基于PLC的煤矿空压机控制系统设计(3)

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2.3活塞式空压机

活塞式空压机主要由三部分组成：运动机（曲轴、轴承、连杆、十字头、皮带轮或联轴器等）、工作机构（气缸、活塞、气阀等）与机身。此外还有3个辅助系统，即润滑系统、冷却系统及调节系统。活塞式空压机是一种最常见的容积式压缩机。它由曲柄连杆机构将驱动机的旋转运动变为活塞的往复运动。活塞与气缸共同组成压缩机工作腔，依靠活塞在气缸内的往复运动，并借助进、排气阀的自动开闭，使气体周期性的进入工作腔，进行压缩和排出。活塞在气缸内一次往复的全过程分为吸气、压缩和排气三个过程，合称一个工作过程，如图2-2所示。

2 1 3 1 3 5 3 5 4 4 a．单作用式

4 b．双作用式

1—汽缸 2—活塞 3—进气阀 4—排气阀 5—活塞杆

图2-2 单级活塞式空压机原理简图

一个工作循环周期如下：

(1)吸气过程。当活塞2向右边移动时，汽缸左边的容积增大，压力下降,当压力降到稍低于进气管中空气压力时，管内空气便顶开进气阀3进入气缸，并随着活塞的向右移动继续进入气缸，直到活塞移至右边的末端为止。

(2)压缩过程。当活塞向左移动时，气缸左边容积开始缩小，空气被压缩，

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压力随之上升。由于进气阀的止气作用，缸内空气不能倒流回进气管中。同时，因排气管内的空气压力又高于气缸内空气压力，空气无法从排气阀4流出缸外，排气管中的空气也因排气阀的止逆作用而不能流回缸内，所以这时气缸形成一个密闭的容积。当活塞继续向左移动，气缸容积缩小，空气体积也随之缩小，压力不断提高。

(3)排气过程。随着活塞不断左移压缩缸内空气，使压力继续升高。当压力稍高于排气管中的压力时，缸内空气便顶开排气阀排入排气管中，并继续排出到活塞移至左边的末端为止。然后，活塞又向右移动，重复上述吸气、压缩和排气工作过程。

活塞式的传动机构是曲轴连杆往复运动结构，其主要特点有：流量较小，气流速度低，损失小，效率高; 压力范围广，适用于从低压到超高压；适应性强，排气压力变动较大时，排气量不变；机组零件多用普通金属材料，制造精度要求不太高；外形尺寸及重量较大，结构复杂，易损失件多。

活塞式空压机与螺杆式空压机的比较：

(1)零部件的数量多，零部件的损坏的机率大，产品的可靠性低。这样必然增加用户的维修费用。

(2) 曲轴连杆往复运动结构，由于其往复运动的特性，限制了其转速的提高，致使机器笨重，同时，该运动结构所产生的惯性力能以平衡，剩余的惯性力，会使机器产生振动、噪声以及零部件的不正常的损坏。所以活塞式振动大，机械性噪音大、可靠性低。

鉴于以上原因，本系统选用螺杆式空压机。

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3可编程控制器（plc）控制系统

3.1 PLC的产生和发展

(1)PLC概念

PLC是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。

(2)PLC发展必然性

传统的继电接触器控制系统（硬件布线）

优点：结构简单，因而长期广泛应用。

缺点：采用固定的接线方式。一旦生产要求及生产过程发生变化，必须重新设计线路，重新接线安装。不利于产品的更新换代。还有灵活性、通用性差；体积大；速度慢等缺点。

60年代末期，美国汽车制造工业相当发达，要求不断更换汽车的型号。传统的继电接触器控制系统被淘汰。

1968年，美国最大的汽车制造商GM公司公开招标。研制新的控制系统。提出以下要求：设计周期短，更改容易，接线简单，成本低；把继电器控制和计算机技术结合起来；但编程要比计算机简单易学，操作方便，系统通用性强。 1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台PLC，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功。 其后，日本、德国相继引入。 中国1974年研制，1977年成功。

(3)功能发展史：（名字的由来）

早期：顺序控制。包括逻辑运算功能。称PLC（Programmable Logic Controller）

70年代：微处理器用于PLC。功能增强、数值运算、数据处理、闭环调节等，称PC。

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3.2 PLC基本结构

PLC主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。 其基本结构框图如图3-1所示。 按钮

继电器触 点

行程开关

CPU 接触器 电磁阀

输 入 单 元 电源部分 输 存储器 出 单 元 指示灯

编程器或其他设备 图 3-1ＰＬＣ结构简图

3.3 PLC基本工作原理

PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术如图3-2所示。

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3.3.1扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

执行OB100 启动时间循环监控 数据写入输出模块 读取输入模块状态 执行用户程序 执行其它程序

图3-2 扫描过程

(1)输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

(2)用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一组梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运

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