plc控制的矿山空气压缩机.docx
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plc控制的矿山空气压缩机
前言
随着煤矿现代化的发展，矿山对矿山设备的要求越来越高,建设本质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。
用继电器搭成的控制电路具有可靠性差、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这样的控制器来代替继电器搭成的电路。
随着电子技术、软件技术、控制技术飞速发展，PLC发展迅猛，性能很高，价格较为合理，与继电器搭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来代替比较重要的设备控制。
传统的保护主要采用分离仪表，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。
PLC是一种新型的通用控制装置，他将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，专为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活、可靠性强、环境适应性好、编程简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。
近年来，随着可编程控制器的日渐成熟，越来越多设备的控制都采用PLC控制器来代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。
1矿山空压机简介
1.1空压机概况
空气压缩机（简称空压机）是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械。
随着生产技术的不断发展，压缩机的种类和结构型式也日益增多。
目前不但广泛地应用在采矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、石油化工、制冷与气体分离工程以及国防工业中。
而且医疗、纺织、食品、农业、交通等部门，对压缩机的需要也在不断地增加。
空压机作为煤矿生产的四大件设备之一，它的安全与高效运转是保证煤矿正常工作的前提条件之一。
《煤矿安全规程》第403,404,405条对空压机的运转均有明确的规定，所以必须对空压机运转过程中主要技术参数进行实时监控与安全保护，从而达到进一步提高设备的安全性、可靠性与利用率，改善工人的劳动环境，降低工人的劳动强度，产生良好的经济效益和社会效益。
其次，空压机作为煤矿重要设备之一，其年耗电量十分可观，各矿井用压设备都很多:
井口绞车系统、井上下装卸载、井下巷道喷浆等，而且用风时间不统一，用风量不稳定，因此必须连续运转。
当用风量小时导致空压机长时间低压负荷运行，电能损耗增大并加剧了设备的磨损，增加了运行成本。
空压机应用范围广，各个行业对压缩气体有不同的要求。
供气系统的自动控制可以减少工作量，改善工人环境;而供气压力的稳定对许多行业来说可以提高生产质量和工作安全性。
煤矿空压机组的智能监控系统的研制不仅对煤矿供气系统有很强的应用价值，还可以推广到其它应用领域中去，因而课题的提出具有很强的实际应用价值。
1.2矿山空气压缩机的用途
空压机的用途是将自由空气压缩到所需的压力，这时的空气变为压缩空气。
压缩空气一直是金属矿山和煤矿所采用的原动力之一，它用来带动风动凿岩机、风动装岩机、风动断钎机、风镐等设备和风动工具，还用来带动风动原动机（俗称风马达），然后用风马达驱动工作机械。
用压缩氡气做动力与用电力、水力、液压相比、具有如下特点：
1、风动凿岩机结构简单、重量轻、操作维修方便。
2、不怕过载负荷，适用于能钻凿坚硬岩石和负载变化很大的风动机具。
3、在超级瓦斯矿井中，可以避免电火花引起瓦斯爆炸。
4、风动工具和风动马达所排除的气体，可以改善井下通风状况。
5、空压机的构造、操作与维护检修比较简单。
6、风动机具工作时，震动噪声较大。
7、风动机具的效率较低，用压缩空气做动力，其成本比直接使用电能高的多[1]。
1.3矿山空压机站及位置
空压机是矿山四大固件之一，从安全观点出发，空压机站一般设置在井上，因为井下的通风条件较差，使机器温度增高，影响工人身体健康，同时增大设备发生爆炸的危险。
此外，井上较井下设备运输与安装方便。
我国规定：
只有当井下使用压缩空气量较少，一般所需压缩空气量小于10m3/s时，才能在井下设置防暴型移动式空压机。
根据有关规定：
空压机运转时震动较大，只宜安装在单层建筑内。
机房的平面尺寸取决于设备外形及通道的大小。
通常考虑设备的安装、运输及检修等方面，一般取通道宽为1.5m，机房高度也与设备高度及是否设置起重设备有关。
如果是立式空压机，则机房高度须考虑可能从气缸内取出活塞。
一般最小高度为3.5m，最高可能达到5.5~6m以上，当空压机的生产量在40m3/min以上时，应安装手动吊车。
机器的地基不应与机房墙壁连接。
房内应通风较好，夏季房内温度最好不超过房外温度的10oC。
另外，在条件允许的情况下，空压机站不应与其他建筑物设在一起，以免空压机运转时的噪音影响其他工人的工作[2]。
1.4空压机的分类及特点
空压机按照压缩气体方式的不同，可分为容积型和速度行两大类。
容积型空压机通过汽缸内做往返运动的活塞或回转运动的转子来改变工作容积，从而使气体得到压缩，提高气体压力；速度型空压机则是借助于高速旋转叶轮的作用，使气体得到很高的速度，然后有在扩压器中急剧降速，使气体动能变为压力能。
1.5空压机的组成机构
活塞式空压机一般由以下几个机构组成：
1、机体机构
机体机构主要是由机身、中体、机塞、曲轴箱、中间接筒、端接筒等部件组成。
2、压缩机构
压缩机构主要由气缸、吸气阀、排气阀和活塞等部件组成。
3、传动机构
传动机构主要是由皮带轮、曲轴、连杆、十字头和轴承等部件组成。
4、润滑机构
润滑机构主要由齿轮油泵、注油器和滤油器等装置组成。
5、冷却机构
冷却机构主要由冷却水管路、中间冷却器、压后冷却器和润滑油冷却器等装置组成。
6、操纵调节机构
操纵调节机构包括减荷阀、压力调节器、安全阀及仪表等。
7、动力机构
动力机构主要包括电动机和起动控制设备等[5]。
1.6活塞式空压机的工作原理
每一台空压机都有汽缸和活塞。
空压机压缩空气的过程包括吸入、压缩和压出三个过程。
为了说工作原理，将单级单动式空压机的一个气缸简化如图1—1所示。
1、吸入过程
当活塞2想右腔移动时，汽缸1的左腔容积增大，压力下降；当压力降到稍底于吸气管中的气体压力时，则吸器官中的空气便顶开吸气阀4，进入气缸1中，随着活塞2向右移动，空气继续进入气缸1中，只到活塞移至右边的末端（即右死点）为止。
2、压缩过程
当活塞2向左移动时，气缸1的左腔容积开始减小，这样便开始压缩气缸1中的空气，由于在气缸1上的吸气阀4有止逆作用，气缸1中的空气不能流回吸气管中。
同时，因排
图1—1单级单动式空压机汽缸示意图
1—汽缸2—活塞3—排气阀4—吸气阀5—活塞杆
Picture1-1Singlestagesingleactingaircompressorcylinderschematicdrawing
1-cylinder2-piston3-dischargevalve4-sniftingvalve5-connectingrod
气管中的空气压力，又高于气缸1内部的空气压力，气缸1内的空气，也无法从排气阀3排到气缸外；而排气管中的空气，有因为排气阀3有止逆作用，也不能流回气缸中，此时，气缸1内的空气保持一定，由于活塞2继续向左移动，缩小了气缸左腔内的容积，使空气被压缩，空气的压力也随着提高。
图1—2单级双动式空压机汽缸示意图
1—汽缸2—活塞3、7—吸气阀4、5—排气阀6—活塞杆
Picture1-2Singlestagedouble-actingaircompressorcylinderschematicdrawing
1-cylinder2-piston3,7-sniftingvalve4,5-dischargevalve6-connectingrod
3、压出过程
随着活塞2向左移动压缩空气，空气的压力继续升高，当气缸1中的空气压力升高到稍大于排气管中的空气压力时，气缸1的空气便顶开排气阀3并继续排除直至活塞移动到左边末端（既左边死点）为止。
然后活塞2又开始向右移动，重复上述动作。
活塞每来回一次称为一个工作循环。
活塞每来回一次所经过的距离叫做冲程。
图1—2所示为单级双动式空压机的一个气缸简化图，这种空压机气缸的两端，都装有吸气阀和排气阀。
当活塞2从左向右移动时，是空气经过打开的吸气阀4吸入气缸1的左腔中，与此同时，在气缸1的右腔中将空气压缩，待排气阀5打开后，把压缩空气有气缸1的右腔排到排气管中。
当活塞2从右向左移动时，空气经过吸气阀7被吸入气缸1右腔中，而压缩空气由气缸1左腔经过排气阀4把压缩空气排出。
这种空压机，曲轴每旋转一周（一个全行程），发生两次吸气和两次排气过程。
1.7煤矿常用空气压缩机
煤矿常用的空气压缩机是固定型二级双缸复动水冷活塞式空气压缩机，按其高，低压气缸的排列列方式，可分为L型和D型两种。
L型空压机的高，低压缸一个水平一个垂直排列。
他兼有立式和卧式的优点，并用装在曲轴上的平衡铁进行大部或全部惯性力的平衡.因此可以制成较高的转速。
D型空压机为对称平衡式，其特点是气缸水平布置在曲轴两侧，相对两列的活塞力方向相反。
能互相抵消，从而改善了曲轴的受力状况，可节省材料、减轻机体重量和降低制造成本
本设计选用L型二级双缸复动水冷固定空压机进行设计。
2空气压缩机电动机的选择
2.1电动机采用形式
空气压缩机的电动机，是由主机制造厂成套供应的。
目前各制造厂配套的电动机，功率在200KV以下者配380V低压电动机;功率在200Kw以上者除个别外均配6KV高压电动机。
低压电动机均为异步电动机。
其中功率较大者大多配绕线式电动机（如拖动4L—20/8型空压机的130kW电动机）；功率较小者一般配鼠笼式电动机。
大型活塞式空压机的曲轴转速一般较低，因为大容量的低速异步电动机的功率因数较低，所以成套供应的高压电动机基本上均配刚性连接、直联拖动的低速同步电动机。
采用同步电动机后，还可向电网输送超前的无功功率，提高矿井供电系统的功率因数。
2.2三相同步电机的基本结构
2.2.1主要部件
1、定子
三相同步电机的定子又称电枢，其结构本质上与三相异步电动机相同，也是由定子铁心、定子绕组、机座和端盖组成。
定子铁心右硅钢片叠成，内壁槽内嵌放着对称三相绕组。
2、转子
三相同步电机的转子由转子铁心、励磁绕组、阻尼绕组和转轴等组成。
转子铁心由整块的铸钢或锻钢做成，其上绕有励磁绕组。
转轴上装有两个彼此绝缘的滑环，分别与励磁绕组两端相连，滑环上压着两组固定不动的电刷，通过电刷引出两个接线端，以便从外部通入直流励磁电流。
阻尼绕组如图2—1所示。
阻尼绕组是由嵌入磁极表面的若干铜条
图2—1阻尼绕组
Picture2-1Dampingwinding
组成。
这些铜条的两端用短路环连接起来，向异步电动机的鼠笼绕组一样[6]。
2.2.2励磁方式
如前所述，同步电动机的直流励磁电流需要从外部提供，供给励磁电流的方式有以下几种：
1、直流励磁机励磁
这种励磁方式是由装在同步电机转轴上的小型直流发电机供电。
这种专供励磁电流用的发电机称为励磁机。
2、静止整流器励磁
这种励磁方式是将同轴的交流励磁机发出的交流电经静止的整流器整流成直流后，再供给同步电动机作励磁电流。
3、旋转整流器励磁
这种励磁方式是将整流器装在同步电机的转轴上，随同步电机一起旋转，将同轴旋转的交流励磁发电机电枢输出的交流电整流后，直接供给励磁绕组，这样可以省去滑环和电刷等装置。
2.2.3励磁装置的选择
本设计使用的励磁方式是静止整流器励磁方式。
选择KLF11系列励磁装置。
KLF11系列励磁装置适用于供给如压风机、通风机类无冲击负载的同步电动机恒定励磁用。
1、装置特点
（1）同步电动机转子回路采用三相全控整流桥固接励磁线路，保持了同步电动机的固有起动特性。
（2）全压起动时，转速达到亚同步转速，顺极性投入励磁，使电动机牵入同步运行。
（3）降压起动时，当转速达到同步转速的90%左右，自动投入全压，使电机加速到亚同步转速，顺极性投入励磁，牵入同步。
（4）当电源电压波动时，利用电压补偿作用自动保持基本恒定励磁。
当电网电压降至某一数值时，投入强励，强励时间不超过10s。
（5）可手动调节励磁电流和功率因数。
（6）起动和停车时能自动灭磁，当失步时有灭磁保护，避免感应过电压击穿设备。
2、系统工作原理说明
励磁装置如图4—3所示。
当电机起动时，灭磁环节工作，使转子感应交变电流全波通过附加电阻，保证电动机正常起动。
起动过程中整流电路晶闸管处子阻断状态。
当转速到达亚同步转速时，励磁开关经延时后闭合，三相电流经可控硅1KGZ~6KGZ整流后加在电动机转子上，完成投励，牵入同步。
励磁电压的大小可以从调节可控硅的控制角α来调节，调节角α越大，励磁平均电压越小。
相反，调节角α越小励磁平均电压越大。
3、灭磁插件
灭磁插件电气原理如图4—3中虚线框内所示。
在电机起动至投励之间一段时间，主回路整流桥6只晶闸管处于截止状态。
设转子励磁绕组感应电压的某半波G1点为正，电压未达到晶体管7KGZ和8KGZ所整定的导通电压之前，感应电流是通过附加电阻Rfd1电阻1R、3R、电位器1W及电阻2R、4R、电位器2W,附加电阻Rfd2构成通路。
此时励磁绕组相当于开路起动。
当感应电压升高到1W和2W上的电压足以使7KGZ和8KGZ导通,此时同步电动机相当于励磁绕组只接入Rfd1和Rfd2起动，因而感应电压峰值大为减小，直至此半波结束，7KGZ和8KGZ由于其阳极电压瞬时值为零而自动关断。
当投励完毕电机进入同步运行时，若7KGZ和8KGZ没有关断，当三相整流桥C相C2点为正、B或A相（B2或A2点）为负时，则附加电阻Rfd1和晶闸管7KGZ被熄灭线短接，7KGZ就自动关断:
当C相电源从正变到负时，同样使8KGZ关断[7]。
2.3三相同步电动机工作原理
同步电动机运行时，与三相异步电动机一样，定子三相绕组以星形或三角形连接到三相电源上。
三相电流通过三相绕组形成旋转磁通势，产生以同步转速旋转的旋转磁场。
如图2—2所示用外面一对N极和S极代表旋转磁场，只要旋转磁场的极对数与转子的磁极的极对数相同，本着磁极间同性相斥、异性相吸的原理，便会产生电磁转矩，旋转磁场必定牵引着转子磁极以相同的转速旋转。
因而，同步电机的转子转速与旋转磁场的转速相同，即
（2-1）
这就是“同步”名称的由来。
2.4三相电机的启动方法
1、拖动起动法
这种起动方法是用一台极数与三相同步电动机相同的小容量三相异步电动机作为辅助电动机，拖动同步电动机，使其转速接近同步转速，然后加上励磁电流，接通三相电源，靠同步电动机产生的电磁转矩使转子同步，这时，再将辅助电动机与电源断开。
辅助电动机的容量约为同步电动机容量的10%~15%左右。
这种起动方法投资大、设备多、占地广、操作复杂，不适用于带载起动。
因此，这种方法用的不多，只在某些大容量的同步电动机和同步补偿机的起动中采用。
图2—2电动机状态
Picture2-2Electricmotorcondition
2、异步启动法
这是目前采用最广泛的方法。
这种方法是在同步电动机的转子上添置如图2—1所示起动绕组。
异步起动的原理电路如图2—3所示。
起动时先将励磁电路中的换接开关S1合向“起动”位置。
这样，励磁绕组经电阻RS而闭合，RS通常是励磁绕组本身电阻的8~12倍。
励磁绕组接线电阻RS的原因在于：
刚起动时，定子绕组所产生的旋转磁场与转子之
图2—3起动电路
Picture2-3Start-upcircuit
间的相对转速很大，将在励磁绕组中产生很大的感应电动势，若不经电阻泄放，不仅会对绕组的绝缘有所损害，还可能危及操作人员的安全。
换接开关S1合到“起动”位置后，在将开关S2闭合，使定子绕组与电源接通，电动机由于转子装有笼型起动绕组，像异步电动机那样，开始起动。
当转速上升到接近同步转速后，再将换接开关S1自“起动”位置投向“运行”位置，送入励磁电流，旋转磁场就会吸住转子一起以同步转速转动。
3、变频起动法
这是近年来随着变频技术的发展而出新的新的起动方法。
起动时，转子加入励磁电流，定子由变频电源提供，其电压的频率由零缓慢增加，旋转磁场牵引着转子缓慢地向同步加速，直到转速大到额定同步转速后，将定子投入电网，切除变换电源。
本设计选择的同步电动机适合于起步起动方法，所以选择异步起动方法。
2.5电动机功率的校验
空气压缩机的电动机，虽是成套供应，但有时要给旧空压机配备电动机，此时需对其功率进行验算。
验算公式如下：
（2-2）
式中P—一空压机电动机的轴功率，kW；
Q——空压机的排气量，m
/min；
——空压机效率，活塞式一般为0.7~0.8，大型空压机取大值，小型空压机取小值;螺杆式空压机一般取0.5~0.6；
——传动效率，直联时
=1;三角皮带传动时，
=0.92；
——等温压缩1m
空气所作的功，N·m/m
；
——绝热压缩lm
空气所作的功，N·m/m
；
及
的数值见表2—1
2.6电能消耗的估算
空气压缩机年电能消耗按下式估算:
（2-3）
W
——台空压机的全年电能消耗量，kW
h；
——电动机效率，一般取0.9一0.92；
——电网效率，一般取0.95；
T——空压机有效负荷年工作小时数。
表2—1Wi及Wa的数值表（N·m/m3）
Table2-1WiandWavaluetable（N·m/m3）
项目
排气绝对压力（MPa）
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Wi
110000
139000
161000
179000
195000
208000
220000
230000
Wa
129000
171000
205000
235000
261000
286000
307000
327000
3传感器的选择
3.1保护项目及元件
空压机在运行中，除有常规的电气保护装置外，尚应设置压力、温度和断水保护装置。
其具体项目及保护元件的整定值见表3—1
表3—1空压机的保护项目及整定值表
Table3-1Aircompressorprotectionprojectandinstallationvaluetable
保护项目
整定值
备注
冷却水压力过高
额定压力+0.5MPa
冷却水压力过底
额定压力+0.08MPa
润滑油压力过高
额定压力+0.5MPa
润滑油压力过底
额定压力+0.08MPa
一级排气温度过高
160oC
二级排气温度过高
160oC
断水保护
3.2温度保护
空气压缩机需进行温度保护的项目有一级排气温度、二级排气温度。
常用的温度保护元件有以下几种：
3.2.1XCT—102型动圈式温度指示调节仪和XCZ—102型动圈式温度指示仪
这种仪表是由上海自动化仪表六厂和西安仪表厂生产的，它与热电阻配合使用，能将-200—500C范围内各种介质的温度指示出来，并能调节和报警（CXZ—102型仪表只能进行温度指示）。
在空压机电控系统中，可作排气温度、润滑油温度及轴承温度的指示和报警用。
此外，动圈式仪表尚可与电阻远传压力表及电位器等元件配合，进行压力、液位等参数的集中检测，并发出其上下限的电气信号。
1、主要技术性能
本仪表适用于环境温度为0—50C，相对湿度不超过85%的无振动、无腐蚀性气体的场合，精度等级为一级，输出触点容量为3A,220V（交流无感负载），消耗功率小于5VA,设定误差小于全量程的
1.0%，不灵敏区小于全量程的0.5%，刻度弧长为110mm,测量范围见表3—2。
2、内部结构及工作原理
该仪表由测量指示、调节和电源部分组成。
表3—2XCT—102及XCZ—102型仪表的测量范围
Table3-2XCT-102andXCZ-102measuringappliancesurveyscope
测量元件
分度号
测量范围（C）
铜电阻
G
0~30、0~50、0~100、-20~50、-50~100、0~150
铂热电阻
BA1
0~50、0~100、0~150、0~200、0~250、0~300、0~400、0~500
BA2
-50~50、-50~100、-100~0、-100~50、-100~100、-150~50、-150~150、-200~50、-200~500、200~500
（1）测量指示部分：
被测量的参数（温度）经过测量元件（热电阻Rt）转换成电信号，此信号经过测量电路转换成通过动圈中的电流，因动圈由张丝支承在磁场内，有电流通
表3—3图3—1的主要元件参数表
Table3-3Chart3-1keyelementparameterlist
符号
名称
规格
数量
D
硅二极管
2CP12
4
D1D2
硅稳压管
2CW15
2
D3
硅稳压管
2CW1
1
C
电解电容
CDX-50V-50μF
1
R1R2R3R4
桥臂电阻
锰铜丝绕制、参数见表6-5-5
4
r0r2
桥臂微调电阻
锰铜丝绕制
2
RR
金属膜电阻
RJ-2W、1kΩ
1
R’b
金属膜电阻
RJ-1/8W、510Ω
1
RCu
铜丝电阻
线绕、111.5~125.7Ω
1
RM
锰铜电阻
线绕、250±10Ω
1
Rt
热敏电阻
R501、58Ω
1
Rht
锰铜电阻
线绕、50Ω
1
过时，它就在磁场中偏转。
偏转的角度反映出被测参数的大小，固定在动圈上的测量指针就在刻度盘上把这个参数值指示出来。
测量电路采用不平衡电桥原理，如图3—1所示。
测量电路采用不平衡电桥的原理，它由电阻R1、R2、R3、R4、r0、r2、r、r`、r``及Rt组成电桥，其一臂为测量元件Rt（热电阻），当被测介质的温度变化而使热电阻Rt的阻值发生变化时，桥路对角线cd之间就产生不平衡电势，此电势在测量机构的回路中就产生电流。
动圈式仪表测量桥路电阻参数，见表3—3。
图3—1动态仪表不平衡电桥原理图
Picture3-1Dynamicmeasuringappliancebalancedbridgeschematicdiagram
（2）调节部分:
它由给定机构、高频振荡放大器和控制继电器等组成，其作用是完成
表3—4配G分度号的铜热电阻
Table3-4MatchestheGindexingnumberthecopperthermalresistance
测量范围（C）
热电阻值（Ω）
上海自动化仪表六厂
桥路电阻值（Ω）
西安仪表厂桥路电阻值（Ω）
Rto
R11
△Rt
R1
R2
R3、R4
R1
R2
R3、R4
0~30
53
59.76
6.76
47
100
700
47
100
700
0~50
53
64.26
11.26
47
100
700
47
100
700
0~100
53
75.52
22.52
347
400
400
147
200
600
0~150
53
86.79
33.79
447
500
300
147
200
600
-50~50
41.74
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