Method and control system of the fluid compression system controller

【発明の詳細な説明】 流体圧縮システム制御の方法および制御システム この発明は、流体圧縮システムを制御するための、請求項１による方法に関する。 この発明は、流体圧縮システムを制御するために適した制御システムにも関する。 従来の流体媒体の圧縮システム、特に圧縮空気システムでは、コンプレッサの出口圧力を検知し、この情報を使ってコンプレッサ出口に直接配置したプレオスタットの支援でコンプレッサの運転を制御する。 負荷時コンプレサを無負荷化する設備を備えたコンプレッサモデルでは、無負荷運転モードの持続時間を調節式タイマで制御することができる。 設定時間は、手動で変えるまで常に一定である。 そのような制御計画は、このシステムに取付けられた空気消費装置によって生ずる圧力損失および圧縮空気需要の変動を考慮に入れることができない。 この装置で起る圧力損失は、完全に瞬間空気流量および瞬間空気圧に依る。 これらの変量は、短期間の間に極端に強く変るかも知れない。 その上、圧縮空気管路のフィルタによって生ずる圧力損失は、フィルタの目詰りの程度に依る。 新しいフィルタに生ずる圧力損失は低いが、貫流空気の不純物に依存する、フィルタの目詰りで圧力損失が増すこととなる。 目詰りが激しくなると、フィルタエレメントを交換するが、それによって圧力損失が再び低いレベルとなる。 圧縮空気のユーザにとって、圧縮空気で動作する装置のために適正な圧力レベルが需要点で保証されることが非常に重要である。 従来技術の装置の欠点は、とりわけ、そのような装置が上述のアクセサリまたは装置によって生ずる圧力損失を保証できないために、コンプレッサ作動圧力を不必要に高いレベルに設定しなければならないことである。 その結果、この圧縮空気システムのエネルギー消費が不必要に高い。 その上、無負荷の運転後モードの期間で動作するコンプレッサに対し、この運転後モードの持続時間を、コンプレッサの起動頻度がこの駆動モータに指定された最大起動頻度を超えないようにするというルールに従って設定する。 この運転後モードの期間は固定され、圧縮空気需要の変動に関係付けられず、それで圧縮空気の需要がない場合でも、コンプレッサを運転後モードにプリセットされた期間の間無負荷で運転させている。 この場合、不必要なエネルギー損失が起る。 二つ以上のコンプレッサを有する圧縮空気システムに関連しても、従来技術に基づく制御システムは、余計なエネルギー消費を生ずる。 余分な空気が全く要求されないときにでも、小さい振幅または短時間の圧力の揺れが第２またはその他のコンプレッサを起動するのが極めて普通である。 更に、もし、無負荷にした無負荷運転モードを使ってコンプレッサを運転したなら、無駄のエネルギー消費の割合は、まだ圧縮空気ネットワークに何も空気を供給していないコンプレッサの称呼電気入力定格の約４０％に達する。 従来の圧縮空気システムのエネルギー消費は、以下の理由により理論的最小限より平均で３０％以上多い： - 空気需要が変動する条件下でもユーザの装置の圧力要求を満たすためには、コンプレッサの作動圧力を平均圧力需要よりかなり高く設定しなければならない。 - コンプレッサ作動制御システムが、空気需要の量およびフィルタ汚染の程度が圧縮空気回路で起る圧力損失に与える影響を考慮していない。 - 駆動モータを保護することを意図したコンプレッサの運転後モードの期間が一定で、空気需要の変動に従って実際に必要な運転後モードの期間を調節できない。 - 複数コンプレッサのシステムがコンプレッサ起動から有効な圧縮空気生産の瞬間までの遅延によって生ずる、完く不要のコンプレッサ起動を生じさせがちである。 この発明の目的は、従来技術の欠点を克服した、流体圧縮システム用の完全に新規な制御方法および制御システムを達成することである。 この発明は、添付の請求項で述べたものによって特徴付けられる。 この実施態様は、幾つかの重要な利点をもたらす。 圧縮空気生産のエネルギー消費で、従来技術より３０％を超える節約を達成する。 この発明による制御計画は、エネルギー消費を最少にする方法で、コンプレッサの動作を連続的且つ自動的に制御する。 複数コンプレッサのシステムで、この発明による制御計画は、コンプレッサを自動的に且つ先行的方法で停止および起動し、空気需要点での圧力レベルを所定の限界内に保ち、軌道頻度が、コンプレッサの駆動モータ用に許容される最大起動頻度を超えることを防ぐ。 コンプレッサの不必要な運転を避けながら、ユーザ管路圧力を、空気需要の割合が変動しても所定の限界内に維持できる。 この発明による制御計画は、局所運転条件に従うように容易に調整可能である。 このシステムは、圧縮空気需要の変化に直ちに反応する。 この発明による制御システムは、例えば、フィルタの目詰りによる圧力損失のゆっくりした変化を保証することもできる。 この発明は、異なる種類の環境で使用するためによく適している。 それは、複数コンプレッサのシステムには勿論、単一コンプレッサのシステムに適用できる。 また最も普通の種類の空気コンプレッサおよびその他の流体圧縮手段に関連して使うことができる。 更に、それは新しい圧縮空気システムと古い圧縮空気システムの両方に設置できる。 この発明による制御システムは、適度な数の部品を含み、その設置は簡単である。 圧縮空気システムへの接続は、二つの圧力センサとコンプレッサの既存の制御システムへの電気接続に限られる。 以下に、添付の図面を参照してこの発明を詳細に考察する。 これらの図面で、 第１図は、この発明によるシステム構成を模式的に表し； 第２図は、第１図の空気だめ３で計測したコンプレッサの作動圧力を示すグラフであり；および第３図は、第１図の空気だめ８で計測した、ユーザ現場の圧力を示すグラフである。 第１図を参照すると、この発明による制御システムを備えた圧縮空気システムが示されている。 このシステムで、コンプレッサ１に接続されているのは、クーラ２および空気だめ３、またはその代りに、圧力管路の拡張部若しくは同等の空気貯蔵所である。 これらの要素に下流状態調節装備一式４、５、６、７が続く。 このシステム構成に依って、この下流状態調節装備一式が含むアクセサリの種類は異なる。 第２図を参照して、この下流状態調節アクセサリは、気水分離器を備えたフィルタ４、５、乾燥器６およびフィルタ７を含む。 配管系においては、この下流状態調節装備一式の下流側に第２空気だめ８を接続し、ここから空気を需要点９へ取り出す。 コンプレッサ１の制御システムは、制御ユニット１２および二つの圧力センサ１５、１６を含み、それらの内の第１圧力センサ１５は、下流状態調節装備一式４、５、６、７の上流側の第１空気だめ３に配置され、第２圧力センサ１６は、 この下流状態調節装備一式の下流側の第２空気だめ８に配置されている。 さらに、この制御システムは、制御ユニット１２をコンプレッサ１の局部作動制御システム１４に接続するケーブル配線１３、並びに制御ユニット１２を圧力センサ１ ５、１６の接続するケーブル配線１０、１１を含む。 明らかに、そのようなケーブル配線は、何か適当な信号伝送手段で置換えてもよい。 制御ユニット１２は、手動操作およびコンプレッサの動作状態モニタ用に従来の方法で実施したコンプレッサ切替えスイッチ、インジケータランプ、押しボタン、遠隔監視用接続および外部表示パネル等は勿論、必要なアクセサリおよびコネクタを備えたプログラマブルロジック調節器または類似の中央制御手段を含むと有利である。 制御ユニット１２の中のこのロジック調節器のプログラミングは、このプログラマブルロジック調節器の中にこの圧縮空気システムの基本データ、例えば、この回路の中の空気だめの全容積、下流状態調節装備一式の後の所望の圧力レベルＰ ₃ 、駆動モータ用最大許容起動頻度、許容圧力限界およびこの制御システムを機能させるために必要なその他の情報を記憶させるのに適した別のプログラミング装置を使って実行するのが最も適当である。 この発明による方法に於いて、需要点９に配送した圧縮空気の圧力は、最小許容圧力Ｐ _3minと最大許容圧力Ｐ _3maxの間で変動することが許される（従って、最大圧力Ｐ _3max ＝最小許容圧力Ｐ _3min ＋最大許容圧力偏差）。 需要点に配送した圧力Ｐ ₃は、圧力センサ１６によってモニタする。 第１空気だめ３と第２空気だめ８の間のそれらに接続した装備一式４、５、６、７による圧力損失は、空気流量、フィルタの目詰りの程度およびこれらの要素に行渡る圧力に依る。 実際に、圧力センサ１５によって計測した圧力は、コンプレッサの作動圧力Ｐ ₂に等しい。 この圧力は、このコンプレッサの運転に許容される最小圧力Ｐ _2minと最大圧力Ｐ _2maxの間のどのレベルでもよい。 圧力センサ１６によって計測した圧力Ｐ ₃がプリセットした最小圧力Ｐ _3minまたはプリセットした最大圧力Ｐ _3maxに達したとき、制御ユニット１２は、以下に表すルールに従ってプリセットした圧力ステップで、どちらの圧力限界に達したかおよびため３とため８の間の下流状態調節アクセサリがこの圧力レベルにどのように影響するかに依って高くまたは低く、コンプレッサの作動圧力Ｐ ₂を制御する。 需要点９に配送した圧縮空気の圧力の変化率（上昇率または降下率）は、絶えずモニタしている。 この変化率モニタの信号は、圧力センサ１５から最も都合よく得ることができ、それによってため３とため８の間の管に配置された下流状態調節装備一式の影響も考慮に入れることができる。 コンプレッサ１が無負荷モードで運転していて圧力降下率が低いとき、またはその代りに、圧力が上昇していてコンプレッサ駆動モータの許容起動頻度に達していないとき、コンプレッサ１を直ちに停止する。 圧力Ｐ ₃の降下率が高いと、プリセットした下方圧力限界Ｐ _3minに達する前に、コンプレッサの無負荷または起動をなくする。 コンプレッサの無負荷化／停止／起動ステップは、圧力上昇率または降下率に基づいて先行的に制御する。 二つ以上のコンプレッサのあるシステムでは、Ｐ _3minからＰ _3maxまでの一つの許容圧力範囲を需要点９からプリセットするだけでよく、その後圧力センサ１５ の支援によって検出した圧力上昇率または降下率に基づいてコンプレッサの起動／無負荷化／運転後無負荷／停止モードを制御する。 この発明による制御計画は、コンプレッサの駆動モータ用に指定した最大許容頻度を超えることを避ける。 予期した機器の機能不良が生ずると、何れかのコンプレッサ１の局部制御システム１４が制御を代替することができる。 コンプレッサの作動圧力Ｐ ₂は、需要点での圧力Ｐ ₃をプリセットした限界内に維持することができる、最低の可能なレベルに常に保たれる。 複数コンプレッサの圧縮空気システムでは、最小数のコンプレッサだけが負荷を掛けられて運転する。 この発明による方法は、任意の数のコンプレッサのシステムでエネルギー消費を最適化する。 このシステムエネルギー消費は、圧縮空気需要が変動する条件の下で最低に維持できる。 以下に、第２図および第３図を参照してこの発明の詳細を明らかにする。 需要点９での圧力Ｐ ₃並びにその許容限界Ｐ _3maxおよびＰ _3minを第３図に示す。 コンプレッサ１の作動圧力Ｐ ₂は、アクセサリ４〜７が圧力損失を生ずるという事実のために瞬間空気需要動向に依り、その圧力損失は、更にアクセサリの大きさ、 瞬間空気流量、汚染度、これらのアクセサリに行渡る圧力および温度、並びにあり得る内部空気消費（特に吸着乾燥器に於ける）に依る。 従って、コンプレッサの作動圧力Ｐ ₂は、絶えず変動する。 このコンプレッサの作動圧力Ｐ ₂のレベルは、圧縮空気供給量の増減によって影響されるかも知れない。 そのような供給量の変化は、コンプレッサの無負荷化、コンプレッサの停止、コンプレッサの除去、 またはあるコンプレッサの無負荷化および停止によって影響されることがある。 ここでコンプレッサの作動圧力Ｐ ₂は、一定ではなく、それどころか常にできる限り低く、それによって最低の可能なエネルギー消費を達成する。 制御ユニット１２は、本来圧力Ｐ ₂の絶対値をモニタするのではなく、この圧力レベルの変化をモニタするだけである。 第２図および第３図を参照すると、異なる圧力変化状態でのこの発明の異なる作動状態および機能を例示するグラフが示されている。 需要点９での空気消費が増え始めるとき、管路圧力に圧力降下Ｐ ₃₂が起る。 圧力センサ１６がこの圧力降下の信号を制御ユニット１２に送り、この制御ユニットが作動圧力Ｐ ₂を増加するように制御しようとする。 同時に、その結果のこれらのアクセサリ４〜７を通る流量の増加が更に高い圧力低下を生じ、それで作動圧力Ｐ ₂の更なる増加を要する。 もし、作動圧力Ｐ ₂の増加が検出されないと、制御ユニット１２は、空気供給量不足と判断し、コンプレッサ１の無負荷化を止めまたは次のコンプレッサを起動して供給量を増やす。 空気供給量の増加は、作動圧力Ｐ ₂を増加する結果となる（第２図に圧力局面Ｐ ₂₁で示す）。 流量の増加で、アクセサリ４〜７を通る圧力低下も増す。 圧縮空気の供給と需要の間のバランスを維持するため、管路圧力Ｐ ₃ （第３図に圧力局面Ｐ ₃₁で示す）は、限界Ｐ _3minとＰ _3maxの間で変動する。 そこで、コンプレッサが定常状態で運転する。 管路圧力Ｐ ₃ （第３図に圧力局面Ｐ ₃₂で示す）が非常に急速に低下すると、制御ユニット１２は、作動圧力Ｐ ₂ （第２図に圧力局面Ｐ ₂₂で示す）の変化率からこの管路圧力が最小許容圧力Ｐ _3min以下に下がる瞬間を計算し、これを見越して、コンプレッサ１の無負荷化を止めまたは前もって次のコンプレッサを起動し、 コンプレッサの起動遅れまたは無負荷化停止の遅れが管路圧力を下限Ｐ _3min以下に低下させないようにする。 この制御ユニットは、コンプレッサの起動遅れおよび無負荷化停止の遅れのデータを含み、記憶するコンプレッサの供給能力のデータをための容量の情報で補足することができる。 需要点９での空気消費が減り始め、コンプレッサがまだ運転しているとき、管路圧力Ｐ ₃ （第３図に圧力上昇Ｐ ₃₃で示す）は、昇り始める。 圧力センサ１６がこの圧力Ｐ ₃の上昇の信号を制御ユニットへ送り、この管路圧力がプリセットした許容上限Ｐ _3maxに近づこうとしたとき、制御ユニット１２は、作動圧力Ｐ ₂が減るように制御しようとする（第２図の圧力降下Ｐ ₂₃を生ずる）。 これを達成するため、制御ユニットは、コンプレッサを無負荷で運転するか、または管路圧力Ｐ ₃をプリセットした限界内に保つような平衡状態が達成されるまで（第３図に圧力Ｐ ₃₁で示す）コンプレッサをプリセットしたシーケンスで停止する。 もし、需要点９での空気消費が非常に小さく、管路圧力Ｐ ₃が既に上限Ｐ _3max に達し、コンプレッサを無負荷で運転するように制御しているとき、制御プログラムは、記憶する基本データを基に、管路圧力Ｐ ₃ （第３図のＰ ₃₄ ）またはコンプレッサの作動圧力Ｐ ₂ （第２図のＰ ₂₄ ）が最小許容圧力Ｐ _3minまで低下する瞬間を計算する。 もし、この圧力低下時間がこのコンプレッサ駆動モータの最高許容起動頻度によって許される最小停止時間より長くなることが分ったなら、制御ユニット１２は、コンプレッサを直ちに止め、それによってコンプレッサの不必要な無負荷運転を避けることによってエネルギーを節約する。 もし、圧力センサ１５の支援でモニタしたコンプレッサの作動圧力がその上限Ｐ _2maxまで上昇したなら、ユーザの管路圧力Ｐ ₃がその下限にある可能性があるにも拘らず、もうコンプレッサが制御ユニット１２によって起動されることはなく、その代りに制御ユニットが作動圧力上限を侵害する警報を発し、および／または同時に現在運転しているコンプレッサを停止／無負荷化する。 この機能は、 コンプレッサを過負荷から保護する安全対策である。 圧力センサ１５の支援でモニタしたコンプレッサの作動圧力Ｐ ₂がその下限Ｐ _2minに低下した場合、制御ユニット１２は、状況に依ってコンプレッサの容量を超えたという警報を出すかも知れない。 制御ユニット１２の機能不良が起き、コンプレッサの作動圧力Ｐ ₂がその上限Ｐ _2maxを超えた場合、システム制御が直接コンプレッサ１の局部制御ユニット１ ４へ移され、それは、コンプレッサの作動圧力をＰ _2maxのわずかに高く安全率を含めて保つように調整されている。 この機能も安全対策の一つである。 上記の機能は全て、これらの機能を直接制御する、需要点９での空気消費量およびコンプレッサの作動圧力Ｐ ₂によって、上述のシーケンスまたは必要に応じて任意のシーケンスで自動的に起る。 需要点９での空気消費量およびコンプレッサ１の運転状態が、圧力センサ１６の支援で下流状態調節アクセサリ４〜７の直後でモニタするユーザ管路圧力に直接影響するので、上述の制御方法は、ユーザ管路圧力Ｐ ₃をその許容最小値近くに維持することにより、およびコンプレッサの必要な無負荷化および起動／停止を予測することにより、およびコンプレッサの作動圧力Ｐ ₂を圧縮空気の瞬間需要およびこの装置の広く行渡った運転条件によって要求されるレベルで自由に変動させることによって、エネルギー消費を最少にすることが可能である。 制御ユニット１２は、従来の手段によってコンプレッサステーションの遠隔監視システムに連結することができる。 更に、この制御システムは、コンプレッサの局部制御装置の一部として一体化することができ、またはその代りに、従来使われたコンプレッサの制御システムに置き換わるように設計することができる。 二つ以上のコンプレッサのコンプレッサ施設に於いては、瞬間運転状態の下で圧縮空気を生産するために最も適したコンプレッサを自動的に選択するように制御ユニットをプログラムすることができる。 この技術に精通した者には、この発明が上に説明した例示的実施態様に限定されず、添付の請求項で定義するこの発明の範囲内で変ることができることは明白である。

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