一种多机协同的工频空压机组控制方法及相关设备与流程

本技术涉及机组控制，尤其涉及一种多机协同的工频空压机组控制方法及相关设备。

背景技术：

1、在工业生产过程中，压缩空气是工业生产中广泛应用的动力源。工频空压机因结构可靠、维护简便而占据主导地位，但其转速恒定，仅通过加载/卸载切换维持管网压力。在负载频繁波动下，常出现长时间空载和频繁加卸载。据相关研究及行业调研，制造业空压机系统空载率普遍在28%~42%之间，间歇生产企业甚至超过55%，且现有工频空压机组多采用单台独立控制的方式实现加载与卸载，在实际运行中存在以下技术问题：

2、（1）多机独立控制，空载能耗浪费严重：

3、现有方案多采用单台机组独立根据本机或管网末端压力判断加卸载，无全局协同调度机制。低负载工况下，极易出现多台机组同时进入空载空转状态，造成大量无效能耗，有研究显示，传统螺杆机电机效率仅85%，空转损失占15%-20%，峰值电流损耗达30%，电能浪费极为严重。

4、（2）控制滞后与频繁切换：

5、现有方案仅依赖管网末端压力进行反馈调节，控制滞后时间长。当负载突变时会导致“压力骤降→机组集体加载→压力超调→机组集体卸载”的循环，不仅加剧设备磨损，还会导致管网压力大幅波动，无法满足高精度生产工艺的用气要求。现有少数带预测功能的群控方案多采用简单线性预测，精度不足，且工况划分粗糙，极易出现误判导致的频繁加卸载。

6、（3）主流节能改造成本高、适配性差、存在设备风险：

7、目前行业内主流的空压机节能改造方案为变频改造，即通过加装变频器将工频电机改为变频调速，实现排气量与用气负载的动态匹配。但该方案存在三大核心问题：

8、1.改造成本高，单台机组变频改造成本动辄数万元，投资回报周期长，小规模空压机组节能收益无法覆盖改造成本；

9、2.适配性差，老旧工频空压机电机绝缘等级、散热系统均非针对变频工况设计，加装变频器产生的谐波会加速电机绝缘老化，低频运行时散热风量骤减，极易导致电机高温跳机甚至烧毁；

10、3.节能效果有限，多数变频改造仅实现了软启动，未针对多机协同进行优化，在多机组并联运行场景下，仍无法解决多机同时空载的问题。

11、（4）群控协同能力缺失：

12、现有技术中虽有部分空压机群控方案，但大多集中在单一机组的压力调节优化、简单的启停时序控制，仅实现了“按压力上下限轮流启停”的基础功能，缺少对多台工频空压机组的系统性协同调度；负载预测多采用简单线性回归或长周期大数据预测，无法适配工业用气秒级非线性波动特性，预测精度不足；工况识别多为单维度阈值划分，粒度粗糙，易出现误判导致的无效切换，无法实现 “提前精准预判负载、动态匹配机组运行状态” 的预判式控制，无法从根源上解决空载能耗与控制滞后的问题。

13、由此可见，目前的工频空压机组控制方法存在工频空压机组控制的可靠性和群控能力差的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种多机协同的工频空压机组控制方法及相关设备，可以解决工频空压机组控制的可靠性和群控能力差的问题。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种多机协同的工频空压机组控制方法，该工频空压机组控制方法包括：

3、获取待控制的工频空压机组的运行数据；

4、基于工频空压机组的运行数据进行组合预测，得到工频空压机组的用气量预测值；

5、根据运行数据和用气量预测值构建工况特征，并基于工况特征识别工频空压机组的工况类型；

6、构建优化目标函数，并根据工况类型对优化目标函数进行最小化求解，得到工频空压机组中每个工频空压机的预测状态；优化目标函数用于描述工频空压机组的运行成本；

7、根据每个工频空压机的预测状态，对工频空压机组中每个工频空压机进行控制。

8、可选的，基于工频空压机组的运行数据进行组合预测，得到工频空压机组的用气量预测值，包括：

9、基于运行数据进行线性预测，得到初始用气量预测值；

10、计算残差修正值和物理量补偿值；

11、将初始用气量预测值、残差修正值和物理量补偿值进行耦合叠加，得到工频空压机组的用气量预测值。

12、可选的，运行数据包括当前时刻的管网实时用气量、管网实时压力；

13、基于运行数据进行线性预测，得到初始用气量预测值，包括：

14、通过公式：

15、

16、计算初始用气量预测值；

17、其中，、、、均为权重系数，表示当前时刻的管网实时用气量，表示当前时刻的管网实时压力，表示管网设定目标压力，表示时间差，表示当前时刻的管网压力变化率；

18、计算残差修正值和物理量补偿值，包括：

19、通过公式：

20、

21、计算残差修正值；

22、其中，表示发展系数，表示灰色作用量，表示残差预测步长，表示用气量残差；

23、通过公式：

24、

25、计算物理量补偿值；

26、其中，表示设备衰减补偿，表示温压补偿，表示管网容积补偿：

27、

28、

29、

30、其中，表示单位小时排气衰减系数，表示机组累计运行总时长，表示用气量采样值，表示标况温度，表示实时温度，表示厂区管网总容积，表示标准大气压。

31、可选的，运行数据包括工频空压机组中每个工频空压机的额定排气量；

32、根据运行数据和用气量预测值构建工况特征，包括：

33、根据运行数据和用气量预测值计算流量变化率，并计算归一化压力变化率；

34、基于运行数据计算机组平均负载率；

35、将流量变化率、归一化压力变化率和机组平均负载率组合为一个向量，得到工况特征。

36、可选的，根据运行数据和用气量预测值计算流量变化率，包括：

37、通过公式：

38、

39、计算流量变化率；

40、计算归一化压力变化率，包括：

41、通过公式：

42、

43、计算归一化压力变化率；

44、基于运行数据计算机组平均负载率，包括：

45、通过公式：

46、

47、计算机组平均负载率；

48、其中，表示第个工频空压机的额定排气量，表示第个工频空压机的加载标识。

49、可选的，基于工况特征识别工频空压机组的工况类型，包括：

50、根据工况特征计算工频空压机组的综合评判得分；

51、根据综合评判得分和预设得分区间，识别工频空压机组的工况类型。

52、可选的，优化目标函数为：

53、

54、其中，表示综合成本，、、均为权重，表示系统总能耗，表示能耗归一化基准，表示机组状态切换纵次数，表示切换频次归一化基准，表示磨损不均衡度，表示磨损偏差归一化基准。

55、可选的，根据工况类型对优化目标函数进行最小化求解，得到工频空压机组中每个工频空压机的预测状态，包括：

56、以工况类型定义约束条件；

57、在约束条件的约束下，对优化目标函数进行最小化求解，得到每个工频空压机的初始预测状态；

58、分别针对每个工频空压机，当工频空压机的初始预测状态满足卸载切换等待时长条件时，将工频空压机的当前状态作为预测状态，当工频空压机的初始预测状态不满足卸载切换等待时长条件时，将工频空压机的初始预测状态作为预测状态。

59、第二方面，本技术实施例提供了一种多机协同的工频空压机组控制装置，包括：

60、获取模块，用于获取待控制的工频空压机组的运行数据；

61、预测模块，用于基于工频空压机组的运行数据进行组合预测，得到工频空压机组的用气量预测值；

62、构建模块，用于根据运行数据和用气量预测值构建工况特征，并基于工况特征识别工频空压机组的工况类型；

63、求解模块，用于构建优化目标函数，并根据工况类型对优化目标函数进行最小化求解，得到工频空压机组中每个工频空压机的预测状态；优化目标函数用于描述工频空压机组的运行成本；

64、控制模块，用于根据每个工频空压机的预测状态，对工频空压机组中每个工频空压机进行控制。

65、第三方面，本技术实施例提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行上述计算机程序时实现上述的多机协同的工频空压机组控制方法。

66、第四方面，本技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的多机协同的工频空压机组控制方法。

67、本技术的上述方案有如下的有益效果：

68、在本技术的实施例中，通过获取待控制的工频空压机组的运行数据，然后基于工频空压机组的运行数据进行组合预测，得到工频空压机组的用气量预测值，再根据运行数据和用气量预测值构建工况特征，并基于工况特征识别工频空压机组的工况类型，然后构建优化目标函数，并根据工况类型对优化目标函数进行最小化求解，得到工频空压机组中每个工频空压机的预测状态，最后根据每个工频空压机的预测状态，对工频空压机组中每个工频空压机进行控制。其中，基于实际的运行数据进行组合预测，避免单一线性预测无法捕捉非线性波动的缺陷，能够提高机组用气量预测值的准确性，有效反映工频空压机组的工况，构建优化目标函数并根据工况类型求解多个工频空压机的预测状态，实现多机的协调加载与卸载，确保机组的高效运行，有效提高工频空压机组控制的可靠性和群控能力。

69、本技术的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。