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空气压缩系统

2021-02-11 12:47:20

空气压缩系统

　　技术领域

　　本发明涉及空气压缩系统。

　　背景技术

　　向工厂内的各处提供压缩空气的空气压缩系统是将由空气压缩机压缩后的压缩空气暂时蓄积在空气罐中，并从该空气罐经由配管系统和空气压缩设备(过滤器、风筒、控制阀等)，向工厂内的气缸或鼓风机等的、在工厂的生产工序中消耗压缩空气的设备(终端)提供的配管设备。从空气压缩机的排出口至终端的空气配管系统中，越接近终端压力损失变得越大，由于空气压缩机的排出空气量和在终端的使用空气量的变化而压力损失也发生变化。另外，终端不仅限定于1个部位，由于其各自的排出空气的使用变动，压力损失也大幅地变化。

　　因此，为了将提供到终端的压缩空气的压力保持为规定压力以上，通常将最大压力损失计算在内将空气压缩机的排出压力的设定值设定得较高。但是，根据制造工序而终端的使用空气量发生变动的情况较多，另外，按每一天使用的排出空气量和压力大多也是不同的。使用空气量较少时上述压力损失变小，对于终端来说以无用的高压力进行运转。同时，在将空气压缩机的排出压力的设定值设为一定的情况下，使排出压力超出必要地上升，存在消耗多余的电力的问题。

　　为了获得节能效果并且实现供给压力的稳定，在现有技术中，进行对应于在终端的使用空气量变动的终端压力一定控制。即，以向终端的供给压力成为一定的方式变更空气压缩机的排出压力的方法。终端压力一定控制方法中包括推测终端压力控制和实测终端压力控制这两个方法。推测终端压力控制是基于推测压力损失的控制。关于压力损失的推测值，使用稳定状态下的配管系统模型并将最大压力损失计算在内来进行控制。

　　另外，推测终端压力控制中，在使用空气量与配管系统的压力损失的关系不明确的情况下，如专利文献1所记载，提案有预先调查相对任意的使用空气量的配管系统的压力损失，变更转速为一定的螺杆式空气压缩机的排出压力的上限和下限设定值的运转控制方法。

　　实测终端压力控制是基于终端的压力的实测值的控制。例如，如专利文献2所记载的，提案有在头部(header)设置压力检测装置，将压力信号传送至空气压缩机的控制装置，根据设定压力与实测终端压力的偏差量来计算新的排出压力的设定值，利用逆变器改变转速控制式空气压缩机的电动机的转速来进行控制的方法。

　　另一方面，如专利文献3所记载，在各终端附近设置压力检测装置，根据从空气压缩机的出口至各终端的压力差的变动量计算出新的排出压力的设定值，控制空气压缩机的方法。

　　现有技术文献

　　专利文献

　　专利文献1：日本专利第4425768号

　　专利文献2：日本特开2009-013961号

　　专利文献3：日本特开2010-024845号

　　发明内容

　　发明要解决的技术问题

　　在通常的空气压缩系统中，由于流量检测装置价格较高，所以直接获得使用空气量是比较困难的，在上述现有技术中，均对终端压力进行测量或预测，以通过压力监视来尽可能减少过剩的供给压力的方式使空气压缩机的排出压力变化。

　　但是，在多个终端的每一个中配管等的结构不同，因此从空气压缩机至各终端产生压力损失。另外，由于在各终端间空气的压缩、膨胀从而空气压缩机的排出压力的变化，直至终端压力的变化为止的时间延迟(例如数10秒至数分钟)产生差异，向各终端的供给压力与空气压缩机的排出压力的关系性不明确，因此难以进行控制。

　　提案有预先调查相对任意的使用空气量的配管系统的压力损失，并将其存储的方法。但是，相对使用空气量的配管系统的压力损失为非线性的，在各条件发生了变化的情况下，尤其是在复杂的配管系统中计算是困难的，因此这样的事先调查存在产生较大的误差的问题。另外，数据收集也要花费工时。

　　另外，提案有在头部设置压力检测装置，将压力信号传送至空气压缩机的控制装置，并根据设定压力与实测终端压力的偏差量计算新的排出压力的设定值，控制空气压缩机的方法。但是，由于越靠近终端，压力损失变得越大，通常，存在头部的压力与向终端的供给压力不相等的问题，如果保持该压力偏差量不变而作为修正压力采用，则空气压缩系统的控制变得不稳定。

　　另外，提案有在各终端附近设置压力检测装置，根据从空气压缩机的出口至各终端的压力差的变动量计算新的排出压力的设定值，来控制空气压缩机的方法。但是，在压力损失急剧变化的情况下，由于配管系统的体积，有时发生响应延迟的问题。另外，也不能应对没有压力传感器的情况和压力传感器发生故障的情况。

　　本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种考虑到作为响应延迟的主要原因的空气罐容量和配管系统的体积，并从流量控制的观点考虑，以对于多个终端根据使用空气量仅排出所需要的量的空气量的方式，实时地控制空气压缩机的装置。

　　用于解决问题的技术方案

　　为了达成上述目的，本发明例如提供一种空气压缩系统，将从空气压缩机排出的压缩空气经由空气罐和配管系统供给至要消耗压缩空气的多个终端，包括：测量空气压缩机的排出压力的压缩机压力传感器；各自测量对多个终端的供给压力的多个终端压力传感器；基于空气罐的容量、配管系统的信息以及排出压力和供给压力来计算偏差量信息的流量差运算装置；和基于偏差量信息控制空气压缩机的动作的控制装置。

　　发明效果

　　依据本发明，对于多个终端，能够配合压缩空气的实际使用状态以没有浪费的供给方法实时地控制空气压缩机。并且，能够基于评价体积响应的时间延迟的预测模型，在压力损失急剧变化的情况下，以没有响应延迟的稳定的动作防止不必要的电力消耗。

　　附图说明

　　图1是本发明的第1实施方式的空气压缩系统的概略结构图。

　　图2是本发明的第1实施方式的空气压缩系统的流量差运算装置的概略结构图。

　　图3是表示本发明的第1实施方式的空气压缩系统中的流量差运算装置的处理流程的说明图。

　　图4是表示从本发明的第1实施方式中的各传感器获取的时序测量值的具体例的说明图。

　　图5是本发明的第1实施方式的终端9～11的使用空气量的时序计算值和所有终端的使用空气量计算值。

　　图6是本发明的第1实施方式的空气压缩机的排出流量计算值。

　　图7是本发明的第1实施方式的所有终端的使用空气量和空气压缩机的排出流量的偏差量计算值。

　　图8的本发明的第2实施方式的空气压缩系统的概略结构图。

　　图9是本发明的第2实施方式的空气压缩系统的流量差运算装置的概略结构图。

　　图10是表示本发明的第2实施方式的空气压缩系统的流量差运算装置的处理流程的图。

　　图11是本发明的第3实施方式的空气压缩系统的概略结构图。

　　图12是本发明的第3实施方式的空气压缩系统的流量差运算装置的概略结构图。

　　图13是表示本发明的第3实施方式的空气压缩系统的流量差运算装置的处理流程的图。

　　图14是表示本发明的第4实施方式的空气压缩系统的流量差运算装置的处理流程的图。

　　具体实施方式

　　以下，参照附图说明用于实施本发明的方式(以下称为实施方式)的空气压缩系统。

　　实施例1

　　图1是本发明的第1实施方式的空气压缩系统的概略结构图。

　　图1所示的空气压缩系统包括空气压缩机单元1、空气罐7、配管系统8、终端9～11、终端压力传感器12～14和流量差运算装置15。

　　空气压缩机单元1将从大气吸入的空气A压缩并排出压缩空气。空气压缩机单元1包括空气压缩机主体2(空气压缩机)、空气压缩机排出部压力传感器3(压缩机压力传感器)、控制装置4、可变速装置5、电动机6。以下关于空气压缩机单元1的概略结构进行说明。

　　空气压缩机主体2吸入空气A并进行压缩。

　　空气压缩机排出部压力传感器3测量从空气压缩机主体2排出的压缩空气的压力。所测量的压力值被输出至控制装置4和流量差运算装置15。

　　控制装置4将空气压缩机排出部压力传感器3的压力测量值、流量差运算装置15的流量偏差量作为输入，以流量偏差量成为零的方式控制电动机6的转速，计算对电动机6的转速指令值并将其输出。关于用于控制电动机6的转速的转速指令值的具体的运算方法，例如利用专利文献2所记载的方法能够实现。

　　可变速装置5将转速指令值作为输入，输出为了使电动机6以指定的转速旋转所需要的电力。

　　电动机6经由空气压缩机主体2和旋转轴结合，基于所输入的电力进行旋转，驱动空气压缩机主体2。

　　以上是空气压缩机单元1的概略结构。

　　空气罐7是储存从空气压缩机供给来的压缩空气的装置。空气罐容量的大小是响应延迟的主要原因。

　　配管系统8包过过滤器、风筒、配管、弯头、分支、阀等的部件，从空气罐7排出的压缩空气经由配管系统8被供给到终端9～11。

　　终端压力传感器12～14测量被供给到终端9～11的压缩机空气的压力。所测量出的压力值被输出到流量差运算装置15。

　　流量差运算装置15将空气压缩机排出部压力传感器3的压力测量值、终端压力传感器12～14的压力测量值作为输入，输出终端9～11的使用空气量和空气压缩机的排出流量的偏差量ΔQ。

　　以下，使用图2说明流量差运算装置15的详细内容。流量差运算装置15包括压力测量值获取蓄积部100、空气罐容量、配管系统输入部101、配管模型存储部102、预测模型构建部103、终端流量预测部104、压缩机流量预测部105和流量偏差量运算部106。

　　压力测量值获取蓄积部100获取并保存空气压缩机排出部压力传感器3的压力测量值、终端压力传感器12～14的压力测量值，并输出到传感器测量值D1。

　　空气罐容量、配管系统输入部101接受为了计算在时序响应中的空气压缩系统内的空气的流动、压力损失所需要的数据的输入，并输出配管模型D2。上述数据具体是指，定义构成空气压缩系统的设备间的连接关系的数据、定义设备的属性(例如，对于配管是配管长度、配管口径等，对于空气罐是空气罐的容量)的数据、以及用于计算空气压缩机单元1的排出空气流量的数据。

　　配管模型存储部102由存储器或硬盘构成，保存空气罐容量、配管系统输入部101输出的配管模型D2。

　　预测模型构建部103由配管模型D2构建能够评价从空气压缩机至各终端的空气压力的传达延迟和压力损失的数值模型，并输出预测模型D3。

　　终端流量预测部104由预测模型D3计算终端9～11的使用空气量，并计算所有终端的使用空气量计算值D4，并将其输出。

　　压缩机流量预测部105由预测模型D3计算空气压缩机的排出流量，并输出空气压缩机的排出流量计算值D5。

　　流量偏差量运算部106由所有终端的使用空气量计算值D4、空气压缩机的排出流量计算值D5计算所有终端的使用空气量和空气压缩机的排出流量的差，并输出偏差量ΔQ。

　　以上是空气压缩系统的结构。接着，详细地说明流量差运算装置15的处理的内容。图3是表示在本发明的第1实施方式的空气压缩系统中的流量差运算装置15的处理流程。

　　作为步骤S1(测量值获取过程)，压力测量值获取蓄积部100将用空气压缩机排出部压力传感器3和终端压力传感器12～14获取的压力测量值保存在存储器或硬盘中，并输出传感器测量值D1。图4表示了保存以取样时间2秒从各传感器获取的测量值的具体例。

　　作为步骤S2(配管模型生成过程)，空气罐容量、配管系统输入部101输入为了计算在时序响应中的空气压缩系统内的空气的流动所需要的数据，并输出配管模型D2。配管模型D2通过配管模型存储部102被保存在存储器或硬盘中。

　　作为步骤S3(预测模型生成过程)，预测模型构建部103由配管模型D2构建能够评价从空气压缩机至各终端的空气压力的传达延迟和压力损失的数值模型，并输出预测模型D3。

　　作为步骤S4(终端流量、压缩机流量计算过程)，终端流量预测部104和压缩机流量预测部105由传感器测量值D1、预测模型D3计算终端9～11的使用空气量、空气压缩机的排出流量，输出所有终端的使用空气量计算值D4、空气压缩机的排出流量计算值D5。

　　作为步骤S5(流量偏差量计算过程)，流量偏差量运算部106由所有终端的使用空气量计算值D4、空气压缩机的排出流量计算值D5计算所有终端的使用空气量与空气压缩机的排出流量的差，并将偏差量ΔQ输出到控制装置4。在此，偏差量ΔQ例如如式1所示，将对于各个时刻的所有终端的使用空气量与空气压缩机的排出流量进行减法运算来计算。

　　式1：ΔQi＝D4i-D5i

　　控制装置4以消除偏差量ΔQ的方式控制电动机6。具体而言，如果偏差量ΔQ为正值则提高电动机6的转速，如果为负值则降低转速，由此能够以偏差量ΔQ接近0的方式进行控制。关于更详细的控制方法，例如可以进行PID控制那样的反馈控制，也可以以运算ΔQ成为0的电动机6的转速来指定电动机6的转速的方式进行控制。

　　使用图5～图7，说明计算本发明的第1实施方式的所有终端的使用空气量与空气压缩机的排出流量的差量的一例。

　　图5是表示由终端流量预测部104计算的终端9～11的使用空气量、以及在要输出的所有终端的使用空气量计算值D4中，相对于时刻00s～60s的60秒钟内的时序计算结果的例子。

　　图6是表示由压缩机流量预测部105计算的空气压缩机的排出流量计算值D5中，相对于时刻00s～60s的60秒钟内的时序计算结果的例子。

　　图7是由流量偏差量运算部106计算的偏差量ΔQ中，相对于时刻00s～60s的60秒钟内的时序计算结果。

　　以上是对流量差运算装置15的处理的详细内容的说明。

　　在本实施方式中，在流量偏差量运算部106中，不需要考虑关于向多个终端的供给压力与空气压缩机的排出压力的不明确的关系性，从根据在所有终端的使用空气量控制要供给流量的观点考虑，对于多个终端能够与压缩空气的使用实际状态相配合地用没有浪费的供给方法实时地控制空气压缩机。

　　另外，在预测模型构建部103中，基于评价体积响应的时间延迟的预测模型，在压力损失急剧变化的情况下，能够以无响应延迟的稳定的动作防止不必要的电力消耗。

　　另外，在本实施例中，以设置有终端9～11的结构为例进行了说明，但并不限定于此，也能够适用于终端的数量为三个以上的情况。在该情况下，测量对各个终端供给的压缩机空气的压力。

　　实施例2

　　图8是本发明的第2实施方式的空气压缩系统的概略结构图。关于与第1实施方式同样的部分，在该图中标注与已述的附图相同的附图标记而省略说明。

　　本实施方式与第1实施方式的不同点在于，在空气罐7的排出部设置压力传感器，在电动机6设置电流传感器，获取空气罐7的排出部压力、空气压缩机主体2的运转电流值。具体而言，本实施方式的空气压缩系统的结构中，还具有空气罐压力传感器31、电流传感器61。另外，代替流量差运算装置15而具有流量差运算装置215。所测量出的空气罐压力压缩机电流值与在第1实施方式中输入到流量差运算装置15中的值一起被输入流量差运算装置215。

　　以上是本实施方式与第1实施方式的不同点，其它方面与第1实施方式相同。接着说明流量差运算装置215的概略。图9是本发明的第2实施方式的流量差运算装置215的概略结构图。关于与第1实施方式相同的部分，在该图中标注与已述附图相同的附图标记而省略说明。

　　本实施方式的流量差运算装置215的概略结构与第1实施方式的概略结构的不同点在于，将空气罐7的排出部压力、空气压缩机主体2的运转电流值作为修正数据输入，并还具有预测模型修正部203，对预测模型进行修正。具体而言，在本实施方式的结构中，还具有修正用测量值获取蓄积部200、预测模型修正部203。获取、保存空气罐压力传感器31的压力测量值、电流传感器61的电流测量值，由电流测量值计算压缩机的排出流量，并输出修正用传感器测量值D21。另外，预测模型修正部203由预测模型D3、修正用传感器测量值D21构建修正模型，并输出修正模型D23。

　　以上是本实施方式的流量差运算装置215的概略结构与第1实施方式的不同点，其它方面与第1实施方式相同。接着说明流量差运算装置215的处理流程。图10是表示本发明的第2实施方式的流量差运算装置215的处理流程的图。关于与第1实施方式相同的部分，在该图中标注与已述附图相同的附图标记而省略说明。

　　本实施方式的流量差运算装置的处理流程与第1实施方式的不同点在于，在步骤S3(预测模型生成过程)之后，包括步骤S23、步骤S24的处理过程这一点。

　　作为步骤S23(修正用测量值获取过程)，修正用测量值获取蓄积部200将由空气罐压力传感器31和电流传感器61所获取的压力测量值、电流测量值保存在存储器或硬盘中，由电流测量值计算压缩机的排出流量，输出修正用传感器测量值D21。压缩机的排出流量，通过由电流测量值求取电动机6的转速、与电动机6的转速联动的空气压缩机主体2的转速，空气压缩机主体2将其乘以每一次旋转排出的空气量等而能够求得。

　　作为步骤S24(修正模型生成过程)，预测模型修正部203由预测模型D3、修正用传感器测量值D21修正由于空气漏泄、配管劣化等的因素产生的测量值与计算值的偏差，修正预测模型，并将修正模型D23输出。作为修正预测模型的具体的计算方法，例如利用公知的作为最优算法的遗传算法(基因算法)、退火算法(Annealing method)等的方法能够实现。

　　以上是本实施方式的流量差运算装置215的处理流程与第1实施方式的流量差运算装置15的不同点，其它方面与第1实施方式相同。

　　在本实施方式中，构成为在空气罐7的排出部设置压力传感器、在空气压缩机主体2设置电流传感器的结构，也可以构成为只设置其中一者、或者在配管系统的任意部位设置压力传感器的结构。在该情况下，将压力传感器的测量值输入到流量差运算装置215。

　　如以上所述，在本实施方式中，不仅能够获得由第1实施方式能够获得的各效果，而且由预测空气罐7的排出压力、空气压缩机主体2的排出流量的预测模型、再加上能够修正由于空气漏泄、配管劣化等的因素产生的测量值与计算值的偏差的修正模型，能够提高终端流量预测部104、压缩机流量预测部105中的所有终端的使用空气量计算值D4、空气压缩机单元1的排出流量计算值D5的计算精度，因此能够提高空气压缩系统的实时控制的精度。

　　实施例3

　　图11是本发明的第3实施方式的空气压缩系统的概略结构图。关于与第2实施方式同样的部分，在该图中标注与已述附图相同的附图标记而省略说明。

　　本实施方式与第2实施方式的不同点在于，在终端压力传感器发生了故障的情况下，由修正用传感器的测量值构建预测模型这一点。另外还在于代替流量差运算装置215而具有流量差运算装置315这一点。作为修正用传感器的测量值，例如能够利用基于空气罐压力传感器31所测量出的值的空气罐7的排出压力、基于电流传感器61所测量出的值的空气压缩机主体2的排出流量等的修正用测量值等。为了说明第3实施方式，在图11中，由虚线表示的终端压力传感器12是发生了故障的传感器。

　　以上是本实施方式与第2实施方式的不同点，其它方面与第2实施方式相同。接着，说明流量差运算装置315的概略。图12是本发明的第3实施方式的流量差运算装置315的概略结构图。关于与第2实施方式相同的部分，在该图中标注与已述附图相同的附图标记而省略说明。

　　本实施方式的流量差运算装置315的概略结构与第2实施方式的概略结构的不同点在于，判断终端压力传感器12的测量值是否有异常，再加上修正用传感器测量值构建预测模型这一点。具体而言，本实施方式的结构还具有终端压力测量值异常判断部204。另外，由传感器测量值D1判断终端压力测量值的异常，将没有异常的传感器测量值D31发送到预测模型构建部103。

　　以上是本实施方式与第2实施方式的不同点，其它方面与第2实施方式相同。接着，说明流量差运算装置315的处理流程。图13是表示本发明的第3实施方式的流量差运算装置315的处理流程的图。关于与第2实施方式相同的部分，在该图中标注与已述附图相同的附图标记而省略说明。

　　本实施方式的流量差运算装置315的处理流程与第2实施方式的不同点在于，在步骤S2(配管模型生成过程)之后包括步骤S223的处理过程这一点。

　　作为步骤S223(测量值异常判断过程)，终端压力测量值异常判断部204判断各终端压力传感器的测量值是否有异常。如果判断结果为是(Yes)，则前进至步骤S23，如果为否(No)，则继续进行步骤S3(预测模型生成过程)的处理。

　　以上是本实施方式的流量差运算装置315的处理流程与第2实施方式的不同点，其它方面与第2实施方式相同。

　　在本实施方式中，设为终端压力传感器12发生了故障的结构，但也可以是任意的终端压力传感器发生了故障的结构。

　　如以上所述，在本实施方式中，不仅能够获得由第1实施方式获得的各效果，而且在终端压力传感器发生了故障的情况下，利用空气罐7的排出压力、空气压缩机主体2的排出流量等的修正用的测量值构件预测模型。即使发生了终端压力传感器的异常，空气压缩系统的实时控制也能够应对。

　　实施例4

　　图14是本发明的第4实施方式的空气压缩系统中的流量差运算装置415的概略结构图。关于与第1实施方式相同的部分，在该图中标注与已述附图相同的附图标记而省略说明。

　　本实施方式与第1实施方式的不同点在于，由流量偏差量运算部计算所有终端的使用空气量与空气压缩机的排出流量的差量，由偏差量ΔQ判断向各终端的供给压力是否比要求压力P0降低，修正偏差量ΔQ，并将其输出这一点。具体而言，在本实施方式的结构中，代替流量偏差量运算部106而具有流量偏差量运算部406。流量偏差量运算部406由所有终端的使用空气量计算值D4、空气压缩机的排出流量计算值D5，计算所有终端的使用空气量与空气压缩机的排出流量的偏差量ΔQ，并将其输出。在此，关于偏差量ΔQ，以终端供给压力成为要求压力P0以上的方式修正偏差量ΔQ。例如如式2所示，通过将对于各时刻的所有终端的使用空气量与空气压缩机的排出流量进行减法运算，并与流量修正值ΔQc相加来计算。

　　式2：ΔQi＝D4i-D5i+ΔQc

　　ΔQC＝K(Pi-P0)(P≤Pi的情况)

　　ΔQC＝0 (P＞Pi的情况)

　　在此，P为偏差量ΔQ＝0时的终端压力，K为表示压力差与流量偏差量的关系的系数。

　　如上所述，在本实施方式中，不仅能够获得由第1实施方式能够获得的各效果，而且用根据终端使用空气量控制要供给的流量的方法，也能够保证向各终端的供给压力不比要求压力低。

　　附图标记的说明

　　1…空气压缩机单元

　　2…空气压缩机主体

　　3…空气压缩机排出部压力传感器

　　31…空气罐压力传感器

　　4…控制装置

　　5…可变速装置