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1、煤矿空气压缩机与PLC,一、空气压缩机简介,空气压缩机（简称空压机）是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备，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。1.空气压缩机的用途1)传统的空气动力：风动工具，凿岩机、风镐、气动扳手，气动喷砂，一般0.61.5Mpa；2)仪表控制及自动化装置，如加工中心的刀具更换等，一般0.6Mpa；3)车辆制动，门窗启闭，一般0.20.6MPa；4)喷气织机中用压缩空气吹送纬纱以代替梭子，一般0.10.2MPa；,5)食品、制药工业，利用压缩空气搅拌浆液，般0.20.6Mp
2、a；6)大型船用柴油机的起动，一般2.56.0Mpa ；7)风洞实验、地下通道换气、金属冶炼，一般6.010Mpa；8)油井压裂15Mpa；9)高压空气爆破采煤80Mpa；10)武器系统，导弹发射、鱼雷发射一般150300Mpa；11)轮胎充气，一般0.200.25Mpa；12)喷漆，一般0.30.6 Mpa；13)吹瓶机，一般3.04.5 Mpa。,2空压机的类型,空压机种类有很多，按工作原理可分为两类：容积式和动力式。,容积压缩：是将一定的气体密封减少体积从而使其压力升高(气体密度上升)机械能势能,动力压缩： 通过快速旋转的转子，将转子的速度和压力传给流动的气体 动能势能,空压机,容积型,
3、动力型,活塞式（往复式）,回转式（螺旋式）,滑片式,离心式,轴流式,。,。,1）往复式空压机 往复式空压机是变容式压缩机，这种压缩机将封闭在一个密闭空间内的空气逐次压缩（缩小其体积）从而提高其气压。往复式空压机以气缸内的一个活塞作为压缩位移的原件来完成以上的压缩过程。往复式空压机有喷油和无油两种，具有压力和气量的广泛选择余地。,2）回转式（螺旋式）空气压缩机 排气量范围为0.85 85 n ， 最普通的回转式空压机是单级喷油螺杆式空压机，这种压缩机在机腔内有两个转子，通过转子来压缩空气，内部没有阀门。这种空压机一般为油冷，这种油起到了密封的作用。回转式空压机是连续工作制，也可设计成风冷或水冷机
4、组。由于结构简单易损件少，回转式螺杆空压机很容易维护，操作，并具有安装灵活的特点。,3）离心式空气压缩机 排气量范围为11.2 420 ，离心式空压机是一动力型空压机，通过旋转的涡轮完成能量的转换，转子通过改变空气的动能和压力来实现以上的转换。由静止的扩压器降低空气的流速来实现动能向压力的变换。 离心式空压机是无油空压机，运动齿轮的润滑油由轴密封和空气隔离。离心式是连续工况式压缩机，移动件很少，特别适用于大气量无油的要求。离心式空压机是水冷式的，典型机组包括后冷却器和所有的控制装置。,选择空压机是根据气动系统所需要的工作压力和流量两个主要参数，空压机的额定压力应略高于气动系统的工作压力。三种空
5、压机适用场合比较：1.活塞式空压机适用的压力范围大，特别适用于压力较高的中小流量场合。目前仍是应用广泛的一种空压机。2.螺杆式、离心式空压机运转平稳，排气均匀。用于气压传动是较新的具有发展前途的空压机。螺杆式适用于低压力，中小流量的场合，离心式则适用于低压力大流量的场合。,3.空压机的选择,二、螺旋式（回转容积式）空气压缩机概述,螺杆式空气压缩机是喷油单级双螺杆压缩机，采用高效带轮(或轴器)传动，带动主机转动进行空气压缩，通过喷油对主机压缩腔进行冷却和润滑，压缩腔排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气。 螺杆式空气压缩机的核心部件是压缩机主机
6、，是容积式压缩机中的一种，空气的压缩是靠装置于机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽之容积变化而达到。转子在与它精密配合的机壳内而沿着转子轴线转动使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化，由吸入侧推向排出侧，完成吸入、压缩、排气三个工作过程。,工作时，一个转子按顺时针转动，一个转子按逆时针转动，在相互啮合的过程中，空气被压缩到所需要的压力。,转子压缩原理,螺杆压缩原理,螺杆杆式空压机的工作原理,2,1,3,4,7,8,9,10,6,1进气过滤器 2多功能进气控制阀 3注油管路 4压缩机机头/转子室 5油气预分离器罐 6精细油气分离器 7最小压力止回阀 8油冷却器 9压缩空气冷却器 10油过滤
7、器,5,1.空气压缩机从外界大气中吸入空气，通过滤网进行预过滤进入机箱内部再通过进气过滤器过滤。2.进入多功能进气控制阀，接着进入转子室进行压缩，转子由马达驱动。3.精确控制一定量的压缩机油持续不断地注入转子室，对旋转的螺杆进行润滑冷却，并起到密封作用。4.压缩完毕后，含油的空气被排出机头，经过法兰连接直接进入油气分离器（微米级玻纤滤料层过滤）、将油与压缩空气分离。5.被分离出来的油在油冷却器中被冷却，流经油过滤器重新回到注入口。6.分离后的压缩空气通过旋入式精细油气分离器，过滤掉部分油质，使压缩空气中的含油量只有13mg/m3，然后经过最小压力止回阀回到空气冷却器冷却，冷却后的压缩空气经过一
8、个截止阀进入用气系统/储气罐。注油系统的优点：注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损，温控阀在整个运行过程中控制正常的油温，保证螺杆式压缩机在所有的运行阶段都以最佳的温度工作。,压缩机的润滑油是直接加注到压缩机吸气口的空气中的，润滑油在高温高压下与空气长期接触，从上面所述的螺杆式空气压缩机的工作状态和润滑油的行程可以看出，在此过程中压缩机油起到润滑、冷却、密封的作用，润滑部件包括转子、轴承、轴承密封、驱动齿轮等，压缩机油同时在循环过程中带走压缩产生的热量，密封两个相互旋转转子与壳体之间的微小配合间隙。因为压缩
9、机油在整个过程中的冷却作用比较重要，以至于部分OEM制造商直接将压缩机油称为冷却剂。,冷却用水最好使用软水，以避免水中的钙镁等离子因高温而起化学反应，在冷却器中结成水垢，影响冷却器的传热效果。若使用冷却水塔循环系统，则水中须定期加软化剂，以维持水质的清洁。,三、空压机控制系统的总体方案设计,1基本情况 现有1台AA2-220W型220KW380V-40M3/min-0.7Mpa螺杆式空压机，由交流异步电动机驱动，启动方式为软启动器启动。 空气压缩机系统如下图所示。,空气压缩机系统,软起动方式 由于笼形异步电动机直接启动时的冲击电流很大，所以采用许多种降压启动方式。常见的降压启动方式有：串联电抗
10、或电阻器启动、使用自耦变压器启动、星-三角转换等。与它们相比，软启动可以使电动机启停自如，减少空转，有节能作用。软启动器还具有下列优点：减少冲击力，延长设备寿命；根据不同负载选用不同的启动方式以提高加/减速特性；保护功能全面；提高可靠性；通过修改参数，匹配不同的负载对象；智能化，可以与PLC等相互通讯。 软启动器以体积小，转矩可以调节、启动平稳冲击小并具有软停机功能等优点得到了越来越多的应用，大有取代传统的自耦减压、星三角等启动器的趋势。 一般30或者37KW以下推荐可以直接启动，37KW以上或者小电机但是超过变压器容量30%建议采取措施降低启动电流，方式方法比较多，现在的技术产品综合来讲软启
11、动器比较合适。,在空气压缩机系统中，采用空压机后端出气管道上安装的压力传感器来控制空气压缩机的压力。空压机的运行过程A.空压机启动时，(若没有特殊要求)加载电磁阀处于关闭状态，加载气缸不动作，软启动器拖动电机空载运行，一段时间（可由控制器任意设定，如设置为10s）后，加载电磁阀打开，空压机带载运行。B.当空气压缩机启动运行后，如果后端设备用气量较大，储气罐（俗称气包）和后端管路中压缩气压力未达到压力上限值，则控制器动作加载阀，打开进气口，电机负载运行，不断地向后端管路产生压缩气。C.如果后端用气设备停止用气，后端管路和储气罐中压缩气压力渐渐升高，当达到压力上限设定值时，压力传感器发出卸载信号，
12、加载电磁阀停止工作，进气口滤清器关闭，电机空载运行。 D. 压缩机运转后，不是马上产生压缩空气，而是要等到打开进气阀后，才逐步产生压缩空气。同样，在交流异步电动机仍处在运转的情况下，关闭进气阀后，才逐步停止产生压缩空气。 2控制要求 有启动功能、停止功能、保护及故障报警功能。当系统在自动集控工作方式时，系统根据设定的供气压力值，当冷却水压力、空压机润滑油油压满足要求时，自动控制卸荷或加载。在储气罐压力达到设定值0.7Mpa时空缩机进气阀关闭，自动停机。当储气罐压力下降到0.65Mpa时，自动启动进气阀打开，再次进行充气。,为保证空压机运行可靠、安全，对于排气量大的空气压缩机在运行过程中，有以下
13、基本控制要求： （1）空压机的润滑油压油温超出规定范围时，应有相应的保护；（2）空压机的冷却水出现间断时，应有断水保护；（3）排气温度超过规定范围时，要有温度保护；（4）空压机气压超过规定范围时，要有压力保护。 根据用户提出的要求，本系统分手动和自动两种运行方式，而且手动方式优先于自动方式。 一般情况下，系统处在自动运行方式。当自动运行的工作条件满足时，按一下自动方式的起动按钮，根据测得的压力，将其与设定值比较，就会自动起动或停止压缩机。当设备需要检修、保养或紧急情况时，需要切换到手动方式。控制室操作面板上还设有故障解除按钮和报警解除按钮。当设备发生故障时，蜂鸣器响，按一下报警解除按钮，蜂鸣器
14、停止工作。整个控制系统结构如下图所示。,3确定检测参数 一级排气压力检测范围为 00.6MPa，储气罐贮气压力00.7MPa，润滑油压力检测范围为00.60MPa，二级排气温度检测范围为0200 ，润滑油温度检测范围为0200 ，冷却水断水检测，冷却水压不得超过0.5MPa，冷却水出口温度应保持低于40,4传感器选型 1）温度变送器的介绍及选型 缸体温度，二级排气温度选用PT100一体式温度变送器，其测量范围为0200，采用 +24VDC电源供电，输出为420mA DC信号，误差0.5%。 温度变送器配以二线制RVVP电缆单独传送输到PLC的AI模块的一个通道，AI模块把此温度信号转换成数字量
15、，然后通过底板总线传到CPU模块，CPU接到此信号后，把此信号存入到一个相应的寄存器中，与相应的报警值进行比较并作出判断。压力信号传输过程与此类似。 冷却水温度出口温度检测使用PT100一体式温度变送器，测量范围为080，采用 +24VDC电源供电，输出为420mA DC信号，误差0.5%。,2）压力变送器的介绍及选型 二级排气压力、一级气压检测和冷却水压检测均选择通用型压力变送器，量程为01Mpa，误差0.5%，其工作电源为DC24V，满量程输出420mA DC信号。 压力变送器把空压机二级排气压力信号转换成420mA电流信号，然后通过屏蔽电缆把此信号传输到PLC的AI模块，AI模块把此信号
16、传输到CPU模块，CPU接到此信号后，把此信号通过PLC的梯形图，与相应的卸荷值和增荷值进行比较，当测量值大于卸荷值时，PLC会控制相应的卸荷电磁阀动作，使空压机卸荷，从而二级排气压力下降；当测量值小于增荷值时，PLC会控制相应增荷电磁阀动作，使空压机增荷，从而二级排气压力上升。 一级气压报警值为0.25MPa，冷却水压报警值为0.5MPa。,5PLC选型与扩展模块 S7-200系列的CPU224集成了14点输入/10点输出，共有24点数字量I/O，且具有2路模拟电压输入，从满足数字I/O端口的角度，是能够完成空压机的基本控制功能的，但考虑一定的扩展性，故在空压机监控系统中选用S7-200系列
17、的CPU226CN（AC/DC/继电器）作为其控制器，其中AC/DC/继电器表示该款CPU是交流电源供电，输入是24VDC，输出为是继电器输出。其本机集成了24点输入/16点输出，共有40点数字量I/O。它可以连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量I/O或35路模拟量I/O。,3）冷却水断水检测 冷却水检测通过流量计来检测是否中断，通常管路中水的压力可分为水的全压、水的动压和水的静压。通常压力表所测得压力只是水管中的静压，它并不能真实反映出实际冷却水流量的大小。故此处选用流量计来判断冷却是否中断。系统选用流速报警流量开关，设定流量报警值为1m/s。,CPU226配有2个RS-485通信/编
18、程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，是具有较强控制能力的小型控制器。为了配合采集现场传感器的模拟量输入信号，为CPU226CN扩展了2块EM231CNAI4x12位模拟量输入模块。,EM231开关设置如下。,模拟信号范围设为单极性020mA，分辨率 5uA，数据范围为032000，其数据格式为,本系统的开关量输入包括：每台压缩机的选择开关和按钮开关的输入信号，外设运行与否的反馈信号，反映设备发生故障的输入信号以及系统运行所需的选择开关和按钮开关的输入信号。,数字量输入设备主要由旁路开关、启动按钮、停车按钮、自动、非自动、手动给水、消音按钮、检修等按钮组成。,数字量输出设备主要由
19、启动软启动器、停止软启动器、排气压力高指示灯、油压低指示灯、超温指示灯、断水指示灯、故障报警输出灯、声音报警输出、运行灯、检修灯、卸荷电磁阀等组成。,VW30,VW42,本系统需输入开关量9 点，输出开关量11点，主要是控制每台压缩机的输出信号，以及系统所需的输出信号，扩展2块4路模拟量输入模块 EM231，系统地址如表5-3所示。,6S7-200系统的电源需求分析 S7-200 CPU模块提供5VDC和24VDC电源，当有扩展模块时CPU通过I/O总线（扁平电缆）为其提供5V电源，所有扩展模块的5V电源消耗之和不能超过该CPU提供的电源额定。若不够用不能外接SV电源，但一般情况下5V电源是够
20、用的，不需要外接；每个CPU都有一个24VDC的传感器电源，它为本机输入点和扩展模块输入点及扩展模块继电器线圈提供24VDC，如果电源要求超出了CPU模块的电源定额，可以增加一个外部24VDC电源来提供给扩展模块。 CPU226的集成24V负载电源可提供给传感器400mA电流输出，+5V背板提供1000mA电流，CPU226 的40个数字量如全部使用CPU226的集成24V需要160mA（40*4mA），模拟量模块EM231需要背板电源+5V提供20mA电流，24V电源需要60mA电流，可以计算得知仅靠CPU226就可以满足1个EM231和基本数字量的电源供应。,7模拟量滤波后的数据格式转换
21、系统中使用了EM231模拟量模块，由于压力传感器和温度传感器采样后得到的数据格式不同，故而转换成实数的方法也不一样。因为A/D（模/数）、D/A（数/模）转换之间的对应关系，S7-200 CPU内部用数值表示外部的模拟量信号，两者之间有一定的数学关系。这个关系就是模拟量/数值量的换算关系。 模拟量转换的目的显然不是在S7-200 CPU中得到一个032000之类的数值；对于编程和操作人员来说，得到具体的物理量数值（如压力值、流量值），或者对应物理量占量程的百分比数值要更方便，这是换算的最终目标。由于本系统没有设计显示器，故省略转换物理量的计算，只是计算相应的上下限数值对应的模拟量字变量，便于进
22、行相应的判断。 模拟量的输入/输出都可以用下列的通用换算公式换算： Ov = (Osh - Osl)(Iv - Isl)/(Ish - Isl) + Osl 其中：Ov：换算结果；Iv：换算对象；Osh：换算结果的高限；Osl：换算结果的低限；Ish：换算对象的高限；Isl：换算对象的低限。 如储气罐压力上限为0.7MPa，压力变送器测量范围为01MPa，变送器输出420ma，则对应的模拟字变量为VW0=(0.7-0)/(1-0)(32000-6400)+6400=24320，其他参数计算过程类似，模拟字变量参数如表5-4所示。,模拟量通道缺省设置是为所有的模拟量输入使用滤波器，可以不用另行设
23、置。,8空压机控制线路 如图5-14所示，空压机软起动器型号为SS2-160/380V，S1，S2为控制端子，该端子为启停信号控制端子，为无源信号输入。当S1，S2导通时，软启动器开启，当S1，S2分断时，软启动器停止。,S3，S4输出端子，该端子为旁路信号输出端子，为继电器自动输出，S3为电源输入，S4为电源输出。 启动：当断路器QF闭合通电后，按下SB1，PLC输出Q0.0使得S1，S2导通，软启动器工作，当启动时间达到设定的值后，软启动器输出全压，同时旁路端子S3，S4自动闭合输出，旁路接触器KM10得电吸合，再过5秒后软启动器由全压变为关断。系统处于旁路工作状态，软启动过程结束。 停止
24、：当按下SB2时，PLC控制输出端Q0.0断开，使得S1，S2分断，软启动器停止，同时旁路接触器断开，系统处于自由停车状态。,9控制方式 空压机PLC控制梯形图如图5-15所示。启动时，有自动和非自动两种方式，由转换开关控制，启动前闭合电源开关QS。 CPU226使用的内部寄存器说明如下。,1）非自动控制非自动控制时，先将转换开关打至“非自动”位置，其触点I0.4接通。启动时，按下启动按钮SB1，I0.1闭合，PLC内部寄存器M0.5闭合形成自保，Q0.0导通控制开关S1，S2闭合，软启动器开始工作。I0.0闭合导通，表示启动过程结束，Q0.2导通，KM10闭合，电动机全压运行。当Q0.0导通
25、时，使润滑油温、二级排气温度及断水延时等保护随即投入运行。,2）自动控制 自动控制时，将转换开关SA1打至“自动”位置，其触点I0.3闭合，按下启动按钮SB1，M0.5继电器有电吸合并自保。但由于M0.1未闭合，故电动机暂不启动。当空压机储气罐压力低于整定值时，使M1.1、M0.1相继有电吸合，Q0.0闭合，S1，S2闭合，以后的过程同非自动控制一样，完成启动过程。 当空压机储气罐压力达到规定压力并偏高时，M1.2导通并自保，其触点M1.1打开，M0.1断开，Q0.0断开，S1，S2断开，电动机自由停车。可见，这时电动机的启动和停转是由储气罐的压力大小进行自动控制的。,10减荷启动 为使电动机
26、轻载启动，电路设置放空电磁阀Y1，由Q0.4控制。电动机启动时，随着Q0.0闭合，启动过程结束之前I0.0闭合，Q0.4闭合，控制电磁阀Y1有电，打开阀门，减轻电动机载荷。启动结束后，I0.0闭合，其常闭点断开，Q0.4断开，自动关闭电磁阀Y1。,11.自动供水,空压机冷却水的供给，由Q0.5控制冷却水电磁阀Y2。在空压机启动的同时，Q0.0闭合，Q0.5导通，控制电磁阀Y2有电，打开供水阀门。停机时，按下按钮SB2，I0.2导通，其常闭点断开，Q0.0断开，Q0.5断开，电磁阀Y2自动关闭供水阀门。,12空压机的保护 （1）系统设有空压机一级排气压力过高（VW42）、润滑油压力过高或过低(VW32)、冷却水中断（I1.0为断水检测）等紧急停车保护。当发生以上任一故障时，相应的M3.2、M1.2、M1.3、M1.4闭合动作，通过M2.0停机；同时触点Q0.6闭合，发出音响信号，按下消音按钮I0.6，M2.1有电吸合，其常闭触点断开音响信号Q0.6，同时Q0.7闭合发出灯光信号。其中，定时器T38定时3分钟用于空压机的断水延时保护。,（2）当空压机发生二级排气温度过高或润滑油温过高、冷却水压高、冷却水温高等故障时，M1.6、M1.5、M3.0、M3.1闭合，M2.2闭合动作，电路仅发出故障信号，空压机继续运行。,空压机控制系统梯形图,
