刘阳李传勇张瑜

（重庆建工集团股份有限公司住宅建设有限公司重庆400014）

多台空压机联动控制系统的设计

刘阳,李传勇,张瑜

（重庆建工集团股份有限公司住宅建设有限公司重庆400014）

建筑用空压机功率大、能耗高,如何尽可能降低空压机能耗是很多建筑施工单位极为关注的技术改造内容。为降低空压机能耗并节约建筑成本,设计出多台空压机联动控制方案,通过控制器实时检测储气罐气压,分析当前工作风镐的数量,动态调整工作空压机的数量,实现以最少空压机工作维持所需工作气压。运行结果表明,该控制系统显著降低了能耗,并提高了建筑用空压机自动化管理水平。

建筑用空压机；能耗；联动控制；动态调整

引言

能源危机和环境污染严重,已经成为全球发展所面临的共同难题。我国是能源资源严重短缺的国家,为响应国家节能减排的宏观战略计划和重庆市建委有关安全生产文明施工的要求,施工现场对施工技术进行技术创新,既要节能减排,又能对安全生产文明施工给予提升。

建筑用空气压缩机在建筑施工中起着很重要的作用,它生产压缩空气,用以带动风动凿岩机、风镐等设备以及其他风动工具。目前,在建筑挖孔桩基础施工过程中,普遍采用一台空压机带动3把风镐工作,在没有风镐工作或者不足3把风镐工作的时候,空压机仍然在工作,不断产生机器磨损和消耗电能,使空压机电能消耗在建筑施工中占较大比重。建筑用空压机功率通常在18.5kW/台,因此，如何降低建筑用压缩机消耗对于响应国家节能减排的指示以及提高企业的经济效益十分重要。

1 控制系统系统结构设计

现有建筑挖孔桩基础施工过程中,风镐数量通常在10～20套,配套用建筑空压机数量在3～7台；此外,目前多数建筑施工现场中,空压机在施工现场随便布置,使电线和气管遍布施工现场,进而将安全隐患带入施工现场。为此,采用将施工现场所有空压机集中布置,各个空压机输出压缩气体到共用的高压储气罐,而各个施工风镐连接到与储气罐相通的主管道,通过高速控制器实时采集储气罐压力值,分析当前气压变化情况和工作风镐数量,动态调整空压机工作状态,一方面避免气压过高带来空压机卸载运行,降低空压机能耗；同时,通过控制算法快速决策出工作空压机和非工作空压机,避免多台空压机同时启动或关闭造成对电网的冲击,而且可以避免某台空压机频繁启动而带来空压机寿命缩短,从而实现多台空压机联动自动控制。控制系统示意图如图1所示。

图1 多空压机联动控制系统示意图

图1中,每台控制器最多可以同时控制8台空压机工作,用户可以根据工地实际情况,调整空压机数量（结合投入成本,本控制系统适用于工地挖孔桩数量较多,投入空压机4台以上比较经济实用）。由于建筑工地环境特殊,为保障控制系统可靠、安全工作,对于储气罐气压监测,采用两台压力变送器同时采集气压,如果某一台压力表损坏或工作不正常,由控制器发出报警信号,通过报警装置通知现场工作人员检查气压表连线是否出现问题或者检查压力表是否被损坏。

该控制系统考虑到施工现场风镐作业的间断性,会导致空气气压的不稳定,增加使用了容积为1.6m3空气储气罐,该气罐的容许压力为≤1.6 MPa.,以此作为稳定气压的过渡装置。该气罐用4mm厚的Q235钢板制作,表面作防锈处理,接口处采用J422结构钢焊条双面满焊。气罐上安装压力表,压力变送器,安全阀,调节压力阀,空气进出导管及管道阀门。

空压机的气体输出采用直径25mm的橡胶管,储气罐气体输出采用直径75mm的镀锌钢管作为主管,根据需要设置阀门并架空安装。风镐末端与主管之间仍然采用直径25mm的橡胶管连接,接口处用8号铁丝扎紧,保证现场的规范整洁,达到安全文明工地的要求。

2 控制器设计

2.1 控制器硬件设计

控制器作为空压机联动自动化控制系统的核心部件,主要包括电源处理模块、CPU模块、气压信号采集模块,空压机控制信号输出模块,状态和报警信号处理模块。控制器结构如图2所示。由于建筑工地强电设备较多,电磁干扰严重,为避免高速处理器采集模拟信号出现异常波动,采用带有隔离功能的器件将模拟电源和数字电源分割开,提高模拟信号采集的准确性和可靠性。

图2 控制器结构图

在图2中,由于建筑工地气枪所用气压通常在0.3MPa～0.45MPa,有效气压范围较小,选用量程为1.6MPa的压力变送器,其输出信号为4-20mA的电流信号。信号处理电路通过精密电阻获取各个压力变送器的实时电压,高速处理器将该信号经过AD转换后,再通过控制算法分析压力改变情况,决策出空压机的未来工作改变趋势,进而发出控制命令。

由于建筑工地使用的空压机通常功率较大(20kW),为提高控制系统可靠性,将控制器输出信号首先通过光电隔离,再通过继电器驱动与空压机相连的交流接触器,考虑到三相电源可能出现断相的情况,在接触器的输出端接入热保护装置和断相保护装置。

考虑到控制系统的操作安全要求,在控制系统中设计了报警装置。当储气罐气压出现异常（储气罐气压超过安全气压极限值）或压力变送器采集数据出现异常,控制器发出报警信号,通知相关工作人员检查空压机、压力变送器等相关设备。

2.2 控制系统软件设计

建筑工地风镐工作气压一般要求大于0.3MPa,如果风镐工作层面的地质硬度较大,则气压至少满足0.35MPa。因此将空压机联动自动化控制系统中储气罐有效气压最小值设置为0.35MPa,正常工作时间段,如果储气罐气压低于该值,控制器自动打开空压机,使其向储气罐输送气体,直到气压达到有效范围。20kW空压机安全阀气压通常在0.6MPa,控制系统中储气罐安全气压为0.55MPa,当储气罐气压大于0.55MPa时,其安全阀门自动打开释放气体,因此,为有效控制空压机工作数量和确保气压在安全值以下,将变送器检测储气罐最大有效气压设置为0.48MPa,因此,一旦控制器检测到储气罐气压大于0.48MPa时,开始逐渐关闭多于的空压机,使储气罐气压维持在一个有效、安全的范围。空压机状态切换与储气罐气压关系p可以用式(1)表示。

式(1)中,控制器逐渐打开或关闭空压机过程是指控制器在进行空压机状态切换后,及时检测储气罐气压,一旦储气罐气压回归到正常状态,则控制器停止空压机工作状态切换控制,从而提高储气罐气压稳定性。如果控制器重新打开或关闭一台空压机后,分析到储气罐气压继续维持在不正常范围,如继续呈现为：p＞0.48MPa或者是p＜0.35MPa,则在下一个周期,控制器继续进行空压机运行台数调整。

建筑用空压机通常功率较大,启动时对电网有较大冲击,对于有多台空压机同时工作的场地,如果多台空压机同时启动,势必造成电网损伤或者总开关跳闸,因此对于这种应用,必须考虑空压机逐个启动。另外,大功率三相电机在实际应用中,频繁启停,容易损坏电机。本控制器通过软件设置,在空压机联动控制中必须考虑合理的电机启停间隔时间,每台空压机从停机到重新启动间隔时间至少满足30秒,在不影响工地气压稳定性基础上,尽可能减少或消除电机频繁启动问题。同时,连续多台空压机启动或停机相邻间隔时间也设置为30秒,一方面避免多台空压机同时启动带来加大电网冲击,也避免多台空压机同时停机对于控制器电源的冲击,从而提高控制器自身的稳定性。

在单片机控制系统的模拟输入信号中,一般均含有多种噪声和干扰,他们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制,必须消除被测信号中的噪声和干扰。在建筑工地中空压机开关和其他强电设备带来的干扰多为脉冲扰动,剔除这类干扰常采用数字滤波算法。若采用一般的求平均值的数字滤波算法,则干扰将“平均”到计算结果中去,故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的采样值偏差。防脉冲干扰平均值算法先对个数据进行比较,去掉其中的最大值和最小值,然后计算余下的个数据的算术平均值,具体计算公式可表示为下式(2)：

式(2)中,x(1)≤x(1)≤x(1)…x(N)；N＞3。在本系统应用中,N取值30。前后舍弃数据各为5个,再取中间20个数据取平均值。储气罐气压分析的程序流程图如图3所示。

控制器上电运行时,首先延时10秒钟后启动第一台空压机,考虑到实际运行中需要储气罐保持一定气压,因此将第一台空压机设置为常开状态,而其他空压机需要进行开关控制。当运行中出现异常气压,如气压大于极限值或者读取仪表数据为0时,控制器输出报警信号,并自动关闭除第一台外的其他空压机。

图3 分析储气罐气压的程序流程图

控制器在正常工作时,分析得到储气罐的气压,根据气压结果,利用式(1)决策当前空压机运行状态的调整机制,如果当前分析到储气罐气压在稳定范围,则空压机状态维持原状,否则开始调整,并启动相关计时器,严格控制各个空压机的间隔时间。控制器完整的程序流程图如图4所示。

图4 控制器完整的程序流程图

4 控制系统现场试验

结合正处在基础施工阶段的工程,根据施工流水作业的需要,我们在施工现场安装共计6台空压机,分别按照1、2、3、4、5、6对应编号。现场总计有18把风镐工作,接好所有的设备控制装置,按照该设计的工作程序,进行调试完毕之后,接通控制箱电源,观察控制板的红色灯亮,合上配电箱的空气开关,接通空压机电源。为了试验6台空压机全部工作的最大工作状况,我们安排全部风镐处于工作状态,同时开始计算时间,相关实验数据见表1。此时所有空压机全部开完。所有机器工作约5分钟后,安排3把风镐停止工作,这时,空压机和储气罐的安全阀打开,说明压力开始富余,约30秒钟后6号空压机停止工作。此时压力表测试到压力为0.52MPa。随后安排6把风镐停止工作,约60秒钟后,5号空压机停止工作,此时压力表测试到压力为0.48MPa。依次按照3把风镐的增加停止工作,4、3、2号空压机逐渐停止工作。最后3把风镐停止工作时,1号空压机未停止工作,安全阀打开。1号空压机是设计的常开空压机,所以1号空压机不会停止工作。随后,按照正常的生产情况使用风镐,该现场空压机基本保持在2～3台空压机长期工作的状态。现场实验的空压机启停的时间关系如表1所示。表1中数据符合理论设计要求,同时也验证了该空压机联动自动化控制系统能够达到设计的要求。

表1 现场空压机启停控制时间关系

5 结论

为实现建筑用空压机节能减排的目标,项目设计了多台空压机联动自动化控制系统。通过集中布置空压机,通过高速处理器采集和分析储气罐气压值,结合控制算法决策各个空压机的工作状况,实现了多台空压机动态管理,在不牺牲风镐正常工作情况下,尽可能减少工作空压机的台数,避免在少量气压需求时打开所有空压机,从而实现降低工地用电量,并且减少部分空压机的磨损,间接延长部分空压机的使用年限；此外,通过空压机联动控制,达到了使施工现场安全生产文明施工的目的。

责任编辑：余咏梅

施工安全

安全绳何时成为救命绳

在建筑行业里，一提起"安全帽、安全带、安全绳"的话，都会不约而同地说："它们是建筑工人的三大宝"，尤其对于那些从事高处作业的人员来说，是他们施工现场必备的日常防护用品，更是他们确保自身安全的"救命稻草"。

其实，在施工行业里这种现象时有发生，有些施工单位片面追求经济效益。把一些高危险性、不赢利或赢利较低的部分附属工程转包或分包给其他企业，"一包了之"，当起了"甩手掌柜"，像一些施工项目的外墙外保温、外墙抹灰、清洗、脚手架、防护棚等附属工程大多采取如此方式，而作为总承包施工单位既不把他们纳入本单位用工管理范围，也不给他们进行上岗前的应知应会正规培训，只是按施工天数一次性付工钱。如此一来，让那些连起码的安全施工常识都没有的工人来从事施工，肯定会出事故。近年来，从全国建筑业工伤事故发生的原因分析来看，有90%是由不应发生的低级错误造成的，而且事故数量呈上升势头。为此，国务院办公厅下发了《关于进一步做好农民工培训工作的指导意见》文件，我们应认真执行。

但愿我们的施工企业能够切实抓好工人的培训工作，让他们掌握好最起码的安全防护常识和基本的操作技能。俗话说："隔行如隔山"，建筑行业也有其自身的特点和标准要求，使"安全帽、安全带、安全绳"，发挥好"三宝"作用，使安全绳真正成为工人的"救命绳"。（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

刘阳（1973-）男,本科,工程师,重庆建工住宅建设有限公司总经理助理兼第四工程项目部经理。