基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧空壓機(jī)應(yīng)用研究

萬(wàn)紅生 孟源

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和芯片研發(fā)的快速發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)愈加得到各行各業(yè)的認(rèn)可?？諌簷C(jī)能夠提供清潔能源，已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，在市場(chǎng)中占有很大份額。因此，在政府倡導(dǎo)“智能制造2025”方針下，空壓機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)的融合是必然趨勢(shì)。文中通過(guò)對(duì)比研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的性能和特點(diǎn)，構(gòu)思物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)空壓機(jī)行業(yè)帶來(lái)的革新，衍生出更加巧妙的空壓機(jī)使用與運(yùn)維方式，從低碳節(jié)能、高效產(chǎn)出、放心使用三個(gè)維度，對(duì)未來(lái)智慧空壓機(jī)應(yīng)用開(kāi)展研究。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);工業(yè)物聯(lián)網(wǎng);智能制造;空壓機(jī);應(yīng)用;節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391;TN393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)備連接入網(wǎng)已成為可能。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用便捷，設(shè)備可以輕松聯(lián)網(wǎng)。尤其是5G網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）等技術(shù)的突破，物聯(lián)網(wǎng)可以更大程度滿足低功耗終端設(shè)備的需求[1]。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，終端設(shè)備能夠進(jìn)行遙信、遙測(cè)的數(shù)據(jù)上報(bào)。在大多數(shù)場(chǎng)景下，設(shè)備只是進(jìn)行數(shù)據(jù)上行通信，而在個(gè)別情況下也存在遙控、遙調(diào)等控制需求。

空氣壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱空壓機(jī)）作為壓縮氣體產(chǎn)出源，已廣泛應(yīng)用到多種行業(yè)中[2]。但空壓機(jī)能效問(wèn)題以及維護(hù)保養(yǎng)是目前社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。若空壓機(jī)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將賦予空壓機(jī)嶄新的工作模式[3]，使得整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)更加環(huán)保、安全和耐用。

1 空壓機(jī)現(xiàn)狀

1.1 空壓機(jī)的定義

空壓機(jī)是氣源裝置中的主體。它是將原動(dòng)機(jī)（通常是電動(dòng)機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置?？諌簷C(jī)已廣泛用于制造業(yè)、紡織業(yè)、五金加工、木材家具、機(jī)械加工、醫(yī)療、印刷、冶金鑄造及儀表等行業(yè)。現(xiàn)在常用的空壓機(jī)有活塞式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)、離心式空壓機(jī)以及滑片式空壓機(jī)。大多數(shù)空壓機(jī)不具備聯(lián)網(wǎng)能力，主要作為氣體壓力的產(chǎn)出單元。中國(guó)空壓機(jī)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

1.2 空壓機(jī)能耗現(xiàn)狀

在工業(yè)生產(chǎn)中，空壓機(jī)耗電量占據(jù)工廠總量的10%～20%，部分紡織行業(yè)工廠甚至高達(dá)35%，因此空壓機(jī)系統(tǒng)成為節(jié)能工作的重點(diǎn)[4]?？諌簷C(jī)至今已形成全球年銷(xiāo)售額約110億美元的市場(chǎng)份額，其中中國(guó)銷(xiāo)售額達(dá)到近

50億人民幣。在能源日益萎縮和愈加注重環(huán)保的今天，能源浪費(fèi)嚴(yán)重引起全社會(huì)的關(guān)注[5]，空壓機(jī)能耗和如何節(jié)能環(huán)保成為我們急須解決的問(wèn)題?？諌簷C(jī)一般在使用中采取間歇式運(yùn)行或空載運(yùn)行來(lái)調(diào)節(jié)能量。頻繁地間歇式啟停運(yùn)行會(huì)大大增加電能損耗，引起電網(wǎng)波動(dòng)，同時(shí)也會(huì)影響設(shè)備壽命[6]。而空載運(yùn)行不僅會(huì)加劇空壓機(jī)的損耗，增加零器件的運(yùn)行成本，也會(huì)造成全球能源的浪費(fèi)。由此可見(jiàn)，空壓機(jī)慣有使用方式存在的問(wèn)題，及全球行業(yè)對(duì)于空壓機(jī)的市場(chǎng)需求，使得空壓機(jī)能耗的改進(jìn)與技術(shù)升級(jí)成為空壓機(jī)行業(yè)中的重中之重。

1.3 空壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題

在使用過(guò)程中，空壓機(jī)的問(wèn)題主要表現(xiàn)在漏氣嚴(yán)重、供給配置不合理、缺乏組合使用、工人用氣成本意識(shí)[7]淡薄等方面。在泄露問(wèn)題上，工廠供氣量的15%～30%均被泄露浪費(fèi)[8]，更有管理混亂的企業(yè)漏氣量占比甚至超過(guò)50%。此外，現(xiàn)場(chǎng)管理人員沒(méi)有意識(shí)到漏氣造成損失的嚴(yán)重性。比如氣管上如果有1 mm直徑的漏氣孔，每年漏氣產(chǎn)生的用電量高達(dá)3 500 kw·h，相當(dāng)于一個(gè)家庭兩年的用電量[9]。

此外，也存在供給量遠(yuǎn)大于需求量的情況，絕大部分產(chǎn)氣在容器中或者管路中被浪費(fèi)。在缺乏級(jí)聯(lián)控制條件下，空壓機(jī)長(zhǎng)期單機(jī)運(yùn)行，加快了設(shè)備磨損，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。設(shè)備長(zhǎng)期投入使用也會(huì)使空壓機(jī)溫度過(guò)高，降低能效。從空壓機(jī)使用周期來(lái)看，除了能耗成本以外，維護(hù)成本也占很大比重。由于空壓機(jī)保養(yǎng)習(xí)慣與汽車(chē)相似，設(shè)備購(gòu)買(mǎi)后需要定期保養(yǎng)維護(hù)。一般情況下，設(shè)備首次購(gòu)入后，在使用500 h時(shí)進(jìn)行“首?！保褂玫? 000 h時(shí)進(jìn)行定時(shí)保養(yǎng)。而由于空壓機(jī)不易統(tǒng)計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)，對(duì)維保提出了較高要求，否則設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法供氣，進(jìn)一步影響工廠或企業(yè)的生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)（ Internet of Things，IoT）是指將各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，如傳感器設(shè)備、RFID標(biāo)簽和其他智能終端的聯(lián)網(wǎng)[10]，通過(guò)各種通信技術(shù)（如NB-IoT、Sigfox和5G等）與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大智能網(wǎng)絡(luò)。互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人與人之間的交流，物聯(lián)網(wǎng)則可以實(shí)現(xiàn)人與物的溝通和對(duì)話，實(shí)現(xiàn)物與物互相間的連接和交互。未來(lái)，隨著科技發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)將更快地融入到社會(huì)中，萬(wàn)物互聯(lián)已成趨勢(shì)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)與空壓機(jī)結(jié)合的可行性探討

目前，空壓機(jī)存在漏氣嚴(yán)重、配置不合理、缺乏級(jí)聯(lián)控制和難以準(zhǔn)確保養(yǎng)等問(wèn)題。而通過(guò)結(jié)合壓力傳感器獲得氣壓變動(dòng)的加速度曲線，從而感知整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)是否存在漏氣點(diǎn);通過(guò)氣體流量計(jì)監(jiān)測(cè)下端用氣需求，從而靈活配置空壓機(jī)系統(tǒng);通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通信能夠在云端遠(yuǎn)程下發(fā)遙控信令，從而控制空壓機(jī)的開(kāi)關(guān)使得設(shè)備運(yùn)行更合理。

綜上，空壓機(jī)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，能夠讓整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)形成閉環(huán)，感知更加豐富，運(yùn)行更加高效。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的空壓機(jī)應(yīng)用

3.1 空壓機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維應(yīng)用

空壓機(jī)的運(yùn)維保養(yǎng)非常關(guān)鍵，而空壓機(jī)工作壓縮氣體因系統(tǒng)組成和下游用氣量各異極不規(guī)律，因此空壓機(jī)的運(yùn)維保養(yǎng)變得非常艱難。

由于空壓機(jī)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠連接入網(wǎng)，因此每次工作時(shí)長(zhǎng)都能夠記錄在云端。雖然空壓機(jī)工作是離散不規(guī)律的，但是通過(guò)云端積分計(jì)算可以把離散的量累計(jì)起來(lái)，進(jìn)而得到精準(zhǔn)的工作時(shí)長(zhǎng)，從而為空壓機(jī)制造商、工廠或企業(yè)提供數(shù)據(jù)參考。制造商能夠更好地服務(wù)空壓機(jī)用戶，空壓機(jī)用戶也能夠更加放心地使用空壓機(jī)設(shè)備。

3.2 空壓機(jī)健康管理應(yīng)用

空壓機(jī)的安全穩(wěn)定和保障設(shè)備的良好運(yùn)行至關(guān)重要。由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境十分復(fù)雜，諸如粉塵和空氣質(zhì)量差等，因而引起空壓機(jī)設(shè)備故障的原因也多種多樣。如果空壓機(jī)出現(xiàn)“宕機(jī)”，導(dǎo)致工廠流水線或企業(yè)停工，經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。因此，空壓機(jī)非常迫切地需要從搶救性維修到預(yù)防性保護(hù)的轉(zhuǎn)型。

在物聯(lián)網(wǎng)通信通道建立后，空壓機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)配套傳感器以及輔助設(shè)備可以通過(guò)設(shè)備接口向云端發(fā)送運(yùn)行數(shù)據(jù)，比如設(shè)備當(dāng)前溫度、抖動(dòng)振幅和頻率、電流電壓等。一旦空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，空壓機(jī)提前將報(bào)警通知發(fā)送至監(jiān)管平臺(tái)和移動(dòng)端APP，從而起到預(yù)防性健康管理的作用。

3.3 空壓機(jī)綠色低碳應(yīng)用

在中大型工廠和企業(yè)當(dāng)中，空壓機(jī)多為主備切換管理。這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備閑置，產(chǎn)生大量的資源浪費(fèi)，提高了設(shè)備故障率，并且設(shè)備不斷發(fā)熱，空壓機(jī)的壓縮效率急劇下降，造氣成本和碳排放量也隨之增加?？諌簷C(jī)系統(tǒng)能耗拓?fù)淙鐖D2所示。

因此，可以通過(guò)云端對(duì)空壓機(jī)設(shè)備溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自動(dòng)判斷是否有其他“空閑”空壓機(jī)設(shè)備進(jìn)行切換。如果系統(tǒng)認(rèn)為有備用設(shè)備可以切換，則將遠(yuǎn)程信令下發(fā)至“疲憊”空壓機(jī)設(shè)備，令其停機(jī)冷卻，同時(shí)命令備用空壓機(jī)設(shè)備開(kāi)始工作。這既保障了生產(chǎn)高效、綠色低碳的運(yùn)行，也實(shí)現(xiàn)了主備設(shè)備間的無(wú)縫切換，確保企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)。

3.4 基于物聯(lián)網(wǎng)的空壓機(jī)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的智慧空壓機(jī)性能提升效果，我們?cè)谀臣徔椳?chē)間進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)方案改造升級(jí)，并對(duì)生產(chǎn)用的壓縮空氣使用工況和原壓縮空氣氣源站進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)周期的精密測(cè)量和改造分析?，F(xiàn)場(chǎng)選擇6條流水線共

12臺(tái)空壓機(jī)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，具體配置參數(shù)見(jiàn)表1所列。

通過(guò)基于SaaS的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)觀測(cè)，其中氣體流量計(jì)數(shù)據(jù)顯示，下游實(shí)際用氣量遠(yuǎn)不足300 m3/min，并且現(xiàn)場(chǎng)存在備用設(shè)備資源閑置等現(xiàn)象。因此，在車(chē)間內(nèi)對(duì)空壓機(jī)設(shè)備配置進(jìn)行調(diào)整，改造后配置參數(shù)見(jiàn)表2所列。

氣電比是空壓機(jī)衡量能效的重要指標(biāo)，對(duì)車(chē)間空壓機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)級(jí)聯(lián)控制及遠(yuǎn)程優(yōu)化生產(chǎn)等操作調(diào)整。通過(guò)科學(xué)的系統(tǒng)調(diào)優(yōu)控制、合理輪歇和平衡下游用氣供給量，顯著提高了氣電轉(zhuǎn)化能力。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所列。

通過(guò)上述物聯(lián)網(wǎng)與空壓機(jī)結(jié)合的實(shí)際案例可以得出以下結(jié)論：空壓機(jī)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳到云端，能夠?yàn)槠髽I(yè)進(jìn)行合理優(yōu)化與方案配置提供決策依據(jù);結(jié)合控制算法遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)空壓機(jī)設(shè)備，優(yōu)化提升氣電轉(zhuǎn)化效率，為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，空壓機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合切實(shí)可行。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立了設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通道。在空壓機(jī)聯(lián)網(wǎng)條件下，利用物聯(lián)網(wǎng)通道可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、自動(dòng)監(jiān)管，為企業(yè)節(jié)約人力物力;此外，也改變了傳統(tǒng)的工作模式，低碳環(huán)保。與傳統(tǒng)空壓機(jī)相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的空壓機(jī)更加智能、環(huán)保、可靠，是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的最佳選擇。

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