吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器的智能控制與用材改進(jìn)

　　摘 要： 原有吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器普遍存在抗干擾性差、生產(chǎn)工藝參數(shù)難以修改等問(wèn)題，且未考慮節(jié)能需求。根據(jù)壓縮空氣干燥器的工作原理與工藝要求，設(shè)計(jì)干燥器吸附與再生周期圖、時(shí)序圖，將可編程控制器(PLC)與開(kāi)關(guān)電源有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)了一體化智能控制。在PLC中按照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用，增加節(jié)能、自我修復(fù)等功能;設(shè)定不同的工作周期，對(duì)不同壓力、溫度、濕度下的空氣干燥效果進(jìn)行優(yōu)化;采用三型聚丙烯(PP-R)、鋁塑復(fù)合材料(PAP)等新材料替代原有鋼材。經(jīng)驗(yàn)證表明：壓縮空氣干燥器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，成品氣露點(diǎn)等技術(shù)指標(biāo)滿足要求，節(jié)能減排30%，維護(hù)費(fèi)節(jié)約可達(dá)5 000元/(臺(tái)·年);同時(shí)實(shí)現(xiàn)了用材改進(jìn)，降低了成本，增加了可靠性。

　　本文源自工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 2020年5期《工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新》是由中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院和工業(yè)和信息化部部長(zhǎng)主辦的國(guó)家科技學(xué)術(shù)期刊。該報(bào)主要面向工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門、工業(yè)企業(yè)、科研創(chuàng)新學(xué)術(shù)交流平臺(tái)、技術(shù)創(chuàng)新成果宣傳轉(zhuǎn)化領(lǐng)域以及戰(zhàn)略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞： 自熱再生;壓縮空氣干燥器;吸附法;智能控制;三型聚丙烯(PP-R);用材改進(jìn)

　　引言

　　塔式ARD自熱再生(吸附式)壓縮空氣干燥裝置是壓力容器系列產(chǎn)品之一，其應(yīng)用廣泛，是其他吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器(以下簡(jiǎn)稱“壓縮空氣干燥器”)，如加熱干燥器、微加熱干燥器、余熱回流干燥器、無(wú)排放干燥器等的制造基礎(chǔ)[1]。

　　現(xiàn)有壓縮空氣干燥器的控制系統(tǒng)主要采用自行研發(fā)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是抗干擾性差、生產(chǎn)工藝參數(shù)難以修改、技術(shù)門檻高。為使壓縮空氣干燥器運(yùn)行更平穩(wěn)可靠、抗干擾能力更強(qiáng)、修改生產(chǎn)工藝參數(shù)更容易、功能可拓展性更好，筆者采用智能化的可編程控制器(PLC)，與開(kāi)關(guān)電源形成一體控制，并將新材料三型聚丙烯(PP-R)、鋁塑復(fù)合材料(PAP)引入研發(fā)工藝[2]，實(shí)現(xiàn)了壓縮空氣干燥器的智能控制與用材改進(jìn)。本文首先闡述現(xiàn)有壓縮空氣干燥器的組成和工作原理，分析智能控制改造的必要性;然后對(duì)PLC與開(kāi)關(guān)電源一體控制的初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述;最后介紹引進(jìn)新材料實(shí)現(xiàn)用材改進(jìn)的情況。

　　1 壓縮空氣干燥器的組成和工作原理

　　以工作電壓/功率為220 V/60 W、流量為20 m3/min、工作壓力為0.8 MPa(工作壓力<1.6 MPa為低壓容器)、露點(diǎn)≤-20℃～-15℃(露點(diǎn)越低越好)的壓縮空氣干燥裝置的制造為例。干燥裝置為鋼制，因其體積小巧，須用手工電弧焊及埋弧焊兼顧完成機(jī)械實(shí)體的制造過(guò)程，而電氣箱的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、檢測(cè)、維修須人工完成。

　　空氣干燥方法有吸附法和冷卻法。吸附法節(jié)能，其干燥露點(diǎn)低至-15℃甚至-40℃;冷卻法耗能，且露點(diǎn)僅為3℃。在低露點(diǎn)下，該干燥裝置采用吸附法。

　　1.1 組成

　　壓縮空氣干燥器的組成如圖1所示。整套裝置由以下結(jié)構(gòu)組成：

　　(1)A、B壓力容器罐，內(nèi)填滿氧化鋁干燥劑(又稱鋁膠干燥劑)，并用不銹鋼篩網(wǎng)包圍罐內(nèi)出入氣口;

　　(2)四個(gè)氣動(dòng)閥CV1～CV4，兩進(jìn)氣、兩出氣;

　　(3)輸入管道、廢氣排走管道;

　　(4)85%輸出管道與A、B罐頂單向閥，裝置鐵架支座等;

　　(5)15%限流再生氣體供給管道;

　　(6)自熱(電動(dòng))控制箱。

　　1.2 工作原理

　　壓縮空氣干燥器的工作原理如圖2所示。A、B罐內(nèi)干燥劑受到加壓，吸附空氣中的水分。自熱再生標(biāo)準(zhǔn)型裝置在A、B兩罐的工作周期為10 min。吸附時(shí)放熱，解吸時(shí)吸熱。因不需要外來(lái)熱能，故稱作自熱再生。

　　當(dāng)A罐工作時(shí)，吸附(底部進(jìn)氣，頂部出氣)5 min后，已干燥的空氣的85%經(jīng)單向閥輸出，供給用戶。B罐在再生、解吸過(guò)程中，已干燥的空氣的15%使B罐鋁膠干燥劑再生4 min，然后排氣閥B1自動(dòng)關(guān)閉，空氣通過(guò)限流板孔節(jié)流閥使B罐充壓、均壓1 min，以待再生，即頂部進(jìn)入干燥空氣，底部通過(guò)排氣閥B1排出廢氣(配有消音器)。B罐工作、A罐再生過(guò)程同理。兩罐日夜不停工作及再生，生產(chǎn)出合格的干燥壓縮空氣，供給用戶。各行各業(yè)的制造工藝及動(dòng)力過(guò)程，如汽車生產(chǎn)公司車輛噴漆、假發(fā)生產(chǎn)、家具制造、鋼琴生產(chǎn)等，均需用到干燥壓縮空氣，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品保質(zhì)、設(shè)備延壽。

　　2 優(yōu)缺點(diǎn)分析與初步改造設(shè)計(jì)

　　2.1 優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　優(yōu)點(diǎn)：A、B罐內(nèi)干燥劑在低壓下吸附空氣水分，吸附法得到的輸出空氣比冷卻法更干燥、露點(diǎn)更低。

　　缺點(diǎn)：現(xiàn)有壓縮空氣干燥器的控制器都采用了自行研發(fā)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，僅僅控制4個(gè)電磁先導(dǎo)閥有序工作。這就產(chǎn)生了如下缺點(diǎn)：

　　其一，軟件、硬件研發(fā)欠成熟，而且用戶用電環(huán)境復(fù)雜，使干燥器抗干擾性差，經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)作、“死機(jī)”現(xiàn)象;

　　其二，修改生產(chǎn)工藝的控制程序困難，使得設(shè)計(jì)制造門檻較高，嚴(yán)重影響用戶的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，用戶無(wú)法自行修改程序，不如PLC可靠、方便、容易;

　　其三，罐內(nèi)鋁膠干燥劑一旦受潮，只有停電停氣、大動(dòng)作地拆解整臺(tái)干燥器，才能換上全新干燥劑，重新安裝、調(diào)試、檢測(cè)校正、驗(yàn)收后才能投入使用，影響生產(chǎn)效率;

　　其四，整機(jī)采用金屬鋼材，浪費(fèi)材料資源。

　　2.2 初步改造設(shè)計(jì)

　　將PLC、工業(yè)開(kāi)關(guān)電源、新管道、閥門等有機(jī)組合，如圖3所示。在圖3a中，1、2、3、4是由電控式氣體先導(dǎo)閥控制的氣控式薄膜切換氣閥，其中1和2為排氣閥、3和4為進(jìn)氣閥;5是金屬結(jié)構(gòu)消聲器;6、7是金屬結(jié)構(gòu)止回閥;8是金屬結(jié)構(gòu)節(jié)流閥;9是PLC程序控制器，它是一個(gè)抗干擾能力極強(qiáng)的帶軟硬件的電子系統(tǒng)或工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng);10、11是旁通電磁先導(dǎo)閥;12是本機(jī)輸出氣體氣動(dòng)閥。10、11、12為新加硬件，與自修復(fù)程序共同執(zhí)行干燥劑的干燥修復(fù)任務(wù)。

　　3 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

　　由于整機(jī)采用多個(gè)直流24 V電磁閥，故須配用大功率24 V開(kāi)關(guān)電源供電，才能滿足安全可靠運(yùn)行等要求。

　　控制箱見(jiàn)圖1中央或圖3的部件9，其電氣設(shè)計(jì)如下。

　　3.1 干燥器吸附與再生周期圖

　　采用標(biāo)準(zhǔn)型工作控制，繪制干燥器吸附與再生周期圖，如圖4所示。

　　3.2 時(shí)序圖設(shè)計(jì)

　　結(jié)合現(xiàn)有壓縮空氣干燥器工作原理(圖2)及技術(shù)工藝要求，設(shè)計(jì)時(shí)序圖[3]，方波為輸出高電平，如圖5所示。

　　3.3 控制原理

　　“開(kāi)機(jī)”按鈕用于設(shè)備開(kāi)機(jī)，是個(gè)船型開(kāi)關(guān)，而“手動(dòng)切換”按鈕用于A罐、B罐切換，實(shí)現(xiàn)電氣調(diào)試及總機(jī)出廠前聯(lián)調(diào)、用戶驗(yàn)收調(diào)試等人為調(diào)試。“周選”按鈕用于A、B罐工作切換周期的選擇[4]。

　　新裝置的PLC程序，改變了傳統(tǒng)5 min一切換、10 min一工作周期的單一時(shí)間控制程序。它考慮了壓縮空氣壓力、溫度、濕度的變化，根據(jù)按下“周選”按鈕的次數(shù)，選擇工作程序，以實(shí)現(xiàn)正常露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)再生排放、低露點(diǎn)節(jié)能減少排放、高露點(diǎn)增加再生排放量等，或通過(guò)時(shí)間調(diào)整實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)效果，具體如下：

　　(1)標(biāo)準(zhǔn)程序：10 min工作周期;

　　(2)節(jié)能程序1：12 min工作周期;

　　(3)節(jié)能程序2：16 min工作周期;

　　(4)節(jié)能程序3：26 min工作周期;

　　(5)自我修復(fù)：若換干燥劑、干燥劑過(guò)潮、干燥效果差等，設(shè)置4 min或6 min工作周期。

　　若干燥器在我國(guó)南方城市使用，多選擇標(biāo)準(zhǔn)程序;新購(gòu)產(chǎn)品或更換吸附劑運(yùn)行一個(gè)月至一年內(nèi)的，通常可選擇節(jié)能程序，減少再生排放、節(jié)約能源，且保證成品氣質(zhì)量。但是，當(dāng)干燥器工作在極其潮濕的空壓站系統(tǒng)環(huán)境下，或已年久失修時(shí)，必須增加一個(gè)本機(jī)輸出氣體氣動(dòng)閥(圖3a中的12)，選擇4 min(或6 min)工作周期，若PLC自動(dòng)關(guān)閉本機(jī)輸出氣體氣動(dòng)閥，甚至控制安裝在15%再生氣支管旁邊并聯(lián)加焊上的一組旁通電磁先導(dǎo)閥(圖3a中的10、11)，則運(yùn)行維修程序(使再生氣達(dá)到30%～100%)，將干燥劑中的潮氣排走，干燥劑快速得到再生，從而實(shí)現(xiàn)了裝置的自我修復(fù)。通過(guò)手感或露點(diǎn)儀檢測(cè)成品氣，若達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)，再返回標(biāo)準(zhǔn)程序或節(jié)能程序。以上經(jīng)驗(yàn)已由筆者在前幾年暑假赴十堰市東風(fēng)二汽出差考察時(shí)經(jīng)歷的長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的供氣系統(tǒng)維修改造中得到了證實(shí)。改造時(shí)，為硬件機(jī)械部分增加管道及先導(dǎo)閥，為輸出管道增加一個(gè)氣動(dòng)閥，而在電氣部分增加多個(gè)輸入輸出點(diǎn)，并編入軟件程序則可。

　　有了時(shí)序圖和電氣控制圖，就可以用經(jīng)驗(yàn)法、移植法、狀態(tài)圖法或梯形圖法等進(jìn)行編程了[5]。在此采用PLC步進(jìn)編程法設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，如圖6所示。

　　A、B缸控制程序解析如下：

　　該控制程序根據(jù)時(shí)序圖，采用狀態(tài)步進(jìn)指令編寫(xiě)，能夠?qū)?fù)雜的控制過(guò)程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的程序，以滿足復(fù)雜的控制要求。

　　X000為手動(dòng)切換的控制信號(hào)，主要目的是實(shí)現(xiàn)A、B缸啟動(dòng)順序。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，X000的常閉觸點(diǎn)[SET S21]接通，能使程序先執(zhí)行B缸電磁閥的工作，如需要A缸電磁閥先啟動(dòng)工作，必須先操作X000，使其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)、常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，并接通[SET S20]線圈。

　　線圈S20的作用是控制A缸的2個(gè)電磁閥工作。當(dāng)線圈S20接電時(shí)，Y002、Y003電磁線圈得電工作，同時(shí)時(shí)間繼電器T0、T1也接通得電，T0(設(shè)定值K300=5 s)和T1(設(shè)定值K240=4 s)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)T1定時(shí)器的時(shí)間達(dá)到設(shè)定值240時(shí)，T1的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，A缸的常閉電磁閥線圈Y003失電。當(dāng)T0定時(shí)器的時(shí)間達(dá)到設(shè)定值300時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通S21線圈。當(dāng)該線圈接通時(shí)，線圈S20斷開(kāi)，常開(kāi)電磁閥線圈Y2失電，控制A缸程序停止執(zhí)行，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行S21控制程序。

　　S21控制程序主要用于控制B再生缸，在B再生缸中，定時(shí)器T3(設(shè)定值K240=4 s)控制Y1常閉電磁閥線圈，定時(shí)器T2(設(shè)定值K300=5 s)控制常開(kāi)電閥磁線圈。當(dāng)S21控制程序被執(zhí)行時(shí)，定時(shí)器T2、T3，線圈Y000、Y001工作，當(dāng)定時(shí)器工作時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，線圈Y000、Y001停止工作，同時(shí)S21控制程序停止執(zhí)行，定時(shí)器T2接通S20控制程序。S20控制程序再次被執(zhí)行，直至按下停止信號(hào)X001接通線圈S0，程序才回到初始狀態(tài)并停止執(zhí)行[6]。整臺(tái)裝置通常一年不停機(jī)運(yùn)行。

　　3.4 裝置調(diào)試

　　采用小銅管駁接、焊接等，按圖紙固定各元部件，然后以ARD電氣控制箱為裝置的中樞(三菱PLC+開(kāi)關(guān)電源控制)，全力投入通電、通氣、檢查設(shè)備運(yùn)行情況等生產(chǎn)方總裝總調(diào)工作，再用肥皂溶液檢查裝置各連接部分是否漏氣。在正常運(yùn)行狀況下，當(dāng)A罐工作時(shí)，控制氣動(dòng)閥2排氣、氣動(dòng)閥3進(jìn)氣;當(dāng)B罐工作時(shí)，控制氣動(dòng)閥1排氣、氣動(dòng)閥4進(jìn)氣。每隔幾分鐘記錄一次壓力、露點(diǎn)等參數(shù)。

　　逐一運(yùn)行干燥器5套程序，直至全部正常運(yùn)行。驗(yàn)收整套成品的技術(shù)指標(biāo)，直至達(dá)標(biāo)。進(jìn)氣溫度<40℃，流量為1～2 000 Nm3/h，露點(diǎn)≤-20℃，壓力為0.05～0.8 MPa。節(jié)能減排30%，維護(hù)費(fèi)節(jié)約達(dá)5 000元/(臺(tái)·年)。

　　接好220 V單相空氣開(kāi)關(guān)交流電源并扳上開(kāi)關(guān)，打開(kāi)本機(jī)壓縮空氣進(jìn)氣手動(dòng)閥，按下干燥器控制箱電源開(kāi)關(guān)，燈亮后設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)程序穩(wěn)定狀態(tài)。試按A、B罐切換開(kāi)關(guān)，讓B罐先工作。觀察各儀表顯示正常，干燥器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，記錄一個(gè)周期情況，運(yùn)行良好。目前裝置已批量投入生產(chǎn)。

　　4 用材改進(jìn)

　　以往，壓力容器罐體一般采用鋼材，如用20鋼作為筒體、封頭材料。但是，作為壓力容器，鋼材不停與水分接觸，會(huì)產(chǎn)生氧化、銹蝕等現(xiàn)象，因此國(guó)家強(qiáng)制規(guī)定這類容器的使用壽命為10年。

　　鑒于壓縮空氣干燥器與家用空調(diào)等設(shè)備的工作參數(shù)相近，而新材料三型聚丙烯(PP-R)、鋁塑復(fù)合材料(PAP)壽命長(zhǎng)(在設(shè)計(jì)溫度70℃下使用壽命可達(dá)50年以上，在常溫20℃下使用壽命可達(dá)100年以上)、耐壓(高至2.5 MPa)、耐腐蝕，恰好適合壓縮空氣干燥器的工作環(huán)境，能夠替代20 m3/min以下的壓縮空氣干燥器的鋼材。這些材料還可逐步應(yīng)用于20 m3/min以上的壓縮空氣干燥器。

　　壓縮空氣干燥器的A、B罐由筒體、頂封頭、底封頭三件一體組成。

　　對(duì)于圓筒體，直接與PP-R、PAP材料生產(chǎn)廠家特殊商定，按圖紙、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、工藝要求制造加工即可;對(duì)于頂和底封頭，筆者與材料廠家深入合作，整合形成一套壓力容器PP-R、PAP材料封頭生產(chǎn)工藝，制造得到平板蓋形、橢圓形封頭;對(duì)于輸入、輸出管道部分材料，直接采購(gòu)PP-R、PAP生產(chǎn)廠家的、滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的材料，并購(gòu)進(jìn)閥門生產(chǎn)廠家的、滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的先導(dǎo)閥、氣動(dòng)閥。據(jù)此加工總裝，真正做到了智能控制改造和用材改進(jìn)相統(tǒng)一[6]。

　　目前，該壓縮空氣干燥器已應(yīng)用于肇慶市技師學(xué)院機(jī)械系數(shù)控技術(shù)實(shí)訓(xùn)中心的數(shù)控機(jī)床加工群及電氣系的電氣自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線，反饋良好。改造后的干燥裝置與2018年獲得專利授權(quán)，在院辦工廠限量生產(chǎn)。

　　最后需要提醒的是，PP-R、PAP材料不能用于外加熱、微加熱等干燥器的筒體、封頭、管道制造。

　　5 結(jié)論與展望

　　本文實(shí)現(xiàn)了吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器的智能控制和用材改進(jìn)。在改造中，采用了PLC與開(kāi)關(guān)電源的一體控制，加入了標(biāo)準(zhǔn)程序、節(jié)能程序、自我修復(fù)程序等，并積極進(jìn)行了用材改進(jìn)。裝置穩(wěn)定可靠，獲得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　后續(xù)，還可進(jìn)一步開(kāi)展PLC、觸摸屏、開(kāi)關(guān)電源的一體化研發(fā)，與時(shí)俱進(jìn)地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，爭(zhēng)取更多的客戶。

　　致謝

　　論文在統(tǒng)稿過(guò)程中得到《工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新》雜志社領(lǐng)導(dǎo)和責(zé)任編輯耐心的指導(dǎo)，在此表示深深的感謝!

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 高慧芳， 曹明路， 邵枝華. 基于正多面體的多面體對(duì)稱耦合機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合方法[J]. 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新， 2018， 5(5)： 22-27.

　　[2] 沈華龍. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被動(dòng)式自動(dòng)消防系統(tǒng)改造[J] . 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新， 2018， 5(5)： 59-62.

　　[3] 李日森. 簡(jiǎn)析240米鋼內(nèi)筒煙囪液壓頂升設(shè)備液壓系統(tǒng)[J]. 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新， 2016， 3(6)： 1097-1100.

　　[4] 陳文平. 新型智能照明控制電路應(yīng)用實(shí)例精選[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2000.

　　[5] 謝英. 可編程控制技術(shù)應(yīng)用[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2017.

　　[6] 劉友葵， 劉劍雄. 干燥器的PLC改造[J]. 機(jī)電工程技術(shù)， 2018(7)： 28-30.

　　作者簡(jiǎn)介：

　　梁肇文(1964—)，通信作者，男，廣東高要人，肇慶市技師學(xué)院機(jī)修鉗工高級(jí)技師。研究方向：機(jī)電一體化、機(jī)械、信息技術(shù)等領(lǐng)域的學(xué)校服務(wù)設(shè)備的研制、安裝、調(diào)試、檢修等。曾獲國(guó)家專利多項(xiàng)。

　　E-mail： [email protected]

　　劉劍君(1989—)，男，廣東肇慶人，本科，肇慶市聲科磁電設(shè)備有限公司工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)與工業(yè)自動(dòng)化控制。