基于PLC的煤矿空压机控制系统设计(2)

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1绪论

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

同时，计算机监控系统是采用集中监测、集中控制、集中显示、集中管理、集中保存的系统，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，广泛应用在化工、供暖、机械、供水、水处理等多个领域，在工业生产中发挥越来越显著的作用。

1.1 PLC控制在国内外的发展近况

20世纪末期，可编程控制器的发展更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制功能上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

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1.2课题的背景和意义

空气压缩机是矿山生产重要的四大固定设备之一，它产生压缩空气，用以带动凿岩机、风动装岩机等设备及其他风动工具。其能否安全运行直接影响着煤矿生产的产量和效益。影响其安全生产的因素主要有空压机的超温、超压、断水、断油等。

随着煤矿现代化的发展，矿山企业对矿山设备的要求越来越高,建设安全性矿山已成为煤矿生产建设的核心。矿山设备不断更新，不断进步，可靠性、易操作性、可监视性、易维护性等已是最基本的要求了。用继电器组成的控制电路可靠性差、不易维护、不易监视，已不能适应当前的要求。现在迫切需要可靠性高、易维护、易操作、可监视并且价格不高的控制器来代替继电器组成的电路。随着电子技术、软件技术、控制技术的飞速发展，可编程控制器（PLC）发展迅猛，性能很高，价格较为合理，与继电器组的控制电路比具有非常大的优势。许多矿山设备已选用了PLC来代替比较重要的控制设备。传统的保护设备主要采用分离仪表，其可靠性差、集程度低、费用高，不能有效的满足矿山设备投入的经济性和安全性的要求。

空压机控制系统中PLC的引入极大地简化了空压机系统的操作，节省了人力并且提高了系统的安全性和稳定性。基于PLC和变频器的空压机控制系统使工作人员可以在计算机集控下完成各项工作，大大减轻了工人的劳动强度，极大地节省了生产中所需的人力资源，也保障了生产和系统的安全。

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2 空气压缩机

2.1空气压缩机及分类

空气压缩机（空压机）是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业设备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。 空压机分为螺杆式空压机（螺杆式空压机又分为单螺杆式空压机及双螺杆式空压机）、离心式空压机、活塞式空压机、滑片式空压机、涡旋式空压机和旋叶式空压机等（如图2-1所示）

空气压缩机 螺杆式空压机 离心式空压机 活塞式空压机 滑片式空压机 涡旋式空压机 旋叶式空压机 其它 单螺杆式空压机 双螺杆式空压机

图2-1 空气压缩机分类

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2.2螺杆式空压机

2.2.1螺杆式空压机基本结构

在压缩机机体中，平行的配置着一对互相咧合的螺旋形转子通常把节圆外具有凸齿的转子，称为阳转子或阳螺杆。把节圆内具有凹齿的转子，称为阴转子或阴螺杆。一般阳转子与原动机连接，由阳转子带动阴转子转动。转子上的最后一对轴承实现轴向定位，并承受压缩机中的轴向力。转子两端的圆柱滚子轴承使转子实现径向定位，并承受压缩机中的径向力。在压缩机机体的两端，分别开设一定形状和大小的孔口。一个供吸气用，称为进气口；另一个供排气用，称作排气口。

2.2.2螺杆压缩机的工作原理

螺杆压缩机的工作循环过程可分为进气，压缩和排气三个过程。随着转子旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。

(1)进气过程：转子转动时,阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时其 空间最大，此时转子齿沟空间与进气口的相通，因在排气时齿沟的气体被完全排出，排气完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机壳进气口，在齿沟的气体即被封闭。

(2)压缩过程：阴阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐减小，齿沟内的气体被压缩，压力提高。

(3)排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0，即完成排气过程，于此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程又再进行。

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从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到。

2.2.3螺杆压缩机的特点

就气体压力提高的原理而言，螺杆压缩机与活塞压缩机相同，都属容积式压缩机。就主要部件的运动形式而言，又与离心压缩机相似。所以，螺杆压缩机同时具有上述两类压缩机的特点。

(1)螺杆压缩机的优点

1)可靠性高：螺杆压缩机零部件少，没有易损件，因而它运转可靠，寿

命长，大修间隔期可达4～8万小时。

2)操作维护方便：操作人员不必经过专业培训，可实现无人值守运转。 3)动力平衡性好：螺杆压缩机没有不平衡惯性力，机器可平稳地高速工

作，可实现无基础运转。

4)适应性强：螺杆压缩机具有强制输气的特点，排气量几乎不受排气压力的影响，在宽广范围内能保证较高的效率。

5)多相混输：螺杆压缩机的转子齿面实际上留有间隙，因而能耐液体冲

击，可压送含液气体，含粉尘气体，易聚合气体等。 (2)螺杆压缩机的缺点

1)造价高：螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，需利用特制的刀具，

在价格昂贵的专用设备上进行加工。另外，对螺杆压缩机气缸的加工精度也有较高的要求。

2)不适合高压场合：由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制，螺杆

压缩机只能适用于中，低压范围，排气压力一般不能超过3.0MPa。

3)不能制成微型：螺杆压缩机依靠间隙密封气体，目前一般只有容积流量大于0.2m3/min，螺杆压缩机才具有优越的性能。

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