作者：文丽 戴巨川 袁贤松
引言
空压机是一种气体压缩、输送设备，广泛运用于矿山、机械、电子、医疗等各个行业。空气压缩机耗能巨大，根据相关资料显示，2011年我国空压机系统耗电量近3000亿度。
空压机输出有压力的气体，排气压力控制方式的不同与能源耗损密切相关。对于压力的控制，主要有以下3种方式：
①通过开关进气口阀门加载、卸载来调节气压；
②通过控制电机启、停的方式调节气压；
③通过变频调速控制电机转速调节气压，储气压力低于需求压力时，电机加速运行，而在储气压力高于需求压力时，电机减速运行。
方式①控制简单，但当用气量减小，气压超过设定值时，空压机处于空载状态，做无用功，能耗较大；
方式②需要频繁启、停电机，对电网冲击电流大，电机自身寿命也会受到影响，此时监控器的作用主要在于参数检测以便及时报警及发出简单的电机启、停信号；
方式③具有良好的节能效果，对压力控制效果好，电机需要配备变频调速主电路及控制系统，结构复杂，此时空压机需要监控器进行参数检测，并且还需要控制器实现控制算法（如PLC控制器）。作为一种带压工作设备，在运行过程中须对空压机关键运行状态参数在线监测以保证运行的安全性，主要包括：传感器状态、排气压力、排气温度、排气量、电机负载、电机温度等多种参数。根据这些状态参数的监测结果，空压机监控系统进行故障预警或采取相应的保护措施。
国内外研究现状
有关
空压机运行监控的研究主要集中在故障诊断、运行节能与控制等方面。
1、空压机故障诊断技术
空压机在长期运行过程中，各种故障不可避免，利用故障诊断技术找出故障源、分析故障原因，预防故障，对于延长空压机运行寿命，保证运行安全意义重大。国外对压缩机故障诊断的研究较早，20世纪90年代James等将前馈神经网络(FNNS)用于空压机故障诊断中，取得了良好的效果[1]；Aretakis等将模式识别技术应用到压缩机故障分类中，一些不影响压缩机整体性能的小故障也能够被识别出来[2]; Hongkai等采用自适应冗余提升方案进行了空压机齿轮箱故障诊断[3]。国内对空压机故障诊断的研究一直是行业热点，近年来仍然十分活跃，如由继国等以单螺杆空压机为对象，通过对螺杆及左右星轮的振动频域测试，对加工和安装误差导致的振动特性进行了分析[4];刘璇斐等设计了适用于空压机故障诊断的专家系统，对系统结构、知识库的构建与推理机实现进行了分析[5];戴俊等针对空压机故障诊断过程中参数的多样性及复杂性，在单BP网络基础上提出了组合式BP网络方法对其主要故障进行建模和诊断，有效地提高空压机故障诊断的准确率[6];蒋旭鑫等提出了一种空气压缩机声发射信号的关联维数故障诊断方法，该方法采用奇异值分析的嵌入维数计算法以及平均位移延迟时间计算法来获取声发射信号关联维数，能有效诊断压缩机气阀的故障模式[7];王跃飞等以某往复空压缩机的排气阀为例，研究了利用声发射信号进行往复空压机气阀故障诊断方法，通过对气阀漏气、阀片裂纹、断裂以及变形等故障进行测量，获得了故障特征信号[8];马晋等提出了基于活塞杆轴心位置轨迹的故障诊断方法，该方法通过定义图形和特征参数反映活塞杆运行状态，能够较好地发现往复压缩机活塞组件的潜在故障[9];潘责等利用振动的尖峰能量实时检测螺杆空压机的轴承的性能，成功地预测了故障的发生[1 0]；唐友福等以往复压缩机气阀正常、阀片缺口、阀片断裂及弹簧损坏等状态下气阀振动信号为依据，利用小波理论和BP人工神经网络等对不同状态的压缩机气阀故障进行了分析[1 1]；周敏等在往复压缩机关键部件故障机理分析基础上，通过建立示功图、活塞杆下沉量监测量化数学模型，构建了往复压缩机故障专家诊断系统[12]。
2、空压机节能技术
各行业空压机运行过程能量消耗巨大，同时存在严重的能量损失，其原因多种多样，如空气压缩机选型时，一般按最大生产工况来确定装机容量，实际运行时，大多数情况下只能用到额定供气量的50%～60%。通过运行过程的优化，可以在一定程度减少能耗。如朱机灵等人利用闲置气罐，增加高压仪表风储量，在仪表风压力高时停机、压力低时开机的间歇式运行，在一定程度上减少了能损[13-14]。就空压机运行控制而言，控制模式的缺陷同样带来了严重的能量损失，如常用的加卸载方式，卸载状态下
空压机不向储气罐提供压缩气体，处于“空转”状态；加卸载交替进行带来的“富裕气压”能量损失同样不可小觑。为此，孔德文等通过分析螺杆式空压机排气压力对其容积效率的影响，构建了螺杆式空压机运行能耗模型，并得到了在加卸载运行模式下最优的卸载压力线，从而减小运行能耗[15]。此外，空压机排除气体仍保留一定压力，回收应用还能获得一定能量，为此，Fisher等设计了能量回收装置，并申请了美国专利[16]。随着电机PWM控制[17]、矢量控制[18]和直接转矩控制[19]等现代变频控制策略的出现，采用变频空气压缩机替代定转速空压机成为目前和今后主要的节能措施，该方法不但避免了空气压缩机频繁起停，而且具有显著的节能效果。
现阶段空气压缩机变频节能主要手段是采用空压机配置变频器，运行及保护多数采用PLC智能控制的方式。系统多以输出压力作为控制对象，由压力传感器取出反馈信号，按压力的变动量决定电动机的工作频率和转速的大小，实现自动调节。如高相家等对普通螺杆空压机和变频螺杆空气压缩机的运行状况进行了比较分析，分析了螺杆空压机变频节能改造的策略和经济性能[20]。在控制手段上，Hafaifa等构建了压缩机模糊控制系统，能够更好地保护压缩机安全并降低生产成本[21-22]; Ghorbanian等利用人工神经网络方法进行了空压机性能预测；何凤有等基于PLC控制平台，设计了基于模糊PID控制器的空压机恒压供气系统，通过结合传统PID控制与模糊控制技术完成整个系统的参数自动调整，实现根据供气设备及环境的变化做出最优控制，保证系统恒压供气的目的，提高了系统动态响应速度和节能效果[24]；夏云忠等通过对空压机站增加群控联动控制策略，实现多台空压机相互协调工作，有效降低能耗并维持供气系统运行在最佳状况[25]；孔德文等开发了基于现场总线技术的螺杆空压机群控制系统，提出了螺杆空压机群联动控制的控制策略，节能效果明显[26]；杜玉霞等通过对空压机的负载特性进行分析，根据永磁同步电机的控制特点和空压机负载特点设计了滑模控制器[27]。
3、空压机控制器设计技术
空压机控制器是完成空压机各项操作的核心，除了满足基本的压力控制外，还可以将各种先进的预测控制、专家系统等写入控制算法，融入控制器实现优化控制。控制器一方面需要采集空压机各种运行状态参数，另一方面需要根据这些状态参数完成故障诊断、状态判断从而发出各种操作指令。
目前市场上的空压机控制器名目繁多，一些知名空压机厂商都有性能可靠的空气压缩机控制器，如阿特拉斯(Atlas Copco)空压缩控制器，英格素兰(Ingersoll Rand)空压缩控制器，寿力( Sullair)空气压缩机控制器，德耐尔(DE-NAIR)空压机控制器等。以阿特拉斯空压机控制器（第三代）为例，其主要性能特点如表1所示。
在空压机控制器的设计方面，表现出多种形式，如王利全等设计了以MCS-5系列单片机为控制核心的螺杆式空压机控制器，包括外围信号采集放大电路、键盘扫描电路、液晶显示电路和继电器控制电路等；陈辉等基于ATmega16单片机开发了一款小型单螺杆空压机控制器，设计了A／D采样、开关量输入、键盘扫描、开关量输出、LCD显示与报警等外围接口电路，并开发了相应的控制器系统软件[29]；王瑾辉等采用分散控制系统(DCS)对空压机系统进行组态控制[30]；姜良银等运用虚拟仪器技术( LabVIEw)设计了空压机测试系统[31]；孙斐等构建了包含由上位机和下位机的空压机监控系统，其中以MSC1210为核心的多路数据采集系统作为下位机，以Advantech Web Access制作的空压机管理软件作为上位机，并通过RS - 485传递数据[32]；葛锁良、张旭领等设计了基于PIC单片机的螺杆空压机控制器[33]；杨伟新等设计了基于DSP的空压机示功图测试系统，能实时反映空压机工作状态下的示功图，实现了运行状态的实时监测。
空压机监控系统未来发展趋势
虽然空压机监控系统目前已有较成熟的产品，但在可靠性、多功能性、高集成性等方面还有很大的提升空间。随着电子技术、信息处理技术的不断进步，今后空压机监控器在以下几个方面必将进一步发展：
(1)具有空压机故障智能诊断能力的集成监控系统。基于单个或单类传感器数据的空压机故障诊断技术难以得到精确的结果，基于多传感器信息，运用现代智能故障诊断算法虽然可以得到更精确的结果，但对硬件运算能力要求更高，新型微处理器DSP或ARM的广泛应用使之实际应用成为可能。为了满足监控系统可靠性和无人值守机房的需要，监控系统进一步集成化，多种功能集成于一体式控制器中，并能远程访问具有显著的竞争优势。
(2)新型节能型空压机控制系统。现有的空压机节能技术多采用额外添加变频器对现有系统进行改造，鲜见将现代电机调速技术嵌入空压机控制器中。采用变频器进行改造的方式，使得空压机的节能控制系统与监控系统分离，一方面提高了系统成本；另一方面增加了整个系统分散器件，不利于实现底层控制系统集成化以提高可靠性。开发集监测、节能控制于一体的新型控制器可以弥补这一缺陷。
(3)空压系统管网多点综合控制。为了应对压缩空气系统中用气量、用气压力的变化引起的管网流量、压力变化，
空压机运行工况需要不断调节；调度算法不合理会造成空压站机群部分空气压缩机运行负荷过重。根据系统的压力和流量等参数的变化特性，借助现代智能控制算法，以每台空压机平均运行时间最少为目标，用气压力为约束，得到每一时刻合理的空压机运行数量和容量，从而碱少空压机运行和维护费用的空压站机群优化控制成为发展趋势。
