吸附式自热再生压缩空气干燥器的智能控制与用材改进
摘 要： 原有吸附式自热再生压缩空气干燥器普遍存在抗干扰性差、生产工艺参数难以修改等问题，且未考虑节能需求。根据压缩空气干燥器的工作原理与工艺要求，设计干燥器吸附与再生周期图、时序图，将可编程控制器(PLC)与开关电源有机组合，实现了一体化智能控制。在PLC中按照标准应用，增加节能、自我修复等功能;设定不同的工作周期，对不同压力、温度、湿度下的空气干燥效果进行优化;采用三型聚丙烯(PP-R)、铝塑复合材料(PAP)等新材料替代原有钢材。经验证表明：压缩空气干燥器运行稳定可靠，成品气露点等技术指标满足要求，节能减排30%，维护费节约可达5 000元/(台·年);同时实现了用材改进，降低了成本，增加了可靠性。
本文源自工业技术创新 2020年5期《工业技术创新》是由中国电子信息产业发展研究院和工业和信息化部部长主办的国家科技学术期刊。该报主要面向工业技术创新领域的相关产业部门、工业企业、科研创新学术交流平台、技术创新成果宣传转化领域以及战略政策研究的理论讨论阵地。该杂志的宗旨是促进产业技术创新，促进产业转型升级，为建设创新型国家服务。
关键词： 自热再生;压缩空气干燥器;吸附法;智能控制;三型聚丙烯(PP-R);用材改进
引言
塔式ARD自热再生(吸附式)压缩空气干燥装置是压力容器系列产品之一，其应用广泛，是其他吸附式自热再生压缩空气干燥器(以下简称“压缩空气干燥器”)，如加热干燥器、微加热干燥器、余热回流干燥器、无排放干燥器等的制造基础[1]。
现有压缩空气干燥器的控制系统主要采用自行研发的单片机控制系统，其缺点是抗干扰性差、生产工艺参数难以修改、技术门槛高。为使压缩空气干燥器运行更平稳可靠、抗干扰能力更强、修改生产工艺参数更容易、功能可拓展性更好，笔者采用智能化的可编程控制器(PLC)，与开关电源形成一体控制，并将新材料三型聚丙烯(PP-R)、铝塑复合材料(PAP)引入研发工艺[2]，实现了压缩空气干燥器的智能控制与用材改进。本文首先阐述现有压缩空气干燥器的组成和工作原理，分析智能控制改造的必要性;然后对PLC与开关电源一体控制的初步设计、详细设计方案进行论述;最后介绍引进新材料实现用材改进的情况。
1 压缩空气干燥器的组成和工作原理
以工作电压/功率为220 V/60 W、流量为20 m3/min、工作压力为0.8 MPa(工作压力<1.6 MPa为低压容器)、露点≤-20℃～-15℃(露点越低越好)的压缩空气干燥装置的制造为例。干燥装置为钢制，因其体积小巧，须用手工电弧焊及埋弧焊兼顾完成机械实体的制造过程，而电气箱的设计、安装、调试、检测、维修须人工完成。
空气干燥方法有吸附法和冷却法。吸附法节能，其干燥露点低至-15℃甚至-40℃;冷却法耗能，且露点仅为3℃。在低露点下，该干燥装置采用吸附法。
1.1 组成
压缩空气干燥器的组成如图1所示。整套装置由以下结构组成：
(1)A、B压力容器罐，内填满氧化铝干燥剂(又称铝胶干燥剂)，并用不锈钢筛网包围罐内出入气口;
(2)四个气动阀CV1～CV4，两进气、两出气;
(3)输入管道、废气排走管道;
(4)85%输出管道与A、B罐顶单向阀，装置铁架支座等;
(5)15%限流再生气体供给管道;
(6)自热(电动)控制箱。
1.2 工作原理
压缩空气干燥器的工作原理如图2所示。A、B罐內干燥剂受到加压，吸附空气中的水分。自热再生标准型装置在A、B两罐的工作周期为10 min。吸附时放热，解吸时吸热。因不需要外来热能，故称作自热再生。
当A罐工作时，吸附(底部进气，顶部出气)5 min后，已干燥的空气的85%经单向阀输出，供给用户。B罐在再生、解吸过程中，已干燥的空气的15%使B罐铝胶干燥剂再生4 min，然后排气阀B1自动关闭，空气通过限流板孔节流阀使B罐充压、均压1 min，以待再生，即顶部进入干燥空气，底部通过排气阀B1排出废气(配有消音器)。B罐工作、A罐再生过程同理。两罐日夜不停工作及再生，生产出合格的干燥压缩空气，供给用户。各行各业的制造工艺及动力过程，如汽车生产公司车辆喷漆、假发生产、家具制造、钢琴生产等，均需用到干燥压缩空气，以实现产品保质、设备延寿。
2 优缺点分析与初步改造设计
2.1 优缺点分析
优点：A、B罐内干燥剂在低压下吸附空气水分，吸附法得到的输出空气比冷却法更干燥、露点更低。
缺点：现有压缩空气干燥器的控制器都采用了自行研发的单片机控制系统，仅仅控制4个电磁先导阀有序工作。这就产生了如下缺点：
其一，软件、硬件研发欠成熟，而且用户用电环境复杂，使干燥器抗干扰性差，经常出现误动作、“死机”现象;
其二，修改生产工艺的控制程序困难，使得设计制造门槛较高，严重影响用户的产品产量和质量，用户无法自行修改程序，不如PLC可靠、方便、容易;
其三，罐内铝胶干燥剂一旦受潮，只有停电停气、大动作地拆解整台干燥器，才能换上全新干燥剂，重新安装、调试、检测校正、验收后才能投入使用，影响生产效率;
其四，整机采用金属钢材，浪费材料资源。
2.2 初步改造设计
将PLC、工业开关电源、新管道、阀门等有机组合，如图3所示。在图3a中，1、2、3、4是由电控式气体先导阀控制的气控式薄膜切换气阀，其中1和2为排气阀、3和4为进气阀;5是金属结构消声器;6、7是金属结构止回阀;8是金属结构节流阀;9是PLC程序控制器，它是一个抗干扰能力极强的带软硬件的电子系统或工业计算机系统;10、11是旁通电磁先导阀;12是本机输出气体气动阀。10、11、12为新加硬件，与自修复程序共同执行干燥剂的干燥修复任务。
3 详细设计方案
由于整机采用多个直流24 V电磁阀，故须配用大功率24 V开关电源供电，才能满足安全可靠运行等要求。
控制箱见图1中央或图3的部件9，其电气设计如下。
3.1 干燥器吸附与再生周期图
采用标准型工作控制，绘制干燥器吸附与再生周期图，如图4所示。
3.2 时序图设计
结合现有压缩空气干燥器工作原理(图2)及技术工艺要求，设计时序图[3]，方波为输出高电平，如图5所示。
3.3 控制原理
“开机”按钮用于设备开机，是个船型开关，而“手动切换”按钮用于A罐、B罐切换，实现电气调试及总机出厂前联调、用户验收调试等人为调试。“周选”按钮用于A、B罐工作切换周期的选择[4]。
新装置的PLC程序，改变了传统5 min一切换、10 min一工作周期的单一时间控制程序。它考虑了压缩空气压力、温度、湿度的变化，根据按下“周选”按钮的次数，选择工作程序，以实现正常露点标准再生排放、低露点节能减少排放、高露点增加再生排放量等，或通过时间调整实现自我修复效果，具体如下：
(1)标准程序：10 min工作周期;
(2)节能程序1：12 min工作周期;
(3)节能程序2：16 min工作周期;
(4)节能程序3：26 min工作周期;
(5)自我修复：若换干燥剂、干燥剂过潮、干燥效果差等，设置4 min或6 min工作周期。
若干燥器在我国南方城市使用，多选择标准程序;新购产品或更换吸附剂运行一个月至一年内的，通常可选择节能程序，减少再生排放、节约能源，且保证成品气质量。但是，当干燥器工作在极其潮湿的空压站系统环境下，或已年久失修时，必须增加一个本机输出气体气动阀(图3a中的12)，选择4 min(或6 min)工作周期，若PLC自动关闭本机输出气体气动阀，甚至控制安装在15%再生气支管旁边并联加焊上的一组旁通电磁先导阀(图3a中的10、11)，则运行维修程序(使再生气达到30%～100%)，将干燥剂中的潮气排走，干燥剂快速得到再生，从而实现了装置的自我修复。通过手感或露点仪检测成品气，若达到出厂标准，再返回标准程序或节能程序。以上经验已由笔者在前几年暑假赴十堰市东风二汽出差考察时经历的长达几个月的供气系统维修改造中得到了证实。改造时，为硬件机械部分增加管道及先导阀，为输出管道增加一个气动阀，而在電气部分增加多个输入输出点，并编入软件程序则可。
有了时序图和电气控制图，就可以用经验法、移植法、状态图法或梯形图法等进行编程了[5]。在此采用PLC步进编程法设计梯形图控制程序，如图6所示。
A、B缸控制程序解析如下：
该控制程序根据时序图，采用状态步进指令编写，能够将复杂的控制过程转化为简单的程序，以满足复杂的控制要求。
X000为手动切换的控制信号，主要目的是实现A、B缸启动顺序。当程序运行时，X000的常闭触点[SET S21]接通，能使程序先执行B缸电磁阀的工作，如需要A缸电磁阀先启动工作，必须先操作X000，使其常闭触点断开、常开触点闭合，并接通[SET S20]线圈。
线圈S20的作用是控制A缸的2个电磁阀工作。当线圈S20接电时，Y002、Y003电磁线圈得电工作，同时时间继电器T0、T1也接通得电，T0(设定值K300=5 s)和T1(设定值K240=4 s)开始计时。当T1定时器的时间达到设定值240时，T1的常闭触点断开，A缸的常闭电磁阀线圈Y003失电。当T0定时器的时间达到设定值300时，其常开触点闭合，接通S21线圈。当该线圈接通时，线圈S20断开，常开电磁阀线圈Y2失电，控制A缸程序停止执行，程序转为执行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，定时器T3(设定值K240=4 s)控制Y1常闭电磁阀线圈，定时器T2(设定值K300=5 s)控制常开电阀磁线圈。当S21控制程序被执行时，定时器T2、T3，线圈Y000、Y001工作，当定时器工作时间达到设定值时，线圈Y000、Y001停止工作，同时S21控制程序停止执行，定时器T2接通S20控制程序。S20控制程序再次被执行，直至按下停止信号X001接通线圈S0，程序才回到初始状态并停止执行[6]。整台装置通常一年不停机运行。
3.4 装置调试
采用小铜管驳接、焊接等，按图纸固定各元部件，然后以ARD电气控制箱为装置的中枢(三菱PLC+开关电源控制)，全力投入通电、通气、检查设备运行情况等生产方总装总调工作，再用肥皂溶液检查装置各连接部分是否漏气。在正常运行状况下，当A罐工作时，控制气动阀2排气、气动阀3进气;当B罐工作时，控制气动阀1排气、气动阀4进气。每隔几分钟记录一次压力、露点等参数。
逐一运行干燥器5套程序，直至全部正常运行。验收整套成品的技术指标，直至达标。进气温度<40℃，流量为1～2 000 Nm3/h，露点≤-20℃，压力为0.05～0.8 MPa。节能减排30%，维护费节约达5 000元/(台·年)。
接好220 V单相空气开关交流电源并扳上开关，打开本机压缩空气进气手动阀，按下干燥器控制箱电源开关，灯亮后设备自动进入标准程序稳定状态。试按A、B罐切换开关，让B罐先工作。观察各仪表显示正常，干燥器进入正常工作状态，记录一个周期情况，运行良好。目前装置已批量投入生产。
4 用材改进
以往，压力容器罐体一般采用钢材，如用20钢作为筒体、封头材料。但是，作为压力容器，钢材不停与水分接触，会产生氧化、锈蚀等现象，因此国家强制规定这类容器的使用寿命为10年。
鉴于压缩空气干燥器与家用空调等设备的工作参数相近，而新材料三型聚丙烯(PP-R)、铝塑复合材料(PAP)寿命长(在设计温度70℃下使用寿命可达50年以上，在常温20℃下使用寿命可达100年以上)、耐压(高至2.5 MPa)、耐腐蚀，恰好适合压缩空气干燥器的工作环境，能够替代20 m3/min以下的压缩空气干燥器的钢材。这些材料还可逐步应用于20 m3/min以上的压缩空气干燥器。
压缩空气干燥器的A、B罐由筒体、顶封头、底封头三件一体组成。
對于圆筒体，直接与PP-R、PAP材料生产厂家特殊商定，按图纸、国家标准、工艺要求制造加工即可;对于顶和底封头，笔者与材料厂家深入合作，整合形成一套压力容器PP-R、PAP材料封头生产工艺，制造得到平板盖形、椭圆形封头;对于输入、输出管道部分材料，直接采购PP-R、PAP生产厂家的、满足国家标准的材料，并购进阀门生产厂家的、满足国家标准的先导阀、气动阀。据此加工总装，真正做到了智能控制改造和用材改进相统一[6]。
目前，该压缩空气干燥器已应用于肇庆市技师学院机械系数控技术实训中心的数控机床加工群及电气系的电气自动化实训生产线，反馈良好。改造后的干燥装置与2018年获得专利授权，在院办工厂限量生产。
最后需要提醒的是，PP-R、PAP材料不能用于外加热、微加热等干燥器的筒体、封头、管道制造。
5 结论与展望
本文实现了吸附式自热再生压缩空气干燥器的智能控制和用材改进。在改造中，采用了PLC与开关电源的一体控制，加入了标准程序、节能程序、自我修复程序等，并积极进行了用材改进。装置稳定可靠，获得了良好的社会效益和经济效益。
后续，还可进一步开展PLC、触摸屏、开关电源的一体化研发，与时俱进地实现产品创新，争取更多的客户。
致谢
论文在统稿过程中得到《工业技术创新》杂志社领导和责任编辑耐心的指导，在此表示深深的感谢!
参考文献
[1] 高慧芳， 曹明路， 邵枝华. 基于正多面体的多面体对称耦合机构构型综合方法[J]. 工业技术创新， 2018， 5(5)： 22-27.
[2] 沈华龙. 风力发电机组被动式自动消防系统改造[J] . 工业技术创新， 2018， 5(5)： 59-62.
[3] 李日森. 简析240米钢内筒烟囱液压顶升设备液压系统[J]. 工业技术创新， 2016， 3(6)： 1097-1100.
[4] 陈文平. 新型智能照明控制电路应用实例精选[M]. 北京： 机械工业出版社， 2000.
[5] 谢英. 可编程控制技术应用[M]. 北京： 电子工业出版社， 2017.
[6] 刘友葵， 刘剑雄. 干燥器的PLC改造[J]. 机电工程技术， 2018(7)： 28-30.
作者简介：
梁肇文(1964—)，通信作者，男，广东高要人，肇庆市技师学院机修钳工高级技师。研究方向：机电一体化、机械、信息技术等领域的学校服务设备的研制、安装、调试、检修等。曾获国家专利多项。
E-mail： 2215015142@qq.com
刘剑君(1989—)，男，广东肇庆人，本科，肇庆市声科磁电设备有限公司工程师。研究方向：计算机与工业自动化控制。