電氣控制技術(shù)與PLC徐文尚煤礦電氣設(shè)備PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制技術(shù)與PLC徐文尚煤礦電氣設(shè)備PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1頁/共78頁

本章以煤炭生產(chǎn)中的通風(fēng)、壓風(fēng)、排水和運(yùn)輸提升為背景，運(yùn)用可編程技術(shù)編寫了基于PLC控制的通風(fēng)、壓風(fēng)、排水和運(yùn)輸提升實(shí)例，以期為學(xué)生提供一個(gè)PLC與煤礦電氣控制技術(shù)完美結(jié)合的典型案例和內(nèi)容。學(xué)習(xí)本章內(nèi)容還可以使學(xué)生得到基于PLC的電氣控制方案論證與設(shè)計(jì)等方面的訓(xùn)練。本章主要內(nèi)容第2頁/共78頁5.1基于PLC的煤礦地面皮帶機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)

5.1.1煤礦皮帶機(jī)簡介

皮帶機(jī)即皮帶運(yùn)輸機(jī)（亦稱膠帶機(jī)、皮帶輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)，如圖5-1所示）是一種摩擦驅(qū)動(dòng)以連續(xù)方式運(yùn)輸物料的機(jī)械。它可以將物料在一定的輸送線上從最初的供料點(diǎn)到最終的卸料點(diǎn)間形成一種物料的輸送流程，它既可以進(jìn)行碎散物料的輸送，也可以進(jìn)行成件物品的輸送。除進(jìn)行純粹的物料輸送外，還可以與各工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)流程中的工藝過程的要求相配合，形成有節(jié)奏的流水作業(yè)運(yùn)輸線。所以帶式輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的各種工業(yè)企業(yè)中。在礦山的井下巷道、礦井地面運(yùn)輸系統(tǒng)、露天采礦場及選礦廠中，得到了廣泛的應(yīng)用。圖5-1帶式輸送機(jī)示意圖圖5-1帶式輸送機(jī)示意圖第3頁/共78頁

煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)集控系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠與否直接影響礦井的經(jīng)濟(jì)效益。建立符合煤礦自身需要的地面系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)安全、設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，實(shí)施并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合保護(hù)和集中監(jiān)控，也是煤礦設(shè)備現(xiàn)代化管理的需要。 煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)集控系統(tǒng)以《煤礦安全規(guī)程》為依據(jù)，總結(jié)礦山運(yùn)輸過程中所出現(xiàn)的事故，本著安全性高、實(shí)用性強(qiáng)、具有先進(jìn)性的特點(diǎn)而研制開發(fā)的新一代綜合控制系統(tǒng)。集控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一起，構(gòu)成一個(gè)完整的操作、調(diào)度、監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、降低事故率、減少故障處理時(shí)間、減少現(xiàn)場操作人員、提高經(jīng)濟(jì)效益。煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)集控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和現(xiàn)場的的操作控制。整個(gè)系統(tǒng)具有功能全、實(shí)時(shí)性和精度高、抗干擾能力強(qiáng)及可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，可以明顯提高煤礦皮帶運(yùn)輸設(shè)備自動(dòng)化管理水平，保證皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)合理、穩(wěn)定、安全，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。第4頁/共78頁5.1.2煤礦皮帶集控系統(tǒng)

煤礦皮帶集控系統(tǒng)是根據(jù)煤礦現(xiàn)場要求設(shè)計(jì)具有如下檢測保護(hù)功能：跑偏，撕裂，急停，溫度，堆煤，煙霧，速度等。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)逆煤流啟動(dòng)、順煤流停止的遠(yuǎn)程集中控制。

對拉線開關(guān)（急停）、跑偏故障、堆煤故障、皮帶撕裂故障、超溫故障、速度故障（超速打滑和欠速保護(hù)）、煙霧故障，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的順序停車功能，同時(shí)將各類故障信號傳輸至控制中心實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

為了防止誤動(dòng)作，當(dāng)系統(tǒng)檢測到跑偏、堆煤、速度這三種故障信號后，如果延遲一定時(shí)間后故障信號仍然存在則執(zhí)行故障保護(hù)停車動(dòng)作。當(dāng)接收到煙霧故障信號或檢測到拉線開關(guān)（急停）、皮帶撕裂、超溫等故障信號后，立即執(zhí)行故障保護(hù)停車動(dòng)作。圖5-2主電路圖第5頁/共78頁該實(shí)驗(yàn)裝置的具有如下功能：（1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，并顯示數(shù)據(jù)曲線；

（2）控制方式分集控自動(dòng)/集控手動(dòng)/就地，三種方式可轉(zhuǎn)換。正常運(yùn)行時(shí)，使用集控自動(dòng)方式，設(shè)備按工藝要求的順序和流程由上位機(jī)自動(dòng)啟停；集控手動(dòng)時(shí)，可在控制面板上操作各設(shè)備，無閉鎖和聯(lián)動(dòng)關(guān)系；就地時(shí)，在現(xiàn)場按鈕盒上操作；

（3）啟動(dòng)設(shè)備前由集控臺發(fā)預(yù)告信號，預(yù)告3秒后，若生產(chǎn)現(xiàn)場均滿足集控自動(dòng)啟動(dòng)條件，設(shè)備按順序自動(dòng)啟動(dòng)?，F(xiàn)場可用停車按鈕停止啟動(dòng)過程；

（4）現(xiàn)場信號箱設(shè)起/停車按鈕，現(xiàn)場可隨時(shí)停車。若設(shè)備由集控啟動(dòng)，控制系統(tǒng)接收到現(xiàn)場停車信號后，可作急停處理，實(shí)施故障停車操作；

（5）按“技術(shù)規(guī)定”皮帶機(jī)裝設(shè)拉線開關(guān)、跑偏保護(hù)、低速保護(hù)等，這些信號均接入集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備故障時(shí)的緊急停車和閉鎖停車；

（6）對設(shè)備故障和工藝參數(shù)的異常實(shí)時(shí)報(bào)警，并進(jìn)行由指示燈提示。一般故障只報(bào)警，現(xiàn)場發(fā)生非正常停車或嚴(yán)重故障時(shí)，故障設(shè)備及其上游設(shè)備緊急停車，下游設(shè)備則實(shí)現(xiàn)順煤流延時(shí)閉鎖停車。第6頁/共78頁 系統(tǒng)主電路如圖5-2所示，控制線路如圖5-3所示。圖5-3皮帶運(yùn)輸控制回路

PLC控制系統(tǒng)由一臺西門子S7-224PLC為控制中心，控制所有數(shù)字和模擬I/O模塊。設(shè)備狀態(tài)通過數(shù)字輸入模塊（DI）讀入，數(shù)字輸出模塊（DO）用于設(shè)備控制，電動(dòng)機(jī)的溫升經(jīng)紅外測溫傳感器變?yōu)?~20mA的電流信號通過模擬量輸入模塊（AI）讀入。第7頁/共78頁圖5-4PLC接線圖

選用224XP的CPU模塊，EM221型數(shù)字量輸入模塊，PC/PPI編程/通訊電纜，ZYJX-3電動(dòng)機(jī)（附傳送帶），IRTP300L

型的紅外溫度傳感器來測量溫度，LJ12A3-4-Z/BY型的接近開關(guān)來測量轉(zhuǎn)速，SS-168P型的煙霧報(bào)警器來檢測皮帶上的煙霧信號，拉線開關(guān)用行程開關(guān)（西門子3RG4041-6JBOO），用微動(dòng)開關(guān)來檢測皮帶的跑偏、撕裂、堆煤等故障。PLC的接線圖如圖5-4所示。第8頁/共78頁

IRTP系列是一款經(jīng)濟(jì)型，高性價(jià)比紅外溫度傳感器。不受污染，潮濕以及電磁干擾環(huán)境的影響。IRTP已應(yīng)用于輕工紡織，造紙，陶瓷，橡膠，塑料；輥筒，電機(jī)軸承溫度測量；電纜接頭、開關(guān)柜、變壓器和電氣面板的故障監(jiān)測等；汽車檢測以及微波爐，HVAC，食品等行業(yè)。5.1.3部分元器件介紹

1．IRTP300L紅外線測溫傳感器

IRTP300L紅外線測溫傳感器主要技術(shù)指標(biāo)：測溫范圍0~150°C，響應(yīng)時(shí)間150ms，距離系數(shù)8:1，信號輸出4~20mA/0~5V/RS485，電源為DC24V，探頭尺寸Ф22mm×85mm，螺紋部分Ф18mm×16mm。應(yīng)用電路如圖5-5所示。

圖5-5紅外線測溫傳感器與接近開關(guān)LJ12A3-4-Z/BY第9頁/共78頁

2．接近開關(guān)接近開關(guān)使用的是AutewellLJ12A3-4-Z/BY，如圖5-5所示，其特點(diǎn)是靈敏度高，頻率響應(yīng)快，重復(fù)定位精度高，瞬變過程短，輸出功率大，繼電特性好，工作穩(wěn)定可靠，紅色LED顯示可以檢查傳感器的狀態(tài)，可替換小型開關(guān)和限位開關(guān)。電源電壓范圍為：直流10~30VDC、交流90~250VAC，檢測距離4mm，輸出電流200mA，輸出模式可選NPN常開、NPN常閉、PNP常開、PNP常閉、二線常開、二線常閉、交流常開、交流常閉。

3．煙霧報(bào)警器SS-168P煙霧報(bào)警器SS-168P如圖5-6所示，采用低功耗CMOS微處理器，使用光電探測方式，具有特殊防潮設(shè)計(jì)，具有獨(dú)立/聯(lián)網(wǎng)/無線輸出方式，可進(jìn)行手動(dòng)測試、手動(dòng)復(fù)位。電路接線圖如圖5-6所示。第10頁/共78頁

圖5-6煙霧報(bào)警器SS-168P外觀與接線圖5.1.4系統(tǒng)功能操作說明與程序

1．系統(tǒng)功能操作說明該系統(tǒng)有兩條小型皮帶機(jī)，一個(gè)控制箱；每個(gè)皮帶機(jī)都有兩個(gè)跑偏傳感器，一個(gè)拉線開關(guān)，一個(gè)堆煤傳感器，一個(gè)撕裂傳感器；其中一號皮帶機(jī)另加有用于測速的接近開關(guān)，煙霧報(bào)警器，和紅外測溫傳感器；上位機(jī)采用西門子的WINCC組態(tài)軟件做的監(jiān)控系統(tǒng)?？刂葡涿姘逖b有控制按鈕和指示燈，如圖5-7所示：第11頁/共78頁

圖5-7皮帶運(yùn)輸控制面板 操作過程如下： 1．手動(dòng)啟動(dòng)此信號不經(jīng)PLC，完全由外部繼電器電路控制。

1號啟動(dòng)按鈕：按一下它，則啟動(dòng)1號皮帶機(jī)，1號啟動(dòng)指示燈變亮。上位機(jī)主畫面的1號手動(dòng)指示燈由紅變綠，1號電機(jī)帶動(dòng)皮帶開始旋轉(zhuǎn)。

1號停止按鈕：按一下它，則1號皮帶機(jī)停止，1號啟動(dòng)指示燈滅。上位機(jī)主畫面的1號手動(dòng)指示燈由綠變紅，1號電機(jī)連同所拖動(dòng)的皮帶停止旋轉(zhuǎn)

2號啟動(dòng)按鈕：按一下它，則啟動(dòng)2號皮帶機(jī)，2號啟動(dòng)指示燈變亮。上位機(jī)主畫面的2號手動(dòng)指示燈由紅變綠，2號電機(jī)帶動(dòng)皮帶開始旋轉(zhuǎn)。

2號停止按鈕：按一下它，則2號皮帶機(jī)停止，2號啟動(dòng)指示燈滅。上位機(jī)主畫面的2號手動(dòng)指示燈由綠變紅，2號電機(jī)連同所拖動(dòng)的皮帶停止旋轉(zhuǎn)。第12頁/共78頁自動(dòng)啟動(dòng)信號送入PLC，由內(nèi)部邏輯電路控制。每條皮帶機(jī)都有一個(gè)啟停按鈕盒。其按鈕稱為就地啟動(dòng)按鈕，就地停止按鈕。

1號就地啟動(dòng)按鈕：按一下它，則蜂鳴器響3秒，然后啟動(dòng)1號皮帶機(jī)；上位機(jī)主畫面的1號自動(dòng)指示燈由紅變綠，1號電機(jī)帶動(dòng)皮帶開始旋轉(zhuǎn)。

1號就地停止按鈕：按一下它，則1號皮帶機(jī)停止。上位機(jī)主畫面的1號自動(dòng)指示燈由綠變紅，1號電機(jī)連同所拖動(dòng)的皮帶停止旋轉(zhuǎn)。

2號就地啟動(dòng)按鈕：按一下它，則蜂鳴器響3秒，然后啟動(dòng)2號皮帶機(jī)；上位機(jī)主畫面的2號自動(dòng)指示燈由紅變綠，2號電機(jī)帶動(dòng)皮帶開始旋轉(zhuǎn)。

2號就地停止按鈕：按一下它，則2號皮帶機(jī)停止。上位機(jī)主畫面的2號自動(dòng)指示燈由綠變紅，2號電機(jī)連同所拖動(dòng)的皮帶停止旋轉(zhuǎn)。

2．自動(dòng)啟動(dòng)

3．全線啟動(dòng)全線啟動(dòng)信號送入PLC，由內(nèi)部邏輯電路控制。

全線啟動(dòng)按鈕：按一下它，蜂鳴器響5秒，2號皮帶機(jī)啟動(dòng)，上位機(jī)主畫面的全線啟動(dòng)指示燈由紅變綠，2號自動(dòng)指示燈由紅變綠，2號電機(jī)帶動(dòng)皮帶開始旋轉(zhuǎn)；然后蜂鳴器又響3秒，1號皮帶機(jī)啟動(dòng)，上位機(jī)主畫面的1號自動(dòng)指示燈由紅變綠，1號電機(jī)帶動(dòng)皮帶開始旋轉(zhuǎn)。第13頁/共78頁全線停止按鈕：按一下它，則1號皮帶機(jī)停止。上位機(jī)主畫面的1號自動(dòng)指示燈由綠變紅，1號電機(jī)連同所拖動(dòng)的皮帶停止旋轉(zhuǎn)。等待3秒，然后2號皮帶機(jī)停止。上位機(jī)主畫面的2號自動(dòng)指示燈由綠變紅，2號電機(jī)連同所拖動(dòng)的皮帶停止旋轉(zhuǎn)。

4．故障檢測皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)各種參數(shù)分別由相應(yīng)傳感器檢測，把所測量的信號送至PLC，由PLC內(nèi)部邏輯電路控制。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障指示燈變亮。上位機(jī)主畫面相應(yīng)的故障指示燈由綠變紅。報(bào)警文檔會出現(xiàn)相應(yīng)的故障信息，皮帶機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。排除故障后，按復(fù)位按鈕，則故障指示燈滅，上位機(jī)的相應(yīng)故障指示燈由紅變綠。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，拉拉線開關(guān)，則皮帶機(jī)停止運(yùn)行。 5．主程序梯形圖按下啟動(dòng)按鈕，2號電機(jī)接觸器KM2線圈接通并自鎖，2皮帶機(jī)開始工作，同時(shí)延時(shí)定時(shí)器KT1接通，5S后其常開觸點(diǎn)閉合，1號電機(jī)接觸器KM1線圈閉合，1號皮帶機(jī)開始工作，當(dāng)按下停止按鈕或者兩臺皮帶機(jī)有故障（跑偏、堆煤，撕裂、過速、溫升）時(shí)，1號電機(jī)接觸器KM1線圈斷開，1號皮帶機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)停止延時(shí)器KT2接通，延時(shí)5S后，其常閉觸點(diǎn)斷開，2號電機(jī)接觸器斷開，2號皮帶機(jī)停止工作。梯形圖如圖5-8所示。第14頁/共78頁

圖5-8皮帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)梯形圖溫升信號I1.0、I1.1是經(jīng)溫度傳感器轉(zhuǎn)變后，輸出的邏輯結(jié)果即開關(guān)信號，即：當(dāng)溫度大于100℃時(shí)，輸出邏輯高電平信號，此時(shí)I0.1、I0.2常閉觸點(diǎn)斷開，從而起到保護(hù)作用；當(dāng)溫度小于100℃時(shí)，輸出邏輯低電平信號，此時(shí)I0.1、I0.2常閉觸點(diǎn)無動(dòng)作。第15頁/共78頁 PLCI/O符號分配如表5-1所示：序號符號地址數(shù)據(jù)類型注釋1啟動(dòng)I0.0BOOL2停止I0.1BOOL31號左跑偏I(xiàn)0.2BOOL41號右跑偏I(xiàn)0.3BOOL51號堆煤I0.4BOOL61號撕裂I0.5BOOL71號過速I0.6BOOL81號煙霧I0.7BOOL91號溫升I1.0BOOL102號溫升I1.1BOOL112號左跑偏I(xiàn)1.2BOOL122號右跑偏I(xiàn)1.3BOOL132號堆煤I1.4BOOL142號撕裂I1.5BOOL152號過速I1.6BOOL162號煙霧I1.7BOOL17KM1Q0.1BOOL1號電機(jī)接觸器18KM2Q0.2BOOL2號電機(jī)接觸器19KT1T0TIMER啟動(dòng)延時(shí)器20KT2T1TIMER停止延時(shí)器

表5-1PLC端口配置表第16頁/共78頁5.2基于PLC的煤礦空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.2.1空氣壓縮機(jī)簡介空氣壓縮機(jī)（簡稱空壓機(jī)）是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮氣體具有一定壓力的設(shè)備。作為基礎(chǔ)工業(yè)裝備，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。

1．空壓機(jī)的用途隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓縮機(jī)的用途越來越廣，把空氣作為傳遞力能的介質(zhì)，其動(dòng)力用途主要有以下幾方面：1)傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力：風(fēng)動(dòng)工具，鑿巖機(jī)、風(fēng)鎬、氣動(dòng)扳手，氣動(dòng)噴砂，一般0.6~1.5Mpa；2)儀表控制及自動(dòng)化裝置，如加工中心的刀具更換等，一般0.6Mpa；3)車輛制動(dòng)，門窗啟閉，一般0.2~0.6MPa；4)噴氣織機(jī)中用壓縮空氣吹送緯紗以代替梭子，一般0.1~0.2MPa；第17頁/共78頁5)食品、制藥工業(yè)，利用壓縮空氣攪拌漿液，~般0.2~0.6Mpa；6)大型船用柴油機(jī)的起動(dòng)，一般2.5~6.0Mpa；7)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、地下通道換氣、金屬冶煉，一般6.0~10Mpa；8)油井壓裂15Mpa；9)高壓空氣爆破采煤80Mpa；10)武器系統(tǒng)，導(dǎo)彈發(fā)射、魚雷發(fā)射一般150~300Mpa；11)輪胎充氣，一般0.20~0.25Mpa；12)噴漆，一般0.3~0.6Mpa；13)吹瓶機(jī)，一般3.0~4.5Mpa。

2．空壓機(jī)的類型

空氣壓縮機(jī)的種類很多，按工作原理可分為容積式壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)，離心式壓縮機(jī)，容積式壓縮機(jī)的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；離心式壓縮機(jī)的工作原理是有一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪（葉片通常在側(cè)面）使氣體加速，使氣體分子具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力，主氣流是徑向的。往復(fù)式壓縮機(jī)(也稱活塞式壓縮機(jī))的工作原理是直接壓縮氣體，當(dāng)氣體達(dá)到一定壓力后排出。其壓縮元件是一個(gè)活塞，在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。第18頁/共78頁

現(xiàn)在常用的空氣壓縮機(jī)三種基本類型的包括：往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式、離心式。以下簡單討論這三種類型的空壓機(jī)。

1）往復(fù)式空壓機(jī)

往復(fù)式空壓機(jī)是變?nèi)菔綁嚎s機(jī)，這種壓縮機(jī)將封閉在一個(gè)密閉空間內(nèi)的空氣逐次壓縮（縮小其體積）從而提高其氣壓。往復(fù)式空壓機(jī)以氣缸內(nèi)的一個(gè)活塞作為壓縮位移的原件來完成以上的壓縮過程。往復(fù)式空壓機(jī)有噴油和無油兩種，具有壓力和氣量的廣泛選擇余地。

2）回轉(zhuǎn)式空氣壓縮機(jī)

排氣量范圍為0.85m3/min~85m3/min，最普通的回轉(zhuǎn)式空壓機(jī)是單級噴油螺桿式空壓機(jī)，這種壓縮機(jī)在機(jī)腔內(nèi)有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，通過轉(zhuǎn)子來壓縮空氣，內(nèi)部沒有閥門。這種空壓機(jī)一般為油冷，這種油起到了密封的作用。回轉(zhuǎn)式空壓機(jī)是連續(xù)工作制，也可設(shè)計(jì)成風(fēng)冷或水冷機(jī)組。由于結(jié)構(gòu)簡單易損件少，回轉(zhuǎn)式螺桿空壓機(jī)很容易維護(hù)，操作，并具有安裝靈活的特點(diǎn)。

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3）離心式空氣壓縮機(jī)

排氣量范圍為11.2m3/min~420m3/min，離心式空壓機(jī)是一動(dòng)力型空壓機(jī)，通過旋轉(zhuǎn)的渦輪完成能量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)子通過改變空氣的動(dòng)能和壓力來實(shí)現(xiàn)以上的轉(zhuǎn)換。由靜止的擴(kuò)壓器降低空氣的流速來實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向壓力的變換。離心式空壓機(jī)是無油空壓機(jī)，運(yùn)動(dòng)齒輪的潤滑油由軸密封和空氣隔離。離心式是連續(xù)工況式壓縮機(jī)，移動(dòng)件很少，特別適用于大氣量無油的要求。離心式空壓機(jī)是水冷式的，典型機(jī)組包括后冷卻器和所有的控制裝置。

活塞式空壓機(jī)適用的壓力范圍大，特別適用于壓力較高的中小流量場合。目前仍是應(yīng)用廣泛的一種空壓機(jī)。螺桿式、離心式空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，排氣均勻。用于氣壓傳動(dòng)是較新的具有發(fā)展前途的空壓機(jī)。螺桿式適用于低壓力，中小流量的場合，離心式則適用于低壓力大流量的場合。

3．空壓機(jī)的選擇

選擇空壓機(jī)是根據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量兩個(gè)主要參數(shù)，空壓機(jī)的額定壓力應(yīng)略高于氣動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力。第20頁/共78頁

目前，一般氣動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力為0.5~0.8Mpa，可選用額定排氣壓力為0.7~1Mpa的低壓空壓機(jī)。特殊需要時(shí)，也可選用中壓（1~10Mpa）、高壓（10~100Mpa）甚至超高壓的（100Mpa）以上的空壓機(jī)。流量則需要由現(xiàn)場使用情況計(jì)算確定。

5.2.2螺桿式空氣壓縮機(jī)概述

螺桿式空氣壓縮機(jī)是噴油單級雙螺桿壓縮機(jī)，采用高效帶輪(或軸器)傳動(dòng)，帶動(dòng)主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行空氣壓縮，通過噴油對主機(jī)壓縮腔進(jìn)行冷卻和潤滑，壓縮腔排出的空氣和油混合氣體經(jīng)過粗、精兩道分離，將壓縮空氣中的油分離出來，最后得到潔凈的壓縮空氣。

螺桿式空氣壓縮機(jī)的核心部件是壓縮機(jī)主機(jī)，是容積式壓縮機(jī)中的一種，空氣的壓縮是靠裝置于機(jī)殼內(nèi)互相平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子的齒槽之容積變化而達(dá)到。轉(zhuǎn)子在與它精密配合的機(jī)殼內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)子齒槽之間的氣體不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化而沿著轉(zhuǎn)子軸線，由吸入側(cè)推向排出側(cè)，完成吸入、壓縮、排氣三個(gè)工作過程。

1．螺桿空壓機(jī)原理簡介

螺桿空氣壓縮機(jī)（如圖5-9所示）具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠及操作方便等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而自誕生之日起就受到工業(yè)界的廣泛重視。按螺桿的數(shù)目分為雙螺桿空壓機(jī)和單螺桿空壓機(jī)，按壓縮過程中是否有潤滑油參與分為無油螺桿空壓機(jī)和噴油螺桿空壓機(jī)。第21頁/共78頁

經(jīng)過多年的發(fā)展，螺桿空壓機(jī)在1~60m3/min的流量和小于等于20Barg的壓力范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在歐、美、日等西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的占有率已經(jīng)接近100%（幾乎完全取代活塞式空氣壓縮機(jī)），而其中的99%以上是雙螺桿空氣壓縮機(jī)。圖5-9雙螺桿空氣壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

雙螺桿空氣壓縮機(jī)圖5-9所示，工作時(shí)，一個(gè)轉(zhuǎn)子按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在相互嚙合的過程中，空氣被壓縮到所需要的壓力。雙螺桿壓縮機(jī)具有極高的機(jī)械可靠性和優(yōu)良的動(dòng)力平衡性，機(jī)組重量輕、震動(dòng)小、噪聲低、易損件少、操作及維修亦十分方便、運(yùn)行效率高是其最大的優(yōu)點(diǎn)，雙螺桿壓縮機(jī)于20世紀(jì)70年代已趨于成熟和完善，并獲得了極大的市場成功，是目前市場中的主導(dǎo)產(chǎn)品。第22頁/共78頁

目前，國內(nèi)外知名的壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的螺桿空壓機(jī)均為雙螺桿空氣壓縮機(jī)，而在市場中銷售的螺桿空壓機(jī)中，99%以上均為雙螺桿空氣壓縮機(jī)。

2．螺桿桿式空壓機(jī)的工作原理

如圖5-10所示，空氣壓縮機(jī)從外界大氣中吸入空氣，通過濾網(wǎng)進(jìn)行預(yù)過濾進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部再通過進(jìn)氣過濾器①過濾，進(jìn)入多功能進(jìn)氣控制閥②，接著進(jìn)入轉(zhuǎn)子室④進(jìn)行壓縮，轉(zhuǎn)子由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。精確控制一定量的壓縮機(jī)油持續(xù)不斷地注入轉(zhuǎn)子室④，對旋轉(zhuǎn)的螺桿進(jìn)行潤滑冷卻，并起到密封作用。壓縮完畢后，含油的空氣被排出機(jī)頭，經(jīng)過法蘭連接直接進(jìn)入油氣分離器⑤（微米級玻纖濾料層過濾）、⑥將油與壓縮空氣分離，被分離出來的油在油冷卻器⑧中被冷卻，流經(jīng)油過濾器⑩重新回到注入口。分離后的壓縮空氣通過旋入式精細(xì)油氣分離器⑥，過濾掉部分油質(zhì)，使壓縮空氣中的含油量只有1～3mg/m3，然后經(jīng)過最小壓力止回閥⑦回到空氣冷卻器⑨冷卻，冷卻后的壓縮空氣經(jīng)過一個(gè)截止閥進(jìn)入用氣系統(tǒng)/儲氣罐。注油系統(tǒng)能夠確保壓縮機(jī)良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損，溫控閥在整個(gè)運(yùn)行過程中控制正常的油溫，保證螺桿式壓縮機(jī)在所有的運(yùn)行階段都以最佳的溫度工作。第23頁/共78頁

壓縮機(jī)的潤滑油是直接加注到壓縮機(jī)吸氣口的空氣中的，潤滑油在高溫高壓下與空氣長期接觸，從上面所述的螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作狀態(tài)和潤滑油的行程可以看出，在此過程中壓縮機(jī)油起到潤滑、冷卻、密封的作用，潤滑部件包括轉(zhuǎn)子、軸承、軸承密封、驅(qū)動(dòng)齒輪等，壓縮機(jī)油同時(shí)在循環(huán)過程中帶走壓縮產(chǎn)生的熱量，密封兩個(gè)相互旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與殼體之間的微小配合間隙。因?yàn)閴嚎s機(jī)油在整個(gè)過程中的冷卻作用比較重要，以至于部分OEM制造商直接將壓縮機(jī)油稱為冷卻劑。1—進(jìn)氣過濾器2—多功能進(jìn)氣控制閥3—注油管路4—壓縮機(jī)機(jī)頭/轉(zhuǎn)子室5—油氣預(yù)分離器罐6—精細(xì)油氣分離器

7—最小壓力止回閥8—油冷卻器9—壓縮空氣冷卻器10—油過濾器11—溫控閥12—清潔口圖5-10螺桿式空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)圖第24頁/共78頁

冷卻用水最好使用軟水，以避免水中的鈣鎂等離子因高溫而起化學(xué)反應(yīng)，在冷卻器中結(jié)成水垢，影響冷卻器的傳熱效果。若使用冷卻水塔循環(huán)系統(tǒng)，則水中須定期加軟化劑，以維持水質(zhì)的清潔。

5.2.3軟啟動(dòng)器的應(yīng)用

籠形異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最廣泛的用電設(shè)備，由于電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流很大，所以采用許多種降壓啟動(dòng)方式。早期的方式有串聯(lián)電抗或電阻器動(dòng)，或使用自耦變壓器、星-三角轉(zhuǎn)換等降壓啟動(dòng)方式。從20世紀(jì)70年代起，工程上開始推廣利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)制作的軟啟動(dòng)器。軟啟動(dòng)可以使電動(dòng)機(jī)啟停自如，減少空轉(zhuǎn)，有節(jié)能作用，軟啟動(dòng)器還具有下列優(yōu)點(diǎn)：①減少沖擊力，延長設(shè)備壽命；②根據(jù)不同負(fù)載選用不同的啟動(dòng)方式以提高加/減速特性；③保護(hù)功能全面；④提高可靠性；⑤通過修改參數(shù)，匹配不同的負(fù)載對象；⑥智能化，可以與PLC等相互通訊。

軟啟動(dòng)器以體積小，轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)、啟動(dòng)平穩(wěn)沖擊小并具有軟停機(jī)功能等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越多的應(yīng)用，大有取代傳統(tǒng)的自耦減壓、星三角等啟動(dòng)器的趨勢。

一般30或者37KW以下推薦可以直接啟動(dòng)，37KW以上或者小電機(jī)但是超過變壓器容量30%建議采取措施降低啟動(dòng)電流，方式方法比較多，現(xiàn)在的技術(shù)產(chǎn)品綜合來講軟啟動(dòng)器比較合適。第25頁/共78頁5.2.4空壓機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

1．基本情況

現(xiàn)有1臺AA2-220W型220KW380V-40M3/min-0.7Mpa螺桿式空壓機(jī)，由交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)器啟動(dòng)。

空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)如圖5-11所示。圖5-11空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)第26頁/共78頁

在空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)中，采用空壓機(jī)后端出氣管道上安裝的壓力傳感器來控制空氣壓縮機(jī)的壓力。空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)，加載電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，加載氣缸不動(dòng)作，軟啟動(dòng)器拖動(dòng)電機(jī)空載運(yùn)行，一段時(shí)間（可由控制器任意設(shè)定，如設(shè)置為10s）后，加載電磁閥打開，空壓機(jī)帶載運(yùn)行。當(dāng)空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，如果后端設(shè)備用氣量較大，儲氣罐（俗稱氣包）和后端管路中壓縮氣壓力未達(dá)到壓力上限值，則控制器動(dòng)作加載閥，打開進(jìn)氣口，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行，不斷地向后端管路產(chǎn)生壓縮氣。如果后端用氣設(shè)備停止用氣，后端管路和儲氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當(dāng)達(dá)到壓力上限設(shè)定值時(shí)，壓力傳感器發(fā)出卸載信號，加載電磁閥停止工作，進(jìn)氣口濾清器關(guān)閉，電機(jī)空載運(yùn)行。

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，不是馬上產(chǎn)生壓縮空氣，而是要等到打開進(jìn)氣閥后，才逐步產(chǎn)生壓縮空氣。同樣，在交流異步電動(dòng)機(jī)仍處在運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，關(guān)閉進(jìn)氣閥后，才逐步停止產(chǎn)生壓縮空氣。

2．控制要求

有啟動(dòng)功能、停止功能、保護(hù)及故障報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)在自動(dòng)集控工作方式時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的供氣壓力值，當(dāng)冷卻水壓力、空壓機(jī)潤滑油油壓滿足要求時(shí)，自動(dòng)控制卸荷或加載。在儲氣罐壓力達(dá)到設(shè)定值0.7Mpa時(shí)空縮機(jī)進(jìn)氣閥關(guān)閉，自動(dòng)停機(jī)。當(dāng)儲氣罐壓力下降到0.65Mpa時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)氣閥打開，再次進(jìn)行充氣。第27頁/共78頁

為保證空壓機(jī)運(yùn)行可靠、安全，對于排氣量大的空氣壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，有以下基本控制要求：

（1）空壓機(jī)的潤滑油壓油溫超出規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的保護(hù)；（2）空壓機(jī)的冷卻水出現(xiàn)間斷時(shí)，應(yīng)有斷水保護(hù)；（3）排氣溫度超過規(guī)定范圍時(shí)，要有溫度保護(hù)；（4）空壓機(jī)氣壓超過規(guī)定范圍時(shí)，要有壓力保護(hù)。

根據(jù)用戶提出的要求，本系統(tǒng)分手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式，而且手動(dòng)方式優(yōu)先于自動(dòng)方式。

一般情況下，系統(tǒng)處在自動(dòng)運(yùn)行方式。當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行的工作條件滿足時(shí)，按一下自動(dòng)方式的起動(dòng)按鈕，根據(jù)測得的壓力，將其與設(shè)定值比較，就會自動(dòng)起動(dòng)或停止壓縮機(jī)。當(dāng)設(shè)備需要檢修、保養(yǎng)或緊急情況時(shí)，需要切換到手動(dòng)方式。控制室操作面板上還設(shè)有故障解除按鈕和報(bào)警解除按鈕。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，蜂鳴器響，按一下報(bào)警解除按鈕，蜂鳴器停止工作。整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。圖5-12空氣壓縮機(jī)PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第28頁/共78頁壓力儲氣罐壓力潤滑油壓力一級排氣壓力冷卻水壓報(bào)警值0.7MPa0.1MPa停機(jī)值無0.09MPa0.25MPa0.5MPa溫度二級排氣溫度潤滑油溫度(缸體)冷卻水出口溫度報(bào)警值160℃60℃40℃停機(jī)值無40℃

3．確定檢測參數(shù)

一級排氣壓力檢測范圍為0～0.6MPa，儲氣罐貯氣壓力0～0.7MPa，潤滑油壓力檢測范圍為0～0.60MPa，二級排氣溫度檢測范圍為0～200℃，潤滑油溫度檢測范圍為0～200℃，冷卻水?dāng)嗨畽z測，冷卻水壓不得超過0.5MPa，冷卻水出口溫度應(yīng)保持低于40℃，如表5-2所示。表5-2空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)檢測參數(shù)表

數(shù)字量輸入設(shè)備主要由旁路開關(guān)、啟動(dòng)按鈕、停車按鈕、自動(dòng)、非自動(dòng)、手動(dòng)給水、消音按鈕、檢修等按鈕組成。第29頁/共78頁

數(shù)字量輸出設(shè)備主要由啟動(dòng)軟啟動(dòng)器、停止軟啟動(dòng)器、排氣壓力高指示燈、油壓低指示燈、超溫指示燈、斷水指示燈、故障報(bào)警輸出燈、聲音報(bào)警輸出、運(yùn)行燈、檢修燈、卸荷電磁閥等組成。

4．傳感器選型

1）溫度變送器的介紹及選型

缸體溫度，二級排氣溫度選用PT100一體式溫度變送器，其測量范圍為0～200℃，采用+24VDC電源供電，輸出為4~20mADC信號，誤差0.5%。

溫度變送器配以二線制RVVP電纜單獨(dú)傳送輸?shù)絇LC的AI模塊的一個(gè)通道，AI模塊把此溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過底板總線傳到CPU模塊，CPU接到此信號后，把此信號存入到一個(gè)相應(yīng)的寄存器中，與相應(yīng)的報(bào)警值進(jìn)行比較并作出判斷。壓力信號傳輸過程與此類似。

冷卻水溫度出口溫度檢測使用PT100一體式溫度變送器，測量范圍為0～80℃，采用+24VDC電源供電，輸出為4~20mADC信號，誤差0.5%。

第30頁/共78頁

2）壓力變送器的介紹及選型

二級排氣壓力、一級氣壓檢測和冷卻水壓檢測均選擇通用型壓力變送器，量程為0～1Mpa，誤差0.5%，其工作電源為DC24V，滿量程輸出4~20mADC信號。

壓力變送器把空壓機(jī)二級排氣壓力信號轉(zhuǎn)換成4~20mA電流信號，然后通過屏蔽電纜把此信號傳輸?shù)絇LC的AI模塊，AI模塊把此信號傳輸?shù)紺PU模塊，CPU接到此信號后，把此信號通過PLC的梯形圖，與相應(yīng)的卸荷值和增荷值進(jìn)行比較，當(dāng)測量值大于卸荷值時(shí)，PLC會控制相應(yīng)的卸荷電磁閥動(dòng)作，使空壓機(jī)卸荷，從而二級排氣壓力下降；當(dāng)測量值小于增荷值時(shí)，PLC會控制相應(yīng)增荷電磁閥動(dòng)作，使空壓機(jī)增荷，從而二級排氣壓力上升。

一級氣壓報(bào)警值為0.25MPa，冷卻水壓報(bào)警值為0.5MPa。

3）冷卻水?dāng)嗨畽z測

冷卻水檢測通過流量計(jì)來檢測是否中斷，通常管路中水的壓力可分為水的全壓、水的動(dòng)壓和水的靜壓。通常壓力表所測得壓力只是水管中的靜壓，它并不能真實(shí)反映出實(shí)際冷卻水流量的大小。故此處選用流量計(jì)來判斷冷卻是否中斷。系統(tǒng)選用流速報(bào)警流量開關(guān)，設(shè)定流量報(bào)警值為1m/s。第31頁/共78頁

溫度和壓力變送器、溫度、壓力、流量開關(guān)的外觀如圖5-13所示。圖5-13溫度變送器、壓力變送器、流量開關(guān)外觀圖

5．PLC選型與擴(kuò)展模塊

S7-200系列的CPU224集成了14點(diǎn)輸入/10點(diǎn)輸出，共有24點(diǎn)數(shù)字量I/O，且具有2路模擬電壓輸入，從滿足數(shù)字I/O端口的角度，是能夠完成空壓機(jī)的基本控制功能的，但考慮一定的擴(kuò)展性，故在空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中選用S7-200系列的CPU226CN（AC/DC/繼電器）作為其控制器，其中AC/DC/繼電器表示該款CPU是交流電源供電，輸入是24VDC，輸出為是繼電器輸出。其本機(jī)集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40點(diǎn)數(shù)字量I/O。它可以連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O。第32頁/共78頁SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFOFFOFFONMSBLSB15143210AIWXX012位數(shù)據(jù)值000

CPU226配有2個(gè)RS-485通信/編程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，是具有較強(qiáng)控制能力的小型控制器。為了配合采集現(xiàn)場傳感器的模擬量輸入信號，為CPU226CN擴(kuò)展了2塊EM231CNAI4x12位模擬量輸入模塊。

EM231開關(guān)設(shè)置如下。

模擬信號范圍設(shè)為單極性0~20mA，分辨率5uA，數(shù)據(jù)范圍為0~32000，其數(shù)據(jù)格式為

本系統(tǒng)的開關(guān)量輸入包括：每臺壓縮機(jī)的選擇開關(guān)和按鈕開關(guān)的輸入信號，外設(shè)運(yùn)行與否的反饋信號，反映設(shè)備發(fā)生故障的輸入信號以及系統(tǒng)運(yùn)行所需的選擇開關(guān)和按鈕開關(guān)的輸入信號。第33頁/共78頁CPU226EM231EM231DIDOAIAII0.0旁路開關(guān)Q0.0啟動(dòng)/停止開關(guān)AIW0儲氣罐壓力AIW8冷卻水壓I0.1啟動(dòng)按鈕SB1Q0.1啟動(dòng)指示AIW2潤滑油壓力AIW10冷卻水溫I0.2停止按鈕SB2Q0.2旁路接觸器KM10AIW4二級排氣溫度AIW12一級排氣氣壓I0.3轉(zhuǎn)換開關(guān)-SA1自動(dòng)Q0.3運(yùn)行指示AIW6潤滑油溫度(缸體)AIW14備用DIDOI0.4轉(zhuǎn)換開關(guān)-SA1非自動(dòng)Q0.4氣包放空電磁閥I0.5手動(dòng)給水Q0.5冷卻水電磁閥I0.6消音按鈕Q0.6音響報(bào)警輸出I0.7檢修按鈕Q0.7故障燈I1.0斷水檢測Q1.0工作指示燈I1.1~I1.07備用Q1.1檢修I2.0~I2.07備用Q1.2-Q1.7備用

本系統(tǒng)需輸入開關(guān)量9點(diǎn)，輸出開關(guān)量11點(diǎn)，主要是控制每臺壓縮機(jī)的輸出信號，以及系統(tǒng)所需的輸出信號，擴(kuò)展2塊4路模擬量輸入模塊EM231，系統(tǒng)地址如表5-3所示。

表5-3CPU226及EM231地址表第34頁/共78頁

6．S7-200系統(tǒng)的電源需求分析

S7-200CPU模塊提供5VDC和24VDC電源，當(dāng)有擴(kuò)展模塊時(shí)CPU通過I/O總線（扁平電纜）為其提供5V電源，所有擴(kuò)展模塊的5V電源消耗之和不能超過該CPU提供的電源額定。若不夠用不能外接SV電源，但一般情況下5V電源是夠用的，不需要外接；每個(gè)CPU都有一個(gè)24VDC的傳感器電源，它為本機(jī)輸入點(diǎn)和擴(kuò)展模塊輸入點(diǎn)及擴(kuò)展模塊繼電器線圈提供24VDC，如果電源要求超出了CPU模塊的電源定額，可以增加一個(gè)外部24VDC電源來提供給擴(kuò)展模塊。

CPU226的集成24V負(fù)載電源可提供給傳感器400mA電流輸出，+5V背板提供1000mA電流，CPU226的40個(gè)數(shù)字量如全部使用CPU226的集成24V需要160mA（40*4mA），模擬量模塊EM231需要背板電源+5V提供20mA電流，24V電源需要60mA電流，可以計(jì)算得知僅靠CPU226就可以滿足1個(gè)EM231和基本數(shù)字量的電源供應(yīng)。CPU226的數(shù)字量輸入和輸出，EM23l模擬量輸入模塊具體接線方法比較簡單，在本文中不作詳細(xì)敘述。第35頁/共78頁

7．空壓機(jī)控制線路

如圖5-14所示，空壓機(jī)軟起動(dòng)器型號為SS2-160/380V，S1，S2為控制端子，該端子為啟停信號控制端子，為無源信號輸入。當(dāng)S1，S2導(dǎo)通時(shí)，軟啟動(dòng)器開啟，當(dāng)S1，S2分?jǐn)鄷r(shí)，軟啟動(dòng)器停止。圖5-14空壓機(jī)控制線路

S3，S4輸出端子，該端子為旁路信號輸出端子，為繼電器自動(dòng)輸出，S3為電源輸入，S4為電源輸出。

啟動(dòng)：當(dāng)斷路器QF閉合通電后，按下SB1，PLC輸出Q0.0使得S1，S2導(dǎo)通，軟啟動(dòng)器工作，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到設(shè)定的值后，軟啟動(dòng)器輸出全壓，同時(shí)旁路端子S3，S4自動(dòng)閉合輸出，旁路接觸器KM10得電吸合，再過5秒后軟啟動(dòng)器由全壓變?yōu)殛P(guān)斷。系統(tǒng)處于旁路工作狀態(tài)，軟啟動(dòng)過程結(jié)束。

停止：當(dāng)按下SB2時(shí)，PLC控制輸出端Q0.0斷開，使得S1，S2分?jǐn)?，軟啟?dòng)器停止，同時(shí)旁路接觸器斷開，系統(tǒng)處于自由停車狀態(tài)。第36頁/共78頁M1.1儲氣罐壓力低M0.1自動(dòng)允許M1.2儲氣罐壓力高M(jìn)2.0故障停車標(biāo)志M1.2潤滑油油壓高M(jìn)2.1中間繼電器M1.3潤滑油油壓低M2.2故障報(bào)警標(biāo)志M1.4冷卻水中斷M3.0冷卻水壓高M(jìn)1.5潤滑油油溫高M(jìn)3.1冷卻水溫高M(jìn)1.6二級排氣氣溫高M(jìn)3.2一級排氣氣壓高

8．控制方式

空壓機(jī)PLC控制梯形圖如圖5-15所示。啟動(dòng)時(shí)，有自動(dòng)和非自動(dòng)兩種方式，由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，啟動(dòng)前閉合電源開關(guān)QS。

CPU226使用的內(nèi)部寄存器說明如下。（1）非自動(dòng)控制非自動(dòng)控制時(shí)，先將轉(zhuǎn)換開關(guān)打至“非自動(dòng)”位置，其觸點(diǎn)I0.4接通。啟動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SB1，I0.1閉合，PLC內(nèi)部寄存器M0.5閉合形成自保，Q0.0導(dǎo)通控制開關(guān)S1，S2閉合，軟啟動(dòng)器開始工作。I0.0閉合導(dǎo)通，表示啟動(dòng)過程結(jié)束，Q0.2導(dǎo)通，KM10閉合，電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行。當(dāng)Q0.0導(dǎo)通時(shí)，使?jié)櫥蜏?、二級排氣溫度及斷水延時(shí)等保護(hù)隨即投入運(yùn)行。第37頁/共78頁

（2）自動(dòng)控制

自動(dòng)控制時(shí)，將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1打至“自動(dòng)”位置，其觸點(diǎn)I0.3閉合，按下啟動(dòng)按鈕SB1，M0.5繼電器有電吸合并自保。但由于M0.1未閉合，故電動(dòng)機(jī)暫不啟動(dòng)。當(dāng)空壓機(jī)儲氣罐壓力低于整定值時(shí)，使M1.1、M0.1相繼有電吸合，Q0.0閉合，S1，S2閉合，以后的過程同非自動(dòng)控制一樣，完成啟動(dòng)過程。

當(dāng)空壓機(jī)儲氣罐壓力達(dá)到規(guī)定壓力并偏高時(shí)，M1.2導(dǎo)通并自保，其觸點(diǎn)M1.1打開，M0.1斷開，Q0.0斷開，S1，S2斷開，電動(dòng)機(jī)自由停車。可見，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停轉(zhuǎn)是由儲氣罐的壓力大小進(jìn)行自動(dòng)控制的。

9．減荷啟動(dòng)和自動(dòng)供水

為使電動(dòng)機(jī)輕載啟動(dòng)，電路設(shè)置放空電磁閥Y1，由Q0.4控制。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，隨著Q0.0閉合，啟動(dòng)過程結(jié)束之前I0.0閉合，Q0.4閉合，控制電磁閥Y1有電，打開閥門，減輕電動(dòng)機(jī)載荷。啟動(dòng)結(jié)束后，I0.0閉合，其常閉點(diǎn)斷開，Q0.4斷開，自動(dòng)關(guān)閉電磁閥Y1。第38頁/共78頁

空壓機(jī)冷卻水的供給，由Q0.5控制冷卻水電磁閥Y2。在空壓機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)，Q0.0閉合，Q0.5導(dǎo)通，控制電磁閥Y2有電，打開供水閥門。停機(jī)時(shí)，按下按鈕SB2，I0.2導(dǎo)通，其常閉點(diǎn)斷開，Q0.0斷開，Q0.5斷開，電磁閥Y2自動(dòng)關(guān)閉供水閥門。

10．空壓機(jī)的保護(hù)

系統(tǒng)設(shè)有空壓機(jī)一級排氣壓力過高、潤滑油壓力過高或過低、冷卻水中斷等緊急停車保護(hù)。當(dāng)發(fā)生以上任一故障時(shí)，相應(yīng)的M3.2、M1.2、M1.3、M1.4閉合動(dòng)作，通過M2.0停機(jī)；同時(shí)觸點(diǎn)Q0.6閉合，發(fā)出音響信號，按下消音按鈕I0.6，M2.1有電吸合，其常閉觸點(diǎn)斷開音響信號Q0.6，同時(shí)Q0.7閉合發(fā)出燈光信號。當(dāng)空壓機(jī)發(fā)生二級排氣溫度過高或潤滑油溫過高、冷卻水壓高、冷卻水溫高等故障時(shí)，M1.6、M1.5、M3.0、M3.1閉合，M2.2閉合動(dòng)作，電路僅發(fā)出故障信號，空壓機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。另外，定時(shí)器T38定時(shí)3分鐘用于空壓機(jī)的斷水延時(shí)保護(hù)。第39頁/共78頁

11．模擬量濾波后的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)中使用了EM231模擬量模塊，由于壓力傳感器和溫度傳感器采樣后得到的數(shù)據(jù)格式不同，故而轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)的方法也不一樣。因?yàn)锳/D（模/數(shù)）、D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換之間的對應(yīng)關(guān)系，S7-200CPU內(nèi)部用數(shù)值表示外部的模擬量信號，兩者之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。這個(gè)關(guān)系就是模擬量/數(shù)值量的換算關(guān)系。

模擬量轉(zhuǎn)換的目的顯然不是在S7-200CPU中得到一個(gè)0~32000之類的數(shù)值；對于編程和操作人員來說，得到具體的物理量數(shù)值（如壓力值、流量值），或者對應(yīng)物理量占量程的百分比數(shù)值要更方便，這是換算的最終目標(biāo)。由于本系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)顯示器，故省略轉(zhuǎn)換物理量的計(jì)算，只是計(jì)算相應(yīng)的上下限數(shù)值對應(yīng)的模擬量字變量，便于進(jìn)行相應(yīng)的判斷。

模擬量的輸入/輸出都可以用下列的通用換算公式換算：

Ov=[(Osh-Osl)×(Iv-Isl)/(Ish-Isl)]+Osl

其中：Ov：換算結(jié)果；Iv：換算對象；Osh：換算結(jié)果的高限；Osl：換算結(jié)果的低限；Ish：換算對象的高限；Isl：換算對象的低限。

如儲氣罐壓力上限為0.7MPa，壓力變送器測量范圍為0~1MPa，變送器輸出4~20ma，則對應(yīng)的模擬字變量為VW0=[(0.7-0)/(1-0)]×(32000-6400)+6400=24320，其他參數(shù)計(jì)算過程類似，模擬字變量參數(shù)如表5-4所示。第40頁/共78頁壓力儲氣罐壓力潤滑油壓力二級排氣壓力冷卻水壓溫度二級排氣溫度潤滑油溫度(缸體)冷卻水溫上限2432089601280019200報(bào)警值268801408019200下限230408704停機(jī)值無表5-4CPU226模擬字變量參數(shù)

模擬量通道缺省設(shè)置是為所有的模擬量輸入使用濾波器，可以不用另行設(shè)置。圖5-15空壓機(jī)控制系統(tǒng)梯形圖第41頁/共78頁5.3基于PLC的煤礦排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.3.1煤礦排水系統(tǒng)簡介

在煤礦生產(chǎn)過程當(dāng)中，經(jīng)常有各種來源的水涌入礦井，稱之為礦水。大量的礦水威脅到礦井生產(chǎn)的正常進(jìn)行，突發(fā)時(shí)輕則影響生產(chǎn)，重則導(dǎo)致重大生產(chǎn)安全事故，甚至?xí)斐晒ぷ魅藛T傷亡。而在我國的礦井之中，只有很少一部分是干燥的，因此在煤礦開采過程中，為了保證安全生產(chǎn)排水是必不可少的，排水控制系統(tǒng)是礦山作業(yè)不可缺少的設(shè)備，對保證礦井正常生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。

由于礦井涌水的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，以及礦井結(jié)構(gòu)布置的不同，故對礦井排水及排水泵的要求比一般機(jī)電硐室的要求嚴(yán)格，對排水的可靠性要求較高，必須保證及時(shí)排除礦井涌水。因?yàn)榈V井涌水在井下流動(dòng)的過程中，混入和溶解了許多礦物質(zhì)，含有一定數(shù)量的煤炭顆粒、流砂等雜質(zhì)，所以要求排水泵要具有較強(qiáng)的抗腐蝕性和耐磨性；此外，由于排水泵安裝在硐室內(nèi)，硐室空間比地面空間小，安裝和維修都不方便，為了保證礦井安全，礦井水泵房要求安裝使用、備用、待檢的水泵臺數(shù)較多；再者，礦井排水設(shè)備的耗電量很大，一般會占到全礦井總耗電量的25%-35%，有的礦井占到40%，個(gè)別礦井會更多。第42頁/共78頁

1．礦井排水設(shè)備的分類

1)前者固定在專門的硐室里，一般這樣設(shè)置：主排水設(shè)備負(fù)責(zé)將全礦的涌水或大部分涌水排至地面；輔助排水設(shè)備負(fù)責(zé)把下一開采水平的水排至主排水設(shè)備所在水平；區(qū)域排水設(shè)備負(fù)責(zé)把區(qū)域的涌水直接排至地面；轉(zhuǎn)載排水設(shè)備負(fù)責(zé)把由于反向坡度不能自流集中到主排水設(shè)備的水，轉(zhuǎn)載到主排水設(shè)備；中央排水設(shè)備負(fù)責(zé)把幾個(gè)涌水量不大的礦井涌水，匯集起來排出礦井。

2)為了把掘進(jìn)工作面或淹沒坑道中的水排除，要求水泵隨工作面前進(jìn)或水位下降而移動(dòng)。所用水泵和電機(jī)，配套裝在整體的底架上，而底架被絞車用鋼繩牽引移動(dòng)，這種便稱為移動(dòng)式排水設(shè)備。

2．固定排水設(shè)備的要求

1)工作水泵應(yīng)能在20小時(shí)內(nèi)排出24小時(shí)的正常涌水量；備用水泵的能力應(yīng)不小于工作水泵能力的70%；工作和備用水泵的總能力，應(yīng)在20小時(shí)內(nèi)，排除礦井24小時(shí)的最大涌水量；檢修水泵的能力應(yīng)不小于工作水泵能力的25%。水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，可根據(jù)具體情況，在主要泵房內(nèi)預(yù)留安裝一定數(shù)量水泵的位置，或另外增設(shè)水泵。

2)工作水管的能力應(yīng)能配合工作水泵在20小時(shí)內(nèi)排出24小時(shí)的正常涌水量；工作和備用水管的總能力應(yīng)能配合工作和備用水泵，在20小時(shí)內(nèi)排出24小時(shí)的最大涌水量。第43頁/共78頁

3)配電設(shè)備應(yīng)同水泵相適應(yīng)，并能夠同時(shí)開動(dòng)工作和備用的水泵。主排水泵房的供電線路不得少于兩回路，當(dāng)一回路停止供電時(shí)，另一回路應(yīng)能擔(dān)負(fù)全部負(fù)荷的供電。

4)主排水設(shè)備應(yīng)有預(yù)防用水突然增加致使設(shè)備被淹沒的措施。

5)需采取防爆措施地區(qū)安裝的排水系統(tǒng)，其電器設(shè)備應(yīng)是防爆的。

3．移動(dòng)式排水設(shè)備要求

1)有較好吸水性能，可排除泥水。

2)水利特性適合流量變化不大而揚(yáng)程有較大變化的需要。

3)外形尺寸較小以便轉(zhuǎn)移方便而迅速。

4)軸線傾斜仍能正常工作。

4．傳統(tǒng)控制方法存在的問題

在傳統(tǒng)的礦井排水系統(tǒng)中，時(shí)刻需要有人值守。傳統(tǒng)的靠人工測水位，停開泵的控制方法值班人員很難保持長時(shí)間注意力集中，遇到突發(fā)事件可能會出現(xiàn)混亂，不能及時(shí)做出處理，導(dǎo)致可以避免的生產(chǎn)事故發(fā)生。所以靠人工檢測的方法已不適應(yīng)煤炭發(fā)展的需要，取而代之的是自動(dòng)排水系統(tǒng)。

5．可編程邏輯控制器用于礦井排水的自動(dòng)控制系統(tǒng)

將可編程邏輯控制器用于礦井排水的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，使井下排水控制系統(tǒng)對水泵房排水系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一操作和控制，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度程度，其設(shè)計(jì)上達(dá)到以下要求:第44頁/共78頁

1)防爆性能。自動(dòng)排水系統(tǒng)屬于電控系統(tǒng)，在井下特殊環(huán)境中，要符合煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)以及選擇的執(zhí)行元件都要具備防爆能力，才能安全運(yùn)行。

2)水位實(shí)時(shí)檢測顯示。水井水位信號是系統(tǒng)工作的主要控制信號，PLC要根據(jù)水位變化情況來控制水泵的運(yùn)行情況。而礦井的涌水量是隨機(jī)的。所以，正常情況下，檢測系統(tǒng)要不間斷地監(jiān)視水位情況，將水位檢測信號輸送到PLC進(jìn)行處理，同時(shí)輸出至顯示或報(bào)警裝置，便于管理人員及時(shí)了解水位情況，在危險(xiǎn)情況下還要發(fā)出報(bào)警信號。

3)水泵輪班工作制。水泵房多臺水泵并聯(lián)工作，但并不是一起使用，而是有用有備。所以控制系統(tǒng)還要合理安排水泵的備用情況，避免有的水泵長期閑置；水泵長期閑置易生銹甚至導(dǎo)致不能正常工作。

4)大量涌水情況下啟用備用水泵，并報(bào)警。在出現(xiàn)大量涌水，正常工作的水泵已經(jīng)無法完成排水量的情況下，啟用備用水泵，必要時(shí)啟用所有水泵，確保排水順暢。并且發(fā)出報(bào)警信號，警告涌水量已經(jīng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

5）泵站運(yùn)行狀況監(jiān)控。排水系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無人值守，就要對水泵的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。這些需要監(jiān)控的參數(shù)包括：電動(dòng)機(jī)工作電流、電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、水泵出口壓力、閘閥的開度(全開還是全關(guān))、水泵流量總和。

6)故障檢測與報(bào)警。系統(tǒng)應(yīng)對自身運(yùn)行情況檢測并對泵站的整體工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。不僅在各個(gè)單一參數(shù)(壓力、流量、電壓、電流等)超出正常范圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號；啟動(dòng)過程中，如果各種運(yùn)行參數(shù)(真空度、壓力等)達(dá)不到要求，就不要使系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。水泵運(yùn)行時(shí)，還要能夠自動(dòng)切換，停止故障泵，啟動(dòng)其他泵。第45頁/共78頁

5.3.2煤礦排水系統(tǒng)

1．排水控制系統(tǒng)的組成

由對井下排水控制系統(tǒng)的要求可知，井下排水控制系統(tǒng)大致由檢測、控制、執(zhí)行、顯示報(bào)警、通訊五部分組成。

檢測部分為中央處理單元提供現(xiàn)場傳感器和儀表所反饋回來的各種開關(guān)量、模擬量信號。

控制部分由PLC的顯示終端、中間繼電器、控制按鈕等組成。PLC為系統(tǒng)控制核心，PLC除具有一般的邏輯處理功能外，還具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力，由各種模塊構(gòu)成，可以靈活的擴(kuò)展。

執(zhí)行器件為電磁閥、電動(dòng)閥和電動(dòng)機(jī)。

顯示和報(bào)警分為現(xiàn)場就地顯示和報(bào)警以及遠(yuǎn)程監(jiān)控室顯示和報(bào)警?，F(xiàn)場就地顯示處于井下水泵房內(nèi)，各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)(如開、停等狀態(tài))可以直接觀察到，而報(bào)警采用LED顯示或鈴聲報(bào)警。遠(yuǎn)程可通過上位機(jī)的界面設(shè)計(jì)進(jìn)行顯示和報(bào)警。

通訊部分是用于PLC向地面監(jiān)控站上位機(jī)發(fā)送信息和接收上位機(jī)的查詢、參數(shù)修改等命令?，F(xiàn)在的PLC有較為強(qiáng)大的通訊功能，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。第46頁/共78頁

2．排水控制系統(tǒng)的功能

排水控制系統(tǒng)為適應(yīng)煤礦的使用要求，主要應(yīng)具備以下幾大功能：

1)自動(dòng)輪換工作。為了防止工作水泵及管路磨損過于嚴(yán)重；備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長期不用而導(dǎo)致電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或其它故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵或管路出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵或管路時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井安全，有必要設(shè)計(jì)水泵的自動(dòng)輪換工作控制。通過所編寫的控制程序自動(dòng)記錄并累計(jì)水泵啟停次數(shù)及運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)按一定順序自動(dòng)啟停水泵，使各水泵的使用率分布均勻，當(dāng)某臺泵或所屬閥門故障、某趟管路漏水時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，記錄事故，同時(shí)將故障泵自動(dòng)退出輪換工作，其余各泵可繼續(xù)按一定順序自動(dòng)輪換工作，以達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，以免影響礦井安全生產(chǎn)的目的。

2)保護(hù)功能。系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾種保護(hù)功能：

①漏水保護(hù)，每臺水泵均安裝真空度變送器，如在規(guī)定的注水時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)仍未收到真空度達(dá)到規(guī)定值的信號，則停止啟動(dòng)本臺水泵，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)下臺水泵，并發(fā)出故障報(bào)警信號；

②流量、壓力保護(hù)，當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行中，如流量或壓力達(dá)不到正常值，通過流量、壓力保護(hù)裝置使本臺水泵停車，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)下臺水泵；第47頁/共78頁

③超溫保護(hù)，水泵長期運(yùn)行，當(dāng)水泵軸溫或電機(jī)溫度超出允許值時(shí)，通過溫度保護(hù)裝置使水泵停車；

④過流保護(hù)，接在主回路里的電流互感器把電流信號送入可編程控制器，由可編程控制器計(jì)算、判斷電動(dòng)機(jī)工況。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)裝置動(dòng)作；

3)系統(tǒng)三種工作方式。系統(tǒng)控制應(yīng)具有自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修3種工作方式。自動(dòng)時(shí)，由PLC檢測水位、壓力及有關(guān)信號，自動(dòng)完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動(dòng)工作方式時(shí)，由人工選擇開哪臺水泵和開幾臺泵，PLC自動(dòng)完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動(dòng)檢修方式為故障和檢修狀態(tài)下的工作方式。PLC故障時(shí)，全部設(shè)備均為手動(dòng)運(yùn)行，由操作人員控制相應(yīng)按鈕完成；當(dāng)某臺水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該泵組將自動(dòng)退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常運(yùn)行。PLC柜上設(shè)有泵的禁止啟動(dòng)按鈕，設(shè)備檢修時(shí)，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。故障排除或檢修完成后，手動(dòng)試車，確認(rèn)無故障后，才可參與整個(gè)自動(dòng)輪換工作。系統(tǒng)可隨時(shí)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)或半自動(dòng)工作方式運(yùn)行。

4)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。在上位機(jī)上動(dòng)態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，提供各種運(yùn)行及故障信息，超限報(bào)警，還可以打印各類運(yùn)行報(bào)表、事故記錄、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。第48頁/共78頁5.3.3離心式水泵排水系統(tǒng)

1．離心式水泵排水系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖5-16所示。圖5-16離心式水泵工作系統(tǒng)

（1）濾水器和底閥

濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0.5m。其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi)，導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。但是現(xiàn)在的排水系統(tǒng)中，為了提高排水效率，減小水泵腐蝕，一般不用底閥，而用射流泵或真空泵為水泵和吸水管注水。本系統(tǒng)采用無底閥排水。第49頁/共78頁

（2）閘閥

調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。其功用為:

1）調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程;

2）起動(dòng)時(shí)將它完全關(guān)閉，以降低起動(dòng)電流。

調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無方向性，能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時(shí)，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。本系統(tǒng)采用電動(dòng)閘閥。

（3）逆止閥

逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)(如突然停電)時(shí)，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。

（4）壓力表和真空表壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測排水管中水壓大小用。常用的壓力表為普通彈簧管壓力表，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑有60mm，100mm，150mm，200mm和250mm五種。壓力表所測出的壓力叫做表壓力或相對壓力，它比絕對壓力小1個(gè)大氣壓。第50頁/共78頁

真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢側(cè)吸水管的真空度用。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征也可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑和壓力表一樣，也分為60、100、150、200和250mm五種。真空表的測量范圍為0~0.1MPa（一個(gè)大氣壓）。

（5）射流泵或真空泵

離心式水泵在起動(dòng)前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無法吸水，形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。在無底閥的排水系統(tǒng)中，水泵每次起動(dòng)都要灌水，這一工作由抽真空設(shè)備完成，一般使用射流泵或真空泵。它們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達(dá)到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。本系統(tǒng)采用射流泵為排水泵注水，并用電磁閥作為射流泵的控制閥門。

2．射流泵工作原理

水泵房排水設(shè)備一般安置在水井液面以上，所以水泵啟動(dòng)前的灌水一般采用吸入式。為了減小井水吸入阻力，提高泵站運(yùn)行效率，吸水管路不宜設(shè)置底閥。無底閥吸入式灌水，要采用專門的引水設(shè)備，對水泵排水腔和吸水管路進(jìn)行抽真空，使水泵運(yùn)行前充滿水。引水設(shè)備一般為真空泵或射流泵。真空泵運(yùn)行效率高，水泵啟動(dòng)快，但需要提供專門的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。射流泵結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，根據(jù)礦井的地下環(huán)境和條件，射流泵的應(yīng)用更為普遍。其結(jié)構(gòu)包括：噴嘴、吸入室、混合管、擴(kuò)散管。第51頁/共78頁

如圖5-17所示，高壓水以流量Ql由噴嘴高速射出時(shí)，連續(xù)挾走了吸入室2內(nèi)的空氣，在吸入室內(nèi)造成不同程度的真空，被抽升的液體在大氣壓力作用下，以流量Q2由管6進(jìn)入吸入室內(nèi)，兩股液體（Q1+Q2）在混合管3中進(jìn)行能量的傳遞和交換，使流速、壓力趨于拉平，然后，經(jīng)擴(kuò)散管4使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能后，以一定的流速由管道5輸送出去。圖5-17射流泵工作圖第52頁/共78頁

射流泵工作時(shí)要有高壓水源，使噴嘴處產(chǎn)生高速水流，通過虹吸現(xiàn)象使吸入室產(chǎn)生真空，將低處的水吸入水泵內(nèi)，再啟動(dòng)水泵。射流泵應(yīng)連接于水泵的最高處。在開啟射流泵前，要把水泵排水管上的閘閥關(guān)閉。射流泵具有結(jié)構(gòu)簡單、占地少、安裝容易、工作可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的引水設(shè)備，適合井下排水設(shè)備使用。

5.3.4排水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖5-18所示。水倉水位檢測水泵故障檢測手動(dòng)控制PLC可編程邏輯控制器一號水泵二號水泵三號水泵水倉水位報(bào)警水泵故障報(bào)警圖5-18基于PLC控制的礦井排水控制系統(tǒng)框圖.第53頁/共78頁

1．PLC外部接線

S7-224CPU接線如圖5-19所示。

啟動(dòng)

停車

手動(dòng)

手動(dòng)1號泵

手動(dòng)2號泵

手動(dòng)3號泵

低水位

高水位

1號泵故障

2號泵故障1號泵2號泵3號泵水位報(bào)警泵1故報(bào)障警泵2故障報(bào)警圖5-19PLC外部接線圖I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1

I1.2M1MQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.51LDC24VAC220V第54頁/共78頁符號地址輸入I0.0開機(jī)I0.1停車I0.2手動(dòng)I0.3手動(dòng)1號泵I0.4手動(dòng)2號泵I0.5手動(dòng)3號泵I0.6低水位I0.7高水位I1.01號泵故障I1.12號泵故障輸出Q0.01號泵Q0.12號泵Q0.33號泵Q0.4水位報(bào)警Q0.51號泵故障報(bào)警Q0.62號泵故障報(bào)警

2．輸入輸出符號對照表

輸入輸出符號對照表如表5-5所示。表5-5符號表第55頁/共78頁

5.3.5部分元器件介紹

1．電動(dòng)閥

在大型排水泵站中，電動(dòng)閘閥是近年來興起的一種新型的閘閥，廣泛的使用于自動(dòng)化控制的場合。其工作原理是在原有的閘閥機(jī)構(gòu)上增加電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和相應(yīng)的減速傳動(dòng)裝置，使用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的替代傳統(tǒng)的人工手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤。

傳統(tǒng)使用氣動(dòng)閥，要有配管、電磁閥及壓縮機(jī)等才能匹配，而電動(dòng)閥是以馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，安裝簡易省事，配合工廠原有的自控線路即可，節(jié)省了其他成本支出。由于電動(dòng)閥具備裝配容易、故障率低以及符合業(yè)界自動(dòng)化需求的優(yōu)點(diǎn)，因此電動(dòng)閥很適合應(yīng)用于大型礦井排水系統(tǒng)。

2．電動(dòng)閥門控制器圖5-20三相電動(dòng)閥門控制器第56頁/共78頁

三相電動(dòng)閥門控制器如圖5-20所示，KXK--開向限位開關(guān)；GXK--關(guān)向限位開關(guān)；KZK--開向轉(zhuǎn)矩開關(guān)；KA--現(xiàn)場開閥門操作開關(guān)；GA--現(xiàn)場關(guān)閥門操作開關(guān)。

說明：1.虛線框內(nèi)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部接線；2.圖中各限位及轉(zhuǎn)矩開關(guān)為閥門處于中間位置時(shí)的狀態(tài)。

3．電磁閥

電磁閥從原理上可分為三大類，即：直動(dòng)式、分布直動(dòng)式、先導(dǎo)式。

（1）直動(dòng)式電磁閥

直動(dòng)式電磁閥有常閉型和常開型二種。常閉型斷電時(shí)呈關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)線圈通電時(shí)產(chǎn)生電磁力，把關(guān)閉件從閥座上提起，使動(dòng)鐵芯克服彈簧力同靜鐵芯吸合直接開啟閥，介質(zhì)呈通路；當(dāng)線圈斷電時(shí)電磁力消失，動(dòng)鐵芯在彈簧力的作用下復(fù)位，直接關(guān)閉閥口，介質(zhì)不通。

直動(dòng)式電磁閥特點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作可靠，在零壓差和微真空下正常工作但通徑一般不超過25mm。常開型正好相反。

（2）分布直動(dòng)式電磁閥分布直動(dòng)式電磁閥采用一次開閥和二次開閥連在一體，主閥和導(dǎo)閥分步使電磁力和壓差直接開啟主閥口。通電后，電磁力直接把先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門打開。當(dāng)入口與出口達(dá)到啟動(dòng)壓差時(shí)，通電后，電磁力先導(dǎo)小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時(shí)，先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動(dòng)關(guān)閉件，向下移動(dòng)，使閥門關(guān)閉。第57頁/共78頁

分布直動(dòng)式電磁閥特點(diǎn)是：在零壓差或真空、高壓時(shí)亦能可靠動(dòng)作，但功率較大，要求必須水平安裝。結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作可靠，在零壓差時(shí)工作也可靠，在零壓差時(shí)工作也可靠。

（3）先導(dǎo)式電磁閥原理

先導(dǎo)式電磁閥由先導(dǎo)閥和主閥芯聯(lián)系著形成通道組合而成；常閉型在未通電時(shí)，呈關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)線圈通電時(shí)，產(chǎn)生的磁力使動(dòng)鐵芯和靜鐵芯吸合，導(dǎo)閥口打開，介質(zhì)流向出口，此時(shí)主閥芯上腔壓力減少，低于進(jìn)口側(cè)的壓力，形成壓差克服彈簧阻力而隨之向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開啟主閥口的目的，介質(zhì)流通。當(dāng)線圈斷電時(shí)，磁力消失，動(dòng)鐵芯在彈簧力作用下向下運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉主閥口。常開式原理正好相反。

先導(dǎo)式電磁閥特點(diǎn)：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝（需定制）但必須滿足流體壓差條件。

根據(jù)上述三種電磁閥特點(diǎn)可比較選出需用的電磁閥。

4．浸水變送器

浸水變送器通過多點(diǎn)檢測來實(shí)現(xiàn)對液位的監(jiān)測。

目前常用的浸水變送器有電極檢測式和光電探測式兩種。

電極檢測式：根據(jù)電極浸水阻值變化原理，由專用集成芯片進(jìn)行信號放大、整形、比較、輸出高低電平或繼電器報(bào)警信號的專用模塊。產(chǎn)品中線路設(shè)計(jì)采用光電隔離、線圈隔離、繼電器隔離等多種安全措施。第58頁/共78頁

電極探測式的主要特點(diǎn)是成本低、高可靠；光電探測式：光折射原理，防直流極化、抗干擾、可靠性高(通過多探頭聯(lián)用)。

光電探測式：傳感器采用紅外光電原理，當(dāng)外界被測液體接觸到傳感器表面時(shí)，改變了光線路徑，紅外接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，從而觸發(fā)反向器翻轉(zhuǎn)，輸出呈低電平吸收電流狀態(tài)。結(jié)構(gòu)采用全密封設(shè)計(jì)，保證了產(chǎn)品的高精度及可靠性。產(chǎn)品具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，無誤報(bào)，使用方便，便于安裝等特點(diǎn)。

由于礦井下水池中的水為混濁水，所以可選用電極檢測式浸水變送器。

5．電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電性液體的儀表。

電磁流量計(jì)的測量原理是法拉第電磁感應(yīng)原理，即導(dǎo)電液體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其感應(yīng)電勢E為：

E=KBVD

其中：K——儀表常數(shù)；B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；V——測量管道截面內(nèi)的平均流速；D——測量管道截面的內(nèi)徑。

測量流量時(shí)，導(dǎo)電性的液體以速度V流過垂直于流動(dòng)方向的磁場，導(dǎo)電性液體的流動(dòng)感出一個(gè)平均流速成正比的電壓，其感應(yīng)電壓信號通過二個(gè)或二個(gè)以上與液體直接接觸的電極檢出，并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器通過智能處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。

第59頁/共78頁

電磁流量計(jì)具有一系列優(yōu)良特性，如對臟污水流、腐蝕水流的測量，不會阻塞。適用于測量含固體顆粒的液體，不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失，所測得體積流量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響，流量范圍大，口徑范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可以解決其它流量計(jì)不易應(yīng)用的問題，5.3.6主程序

排水系統(tǒng)PLC梯形圖如圖5-21所示。圖5-21排水系統(tǒng)梯形圖第60頁/共78頁

由外部接線圖可以看出，PLC外部電路沒有自鎖和互鎖功能，因此必要的自鎖和互鎖均在梯形圖中實(shí)現(xiàn)。低水位時(shí)，一號泵和二號泵沒有故障時(shí)兩者輪流工作，并在程序中實(shí)現(xiàn)互鎖和自鎖，保證一組水泵可靠工作的同時(shí)另一組水泵可靠不工作。一組水泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用泵和故障水泵實(shí)現(xiàn)自鎖和互鎖，保證備用泵可靠工作的同時(shí)故障水泵可靠不工作。高水位時(shí)，對低水位時(shí)自動(dòng)定時(shí)切換的控制部分進(jìn)行鎖定，使其可靠斷開，保證兩臺水泵同時(shí)工作，當(dāng)其中一臺出現(xiàn)故障時(shí)，備用泵工作的同時(shí)對故障水泵進(jìn)行鎖定，使其可靠斷開。手動(dòng)控制信號輸入時(shí)，將自動(dòng)部分鎖定，系統(tǒng)退出自動(dòng)，進(jìn)入手動(dòng)控制程序，由外部人員實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。5.4煤礦副井提升系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.4.1煤礦提升系統(tǒng)簡介

礦井提升機(jī)是機(jī)、電、液一體化的大型機(jī)械，廣泛用于煤炭、有色金屬、黑色金屬、非金屬、化工等礦山的豎井、斜井，是生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?。在煤炭生產(chǎn)中提升機(jī)擔(dān)負(fù)著提升煤炭、矸石、下放材料、升降人員和設(shè)備的任務(wù)，是聯(lián)系井上與井下的唯一途徑，素有礦井“咽喉”之稱。提升機(jī)的電力傳動(dòng)特性復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)頻繁正反向，經(jīng)常處于過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和電動(dòng)、制動(dòng)不斷地轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中。第61頁/共78頁