【正文】 時(shí)輸出故障信號(hào)，以方便檢查及時(shí)維修。在設(shè)計(jì)中增加了故障指示和故障報(bào)警輸出，變頻器本身具有短路保護(hù)、過載保護(hù)等功能，只需把變頻器的故障輸出點(diǎn)、接觸器、熱繼電器等輔助觸點(diǎn)接到 PLC 即可。依此類推，當(dāng) 3空壓機(jī)投入變頻運(yùn)行后，延時(shí) 5s， PLC 繼續(xù)對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)以決定執(zhí)行增加或減少空壓機(jī)動(dòng)作來滿足恒壓供氣目的。為了保護(hù)空壓機(jī)及變頻器， 1空壓機(jī)的 KM1 與 KM2之間進(jìn)行了電氣互鎖。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 45 空壓機(jī)切 換流程圖 在自動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先 KM2 吸合， 1空壓機(jī)在變頻器控制下起動(dòng)，延時(shí) 5s（延時(shí)是為了讓壓力穩(wěn)定下來） PLC 對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)。這樣的切換過程，有效的減少空壓機(jī)的頻繁啟停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對(duì)供氣壓力波動(dòng)做出反應(yīng)之前，由于變頻器迅速調(diào)節(jié)，使氣壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了井下風(fēng)動(dòng)工具供氣不足的情況發(fā)生。所以工作下限應(yīng)不低于 20Hz； (3）功率選用比空壓機(jī)功率大一等級(jí)的變頻器，以免空壓機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況； (4)為了有效的濾除變頻器輸出電流中 的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，選用輸出交流電抗器，還可以減少電機(jī)運(yùn)行的噪音，提高電機(jī)的穩(wěn)定性； (5)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現(xiàn)異常跳保護(hù)時(shí)，不影響生產(chǎn)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 43啟動(dòng)過程 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如圖 44所示。變頻器一旦出現(xiàn)故障， 煤炭生產(chǎn) 不允許空氣壓縮機(jī)停機(jī)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能，這樣當(dāng)變頻器 出現(xiàn)故障時(shí)，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)照常工作。另外，采用該方案后，空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)的大電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。依次關(guān)閉各臺(tái)空壓機(jī)。當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，頻率升為 50HZ，延時(shí) 30s 后，若測(cè)量值仍小于設(shè)定值，則變頻器切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)空壓機(jī) ，依次啟動(dòng)各臺(tái)空壓機(jī)。 (2)自動(dòng)運(yùn)行方式 在自動(dòng)運(yùn)行方式下開始啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先打開冷卻水閥，關(guān)閉供氣閥， 1空壓機(jī)變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器連通（啟動(dòng)過程如圖 43）變頻器輸出頻率從 0Hz開始上升，此時(shí)壓力變送器檢測(cè)壓力信號(hào)反饋 PLC，由 PLC經(jīng) PID運(yùn)算后控制變頻器的頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至 50Hz， 延時(shí)一定時(shí)間后，將 1空壓機(jī)切換為工頻， 2空壓機(jī)變頻交流接觸器吸合，變頻啟動(dòng) 2空壓機(jī)，頻率逐漸上升，直至供氣壓力達(dá)到設(shè)定壓力，依次類推增加空壓機(jī)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 42 控制系統(tǒng)流程圖 該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式： (1)手動(dòng)運(yùn)行方式 選擇此方式時(shí)，按啟動(dòng)按鈕空壓機(jī)或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各空壓機(jī)。當(dāng)空壓機(jī)在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)機(jī)體溫度過高，潤(rùn)滑油溫度過高，風(fēng)包溫度過高，分包壓力過高及潤(rùn)滑油壓力過高，斷水等故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示有關(guān)的工作人員及時(shí)地排除故障。若 2空壓機(jī)達(dá)到頻率 上限時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間空壓機(jī) 空壓機(jī) 空壓機(jī) M1 M2 M3 壓力變送器 變頻器 PLC 電源 儲(chǔ)氣與供氣管道 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 后仍不能滿足要求，再自動(dòng)將 2空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行，變頻啟動(dòng) 3空壓機(jī)。 控制系統(tǒng)的工作原理 啟動(dòng)前，將變頻器的機(jī)組開關(guān)置于欲工作的機(jī)組，工作方式選擇置于變頻位置，將 PLC 的控制開關(guān)置于運(yùn)行狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)組運(yùn)行。 切換：實(shí)現(xiàn) M1， M2， M3工頻、變頻相互切換。現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器檢測(cè)管網(wǎng)出口壓力，并與給定值比較，經(jīng) PID指令運(yùn)算，得到頻率信號(hào)，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到所需壓力的目的。 起動(dòng)：三臺(tái)電機(jī) M1， M2， M3如圖 41所示，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇變頻 /工頻啟動(dòng)。其用來實(shí)現(xiàn)電氣部分的控制。 基于 PLC的控制系統(tǒng)原理圖如圖 41所示。 由 于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC 相應(yīng)的 I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。 (4)編程簡(jiǎn)單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 (3)采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC以外，絕大多數(shù) PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 機(jī)對(duì)話的接口模塊 。 (2)豐富的 I/O接口模塊 PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、 強(qiáng)電或弱電等。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 6) 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況， CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。 4) 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 2) 各輸入端均采用 RC濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為 10～ 20ms。所謂 I/O響應(yīng)時(shí) 間指從 PLC的某一輸入信號(hào)變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的時(shí)間。為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制， PLC 采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。這時(shí)，才是 PLC的真正輸出。 (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)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(chǔ)區(qū)中對(duì)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(duì)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。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)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。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。 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。 圖 31ＰＬＣ結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 CPU u 存儲(chǔ)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) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 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(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。 PLC 基本結(jié)構(gòu) PLC主要是由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。稱 PLC（ Programmable Logic Controller） 70年代：微處理器用于 PLC。 (3)功能發(fā)展史：（名字的由來） 早期：順序控制。 其后，日本、德國(guó)相繼引入。提出以 下要求：設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡(jiǎn)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(jiǎn)單易學(xué)，操作方便 ， 系統(tǒng)通用性強(qiáng)。 1968年，美國(guó)最大的汽車制造商 GM 公司公開招標(biāo)。 60年代末期，美國(guó)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(hào)。不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 缺點(diǎn)：采用固定的接線方式。 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(dòng)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。所以活塞式振動(dòng)大，機(jī)械性噪音大、可靠性低。這樣必然增加用戶的維修費(fèi)用。 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(dòng)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。然后，活塞又向右移動(dòng)，重復(fù)上述吸氣、壓縮和排氣工作過程。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)活塞繼續(xù)向左移動(dòng)，氣缸容積縮小，空氣體積也隨之縮小，壓力不斷提高。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。 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 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 (2)壓縮過程。 圖 22 單級(jí)活塞式空壓機(jī)原理簡(jiǎn)圖 一個(gè)工作循環(huán)周期如下： (1)吸氣過程?；钊c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(dòng)，并借助進(jìn)、排氣閥的自動(dòng)開閉，使氣體周期性的進(jìn)入工作腔，進(jìn)行壓縮和排出?；钊娇諌簷C(jī)是一種最常見的容積式壓縮機(jī)。 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(dòng)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。 2)不適合高壓場(chǎng)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 。 (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 專用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 設(shè)備上進(jìn)行加工。 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。 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)。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)。 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)。 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(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械。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。 (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(huì)與機(jī)殼封閉，此時(shí)氣體在齒溝內(nèi)不再外流。 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) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 (1)進(jìn)氣過程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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)。 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。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。轉(zhuǎn)子上的最后一對(duì)軸承實(shí)現(xiàn)軸向定位，并承受壓縮機(jī)中的軸向力。把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子，稱為陰轉(zhuǎn)子或陰螺桿。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。基于 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(dòng)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。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。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(shì)。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)前畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 的要求。 隨著煤礦現(xiàn)代化的發(fā)展，礦山企業(yè)對(duì)礦山設(shè)備的要求越來越高 ,建設(shè)安全性礦山已成為煤礦生產(chǎn)建設(shè)的核心。其能否安全運(yùn)行直接影響著煤礦生產(chǎn)的產(chǎn)量和效益。隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了 PLC的應(yīng)用。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制功能上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易 。 同時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是采用集中監(jiān)測(cè)、集中控制、集中顯示、集中管理、集中保存 的系統(tǒng)，融合了較先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，廣泛應(yīng)用在化工、供暖、機(jī)械、