【正文】 。礦山設(shè)備不斷更新，不斷進(jìn)步，可靠性、易操作性、可監(jiān)視性、易維護(hù)性等已是最基本的要求了。用繼電器組成的控制電路可靠 性差、不易維護(hù)、不易監(jiān)視，已不能適應(yīng)當(dāng)前的要求?，F(xiàn)在迫切需要可靠性高、易維護(hù)、易操作、可監(jiān)視并且價(jià)格不高的控制器來代替繼電器組成的電路。隨著電子技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程控制器（ PLC）發(fā)展迅猛，性能很高，價(jià)格較為合理，與繼電器組的控制電路比具有非常大的優(yōu)勢。許多礦山設(shè)備已選用了 PLC 來代替比較重要的控制 設(shè)備 。傳統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備主要采用分離儀表，其可靠性差、集程度低、費(fèi)用高，不能有效的滿足礦山設(shè)備投入的經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。 空壓機(jī)控制系統(tǒng)中 PLC 的引入極大地簡化了空壓機(jī)系統(tǒng)的操作，節(jié)省了人力并 且提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?；?PLC 和變頻器的空壓機(jī)控制系統(tǒng)使工作人員可以在計(jì)算機(jī)集控下完成各項(xiàng)工作，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度，極大地節(jié)省了生產(chǎn)中所需的人力資源，也保障了生產(chǎn)和系統(tǒng)的安全。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 3 2 空氣壓縮機(jī) 空氣壓縮機(jī)及分類 空氣壓縮機(jī)（空壓機(jī)）是一種利用電動機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。作為基礎(chǔ)工業(yè)設(shè)備，空壓機(jī)在冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。 空壓機(jī)分為螺桿式空壓機(jī)（螺桿式空壓機(jī)又分為單螺桿式空 壓機(jī)及雙螺桿式空壓機(jī)）、離心式空壓機(jī)、活塞式空壓機(jī)、滑片式空壓機(jī)、渦旋式空壓機(jī)和旋葉式空壓機(jī)等（如圖 21 所示） 圖 21 空氣壓縮機(jī)分類 空氣壓縮機(jī) 螺桿式空壓機(jī) 離心式空壓機(jī) 活塞式空壓機(jī) 滑片式空壓機(jī) 渦旋式空壓機(jī) 旋葉式空壓機(jī) 其它 單螺桿式空壓機(jī) 雙螺桿式空壓機(jī) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 4 螺桿式空壓機(jī) 螺桿式空壓機(jī)基本結(jié)構(gòu) 在壓縮機(jī)機(jī)體中，平行的配置著一對互相咧合的螺旋形轉(zhuǎn)子通常把節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子，稱為陽轉(zhuǎn)子或陽螺桿。把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子，稱為陰轉(zhuǎn)子或陰螺桿。一 般陽 轉(zhuǎn)子與原動機(jī)連接，由陽轉(zhuǎn)子帶動陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子上的最后一對軸承實(shí)現(xiàn)軸向定位，并承受壓縮機(jī)中的軸向力。轉(zhuǎn)子兩端的圓 柱滾子軸承使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)徑向定位，并承受壓縮機(jī)中的徑向力。在壓縮機(jī)機(jī)體的兩端，分別開設(shè)一定形狀和大小的孔口。一個(gè)供吸氣用，稱為進(jìn)氣口；另一個(gè)供排氣用，稱作排氣口。 螺桿壓縮機(jī)的工作原理 螺桿壓縮機(jī)的工作循環(huán)過程可分為進(jìn)氣，壓縮和排氣三個(gè)過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。 (1)進(jìn)氣過程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí) ,陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開口時(shí) 其 空間最大，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通，因在排氣時(shí)齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時(shí)，齒溝處于真空狀態(tài)， 當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿了整個(gè)齒溝時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。 (2)壓縮過程：陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時(shí)，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會與機(jī)殼封閉，此時(shí)氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸減小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮，壓力提高。 (3)排氣過程：當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣口相通時(shí)，被壓縮的氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時(shí)陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼排氣口的齒溝空間為 0，即完成排氣過程，于此同 時(shí)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長度又達(dá)到最長，進(jìn)氣過程又再進(jìn)行。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 5 從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機(jī)是一種 工作容積作回 轉(zhuǎn)運(yùn)動的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實(shí)現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機(jī)的一對轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動來達(dá)到。 螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn) 就氣體壓力提高的原理而言，螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)相同，都屬容積式壓縮機(jī)。就主要部件的運(yùn)動形式而言，又與離心壓縮機(jī)相似。所以，螺桿壓縮機(jī)同時(shí)具有上述兩類壓縮機(jī)的特點(diǎn)。 (1)螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 1)可靠性高：螺桿壓縮機(jī)零部件少，沒有易損件， 因而它運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長，大修間隔期可達(dá) 4～ 8萬小時(shí)。 2)操作維護(hù)方便：操作人員不必經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)轉(zhuǎn)。 3)動力平衡性好：螺桿壓縮機(jī)沒有不平衡慣性力，機(jī)器可平穩(wěn)地高速工作，可實(shí)現(xiàn)無基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)。 4)適應(yīng)性強(qiáng)：螺桿壓縮機(jī)具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn)，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響，在寬廣范圍內(nèi)能保證較高的效率。 5)多相混輸：螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面實(shí)際上留有間隙，因而能耐液體沖擊，可壓送含液氣體，含粉塵氣體，易聚合氣體等。 (2)螺桿壓縮機(jī)的缺點(diǎn) 1)造價(jià)高：螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面是一空間曲面，需利用特制的刀具 ，在價(jià)格昂貴的專用設(shè)備上進(jìn)行加工。另外，對螺桿壓縮機(jī)氣缸的加工精度也有較高的要求。 2)不適合高壓場合：由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等方面的限制，螺桿壓縮機(jī)只能適用于中，低壓范圍，排氣壓力一般不能超過 。 3)不能制成微型：螺桿壓縮機(jī)依靠間隙密封氣體，目前一般只有容積流量大于 ，螺桿壓縮機(jī)才具有優(yōu)越的性能。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 6 活塞式空壓機(jī) 活塞式空壓機(jī)主要由三部分組成：運(yùn)動機(jī)（曲軸、軸承、連桿、十字頭、皮帶輪或聯(lián)軸器等）、工作機(jī)構(gòu)（氣缸、活塞、氣閥等）與機(jī)身。此外還有 3個(gè)輔助系統(tǒng)，即潤滑系統(tǒng)、冷 卻系統(tǒng)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)?；钊娇諌簷C(jī)是一種最常見的容積式壓縮機(jī)。它由曲柄連桿機(jī)構(gòu)將驅(qū)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榛钊耐鶑?fù)運(yùn)動。活塞與氣缸共同組成壓縮機(jī)工作腔，依靠活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動，并借助進(jìn)、排氣閥的自動開閉，使氣體周期性的進(jìn)入工作腔，進(jìn)行壓縮和排出?；钊跉飧變?nèi)一次往復(fù)的全過程分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過程，合稱一個(gè)工作過程，如圖 22所示。 圖 22 單級活塞式空壓機(jī)原理簡圖 一個(gè)工作循環(huán)周期如下： (1)吸氣過程。當(dāng)活塞 2 向右邊移動時(shí)，汽 缸左邊的容 積增大，壓力下降 ,當(dāng)壓力降到稍低于進(jìn)氣管中空氣壓力時(shí)，管內(nèi)空氣便頂開進(jìn)氣閥 3 進(jìn)入氣缸，并隨著活塞的向右移動繼續(xù)進(jìn)入氣缸，直到活塞移至右邊的末端為止。 (2)壓縮過程。當(dāng)活塞向左移動時(shí)，氣缸左邊容積開始縮小，空氣被壓縮，1 2 3 4 5 1 3 3 4 4 5 a．單作用式 b．雙 作用式 1—汽缸 2—活塞 3—進(jìn)氣閥 4—排氣閥 5—活塞桿 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 7 壓力隨之上升。由于進(jìn)氣閥的止氣作用，缸內(nèi)空氣不能倒流回進(jìn)氣管中。同時(shí)，因排氣管內(nèi)的空氣壓力又高于氣缸內(nèi)空氣壓力，空氣無法從排氣閥 4流出缸外，排氣管中的空氣也因排氣閥的止逆作用而不能流回缸內(nèi)，所以這時(shí)氣缸形成一個(gè)密閉的容積。當(dāng)活塞繼續(xù)向左移動，氣缸容積縮小，空氣體積也隨之縮小，壓力不斷提高。 (3)排氣過程。隨著活塞不斷左移壓縮缸內(nèi)空氣，使壓力繼續(xù)升高。當(dāng)壓力稍高于排氣管中的壓力時(shí)，缸內(nèi)空氣便頂開排氣閥排入排氣管中，并繼續(xù)排出到活塞移至左邊的末端為止。然后，活塞又向右移動，重復(fù)上述吸氣、壓縮和排氣工作過程。 活塞式的傳動機(jī)構(gòu)是曲軸連桿往復(fù)運(yùn)動結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)有：流量較小，氣流速度低，損失小，效率高 。 壓力范圍廣，適用于從低壓到超高壓；適應(yīng)性強(qiáng)，排氣壓力變動較大時(shí)，排氣量不變；機(jī)組零件多用普通金屬材料，制造精度要求不太高；外形尺寸及重量較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易 損失件多 。 活塞式空壓機(jī)與螺桿式空壓機(jī)的比較： (1)零部件的數(shù)量多，零部件的損壞的機(jī)率大，產(chǎn)品的可靠性低。這樣必然增加用戶的維修費(fèi)用。 (2) 曲軸連桿往復(fù)運(yùn)動結(jié)構(gòu)，由于其往復(fù)運(yùn)動的特性，限制了其轉(zhuǎn)速的提高，致使機(jī)器笨重，同時(shí)，該運(yùn)動結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的慣性力能以平衡，剩余的慣性力，會使機(jī)器產(chǎn)生振動、噪聲以及零部件的不正常的損壞。所以活塞式振動大，機(jī)械性噪音大、可靠性低。 鑒于以上原因，本系統(tǒng)選用螺桿式空壓機(jī) 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 3 可編程控制器（ plc）控制系統(tǒng) PLC 的產(chǎn)生和發(fā)展 (1)PLC 概念 PLC 是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并 逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)及通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。 (2)PLC 發(fā)展必然性 傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)（硬件布線） 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，因而長期廣泛應(yīng)用。 缺點(diǎn)：采用固定的接線方式。一旦生產(chǎn)要求及生產(chǎn)過程發(fā)生變化，必須重新設(shè)計(jì)線路，重新接線安裝。不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。還有靈活性、通用性差；體積大；速度慢等缺點(diǎn)。 60 年代末期，美國汽車制造工業(yè)相當(dāng)發(fā)達(dá)，要求不斷更換汽車的型號。傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)被淘汰。 1968 年，美國最大的汽車制造商 GM 公司公開招標(biāo) 。研制新的控制系統(tǒng)。提出以下要求：設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡單，成本低 ； 把繼電 器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來；但編程要比計(jì)算機(jī)簡單易學(xué)，操作方便 ， 系統(tǒng)通用性強(qiáng)。 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出世界上第一臺 PLC，并在 GM 公司的汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。 其后，日本、德國相繼引入。 中國 1974 年研制， 1977 年成功。 (3)功能發(fā)展史：（名字的由來） 早期：順序控制。包括邏輯運(yùn)算功能。稱 PLC（ Programmable Logic Controller） 70 年代：微處理器用于 PLC。 功能增強(qiáng)、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)調(diào)節(jié)等，稱 PC。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 9 PLC 基本結(jié)構(gòu) PLC 主要是由 CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。 其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。 圖 31ＰＬＣ結(jié)構(gòu)簡圖 PLC 基本工作原理 PLC 的 CPU 采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn) (包括其常開或常閉觸點(diǎn) )不會立即動作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會動作。 PLC 掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了 一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式 掃描技術(shù) 如圖 32所示。 CPU u 存儲器 電源部分 輸 入 單 元 輸 出 單 元 編程器或其他設(shè)備 按鈕 接觸器 電磁閥 指示燈 行程開關(guān) 繼電器觸點(diǎn) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 掃描技術(shù) 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 圖 32 掃描過 程 (1)輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用 戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (2)用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。在掃描每一組梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)執(zhí)行 OB100 啟動時(shí)間循環(huán)監(jiān)控 數(shù)據(jù)寫入輸出模塊 讀取輸入模塊狀態(tài) 執(zhí)行用戶程序 執(zhí)行其它程序 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 11 算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存 儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O 映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 (3)輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束 后， PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是 PLC 的真正輸出。 PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間 為了增強(qiáng) PLC 的抗干擾能力，提高其可靠性， PLC 的每個(gè)開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。為了