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【摘 要】 针对目前空压机群监控系统对空压机依次加卸载的问题，从节能的角度并考虑空压机的健康运行，提出一种基于加卸载队列的控制方法。对影响空压机运行效果的因素进行综合评价，得到加卸载队列，并根据运行情况，生成工作队列和空闲队列，当压力发生变化时结合需求流量的估算，依次从工作队列或空闲队列寻找合适的空压机进行操作，使系统能耗最小化。控制过程还考虑每台空压机的单次连续运行时间，防止空压机过疲劳运行。经现场检验，本算法节能效果显著。
【关键词】 流量估算;节能控制;综合评价;加卸队列
引言：
压缩空气广泛应用于工业生产。空压机是整个压缩空气系统的核心设备之一，占据工厂总耗电量10%～20%，占全国总用电量6%左右[1]，因此，随着能源形势的严峻，空压机的节能越来越成为企业和研究人员的关注重点。气动系统一般都有多台空压机，利用一个先进的空压机群调度算法合理的配置空压机的运行是业界面临的核心问题[2-7]。
文献[8]介绍了利用PLC工业控制技术和网络通讯技术，实现空气压缩机的综合监控系统，其自动运转模式的控制顺序是采用人工设定的控制队列;文献[9]设计了基于现场总线的SLC控制系统，实现了对空气压缩机的远程监控，空压机的加卸载顺序是根据各个空压机事先人为设定的优先级;文献[10]提出一种各空压机在没有总调试机的情况下，通过动态分配算法，实现多机联控的方法，但仅从运行时间方面考虑，实现各空压机的等疲劳运行。
查阅文献可知，国内外的研究机构和学者主要针对空压机群运行的集中监视和远程启停，对空压机群节能运行算法研究较少，空压机的控制顺序都是按照事先设定好的队列进行。而由于现场各个空压机具有不同的运行效率、可靠性、运行时间等特性，有的属性是随着运行时间而变化的，不可能一层不变。当压力过高需要卸载空压机，而有多台空压机在运行时，或者压力过低需要加载空压机，而有多台空压机处于空闲状态时，应该操作哪一台空压机是本文研究的内容。
本文立足于空压机群的节能运行，对空压机群进行集中监控，在满足现场用气需要的前提下，根据动态生成的加卸载队列，操作最合理的空压机，使整个空压机群的运行能耗最小。
1 需求流量的估算
目前，空压机群监控系统都是根据气罐的压力来操作空压机，当压力高于设定的上限值时，卸载工作中的某台空压机;当压力低于下限值时，加载处于空闲的某台空压机。
图1 气动供用气模型
工业现场的供用气系统可以简化为如图1所示，整个模型相当于气罐的充放气过程[11]，看作是等温过程，由气罐中压缩空气状态有：
（1）
式中，为空气的压力，Pa;为体积，m3;为气体质量，kg;为气体常数，对于空气，=287J/（kg·K）;为空气的绝对温度，K。
由于是等温过程，可微分得：
（2）
式中，为时间，s;为空气的密度，kg/m3;为时间内体积流量变化量，m3/s;为空压机群供给的体积流量，m3/s;为现场用气的体积流量，m3/s。
可见，气罐压力的波动缘于用气流量与供气流量的不匹配。由式2，可以得到压力波动时对应的流量需求为
（3）
式中，为体积流量需求量，m3/s;为时间间隔，s;，为时间内的压力波动，Pa;因为模型简化为等温过程，所示可看作是大气温度;等于气罐的体积和管路体积之和。压缩空气系统有时会有瞬间大流量用气，造成管网瞬间压力变化很大，所以在计算的过程需要对瞬间奇异点进行剔除。
2 加卸载队列的生成
利用模糊决策[12]的方法，对空压机运行能耗的影响因素进行评估，可以得到综合评价值，用于确定空压机加卸载的优先顺序。
2.1建立因素集
将影响空压机运行的各种因素构成一个因素集，用U表示：。其中代表第i个影响因素，m是因素数。
综合考虑能耗和健康运行的因素，本文主要关注空压机运行效率、优先等级和累积运行时间等3个因素，组成因素集={运行效率，优先等级，累积运行时间}。
2.2建立权重集
一般来说，各个因素的重要程度是不同的，对重要的因素要特别看重;对不太重要的因素虽然应当考虑，但不必十分看重。为了反映各因素的重要程度，对各个因素应分配给一个相应的权数，，通常要求满足：
（4）
在确定权重集时，最关键的是要正确地确定各因素对空压机运行的相对重要程度，其次才是权重的具体数值。所以，在信息不足时，可以借鉴模糊排序的基本思想，先确定各因素间的相对重要程度，然后再赋于相应的权重值。
于是，由各个权重组成U上的一个模糊集：
（5）
本文中取。
2.3确定备择集。
备择集的元素为各个空压机的综合评价值，设为，n为空压机台数。
2.4单因素模糊评价
单独从一个因素出发进行评价。设某台空压机按因素集U中第i个因素进行评价时，对应于因素得到的评价值为，则按的评价结果可用模糊集合表示。称为单因素评价集，可简记为，得到单因素评价矩阵：
（6）
矩阵可以看作为每台空压机对应于因素集U的一种模糊关系，即影响因素与评价对象之间的“合理关系”。
本文中，对于空压机的设定优先等级分为优先加卸载、优先加载、正常、优先卸载，它的设定跟空压机的类型和可靠性相关，比如，离心式空压机一般都是启动后就不宜频繁启停，所以设置为正常，也就是一般不启动它，启动了就不卸载。对于要淘汰的机器可以设置为优先加卸载，这样机器做为加卸调节机，加速老化。给定的值分别为4、3、2、1。
假设4台空压机的运行效率分别为0.8、0.75、0.6、0.8;设定优先等级分别为3、4、2、1;运行时间分别为1000、800、400、600。对于累积运行时间，越少越优先加载，这样可以使机器达到时间均衡的目的。对上述评价值进行归一化处理，可以得到加载队列的评价集： 对于卸载队列，运行效率越低，优先权越高;运行时间越多越先卸载。同样可以得到如下卸载队列的评价集：
2.5模糊综合评价
由式7，即得到每台空压机相对于影响因素的综合评价值。越大则优先等级越高，排在队列的前面。
（7）
本文中，根据式7，可以得到加载队列的综合评价为：
即加载队列为[2 1 4 3]。
同样计算卸载队列的综合评价为
即卸载队列为[3 2 4 1]。
一旦修改了空压机的配置参数，加卸载队列就随着改变。因为考虑到时间的问题，每周自动生成新的加卸载队列。
3 控制过程
3.1工作队列与空闲队列
把进入加载状态的空压机加入到工作队列，而卸载的空压机加入到空闲队列。而空压机在工作队列中的位置是按卸载作队列的顺序加入的，空闲队列是按加载队列的顺序产生的。下面举个例子。
由上面，得到了卸载队列为[3 2 4 1]。假如说现在有3、4号空压机处于加载状态，即工作队列为[3 1]，现在2号空压机进入加载状态，添加到工作队列中，使工作队列成为[3 2 1]。过程如图2所示。
图2 工作队产生流程
同理：空闲队列中的排序按加载队列的排序添加。
3.2控制过程
当压力低于加载压力时，由式3计算出流量需求量，然后在空闲队列中从头到底依次寻找产气量与此需求流量相近的空压机进行加载操作。压力高于卸载压力时，也是先算出流量需求量，然后从工作队列中寻找合适空压机。算法流程图如图3所示。
此算法还考虑到空压机的单次连续运行时间，当工作队列里的空压机连续运行时间过长，超过设定的上限值时，如果空闲队列不为零，则启动空闲队列里的空压机，停止运行超时的空压机。
图3 加卸队列控制流程图
4 结束语
本文给出一种利用综合评价给出加卸载队列的方法。利用加卸载作队列结合实际运行情况，产生工作队列和空闲队列来指导空压机的运行调度。
参考文献：
[1]蔡茂林.压缩空气系统的能耗现状及节能潜力[J].中国设备工程，2009，（07）：42-44
[2] Hasmandova M.Compressed air systems：auditing and replacing air compressors[J].Filtration&Separation，2008，45（9）：41-43
[3] Schmidt C，Kissock K.Modeling and simulation of air compressor energy use[C] //Preceeding-2005 ACEEE Summer Study on Energy in Industry：Cutting the High Cost of Energy，United states： American Council for an Energy-Efficient Economy，2005：1131-1142
[4] Akbaba M.Energy conservation by using energy efficient electric motors.Applied Energy，1999，64（1-4）：149-158
[5] Atlas Copco Airpower NV.Atlas copco compressed air manual 7th edition[G].2010，8：23
[6] Van Ormer H P. Capacity Controls Can Save Energy and Money. Hydraulics&Pneumatics， 2001（4）： 41～46
[7] Chris Beals， Improving Compressed Air System Performance [M]. Washington D.C.：U.S. Department of Energy.2003. 35-38
[8]牛振宇.空气压缩机智能集群控制系统[D].大连：理工大学，2005.
[9]刘勇.基于现场总线的空气压缩机控制系统的设计与实现[D].上海，上海交通大学，2007.
[10]洪春苗，彭侠夫.基于CAN总线的空气压缩机的多机联控[J].福州大学学报.2008，36（9）：171-174
[11]蔡茂林.现代气动技术理论与实践第二讲：固定容腔的充放气[J].液压气动与密封，2007，27（3）：43-47
[12]宋晓秋.模糊数学原理与方法（第二版）.徐州：中国矿业大学出版社，2004.7
作者简介：安惠勇，男，1977年出生，主要研究方向为气动系统的节能、测量与控制。
【关键词】 流量估算;节能控制;综合评价;加卸队列
引言：
压缩空气广泛应用于工业生产。空压机是整个压缩空气系统的核心设备之一，占据工厂总耗电量10%～20%，占全国总用电量6%左右[1]，因此，随着能源形势的严峻，空压机的节能越来越成为企业和研究人员的关注重点。气动系统一般都有多台空压机，利用一个先进的空压机群调度算法合理的配置空压机的运行是业界面临的核心问题[2-7]。
文献[8]介绍了利用PLC工业控制技术和网络通讯技术，实现空气压缩机的综合监控系统，其自动运转模式的控制顺序是采用人工设定的控制队列;文献[9]设计了基于现场总线的SLC控制系统，实现了对空气压缩机的远程监控，空压机的加卸载顺序是根据各个空压机事先人为设定的优先级;文献[10]提出一种各空压机在没有总调试机的情况下，通过动态分配算法，实现多机联控的方法，但仅从运行时间方面考虑，实现各空压机的等疲劳运行。
查阅文献可知，国内外的研究机构和学者主要针对空压机群运行的集中监视和远程启停，对空压机群节能运行算法研究较少，空压机的控制顺序都是按照事先设定好的队列进行。而由于现场各个空压机具有不同的运行效率、可靠性、运行时间等特性，有的属性是随着运行时间而变化的，不可能一层不变。当压力过高需要卸载空压机，而有多台空压机在运行时，或者压力过低需要加载空压机，而有多台空压机处于空闲状态时，应该操作哪一台空压机是本文研究的内容。
本文立足于空压机群的节能运行，对空压机群进行集中监控，在满足现场用气需要的前提下，根据动态生成的加卸载队列，操作最合理的空压机，使整个空压机群的运行能耗最小。
1 需求流量的估算
目前，空压机群监控系统都是根据气罐的压力来操作空压机，当压力高于设定的上限值时，卸载工作中的某台空压机;当压力低于下限值时，加载处于空闲的某台空压机。
图1 气动供用气模型
工业现场的供用气系统可以简化为如图1所示，整个模型相当于气罐的充放气过程[11]，看作是等温过程，由气罐中压缩空气状态有：
（1）
式中，为空气的压力，Pa;为体积，m3;为气体质量，kg;为气体常数，对于空气，=287J/（kg·K）;为空气的绝对温度，K。
由于是等温过程，可微分得：
（2）
式中，为时间，s;为空气的密度，kg/m3;为时间内体积流量变化量，m3/s;为空压机群供给的体积流量，m3/s;为现场用气的体积流量，m3/s。
可见，气罐压力的波动缘于用气流量与供气流量的不匹配。由式2，可以得到压力波动时对应的流量需求为
（3）
式中，为体积流量需求量，m3/s;为时间间隔，s;，为时间内的压力波动，Pa;因为模型简化为等温过程，所示可看作是大气温度;等于气罐的体积和管路体积之和。压缩空气系统有时会有瞬间大流量用气，造成管网瞬间压力变化很大，所以在计算的过程需要对瞬间奇异点进行剔除。
2 加卸载队列的生成
利用模糊决策[12]的方法，对空压机运行能耗的影响因素进行评估，可以得到综合评价值，用于确定空压机加卸载的优先顺序。
2.1建立因素集
将影响空压机运行的各种因素构成一个因素集，用U表示：。其中代表第i个影响因素，m是因素数。
综合考虑能耗和健康运行的因素，本文主要关注空压机运行效率、优先等级和累积运行时间等3个因素，组成因素集={运行效率，优先等级，累积运行时间}。
2.2建立权重集
一般来说，各个因素的重要程度是不同的，对重要的因素要特别看重;对不太重要的因素虽然应当考虑，但不必十分看重。为了反映各因素的重要程度，对各个因素应分配给一个相应的权数，，通常要求满足：
（4）
在确定权重集时，最关键的是要正确地确定各因素对空压机运行的相对重要程度，其次才是权重的具体数值。所以，在信息不足时，可以借鉴模糊排序的基本思想，先确定各因素间的相对重要程度，然后再赋于相应的权重值。
于是，由各个权重组成U上的一个模糊集：
（5）
本文中取。
2.3确定备择集。
备择集的元素为各个空压机的综合评价值，设为，n为空压机台数。
2.4单因素模糊评价
单独从一个因素出发进行评价。设某台空压机按因素集U中第i个因素进行评价时，对应于因素得到的评价值为，则按的评价结果可用模糊集合表示。称为单因素评价集，可简记为，得到单因素评价矩阵：
（6）
矩阵可以看作为每台空压机对应于因素集U的一种模糊关系，即影响因素与评价对象之间的“合理关系”。
本文中，对于空压机的设定优先等级分为优先加卸载、优先加载、正常、优先卸载，它的设定跟空压机的类型和可靠性相关，比如，离心式空压机一般都是启动后就不宜频繁启停，所以设置为正常，也就是一般不启动它，启动了就不卸载。对于要淘汰的机器可以设置为优先加卸载，这样机器做为加卸调节机，加速老化。给定的值分别为4、3、2、1。
假设4台空压机的运行效率分别为0.8、0.75、0.6、0.8;设定优先等级分别为3、4、2、1;运行时间分别为1000、800、400、600。对于累积运行时间，越少越优先加载，这样可以使机器达到时间均衡的目的。对上述评价值进行归一化处理，可以得到加载队列的评价集： 对于卸载队列，运行效率越低，优先权越高;运行时间越多越先卸载。同样可以得到如下卸载队列的评价集：
2.5模糊综合评价
由式7，即得到每台空压机相对于影响因素的综合评价值。越大则优先等级越高，排在队列的前面。
（7）
本文中，根据式7，可以得到加载队列的综合评价为：
即加载队列为[2 1 4 3]。
同样计算卸载队列的综合评价为
即卸载队列为[3 2 4 1]。
一旦修改了空压机的配置参数，加卸载队列就随着改变。因为考虑到时间的问题，每周自动生成新的加卸载队列。
3 控制过程
3.1工作队列与空闲队列
把进入加载状态的空压机加入到工作队列，而卸载的空压机加入到空闲队列。而空压机在工作队列中的位置是按卸载作队列的顺序加入的，空闲队列是按加载队列的顺序产生的。下面举个例子。
由上面，得到了卸载队列为[3 2 4 1]。假如说现在有3、4号空压机处于加载状态，即工作队列为[3 1]，现在2号空压机进入加载状态，添加到工作队列中，使工作队列成为[3 2 1]。过程如图2所示。
图2 工作队产生流程
同理：空闲队列中的排序按加载队列的排序添加。
3.2控制过程
当压力低于加载压力时，由式3计算出流量需求量，然后在空闲队列中从头到底依次寻找产气量与此需求流量相近的空压机进行加载操作。压力高于卸载压力时，也是先算出流量需求量，然后从工作队列中寻找合适空压机。算法流程图如图3所示。
此算法还考虑到空压机的单次连续运行时间，当工作队列里的空压机连续运行时间过长，超过设定的上限值时，如果空闲队列不为零，则启动空闲队列里的空压机，停止运行超时的空压机。
图3 加卸队列控制流程图
4 结束语
本文给出一种利用综合评价给出加卸载队列的方法。利用加卸载作队列结合实际运行情况，产生工作队列和空闲队列来指导空压机的运行调度。
参考文献：
[1]蔡茂林.压缩空气系统的能耗现状及节能潜力[J].中国设备工程，2009，（07）：42-44
[2] Hasmandova M.Compressed air systems：auditing and replacing air compressors[J].Filtration&Separation，2008，45（9）：41-43
[3] Schmidt C，Kissock K.Modeling and simulation of air compressor energy use[C] //Preceeding-2005 ACEEE Summer Study on Energy in Industry：Cutting the High Cost of Energy，United states： American Council for an Energy-Efficient Economy，2005：1131-1142
[4] Akbaba M.Energy conservation by using energy efficient electric motors.Applied Energy，1999，64（1-4）：149-158
[5] Atlas Copco Airpower NV.Atlas copco compressed air manual 7th edition[G].2010，8：23
[6] Van Ormer H P. Capacity Controls Can Save Energy and Money. Hydraulics&Pneumatics， 2001（4）： 41～46
[7] Chris Beals， Improving Compressed Air System Performance [M]. Washington D.C.：U.S. Department of Energy.2003. 35-38
[8]牛振宇.空气压缩机智能集群控制系统[D].大连：理工大学，2005.
[9]刘勇.基于现场总线的空气压缩机控制系统的设计与实现[D].上海，上海交通大学，2007.
[10]洪春苗，彭侠夫.基于CAN总线的空气压缩机的多机联控[J].福州大学学报.2008，36（9）：171-174
[11]蔡茂林.现代气动技术理论与实践第二讲：固定容腔的充放气[J].液压气动与密封，2007，27（3）：43-47
[12]宋晓秋.模糊数学原理与方法（第二版）.徐州：中国矿业大学出版社，2004.7
作者简介：安惠勇，男，1977年出生，主要研究方向为气动系统的节能、测量与控制。