牛同威

（一汽轿车股份有限公司，吉林 长春 130000）

自动冲压线使用的高压压缩空气具有用气量大、用气点多的特点，通常储存于一个或多个压力容器内，其气体供给由活塞式空压机提供，传统气源设计方案为单台空压机增压空气后存储于压力容器内，再供应系统其它用气部位。该种方案由于空压机运行时间较长，故障率较高，包括电机过热、泵头磨损、皮带老化等，并且一旦损坏，更换和恢复的时间花费较多。双空压机系统的空气供给方案，通过均衡两台压缩机的运行时间，降低单台设备运行负荷，可实现不同压力条件下的自动切换，以完成系统压缩空气的供应。

1 双空压机系统

1.1 双空压机系统运行时间分析

对于空压机系统来说，启停条件是由安装于压力容器上的电子压力传感器决定的，根据压力容器内的气体压力，判断整个系统气压的充足与否。传感器选型为IFM公司产品PN5002，测量范围0～100bar，对于气体介质来说，最大压力为25bar。

由于压力容器内的气体压力是一个波动值，采用迟滞功能有助于稳定开关输出状态，设置开点（SP）和关点（rP），为了保证系统压力在一定范围达到使用需求，设定空压机在容器压力回落至关点（rp）时应开始工作，当压力上升至开点（SP）时应停止工作。在保障出口气体压力基本相同的前提下，单空压机系统选用功率较大的电动机（M0）作为原动力，双空压机系统对应选用两台较小功率电动机（M1+M2）作为原动力，假定两种系统所处工况一致，则根据该原则可得到单空压机系统和双空压机系统的运行时序图，如图1。

图1 单空压机系统与双空压机系统运行时序图

引入参数q，定义为空压机在一个运行周期内的空闲时间与运行时间的比值，q值越大，表明运行周期内设备承载运行压力越小。令单空压机、双空压机系统中q分别为q1和q2。

（1）一般工作状态。系统压降可通过单台空压机工作进行补偿，通常运行时间小于空闲时间。单空压机系统中空压机M0的运行时间为Tw，双空压机系统中单台空压机M1（或M2）的运行时间为2Tw，两种系统中空压机的空闲时间为Tf。

在单空压机系统中，M0连续两次运行的时间间隔为Tf，则。

在双空压机系统中，M1与M2交替运行，针对其中一台空压机，连续两次运行的时间间隔为2Tw+2Tf，则

可以看到，一般工作状态下，双空压机系统中尽管空压机每次运行的时间变长，但两次运行的时间间隔相比单空压机系统大大增加，导致其q值大于单空压机系统。

（2）重载工作状态。系统压降无法通过单台空压机工作进行补偿，通常运行时间大于空闲时间。单空压机系统中空压机M0的运行时间为Tw，双空压机系统中空压机运行时间包括两部分，即单台空压机M1（或M2）的运行时间Tw1和两台空压机（M1+M2）共同运行时间Tw，两种系统中空压机的空闲时间为Tf。

在单空压机系统中，M0连续两次运行的时间间隔为Tf，

在双空压机系统中，压力下降初期投入一台空压机（M1或M2）运行，压力持续下降后两台空压机（M1+M2）共同运行。针对其中一台空压机，连续两次运行的时间间隔包括两种情况，两种情况是交替进行的。

①运行Tw+Tw1后，与下一次运行时间间隔为Tf+Tw1，则

针对该种情况，q2可经由运算得到以下结果：

②运行Tw后，与下一次运行时间间隔为Tf，

图2 双空压机系统气动原理图

综合以上，无论在何种工作状态下，双空压机系统中空压机的使用时间和频率均低于单空压机系统，避免了设备长期连续的运行损耗，有利于延长设备的使用寿命、降低电机及活塞式泵头故障率。同时在双空压机系统中对其中一台空压机进行更换或维修时，并不影响整体系统运行，基本消除了设备停机。

1.2 双空压机系统结构设计

外界低压供气压力6bar，根据空压机选型不同也可以采用直接由空气供气。气体通过两组独立的空压机系统进行加压，将压缩空气送入压力存储容器内，压力容器上安装有压力传感器，通过采集压力状态送入PLC用以控制空压机的接通和切换。双空压机系统气动原理图如图2。

针对空压机1（M11）和空压机2（M12），Y13、Y14分别为气源接通电磁阀，可控制外界供气的通断；Y15、Y16分别为无压启动电磁阀，在空压机刚开始启动的10s内，电磁阀接通，空压机不向压力容器内供给压缩空气，当空压机稳定运行时，开始向压缩容器内供气；F14、F15分别为润滑油位检测传感器，检查泵头内润滑油油量防止严重机械磨损。

F11安装于外界供气管路，检测气体供应压力是否满足要求；F12安装于压缩容器通往系统管路，采用双通道，分别检测双空压机系统的低压供气压力（Hno，5.5-4.5bar）与高压供气压力（Hno，16-15.5bar），外界供气可直接通过单向阀对压力容器进行充压，当预充气完毕后，控制Y11、Y12接通切换为压力容器向系统供气；F13、F14安装于压力容器上，其中F13采用单通道（Hnc，25-23bar），F14采用双通道（Hnc，24-21bar；Hno，16-15.5bar），作为判断双空压机运行的前提条件。

2 双空压机运行控制

2.1 空压机投切规则

双空压机系统（M1+M2）中两台空压机的投入和切除时机是由系统压力值决定的，根据压力容器内部的压力范围可将系统分为3种压力状态（P1、P2、P3），与其对应有3种空压机运行状态（C1、C2、C3）。3种状态的对应关系如下：①压力充足状态P1—＞2台空压机均不运行C1；②压力欠缺状态P2—＞一台空压机运行C2；③压力不足状态P3—＞2台空压机均运行C3。

其中压力充足状态P1指压力达到25bar后，不低于23bar的状态。压力欠缺状态P2指压力下降低于23bar，但高于21bar的状态。压力不足状态P3是指系统压力低于21bar的状态。

空压机运行状态与压力波动关系示意图如图3。

图3 空压机投切时机与压力关系图

双空压机的投切采取交替运行的方式，几种不同工况下的投切方式如下：①当系统首次补充压力（P3）情况下（即从未达到峰值25bar），采取两台空压机共同运行方式（C3）；②当系统达到压力峰值25bar时，两台空压机进入休眠状态，在压力下降不低于23bar之前（P1），两台空压机均不运行（C1）；③随着系统气体的使用，压力低于23bar时（P2），采取一台空压机运行方式（C2），该台空压机加压使系统压力升高，再次达到25bar时，空压机进入休眠状态（C1）；④下一个循环周期，压力从25bar下降再次低于23bar时（P2），切换为另一台空压机运行方式（C2）；⑤当系统重载工作，即一台空压机运行无法补充气体消耗，随着系统压力持续下降低于21bar时（P3），采取两台空压机共同运行方式（C3）。

2.2 空压机均衡投入

理想双空压机系统中两台空压机的运行时间接近一致，称为空压机的均衡投入。当处于P1和P3状态时，2台空压机的运行状态一致，运行时间无差异，仅当处于P2状态时，两台空压机运行状态不一致，运行时间产生差异。实现空压机的均衡投入即在P2状态下平衡两台空压机的运行时间，这需要在每个工作周期开始前判断该空压机是否参与上个工作周期，实现两台空压机交替参与工作周期。

2台空压机均衡参与工作周期的4个原则为：原则①：1台空压机的工作周期（升压至25bar）已完成才能进入另1台空压机的工作周期；原则②：切换选择在一个工作周期内不发生变化，直至下一个工作周期开始；原则③：压力欠缺时开始切换选择；原则④：参与上一个工作周期的空压机不参与本次工作周期。

需要3个条件完成均衡切换：①压力测量传感器（I23.3），设定压力，判断工作周期的起止压力点；②切换前提标志位（M46.1），判断上一台空压机是否完成工作周期；③空压机选择标志（M46.0），储存当前选择状态，表示选择哪台空压机，为1表示空压机1工作，为0表示空压机2工作。PLC程序如图4。

图4 空压机均衡切换选择

其中I23.3采用PN5002传感器输出的数字量信号，设定SP为25bar，rP为23bar，信号模式采用Hnc，即滞后模式常闭：压力高于25bar时输出低电平，压力低于23bar时输出高电平。

系统在首次升压达到25bar后开始进入均衡投入状态。切换前提标志位（M46.1）在当压力达到25bar时置位1，即上一台空压机已完成工作周期，允许切换动作执行，满足原则①；当压力低于23bar时，I23.3接通，允许空压机切换选择，满足原则③；若上一个周期空压机1未参与工作（M46.0初始状态为0），则置位空压机1选择（M46.0），令空压机1参与此次工作周期，满足原则④，同时复位切换前提标志位（M46.1），锁定此次工作周期的空压机状态，满足原则②；同理，若上一个周期空压机1参与工作（M46.0初始状态为1），则复位空压机1选择（M46.0），令空压机2参与此次工作周期，同时复位切换前提标志位（M46.1），锁定此次工作周期的空压机选择状态，以此实现两台空压机交替切换投入使用。

2.3 空压机运行控制

空压机运行控制程序可分为三部分，即接通前提、工况判断、设备启动。

接通前提包括判断两台空压机保护断路器是否脱扣、外界气体供给压力是否正常（可选择）、预充压是否达到压力（可选择）、空气干燥器运行是否正常、两台空压机润滑油位是否正常。

工况判断包括两部分，其一是系统首次充压，即空压机在初始启动状态，此时两台空压机的接通逻辑一致，一起运行；其二是系统压力达到25bar之后，激活均衡选择切换程序，压力在21-23bar时启动一台空压机运行，通过选择标志M46.0进行空压机1和2的切换运行，压力在低于21bar后，两台空压机接通逻辑一致，一起运行。

设备启动包括两部分，其一是动力接通，即同时接通供气电磁阀与空压机主接触器，空压机启动运行；其二是无压启动，即空压机启动运行10s时间段内空压机产生的压缩气体直接排出至大气，不进入压缩容器，当空压机入口出口压力接近一致时，出口电磁阀得电换向，空压机系统开始向压力容器内供气。

两台空压机接通控制程序如图5。

图5 空压机接通控制

4 结语

无论是对自动冲压线整体供气还是区域供气，双空压机系统相对于单空压机系统都有着独特的优势，该方案可有效延长设备使用寿命，大幅降低故障发生频次和故障恢复时间，对压机线气动系统的稳定性有着重要意义。