吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器的智能控制與用材改進

　　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、生產工藝參數難以修改等問題，且未考慮節能需求。根據壓縮空氣干燥器的工作原理與工藝要求，設計干燥器吸附與再生周期圖、時序圖，將可編程控制器(PLC)與開關電源有機組合，實現了一體化智能控制。在PLC中按照標準應用，增加節能、自我修復等功能;設定不同的工作周期，對不同壓力、溫度、濕度下的空氣干燥效果進行優化;采用三型聚丙烯(PP-R)、鋁塑復合材料(PAP)等新材料替代原有鋼材。經驗證表明：壓縮空氣干燥器運行穩定可靠，成品氣露點等技術指標滿足要求，節能減排30%，維護費節約可達5 000元/(臺·年);同時實現了用材改進，降低了成本，增加了可靠性。

　　本文源自工業技術創新 2020年5期《工業技術創新》是由中國電子信息產業發展研究院和工業和信息化部部長主辦的國家科技學術期刊。該報主要面向工業技術創新領域的相關產業部門、工業企業、科研創新學術交流平臺、技術創新成果宣傳轉化領域以及戰略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進產業技術創新，促進產業轉型升級，為建設創新型國家服務。

　　關鍵詞： 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

　　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品之一，其應用廣泛，是其他吸附式自熱再生壓縮空氣干燥器(以下簡稱“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、無排放干燥器等的制造基礎[1]。

　　現有壓縮空氣干燥器的控制系統主要采用自行研發的單片機控制系統，其缺點是抗干擾性差、生產工藝參數難以修改、技術門檻高。為使壓縮空氣干燥器運行更平穩可靠、抗干擾能力更強、修改生產工藝參數更容易、功能可拓展性更好，筆者采用智能化的可編程控制器(PLC)，與開關電源形成一體控制，并將新材料三型聚丙烯(PP-R)、鋁塑復合材料(PAP)引入研發工藝[2]，實現了壓縮空氣干燥器的智能控制與用材改進。本文首先闡述現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PLC與開關電源一體控制的初步設計、詳細設計方案進行論述;最后介紹引進新材料實現用材改進的情況。

　　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≤-20℃～-15℃(露點越低越好)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械實體的制造過程，而電氣箱的設計、安裝、調試、檢測、維修須人工完成。

　　空氣干燥方法有吸附法和冷卻法。吸附法節能，其干燥露點低至-15℃甚至-40℃;冷卻法耗能，且露點僅為3℃。在低露點下，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。整套裝置由以下結構組成：

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

　　(2)四個氣動閥CV1～CV4，兩進氣、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)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罐內干燥劑受到加壓，吸附空氣中的水分。自熱再生標準型裝置在A、B兩罐的工作周期為10 min。吸附時放熱，解吸時吸熱。因不需要外來熱能，故稱作自熱再生。

　　當A罐工作時，吸附(底部進氣，頂部出氣)5 min后，已干燥的空氣的85%經單向閥輸出，供給用戶。B罐在再生、解吸過程中，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自動關閉，空氣通過限流板孔節流閥使B罐充壓、均壓1 min，以待再生，即頂部進入干燥空氣，底部通過排氣閥B1排出廢氣(配有消音器)。B罐工作、A罐再生過程同理。兩罐日夜不停工作及再生，生產出合格的干燥壓縮空氣，供給用戶。各行各業的制造工藝及動力過程，如汽車生產公司車輛噴漆、假發生產、家具制造、鋼琴生產等，均需用到干燥壓縮空氣，以實現產品保質、設備延壽。

　　2 優缺點分析與初步改造設計

　　2.1 優缺點分析

　　優點：A、B罐內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、露點更低。

　　缺點：現有壓縮空氣干燥器的控制器都采用了自行研發的單片機控制系統，僅僅控制4個電磁先導閥有序工作。這就產生了如下缺點：

　　其一，軟件、硬件研發欠成熟，而且用戶用電環境復雜，使干燥器抗干擾性差，經常出現誤動作、“死機”現象;

　　其二，修改生產工藝的控制程序困難，使得設計制造門檻較高，嚴重影響用戶的產品產量和質量，用戶無法自行修改程序，不如PLC可靠、方便、容易;

　　其三，罐內鋁膠干燥劑一旦受潮，只有停電停氣、大動作地拆解整臺干燥器，才能換上全新干燥劑，重新安裝、調試、檢測校正、驗收后才能投入使用，影響生產效率;

　　其四，整機采用金屬鋼材，浪費材料資源。

　　2.2 初步改造設計

　　將PLC、工業開關電源、新管道、閥門等有機組合，如圖3所示。在圖3a中，1、2、3、4是由電控式氣體先導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為進氣閥;5是金屬結構消聲器;6、7是金屬結構止回閥;8是金屬結構節流閥;9是PLC程序控制器，它是一個抗干擾能力極強的帶軟硬件的電子系統或工業計算機系統;10、11是旁通電磁先導閥;12是本機輸出氣體氣動閥。10、11、12為新加硬件，與自修復程序共同執行干燥劑的干燥修復任務。

　　3 詳細設計方案

　　由于整機采用多個直流24 V電磁閥，故須配用大功率24 V開關電源供電，才能滿足安全可靠運行等要求。

　　控制箱見圖1中央或圖3的部件9，其電氣設計如下。

　　3.1 干燥器吸附與再生周期圖

　　采用標準型工作控制，繪制干燥器吸附與再生周期圖，如圖4所示。

　　3.2 時序圖設計

　　結合現有壓縮空氣干燥器工作原理(圖2)及技術工藝要求，設計時序圖[3]，方波為輸出高電平，如圖5所示。

　　3.3 控制原理

　　“開機”按鈕用于設備開機，是個船型開關，而“手動切換”按鈕用于A罐、B罐切換，實現電氣調試及總機出廠前聯調、用戶驗收調試等人為調試。“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5 min一切換、10 min一工作周期的單一時間控制程序。它考慮了壓縮空氣壓力、溫度、濕度的變化，根據按下“周選”按鈕的次數，選擇工作程序，以實現正常露點標準再生排放、低露點節能減少排放、高露點增加再生排放量等，或通過時間調整實現自我修復效果，具體如下：

　　(1)標準程序：10 min工作周期;

　　(2)節能程序1：12 min工作周期;

　　(3)節能程序2：16 min工作周期;

　　(4)節能程序3：26 min工作周期;

　　(5)自我修復：若換干燥劑、干燥劑過潮、干燥效果差等，設置4 min或6 min工作周期。

　　若干燥器在我國南方城市使用，多選擇標準程序;新購產品或更換吸附劑運行一個月至一年內的，通常可選擇節能程序，減少再生排放、節約能源，且保證成品氣質量。但是，當干燥器工作在極其潮濕的空壓站系統環境下，或已年久失修時，必須增加一個本機輸出氣體氣動閥(圖3a中的12)，選擇4 min(或6 min)工作周期，若PLC自動關閉本機輸出氣體氣動閥，甚至控制安裝在15%再生氣支管旁邊并聯加焊上的一組旁通電磁先導閥(圖3a中的10、11)，則運行維修程序(使再生氣達到30%～100%)，將干燥劑中的潮氣排走，干燥劑快速得到再生，從而實現了裝置的自我修復。通過手感或露點儀檢測成品氣，若達到出廠標準，再返回標準程序或節能程序。以上經驗已由筆者在前幾年暑假赴十堰市東風二汽出差考察時經歷的長達幾個月的供氣系統維修改造中得到了證實。改造時，為硬件機械部分增加管道及先導閥，為輸出管道增加一個氣動閥，而在電氣部分增加多個輸入輸出點，并編入軟件程序則可。

　　有了時序圖和電氣控制圖，就可以用經驗法、移植法、狀態圖法或梯形圖法等進行編程了[5]。在此采用PLC步進編程法設計梯形圖控制程序，如圖6所示。

　　A、B缸控制程序解析如下：

　　該控制程序根據時序圖，采用狀態步進指令編寫，能夠將復雜的控制過程轉化為簡單的程序，以滿足復雜的控制要求。

　　X000為手動切換的控制信號，主要目的是實現A、B缸啟動順序。當程序運行時，X000的常閉觸點[SET S21]接通，能使程序先執行B缸電磁閥的工作，如需要A缸電磁閥先啟動工作，必須先操作X000，使其常閉觸點斷開、常開觸點閉合，并接通[SET S20]線圈。

　　線圈S20的作用是控制A缸的2個電磁閥工作。當線圈S20接電時，Y002、Y003電磁線圈得電工作，同時時間繼電器T0、T1也接通得電，T0(設定值K300=5 s)和T1(設定值K240=4 s)開始計時。當T1定時器的時間達到設定值240時，T1的常閉觸點斷開，A缸的常閉電磁閥線圈Y003失電。當T0定時器的時間達到設定值300時，其常開觸點閉合，接通S21線圈。當該線圈接通時，線圈S20斷開，常開電磁閥線圈Y2失電，控制A缸程序停止執行，程序轉為執行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，定時器T3(設定值K240=4 s)控制Y1常閉電磁閥線圈，定時器T2(設定值K300=5 s)控制常開電閥磁線圈。當S21控制程序被執行時，定時器T2、T3，線圈Y000、Y001工作，當定時器工作時間達到設定值時，線圈Y000、Y001停止工作，同時S21控制程序停止執行，定時器T2接通S20控制程序。S20控制程序再次被執行，直至按下停止信號X001接通線圈S0，程序才回到初始狀態并停止執行[6]。整臺裝置通常一年不停機運行。

　　3.4 裝置調試

　　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+開關電源控制)，全力投入通電、通氣、檢查設備運行情況等生產方總裝總調工作，再用肥皂溶液檢查裝置各連接部分是否漏氣。在正常運行狀況下，當A罐工作時，控制氣動閥2排氣、氣動閥3進氣;當B罐工作時，控制氣動閥1排氣、氣動閥4進氣。每隔幾分鐘記錄一次壓力、露點等參數。

　　逐一運行干燥器5套程序，直至全部正常運行。驗收整套成品的技術指標，直至達標。進氣溫度<40℃，流量為1～2 000 Nm3/h，露點≤-20℃，壓力為0.05～0.8 MPa。節能減排30%，維護費節約達5 000元/(臺·年)。

　　接好220 V單相空氣開關交流電源并扳上開關，打開本機壓縮空氣進氣手動閥，按下干燥器控制箱電源開關，燈亮后設備自動進入標準程序穩定狀態。試按A、B罐切換開關，讓B罐先工作。觀察各儀表顯示正常，干燥器進入正常工作狀態，記錄一個周期情況，運行良好。目前裝置已批量投入生產。

　　4 用材改進

　　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，會產生氧化、銹蝕等現象，因此國家強制規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等設備的工作參數相近，而新材料三型聚丙烯(PP-R)、鋁塑復合材料(PAP)壽命長(在設計溫度70℃下使用壽命可達50年以上，在常溫20℃下使用壽命可達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。

　　對于圓筒體，直接與PP-R、PAP材料生產廠家特殊商定，按圖紙、國家標準、工藝要求制造加工即可;對于頂和底封頭，筆者與材料廠家深入合作，整合形成一套壓力容器PP-R、PAP材料封頭生產工藝，制造得到平板蓋形、橢圓形封頭;對于輸入、輸出管道部分材料，直接采購PP-R、PAP生產廠家的、滿足國家標準的材料，并購進閥門生產廠家的、滿足國家標準的先導閥、氣動閥。據此加工總裝，真正做到了智能控制改造和用材改進相統一[6]。

　　目前，該壓縮空氣干燥器已應用于肇慶市技師學院機械系數控技術實訓中心的數控機床加工群及電氣系的電氣自動化實訓生產線，反饋良好。改造后的干燥裝置與2018年獲得專利授權，在院辦工廠限量生產。

　　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 結論與展望

　　本文實現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。在改造中，采用了PLC與開關電源的一體控制，加入了標準程序、節能程序、自我修復程序等，并積極進行了用材改進。裝置穩定可靠，獲得了良好的社會效益和經濟效益。

　　后續，還可進一步開展PLC、觸摸屏、開關電源的一體化研發，與時俱進地實現產品創新，爭取更多的客戶。

　　致謝

　　論文在統稿過程中得到《工業技術創新》雜志社領導和責任編輯耐心的指導，在此表示深深的感謝!

　　參考文獻

　　[1] 高慧芳， 曹明路， 邵枝華. 基于正多面體的多面體對稱耦合機構構型綜合方法[J]. 工業技術創新， 2018， 5(5)： 22-27.

　　[2] 沈華龍. 風力發電機組被動式自動消防系統改造[J] . 工業技術創新， 2018， 5(5)： 59-62.

　　[3] 李日森. 簡析240米鋼內筒煙囪液壓頂升設備液壓系統[J]. 工業技術創新， 2016， 3(6)： 1097-1100.

　　[4] 陳文平. 新型智能照明控制電路應用實例精選[M]. 北京： 機械工業出版社， 2000.

　　[5] 謝英. 可編程控制技術應用[M]. 北京： 電子工業出版社， 2017.

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

　　作者簡介：

　　梁肇文(1964—)，通信作者，男，廣東高要人，肇慶市技師學院機修鉗工高級技師。研究方向：機電一體化、機械、信息技術等領域的學校服務設備的研制、安裝、調試、檢修等。曾獲國家專利多項。

　　E-mail： 2215015142@qq.com

　　劉劍君(1989—)，男，廣東肇慶人，本科，肇慶市聲科磁電設備有限公司工程師。研究方向：計算機與工業自動化控制。