多臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉陽(yáng)李傳勇張瑜

（重慶建工集團(tuán)股份有限公司住宅建設(shè)有限公司重慶400014）

多臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉陽(yáng),李傳勇,張瑜

（重慶建工集團(tuán)股份有限公司住宅建設(shè)有限公司重慶400014）

建筑用空壓機(jī)功率大、能耗高,如何盡可能降低空壓機(jī)能耗是很多建筑施工單位極為關(guān)注的技術(shù)改造內(nèi)容。為降低空壓機(jī)能耗并節(jié)約建筑成本,設(shè)計(jì)出多臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)控制方案,通過(guò)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)氣罐氣壓,分析當(dāng)前工作風(fēng)鎬的數(shù)量,動(dòng)態(tài)調(diào)整工作空壓機(jī)的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)以最少空壓機(jī)工作維持所需工作氣壓。運(yùn)行結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)顯著降低了能耗,并提高了建筑用空壓機(jī)自動(dòng)化管理水平。

建筑用空壓機(jī)；能耗；聯(lián)動(dòng)控制；動(dòng)態(tài)調(diào)整

引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染嚴(yán)重,已經(jīng)成為全球發(fā)展所面臨的共同難題。我國(guó)是能源資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家,為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的宏觀戰(zhàn)略計(jì)劃和重慶市建委有關(guān)安全生產(chǎn)文明施工的要求,施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,既要節(jié)能減排,又能對(duì)安全生產(chǎn)文明施工給予提升。

建筑用空氣壓縮機(jī)在建筑施工中起著很重要的作用,它生產(chǎn)壓縮空氣,用以帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)鎬等設(shè)備以及其他風(fēng)動(dòng)工具。目前,在建筑挖孔樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中,普遍采用一臺(tái)空壓機(jī)帶動(dòng)3把風(fēng)鎬工作,在沒(méi)有風(fēng)鎬工作或者不足3把風(fēng)鎬工作的時(shí)候,空壓機(jī)仍然在工作,不斷產(chǎn)生機(jī)器磨損和消耗電能,使空壓機(jī)電能消耗在建筑施工中占較大比重。建筑用空壓機(jī)功率通常在18.5kW/臺(tái),因此，如何降低建筑用壓縮機(jī)消耗對(duì)于響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的指示以及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益十分重要。

1 控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有建筑挖孔樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中,風(fēng)鎬數(shù)量通常在10～20套,配套用建筑空壓機(jī)數(shù)量在3～7臺(tái)；此外,目前多數(shù)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)中,空壓機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)隨便布置,使電線和氣管遍布施工現(xiàn)場(chǎng),進(jìn)而將安全隱患帶入施工現(xiàn)場(chǎng)。為此,采用將施工現(xiàn)場(chǎng)所有空壓機(jī)集中布置,各個(gè)空壓機(jī)輸出壓縮氣體到共用的高壓儲(chǔ)氣罐,而各個(gè)施工風(fēng)鎬連接到與儲(chǔ)氣罐相通的主管道,通過(guò)高速控制器實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)氣罐壓力值,分析當(dāng)前氣壓變化情況和工作風(fēng)鎬數(shù)量,動(dòng)態(tài)調(diào)整空壓機(jī)工作狀態(tài),一方面避免氣壓過(guò)高帶來(lái)空壓機(jī)卸載運(yùn)行,降低空壓機(jī)能耗；同時(shí),通過(guò)控制算法快速?zèng)Q策出工作空壓機(jī)和非工作空壓機(jī),避免多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)或關(guān)閉造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊,而且可以避免某臺(tái)空壓機(jī)頻繁啟動(dòng)而帶來(lái)空壓機(jī)壽命縮短,從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 多空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

圖1中,每臺(tái)控制器最多可以同時(shí)控制8臺(tái)空壓機(jī)工作,用戶可以根據(jù)工地實(shí)際情況,調(diào)整空壓機(jī)數(shù)量（結(jié)合投入成本,本控制系統(tǒng)適用于工地挖孔樁數(shù)量較多,投入空壓機(jī)4臺(tái)以上比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用）。由于建筑工地環(huán)境特殊,為保障控制系統(tǒng)可靠、安全工作,對(duì)于儲(chǔ)氣罐氣壓監(jiān)測(cè),采用兩臺(tái)壓力變送器同時(shí)采集氣壓,如果某一臺(tái)壓力表?yè)p壞或工作不正常,由控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào),通過(guò)報(bào)警裝置通知現(xiàn)場(chǎng)工作人員檢查氣壓表連線是否出現(xiàn)問(wèn)題或者檢查壓力表是否被損壞。

該控制系統(tǒng)考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)鎬作業(yè)的間斷性,會(huì)導(dǎo)致空氣氣壓的不穩(wěn)定,增加使用了容積為1.6m3空氣儲(chǔ)氣罐,該氣罐的容許壓力為≤1.6 MPa.,以此作為穩(wěn)定氣壓的過(guò)渡裝置。該氣罐用4mm厚的Q235鋼板制作,表面作防銹處理,接口處采用J422結(jié)構(gòu)鋼焊條雙面滿焊。氣罐上安裝壓力表,壓力變送器,安全閥,調(diào)節(jié)壓力閥,空氣進(jìn)出導(dǎo)管及管道閥門。

空壓機(jī)的氣體輸出采用直徑25mm的橡膠管,儲(chǔ)氣罐氣體輸出采用直徑75mm的鍍鋅鋼管作為主管,根據(jù)需要設(shè)置閥門并架空安裝。風(fēng)鎬末端與主管之間仍然采用直徑25mm的橡膠管連接,接口處用8號(hào)鐵絲扎緊,保證現(xiàn)場(chǎng)的規(guī)范整潔,達(dá)到安全文明工地的要求。

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器作為空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部件,主要包括電源處理模塊、CPU模塊、氣壓信號(hào)采集模塊,空壓機(jī)控制信號(hào)輸出模塊,狀態(tài)和報(bào)警信號(hào)處理模塊。控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于建筑工地強(qiáng)電設(shè)備較多,電磁干擾嚴(yán)重,為避免高速處理器采集模擬信號(hào)出現(xiàn)異常波動(dòng),采用帶有隔離功能的器件將模擬電源和數(shù)字電源分割開,提高模擬信號(hào)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖2 控制器結(jié)構(gòu)圖

在圖2中,由于建筑工地氣槍所用氣壓通常在0.3MPa～0.45MPa,有效氣壓范圍較小,選用量程為1.6MPa的壓力變送器,其輸出信號(hào)為4-20mA的電流信號(hào)。信號(hào)處理電路通過(guò)精密電阻獲取各個(gè)壓力變送器的實(shí)時(shí)電壓,高速處理器將該信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后,再通過(guò)控制算法分析壓力改變情況,決策出空壓機(jī)的未來(lái)工作改變趨勢(shì),進(jìn)而發(fā)出控制命令。

由于建筑工地使用的空壓機(jī)通常功率較大(20kW),為提高控制系統(tǒng)可靠性,將控制器輸出信號(hào)首先通過(guò)光電隔離,再通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)與空壓機(jī)相連的交流接觸器,考慮到三相電源可能出現(xiàn)斷相的情況,在接觸器的輸出端接入熱保護(hù)裝置和斷相保護(hù)裝置。

考慮到控制系統(tǒng)的操作安全要求,在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了報(bào)警裝置。當(dāng)儲(chǔ)氣罐氣壓出現(xiàn)異常（儲(chǔ)氣罐氣壓超過(guò)安全氣壓極限值）或壓力變送器采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào),通知相關(guān)工作人員檢查空壓機(jī)、壓力變送器等相關(guān)設(shè)備。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

建筑工地風(fēng)鎬工作氣壓一般要求大于0.3MPa,如果風(fēng)鎬工作層面的地質(zhì)硬度較大,則氣壓至少滿足0.35MPa。因此將空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中儲(chǔ)氣罐有效氣壓最小值設(shè)置為0.35MPa,正常工作時(shí)間段,如果儲(chǔ)氣罐氣壓低于該值,控制器自動(dòng)打開空壓機(jī),使其向儲(chǔ)氣罐輸送氣體,直到氣壓達(dá)到有效范圍。20kW空壓機(jī)安全閥氣壓通常在0.6MPa,控制系統(tǒng)中儲(chǔ)氣罐安全氣壓為0.55MPa,當(dāng)儲(chǔ)氣罐氣壓大于0.55MPa時(shí),其安全閥門自動(dòng)打開釋放氣體,因此,為有效控制空壓機(jī)工作數(shù)量和確保氣壓在安全值以下,將變送器檢測(cè)儲(chǔ)氣罐最大有效氣壓設(shè)置為0.48MPa,因此,一旦控制器檢測(cè)到儲(chǔ)氣罐氣壓大于0.48MPa時(shí),開始逐漸關(guān)閉多于的空壓機(jī),使儲(chǔ)氣罐氣壓維持在一個(gè)有效、安全的范圍?？諌簷C(jī)狀態(tài)切換與儲(chǔ)氣罐氣壓關(guān)系p可以用式(1)表示。

式(1)中,控制器逐漸打開或關(guān)閉空壓機(jī)過(guò)程是指控制器在進(jìn)行空壓機(jī)狀態(tài)切換后,及時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)氣罐氣壓,一旦儲(chǔ)氣罐氣壓回歸到正常狀態(tài),則控制器停止空壓機(jī)工作狀態(tài)切換控制,從而提高儲(chǔ)氣罐氣壓穩(wěn)定性。如果控制器重新打開或關(guān)閉一臺(tái)空壓機(jī)后,分析到儲(chǔ)氣罐氣壓繼續(xù)維持在不正常范圍,如繼續(xù)呈現(xiàn)為：p＞0.48MPa或者是p＜0.35MPa,則在下一個(gè)周期,控制器繼續(xù)進(jìn)行空壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)整。

建筑用空壓機(jī)通常功率較大,啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)有較大沖擊,對(duì)于有多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)工作的場(chǎng)地,如果多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng),勢(shì)必造成電網(wǎng)損傷或者總開關(guān)跳閘,因此對(duì)于這種應(yīng)用,必須考慮空壓機(jī)逐個(gè)啟動(dòng)。另外,大功率三相電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中,頻繁啟停,容易損壞電機(jī)。本控制器通過(guò)軟件設(shè)置,在空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)控制中必須考慮合理的電機(jī)啟停間隔時(shí)間,每臺(tái)空壓機(jī)從停機(jī)到重新啟動(dòng)間隔時(shí)間至少滿足30秒,在不影響工地氣壓穩(wěn)定性基礎(chǔ)上,盡可能減少或消除電機(jī)頻繁啟動(dòng)問(wèn)題。同時(shí),連續(xù)多臺(tái)空壓機(jī)啟動(dòng)或停機(jī)相鄰間隔時(shí)間也設(shè)置為30秒,一方面避免多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)帶來(lái)加大電網(wǎng)沖擊,也避免多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)停機(jī)對(duì)于控制器電源的沖擊,從而提高控制器自身的穩(wěn)定性。

在單片機(jī)控制系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中,一般均含有多種噪聲和干擾,他們來(lái)自被測(cè)信號(hào)源本身、傳感器、外界干擾等。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制,必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾。在建筑工地中空壓機(jī)開關(guān)和其他強(qiáng)電設(shè)備帶來(lái)的干擾多為脈沖擾動(dòng),剔除這類干擾常采用數(shù)字濾波算法。若采用一般的求平均值的數(shù)字濾波算法,則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果中去,故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣值偏差。防脈沖干擾平均值算法先對(duì)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,去掉其中的最大值和最小值,然后計(jì)算余下的個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值,具體計(jì)算公式可表示為下式(2)：

式(2)中,x(1)≤x(1)≤x(1)…x(N)；N＞3。在本系統(tǒng)應(yīng)用中,N取值30。前后舍棄數(shù)據(jù)各為5個(gè),再取中間20個(gè)數(shù)據(jù)取平均值。儲(chǔ)氣罐氣壓分析的程序流程圖如圖3所示。

控制器上電運(yùn)行時(shí),首先延時(shí)10秒鐘后啟動(dòng)第一臺(tái)空壓機(jī),考慮到實(shí)際運(yùn)行中需要儲(chǔ)氣罐保持一定氣壓,因此將第一臺(tái)空壓機(jī)設(shè)置為常開狀態(tài),而其他空壓機(jī)需要進(jìn)行開關(guān)控制。當(dāng)運(yùn)行中出現(xiàn)異常氣壓,如氣壓大于極限值或者讀取儀表數(shù)據(jù)為0時(shí),控制器輸出報(bào)警信號(hào),并自動(dòng)關(guān)閉除第一臺(tái)外的其他空壓機(jī)。

圖3 分析儲(chǔ)氣罐氣壓的程序流程圖

控制器在正常工作時(shí),分析得到儲(chǔ)氣罐的氣壓,根據(jù)氣壓結(jié)果,利用式(1)決策當(dāng)前空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整機(jī)制,如果當(dāng)前分析到儲(chǔ)氣罐氣壓在穩(wěn)定范圍,則空壓機(jī)狀態(tài)維持原狀,否則開始調(diào)整,并啟動(dòng)相關(guān)計(jì)時(shí)器,嚴(yán)格控制各個(gè)空壓機(jī)的間隔時(shí)間?？刂破魍暾某绦蛄鞒虉D如圖4所示。

圖4 控制器完整的程序流程圖

4 控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

結(jié)合正處在基礎(chǔ)施工階段的工程,根據(jù)施工流水作業(yè)的需要,我們?cè)谑┕がF(xiàn)場(chǎng)安裝共計(jì)6臺(tái)空壓機(jī),分別按照1、2、3、4、5、6對(duì)應(yīng)編號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)總計(jì)有18把風(fēng)鎬工作,接好所有的設(shè)備控制裝置,按照該設(shè)計(jì)的工作程序,進(jìn)行調(diào)試完畢之后,接通控制箱電源,觀察控制板的紅色燈亮,合上配電箱的空氣開關(guān),接通空壓機(jī)電源。為了試驗(yàn)6臺(tái)空壓機(jī)全部工作的最大工作狀況,我們安排全部風(fēng)鎬處于工作狀態(tài),同時(shí)開始計(jì)算時(shí)間,相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。此時(shí)所有空壓機(jī)全部開完。所有機(jī)器工作約5分鐘后,安排3把風(fēng)鎬停止工作,這時(shí),空壓機(jī)和儲(chǔ)氣罐的安全閥打開,說(shuō)明壓力開始富余,約30秒鐘后6號(hào)空壓機(jī)停止工作。此時(shí)壓力表測(cè)試到壓力為0.52MPa。隨后安排6把風(fēng)鎬停止工作,約60秒鐘后,5號(hào)空壓機(jī)停止工作,此時(shí)壓力表測(cè)試到壓力為0.48MPa。依次按照3把風(fēng)鎬的增加停止工作,4、3、2號(hào)空壓機(jī)逐漸停止工作。最后3把風(fēng)鎬停止工作時(shí),1號(hào)空壓機(jī)未停止工作,安全閥打開。1號(hào)空壓機(jī)是設(shè)計(jì)的常開空壓機(jī),所以1號(hào)空壓機(jī)不會(huì)停止工作。隨后,按照正常的生產(chǎn)情況使用風(fēng)鎬,該現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)基本保持在2～3臺(tái)空壓機(jī)長(zhǎng)期工作的狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的空壓機(jī)啟停的時(shí)間關(guān)系如表1所示。表1中數(shù)據(jù)符合理論設(shè)計(jì)要求,同時(shí)也驗(yàn)證了該空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

表1 現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)啟停控制時(shí)間關(guān)系

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)建筑用空壓機(jī)節(jié)能減排的目標(biāo),項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。通過(guò)集中布置空壓機(jī),通過(guò)高速處理器采集和分析儲(chǔ)氣罐氣壓值,結(jié)合控制算法決策各個(gè)空壓機(jī)的工作狀況,實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)空壓機(jī)動(dòng)態(tài)管理,在不犧牲風(fēng)鎬正常工作情況下,盡可能減少工作空壓機(jī)的臺(tái)數(shù),避免在少量氣壓需求時(shí)打開所有空壓機(jī),從而實(shí)現(xiàn)降低工地用電量,并且減少部分空壓機(jī)的磨損,間接延長(zhǎng)部分空壓機(jī)的使用年限；此外,通過(guò)空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)控制,達(dá)到了使施工現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)文明施工的目的。

責(zé)任編輯：余詠梅

施工安全

安全繩何時(shí)成為救命繩

在建筑行業(yè)里，一提起"安全帽、安全帶、安全繩"的話，都會(huì)不約而同地說(shuō)："它們是建筑工人的三大寶"，尤其對(duì)于那些從事高處作業(yè)的人員來(lái)說(shuō)，是他們施工現(xiàn)場(chǎng)必備的日常防護(hù)用品，更是他們確保自身安全的"救命稻草"。

其實(shí)，在施工行業(yè)里這種現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，有些施工單位片面追求經(jīng)濟(jì)效益。把一些高危險(xiǎn)性、不贏利或贏利較低的部分附屬工程轉(zhuǎn)包或分包給其他企業(yè)，"一包了之"，當(dāng)起了"甩手掌柜"，像一些施工項(xiàng)目的外墻外保溫、外墻抹灰、清洗、腳手架、防護(hù)棚等附屬工程大多采取如此方式，而作為總承包施工單位既不把他們納入本單位用工管理范圍，也不給他們進(jìn)行上崗前的應(yīng)知應(yīng)會(huì)正規(guī)培訓(xùn)，只是按施工天數(shù)一次性付工錢。如此一來(lái)，讓那些連起碼的安全施工常識(shí)都沒(méi)有的工人來(lái)從事施工，肯定會(huì)出事故。近年來(lái)，從全國(guó)建筑業(yè)工傷事故發(fā)生的原因分析來(lái)看，有90%是由不應(yīng)發(fā)生的低級(jí)錯(cuò)誤造成的，而且事故數(shù)量呈上升勢(shì)頭。為此，國(guó)務(wù)院辦公廳下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步做好農(nóng)民工培訓(xùn)工作的指導(dǎo)意見》文件，我們應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行。

但愿我們的施工企業(yè)能夠切實(shí)抓好工人的培訓(xùn)工作，讓他們掌握好最起碼的安全防護(hù)常識(shí)和基本的操作技能。俗話說(shuō)："隔行如隔山"，建筑行業(yè)也有其自身的特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)要求，使"安全帽、安全帶、安全繩"，發(fā)揮好"三寶"作用，使安全繩真正成為工人的"救命繩"。（摘自：《建筑工人》）

Design of Joint Operation Control System in Multi-Air Compressors

Due to the great power and high energy the air compressor consumes,how to reduce as much as possible the energy consumption of the air compressor is a technological transformation key point that many engineering companies show extreme concerns.In order to reduce the energy consumption and save construction cost,we have designed the control system of several air compressors'joint operation.The system will achieve the goal of using the fewest air compressors to keep the pressure needed in work through testing the pressure in the gas tank at any time by using a controller to analyze the amount of pneumatic pick in the current work,and to adjust the dynamical quantity of air compressors.The result of the operation indicates that the controlling system has remarkably reduced the energy consumption,and improved the level of automation management in using air compressors in construction projects.

using air compressors for construction;energy consumption;linkage control;dynamic adjustment

TU67

A

1671-9107（2011）11-0042-04

10.3969 ／ j.issn.1671-9107.2011.11.042

2011-05-26

劉陽(yáng)（1973-）男,本科,工程師,重慶建工住宅建設(shè)有限公司總經(jīng)理助理兼第四工程項(xiàng)目部經(jīng)理。