响应时间、变频式响应时间和汇入管线的流量变化进行多元计算，并进行并汇总、统计。
其他类型的空气压缩机组：采用自学习优化方法，根据实际的变化对同类模型进行修正。例如，理论上螺杆式空气压缩机应该是线性变频，但因各厂家品牌的生产工艺会造成一定的气量衰减，这就需要在实际运行中进行自学习修正，考虑了***的气量变化才能进行准确控制。同时，离心式空气压缩机需要考虑的***衰减与容积式空气压缩机还会有区别，对于多个品牌的管网***也不一致，这些都需要根据实际进行调整。
当主控制单元出现问题或故障或掉电时，中间控制单元无法与所述主控制单元通信，主控制单元将控制权自动移交到所述中间控制单元，在中间控制单元控制下，空气压缩机组最低压力时启动，最高压力时卸载及适时停机。当中间控制单元失效时，终端控制单元无法接收到中间控制单元的指令，在终端控制单元控制下，空气压缩机组以加卸载的方式进行保压运行。
主控制单元、中间控制单元和终端控制单元相互配合可实现冗余控制，即当其中某些控制单元发生故障时仍然可以实现对空气压缩机组的控制。下面是常用的4种控制方式：
方式一：主控制单元、中间控制单元和终端控制单元均正常，通过三个单元之间的通信(传送控制量信号、接收控制指令等)实现控制。被控制对象可以是全部空气压缩机组，也可以是其中的一部分。
方式二：当主控制单元出现问题或故障或掉电时，中间控制单元无法与所述主控制单元通信，主控制单元将控制权自动移交到所述中间控制单元。终端控制单元从空气压缩机组获取控制量信号，并由通信模块送至中间控制单元。中间控制单元按逻辑进行控制，使空气压缩机组最低压力时启动，最高压力时卸载及适时停机。
方式三：当中间控制单元失效时，终端控制模块通过通讯模块与主控制单元进行通信(传送控制量信号、接收控制指令等)，按照主控制单元设定的控制方法进行节能优化控制。
方式四：当主控制单元和中间控制单元均出现问题时，单独由终端控制单元实施控制，使空气压缩机组以加卸载的方式进行保压运行。
本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于不同类型空气压缩设备的综合控制***，其特征在于包括：主控制单元，中间控制单元，终端控制单元1～n，被控制的空气压缩机组1～n，所述主控制单元、所述中间控制单元和所述终端控制单元通过通信模块进行数据交换，所述中间控制单元、所述终端控制单元1～n均与CAN总线相连，所述终端控制单元1～n分别与被控制的空气压缩机组1～n相连；n为所述空气压缩机组的数量；
所述终端控制单元用于从空气压缩机组实时获取控制量信号，并进行信号处理，将模拟信号转换成数字信号；
所述终端控制单元还用于将控制量信号由CAN总线或通信模块发送给中间控制单元；
所述中间控制单元用于对所述控制量信号进行预处理后送到主控制单元；所述预处理包括抗干扰滤波和数据分类处理；
所述主控制单元用于根据所述控制量信号的变化量及对应的响应时间，按照所述空气压缩机组的控制模型判断所述空气压缩机组的工作状态；
所述主控制单元还用于根据所述空气压缩机组的工作状态，发出控制指令至中间控制单元，按重要性排序后再发送到终端控制单元，实现对所述空气压缩机组的控制；
所述控制模型包括总体控制模型和个体控制模型；其中，
总体控制模型：根据空气压缩机组的压力、流量和所缺少流量的对应关系，对空调余量进行评估；根据空调余量及所需的流量确定需要开启空气压缩机组的数量，然后计算启动这些空气压缩机组所用的时间，当达到时间节点时启动空气压缩机组；
个体控制模型：对于离心式空气压缩机组，根据启动响应时间、热备机响应时间和汇入管线后流量的变化进行多元计算，并进行汇总、统计；对于螺杆式空气压缩机组，根据启动响应时间、变频式响应时间和汇入管线的流量变化进行多元计算，并进行汇总、统计；对于其他类型的空气压缩机组，采用自学习优化方法，根据实际的变化对同类模型进行修正。
2.根据权利要求1所述的基于不同类型空气压缩设备的综合控制***，其特征在于，所述中间控制单元用于空气压缩机组的管网压力控制及报警应急处理；所述中间控制单元包括通信模块、逻辑控制模块和数据存储模块；所述通信模块用于所述中间控制单元与主控制单元、终端控制单元之间的通信；所述逻辑控制模块用于当主控制单元通信失效时，按逻辑控制方式实施控制。
3.根据权利要求1所述的基于不同类型空气压缩设备的综合控制***，其特征在于，所述主控制单元包括处理器模块、通信模块、人机交互模块；所述处理器模块分别与通信模块、人机交互模块相连；所述处理器模块是数据处理及控制中心；所述通信模块用于传送控制指令，实现所述主控制单元与中间控制单元、终端控制单元之间的通信。
4.根据权利要求1所述的基于不同类型空气压缩设备的综合控制***，其特征在于，所述终端控制单元从所述空气压缩机组获取控制量信号，并根据所述主控制单元或中间控制单元的指令，对所述空气压缩机组实施控制；所述终端控制单元包括信号处理模块、通信模块、控制量传感器模块和报警模块；所述通信模块用于所述终端控制单元与中间控制单元、主控制单元之间的通信；所述控制量传感器模块安装在所述空气压缩机组上；所述报警模块用于空气压缩机组发生故障时发出报警信号。
5.根据权利要求4所述的基于不同类型空气压缩设备的综合控制***，其特征在于，所述控制量传感器模块包括压力传感器、流量传感器；所述压力传感器安装在空气压缩机组的管网中便于数据采集的位置，流量传感器放置于主管道中。
6.根据权利要求1所述的基于不同类型空气压缩设备的综合控制***，其特征在于，所述空气压缩机组包括双螺杆式空气压缩机、离心式空气压缩机及活塞式空气压缩机。
7.一种应用权利要求1～6任意一项所述的***进行控制的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，终端控制单元从空气压缩机组实时获取控制量信号，并进行信号处理，将模拟信号转换成数字信号；
步骤2，所述终端控制单元将控制量信号由CAN总线或通信模块发送给中间控制单元；
步骤3，所述控制量信号在所述中间控制单元中进行预处理后，送到主控制单元；所述预处理包括抗干扰滤波和数据分类处理；
步骤4，所述主控制单元根据所述控制量信号的变化量及对应的响应时间，按照所述空气压缩机组的控制模型判断所述空气压缩机组的工作状态；
步骤5，所述主控制单元根据所述空气压缩机组的工作状态，发出控制指令至中间控制单元，按重要性排序后再发送到终端控制单元，实现对所述空气压缩机组的控制；
步骤4所述控制模型包括总体控制模型和个体控制模型；其中，
总体控制模型：根据空气压缩机组的压力、流量和所缺少流量的对应关系，对空调余量进行评估；根据空调余量及所需的流量确定需要开启空气压缩机组的数量，然后计算启动这些空气压缩机组所用的时间，当达到时间节点时启动空气压缩机组；
个体控制模型：对于离心式空气压缩机组，根据启动响应时间、热备机响应时间和汇入管线后流量的变化进行多元计算，并进行汇总、统计；对于螺杆式空气压缩机组，根据启动响应时间、变频式响应时间和汇入管线的流量变化进行多元计算，并进行汇总、统计；对于其他类型的空气压缩机组，采用自学习优化方法，根据实际的变化对同类模型进行修正。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制量信号包括压力信号、流量信号和频率信号；所述压力信号、流量信号分别由压力传感器、流量传感器获得，所述频率信号由空气压缩机组的变频器获得。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述主控制单元出现问题或故障或掉电时，所述中间控制单元无法与所述主控制单元通信，所述主控制单元将控制权自动移交到所述中间控制单元，在所述中间控制单元控制下，所述空气压缩机组最低压力时启动，最高压力时卸载及适时停机；所述中间控制单元失效时，终端控制单元无法接收到中间控制单元的指令，在所述终端控制单元控制下，所述空气压缩机组以加卸载的方式进行保压运行；所述主控制单元和中间控制单元均出现问题时，由终端控制单元实施控制，使空气压缩机组以加卸载的方式进行保压运行。
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