控制流体压缩系统的方法和控制系统

本发明涉及根据权利要求1的用于控制流体压缩系统的方法。本发 明也涉及适于控制流体压缩系统的控制系统。

在常规的流体介质压缩系统中，尤其是压缩空气系统，检测压缩机 的出口压力，并且利用此信息借助于紧靠压缩机出口的一稳压器来控制 压缩机操作。在装备了空载卸载装置的压缩机类型中，卸载的空载运行 方式的持续时间能通过一可调节的定时器控制，直到手动改变之前设定 的时间总是恒定的。这样的控制方案不能把由与系统相连接的空气消耗 装置导致的压力损失和压缩空气需要的变化考虑进去。发生在此装置中 的压力损失完全取决于瞬时空气流速和压力。这些变量可能在很短的时 间间隔里非常剧烈地变化。此外，由在压缩空气管线上的过滤器导致的 压力损失取决于过滤器的阻塞程度。新过滤器引起的压力损失低，当它 从通过的空气流中截留杂质时，随着过滤器的阻塞压力损失增加，当阻 塞到一定程度时更换一个过滤器元件，因此压力损失重新降到较低水 平。

对压缩空气系统的用户来说，在需求点保证压缩空气操作设备的适 当压力水平是极其重要的。

原有技术设备的缺点即是由于这样的装置不能补偿上面提到的附 件或装置引起的压力损失，所以它们要求压缩机工作压力设定在不必要 的高水平，因此压缩空气系统的能量消耗不必要的高。此外，对以卸载 的后运行方式阶段操作的压缩机，后运行方式的持续时间是根据压缩机 起动的频率不可以超过驱动马达规定的最大起动频率的准则而定的。后 运行方式的持续时间是固定的且与压缩空气需要的变化无关，因此即使 是在没有压缩空气需要时也使压缩机卸载运行这一段预置的后运行方 式的持续时间。在这种情况下发生不必要的能量损失。

连同带有两个或更多压缩机的压缩空气系统一起，基于常规技术的 控制系统导致过多的能量消耗。即使实际上不需要额外的空气时，非常 普通的小幅度或短持续时间的压力波动开动第二个或其它压缩机。此 外，假如压缩机用卸载的空载运行方式操作，无用能量消耗的比例可能 上升到约为压缩机正常电输入额定功率的40％，还不生产空气给压缩空 气网络。

由于以下原因，在常规压缩空气系统中的能量消耗平均比理论最小 值大30％以上。

1.为了实现用户设备在空气需要变化的条件下的压力需求，压缩机 工作压力必须设定为明显高于平均压力要求。

2.压缩机操作控制系统决不考虑进空气需要量和过滤器污染程度 对发生在压缩空气循环中的压力损失的影响。

3.压缩机想要保护驱动马达的后运行方式的持续时间是恒定的，因 此不能根据空气需要的变化调节实际需要的后运行方式持续时间。

4.多个压缩机系统不必很敏感地起动完全无用的压缩机，这些无用 的压缩机的开动是由于从压缩机起动到有效压缩空气产生瞬间的延迟 引起。

本发明的目的是获得对流体压缩系统完全新型的控制方法和控制 系统，在这里原有技术的缺点得到克服。

在后附的权利要求书中说明了本发明的特征。

实施例提供了几个明显的优点：在生产压缩空气的能量消耗中与常 规技术相比节约超过30％。根据本发明的控制方案以最小能量消耗的方 式提供压缩机操作的连续和自动控制。在多个压缩机系统中，根据本发 明的控制方案自动地并且以希望的方式停止和开动压缩机以便把空气 需要点的压力水平保持在预定的范围内，且防止超过压缩机驱动马达允 许的最大开动频率。用户管线压力也能在空气需要的变化速率之下保持 在预定的范围内，同时压缩机不必要的运行得到避免。根据本发明的控 制方案易于调节以适应本地的操作条件。此系统对压缩空气需要的变化 立即反应，根据本发明的控制系统也能补偿例如由过滤器阻塞导致的压 力损失缓慢变化。

本发明很好地适用于不同的环境，它能适用于单一压缩机及多个压 缩机系统。它能与最普通的空气压缩机类型和其它流体压缩装置相结合 使用。此外它可以安装在新的和旧的压缩空气系统中。根据本发明的控 制系统包含适当数量的组件而且它的安装也简单。与压缩空气系统的连 接仅限于两个压力传感器和一个与压缩机现有控制系统的电气连接。

在下面将参考附图更详细的描述本发明，其中：

图1是根据本发明的系统构造的示意图；

图2是说明在图1的气罐3处测量的压缩机的工作压力图；及

图3是说明在图1的气罐8处测量的用户现场压力图。

参考图1，示出了安装了根据本发明控制系统的一压缩空气系统。 连接本系统中压缩机1的是冷却器2和一气罐3，另外或者是压力管线 或相当的贮存空气的扩展部分。这些元件跟着是后调节设备4，5，6，7。取 决于系统构造，后调节设备包括不同附件。参考图2，后调节附件包括 装有水分离器的过滤器4，5、干燥器6和过滤器7。在此管道中的后调 节设备之后跟着是第二气罐8，从这儿空气被送往需要点9。

压缩机1的控制系统包括一控制装置12和两个压力传感器15、 16，其中第一压力传感器15放置在后调节设备4，5，6，7前面的第一空气 罐3处且第二压力传感器16放置在后调节设备后面的第二气罐8处。 此外，此控制系统包括把控制装置12连接在压力传感器15、16上的 线缆10、11和把控制装置12连接在压缩机1的当地操作控制系统14 上的线缆13。很明显，这样的线缆可以由任何合适的信号传输装置取 代。

控制装置12有利地包括带有需要的附件和连接器的程序逻辑控制 器或类似的中央控制装置，也包括常规方式中使用的用于手动操作和压 缩机操作状态监视的压缩机选择器开关、指示灯、按钮、远程监控的连 接和外部显示面板等。在控制装置12中的逻辑控制器的编程最适合采 用单独的编程装置执行，此装置适于把压缩空气系统的基本数据，如： 回路中气罐的总体积、后调节设备之后的理想压力水平P3、驱动马达最 大允许起动频率、允许压力限度和控制系统功能必需的其它信息等贮存 在程序逻辑控制器中。

根据本发明的方法中，输送给需求点9的压缩空气的压力在允许最 小压力P3min和允许最大压力P3max之间变化(这里最大压力P3max＝最小 允许压力P3min+最大允许压力偏移)。输送给需求点的压力P3通过压力 传感器16监控。由于第一气罐3和第二气罐8之间连接有设备4，5，6，7， 它们之间的压力损失取决于空气流率、过滤器阻塞程度和元件中占优势 的压力。在实践中，借助压力传感器15测量的压力等于压缩机的工作 压力P2。该压力可以是压缩机操作的允许最小压力P2min和允许的最大 压力P2max之间的任一值。

当借助于压力传感器16测量的压力P3或者达到预置的最小压力 P3min或者达到预置的最大值P3max时，取决于达到的压力限度和气罐3 和8之间的后调节附件怎样影响压力水平，控制装置12根据下面的规 则以预置的压力步骤或高或低控制压缩机的工作压力P2。

输送给需求点9的压缩空气压力的变化速率(增加速率或下降速率) 被连续监控。从压力传感器15获得监控变化速率的信号最方便，借此 考虑放置在气罐3和8之间管道中后调节设备的影响。

当压缩机1以卸载方式正在运行且压力减小速率慢时，或者另一方 面，当压力正在增加且压缩机驱动马达的允许起动频率没有超出时，压 缩机1立即停止。

在达到预置压力下限P3min之前，压力P3快的减小速率导致消除卸 载或压缩机的开动。

压缩机卸载/停止/起动步骤以压力增加速率或减小速率为基础预先 控制。

在两个或更多的压缩机系统中，从需求点9仅需要预置单一的从 P3min到P3max的允许压力范围，这之后压缩机的起动/卸载后运行/停止方 式以借助于压力传感器15检测的压力增加速率或减小速率为基础控 制。

根据本发明的控制方案避免超过压缩机驱动马达规定的最大允许 起动频率。在可能的装置不正常工作开始时，任一压缩机1的当地控制 系统14能取代控制。压缩机工作压力P2总是被保持在可能最低的水 平，它能把需求点的压力P3保持在预定范围之内。在多个压缩机压缩空 气系统内，仅仅最小数量的压缩机负载运行。根据本发明的方法优化了 在任意数量压缩机的系统中的能量消耗，系统能量消耗在压缩空气需要 的各种条件下最可能低。

参考图2和图3，下面阐明本发明的详细内容。需求点9处的压力 P3和它的允许范围P3max和P3min如图3所示。压缩机1的工作压力P2 取决于瞬时空气需要的情况，由于附件4-7会引起压力损失，此压力 损失进一步取决于附件的尺寸、瞬时空气流速、污染程度、在附件中主 要的压力和温度和可能的内部空气消耗(尤其在吸附干燥器中)。因此， 压缩机工作压力P2连续变化。压缩机工作压力P2的水平可能受增加或 减小的压缩空气输送速度影响，输送能力这样的变化会受卸载压缩机、 停止压缩机或消除压缩机卸载和开动压缩机影响。压缩机工作压力P2 在这里不恒定而是总是尽可能低，因此获得最可能低的能量消耗，控制 装置12基本上不监控压力P2的绝对值而仅仅是监控压力水平的变化。

参考图2和图3，给出一个图表示了不同压力变化情况下不同操作 情况和本发明的作用。

当在需求点9的空气消耗开始增加，在管线压力中发生压力下降 P32。压力传感器16把压力下降信号传给控制装置12并且该控制装置 用于控制工作压力P2的增加。同时，通过附件4-7的流速的最终增加导 致更高的压力下降，它要求工作压力P2进一步增加。假如工作压力P2 没有检测到增加，则控制装置12发现空气输送能力不足且取消压缩机 卸载或开动下一个压缩机以增加输送能力。

空气输送能力增加导致工作压力P2的增加(由图2中压力相位P21 表示)。随着流速的增加，通过附件4-7的压力下降也增加。在压缩空气 输送和需求之间保持平衡时，管线压力P3(图3中由压力相位P31表示) 在范围P3min和P3max之间变化。因此，压缩机在稳态条件下操作。

在管线压力P3非常快降低时(图3中由压力相位P32表示)，控制装 置12从工作压力P2(图2中由压力相P22表示)的变化速率预计管线压力 下降低于最小允许压力P3min的时刻，且为了预计它，消除压缩机1的 卸载或预先开动下一个压缩机以便压缩机开动延迟或消除卸载的延迟 不导致管线压力下降低于下限P3min。控制装置包括压缩机开动和卸载 消除延迟的数据，且贮存的压缩机输送能力数据能用气罐容量的信息补 充。

当在需求点9处空气消耗开始下降且压缩机还在运行时，管线压力 P3(在图3中用压力增加P33表示)开始增加，压力传感器16把压力P3的 增加信号传给控制装置且随着管线压力趋于接近预定允许上限P3max， 控制装置用于控制在工作压力P2(在图2中由压力下降P23引起)中的下 降。为了完成这一点，控制装置控制压缩机卸载运行或以预定的顺序停 止压缩机直到获得这样的平衡状态，以保持管线压力P3在预定的范围内 (由图3中压力P31表示)。

假如在需求点9处的压力消耗非常小且管线压力P3已经达到上限 P3max并且压缩机已经控制在卸载运行，控制程序以贮存的基本数据为基 准计算管线压力P3(图3中为P34)或压缩机工作压力P2(图2中为P24)将 下降至允许最小压力P3min的时刻。假如该压力下降时间被发现变得比 压缩机驱动马达最高允许起动频率允许的最小停止时间更长，控制装置 12立即停止压缩机，因此通过避免不必要的压缩机无负载运行节省了能 量。

假如借助压力传感器15监控的压缩机工作压力P2上升至它的允许 上限P2max，虽然有用户管线压力P3在它的允许下限的可能，也不再有 压缩机由控制装置12开动，而是控制装置发出工作压力上限超出的警 报和/或同时停止/卸载目前运行的压缩机。此功能是保护压缩机超载的 一个安全措施。

在借助于压力传感器15监控的工作压力P2降到它的允许下限P2min 的情况下，取决于条件，控制装置12可能发出超过压缩机能力的警报。

在发生控制装置12不正常工作和压缩机工作压力P2超过它允许上 限P2max的情况下，系统控制将被直接转移到压缩机1的当地控制装置 14，将压缩机1调节到保持压缩机的工作压力勉强大于P2max，这项功 能也是一种安全措施。

所有上述功能以上述的或任意的顺序自动发生，此顺序由在需求点 9处的空气消耗和直接控制这些功能的压缩机工作压力P2提出要求。因 为在需求点9处的空气消耗和压缩机1的运行状态直接影响用户管线压 力，管线压力在后调节附件4-7之后借助压力控制器16即时控制，所以 通过保持用户管线压力P3接近它的允许最小值，通过预计需求的卸载和 压缩机的开动/停止、通过允许压缩机工作压力P2在压缩空气和设备主 要操作条件的瞬时需要所要求的水平上自由浮动，上述的控制方法使能 量消耗最小化成为可能。

控制装置12能用常规方式连接到压缩站的远程管理系统。

此外，控制系统能被集成作为压缩机本地控制系统的一部分，另一 个办法是，它能设计用来替换通常使用的压缩机控制系统。

在两个或更多压缩机的压缩机安装时，控制装置可以被编制程序自 动选择最适于在瞬时操作情况下生产压缩空气的压缩机。

对那些熟悉此技术的人，很明显本发明不受上述示范实施例的限 制，而是能在后附的权利要求中确定的本发明的范围内变化。