螺杆式空压机毕业设计论文

螺杆式空压机毕业设计论文 摘要 摘要 本课题来自SMC公司的气缸伸缩性试验,研究的主要问题是针对气源装置而展 开.试验中用到的螺杆式空气压缩机是我的课题主要研究对象.课题包括螺杆压缩机的机械结构设计,螺杆压缩机的气路系统设计以及用电气PLC对整个气路实现自动控制(实现星三角电机启动的自动,自动报警,自动停车等),通过显示屏的简单控制实现对供气压力,温度的实时控制.考虑到环境限制采用螺杆式压缩机,噪声 小,课题中还有螺杆压缩机与活塞式压缩机在各方面的比较. 关键词: 1.螺杆式 2.机电系统 3.气路设计 4.自动控制 I ABSTRACT ABSTRACT This dissertation is focus on the air urn test of SMCcompany.The main problem base on the equipment which use to product compressed air. Gas-turbine-air-compressor used in this experiment is my research object. Dissertation include compressor mechanical design,compressor air system design and use PLC control whole system.Realize antomatism control.Utilize the LCD screen scout the change of air stress. and temperature. Key word:1.turbine-air-compressor 2.machanism electronics system 3.air route design 4.automatism control II 目录 目录 第1章引言 ...................................................................................................................... 1 1.1 采用螺杆式压缩机的原因 ............................................................................... 1 1.2 气源装置 ........................................................................................................... 2 1.3 研究的价值意义 ............................................................................................... 2 1.4 课题的研究现状 ............................................................................................... 3 1.5 核心问题,重点和难点 ..................................................................................... 3 1.5.1 核心问题 ................................................................................................ 3 1.5.2 重点 ........................................................................................................ 3 1.5.3 难点 ........................................................................................................ 3 第2章 空气压缩机的比较和空气压缩机的选择 ..................................................... 5 2.1 空气压缩机概述 ............................................................................................... 5 2.2 活塞式空气压缩机与螺杆式空气压缩机的比较 ........................................... 6 2.2.1 活塞式空气压缩机 ................................................................................ 6 2.2.2 螺杆式空气压缩机 ................................................................................ 7 2.2.3 空气压缩机的选择 ................................................................................ 9 2.3 空压机的安装0 ............................................................................................... 11 2.3.1 空气压缩机场所的选择 ....................................................................... 11 2.3.2 配管基础及冷却注意事项 .................................................................. 12 2.3.3 电机的安全规范 .................................................................................. 13 第3章 机械系统构造及各部件功能 ....................................................................... 14 3.1 系统流程图 ..................................................................................................... 14 3.2 气路主要部件说明和选型 ............................................................................. 15 3.3 油路器件功能及其选型 ................................................................................. 16 第4章 空气压缩机微电脑显示控制器 ................................................................... 18 4.1 按键介绍 ......................................................................................................... 18 4.2 状态显示与操作 ............................................................................................. 19 4.2.1 用户参数 .............................................................................................. 19 4.2.2 厂家参数 .............................................................................................. 19 4.2.3 功能及技术参数 .................................................................................. 20 第5章 系统的电气控制 ........................................................................................... 22 III 5.1 气路框架介绍 ................................................................................................. 22 目录 5.2 元器件选型 ..................................................................................................... 22 5.3 电气控制原理 ................................................................................................. 23 5.3.1 近地自动控制(启停方式:机旁;加载方式:自动) ............................ 23 5.3.2 远程自动控制(启停方式:远程;加载方式:自动) ............................ 24 5.3.3 近地手动控制(启停方式:机旁;加载方式:手动) ............................ 24 5.3.4 远程手动控制（启停方式:远程；加载方式：手动） .................... 24 5.3.5 其他控制 .............................................................................................. 24 5.3.6 预警和提示 .......................................................................................... 25 5.4 可编程控制器的选用和基本程序编译 ......................................................... 26 5.4.1 可编程控制器的工作方式 .................................................................. 26 5.4.2 可编程控制器的编程语言 .................................................................. 28 5.4.3 可编程控制器的选用 .......................................................................... 29 5.4.4 台达PLC编程语句简介 ...................................................................... 29 5.4.5 PLC程序编译 ....................................................................................... 31 第6章 结束语 ........................................................................................................... 36 参考文献 ........................................................................................................................ 37 致 谢 .............................................................................................................................. 38 附录 ................................................................................................................................ 39 附录一：用TPEditor制作的显示屏画面 ........................................................... 39 外文资料原文 ................................................................................................................ 42 翻译文稿 ................................................................................................................ 49 IV 第1章 引言 第1章 引言 SMC气缸性赖性试验是日本SMC株式会社与电子科技大学所进行的国际合作项 目，电子科技大学发挥集研究与教学的优势，对SMC的产品进行综合测试。该项目涉及到气动系统平台的建立，压力的检测，流量的检测，动态位移的检测，控 制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的确定，控制程序的实现，试验数据的采集、以及试验数据的分析等多方 面的内容，我则是在气源装置－螺杆空压机方面展开工作。 测试CJ2L10-50 气缸的寿命与失效形式。在0.63MPa的气压下24小时不间断地以每秒3个运动周期进行重复工作。气缸从新的状态开始，一直到完全无法正 常使用为止。 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 下气缸的工作次数和各种相关数据的变化。测试完成后，把所 有的10件气缸寄回SMC株式会社。 这是2007年的年度 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，该试验连续运行了2个半月，一只为标定用气缸， 此完好；一只运行了600万次仍然完好；其余8只气缸均先后失效。目前试验已 终止。报告详细地记录了试验的全过程，有利于分析气缸失效的原因。研究方法 是：通过螺杆式空压机输出0.8MPa的空气到1立方米的储气罐中，经过冷干机与 精密过滤器后送到调压阀处，调到工作与测试的0.63MPa的气压，为气缸的运动提供充分的气源。控制方面，用工业控制计算机和相应的测试软件记录工作次数。 研究结果是，把气缸的工作次数进行积累，每25万次左右进行一次数据测量。 分别进行了气缸PUSH与PULL时的始动压，泄漏量和行程时间共6个值的测量。其中寿命最短的气缸运行了86万次。 应用基恩士的激光位移传感器有效地实现了始动压和行程时间的精确测量。 试验中发现相当多的失效是气缸尾部的铝端盖的疲劳断裂所引起的。气缸密封胶 圈的受热发黑也易造成失效。解决了8只气缸同时运行时的剧烈震动与噪音问题。 试验中发现工作频率与气缸偏心负载的大小与形式对气缸寿命有极大的影 响，今后预定考虑以变载荷变频率在此方面进行气缸的信赖性全寿命试验。 1.1 采用螺杆式压缩机的原因 喷油螺杆式空压机已经成为当今世界空气压缩机发展的主流,具有极其优越而且可靠的性能,其振动小,噪声低,效率高,易损件少,具有活塞式压缩机(同等排气压力下)无可比拟的性能优点.阴阳转子间以及转子与主机外壳间精密的配合减 少了回流泄露,提高了效率;只有转子的相互啮合，无气缸的往复运动，减少了振 动和噪声源；独特的润滑方式带来诸多优点： 1） 凭借自身所产生的压力差，不断向压缩室及轴承注入润滑油，简化了复杂 的机械结构。 2） 注入的润滑油可在转子之间形成油膜，主转子可直接带动副转子转动，而 无需借助高精密度的同步齿轮。 1 电子科技大学学士学位论文 3） 喷入的润滑油可以增加气密性。 4） 润滑油吸收大量的压缩热，因此，即使压缩比达16，机头仍然可以控制在 一般润滑油的结碳及劣化温度以下，转子与机外之间也不会因膨胀系数 不同而产生摩擦。 5） 润滑油减低因高频压缩所产生的噪声。 6） 微量的油份进入压缩空气中，对气动工具具有一定的润滑作用。 1.2 气源装置 气源装置的主体是空气压缩机,空气压缩机产生的压缩空气,还须经过降温, 净化,减压,稳压等一系列的处理才能满足气压系统的要求.气源装置为气压系统提供满足一定质量要求的压缩空气。 图1-1 一般气源装置的组成和布置 通常由空气压缩机产生压缩空气,其吸气口装有空气过滤器,以减少进入空气压缩机中气体的灰尘杂志量。冷却器用以降温冷却从空气压缩机中排出的高温压 缩空气,将汽化的水,油凝结出来。油水分离器用以使降温凝结出来的油滴,水滴和杂质等从压缩空气中分离出来,并从排污口排出。储气罐用以储存压缩空气以便稳 定压缩空气的压力,同时使压缩空气中的部分油分和水分沉积在储气罐底部以便 于出去。干燥器用以进一步吸收和排除压缩空气中的油分和水分,使之变为干燥空气。过滤器用以进一步过滤压缩空气中的灰尘,杂质和颗粒。 1.3 研究的价值意义 在课题研究的过程中需要了解空气压缩机的构造,需要掌握电气元件的工作原理,通过PLC使机械回路和电气回路联系起来。我通过此次学习能对空气压缩机 的工作过程和原理有初步的认识。能够进一步的了解PLC的编程方法。可以掌握一些电气元件的工作原理和功能作用。对电气控制自动化的方法有初步的认识和 理解。 2 第1章 引言 1.4 课题的研究现状 目前针对空气压缩机研究最多的问题主要是空气压缩机的保养和维护问题。 原始空气中的灰尘,水分,油分将对气压系统的工作产生一些不利的影响。 (1) 在一定的压力温度条件下,压缩空气中的水蒸气因饱和而凝结成水滴,并 积聚在气压元件或气压装置的管道中。水分有促使元件腐蚀和生锈的作用, 这样将影响气压系统和气压元件的正常工作和寿命。 (2) 混在压缩空气中的油蒸汽一方面可能聚集在储气罐,管道和气压系统的容 腔中形成易燃物,有引起爆炸的危险,另一方面试气压系统或气压元件结构 中使用的橡胶,塑料等密封材料老化,影响原件工作寿命,且排气对环境会 产生一定的污染。 (3) 压缩空气中含有灰尘等杂质,对气压系统中往复运动或转动的部件(如气 缸,气马达,气控阀等)会产生磨损作用,使气压元件产生漏气,效率降低,影 响气压元件工作寿命。 (4) 压缩空气中混入灰尘,水分,油分等杂质后混合形成一种胶体状杂质沉积 在气压元件上,它们会堵塞节流孔或气流管道,使气压信号不能正常传递, 造成气压元件或气压系统工作不稳定或者失灵。 1.5 核心问题,重点和难点 1.5.1 核心问题 本课题主要是通过对机械回路的学习和理解掌握空气压缩机的大概工作原理 和过程。 在这之后更重要的是研究如何用电气控制的方法使整个空气制作和运输过程 实现自动化,利用PLC对各电气模块实现控制,使它们分时分部的有机配合,最终实现预定目标。 1.5.2 重点 课题的重点在于了解了空气压缩机的工作过程之后如何使用PLC对其进行电气控制.如何进行简单的PLC编程. 1.5.3 难点 课题的难点在于PLC编程部分,压缩机工作从启动到自动运行最后到停机每一 步的条件和顺序以及之间时间上的分配.对于没有进行过程序编译的我来说想的 周到是有一定的难度的。 3 电子科技大学学士学位论文 图1-2 试验平台 4 第2章 空气压缩机的比较和空气压缩机的选择 第2章 空气压缩机的比较和空气压缩机的选择 2.1 空气压缩机概述 空气压缩机是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能 转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。 空气压缩机的分类 空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机,往复式压缩机,离心式压缩机,容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子 的密度增加以提高压缩空气的压力；离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的 运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压 力。往复式压缩机(也称活塞式压缩机)的工作原理是直接压缩气体,当气体达到一定压力后排出。 现在常用的空气压缩机有活塞式空气压缩机,螺杆式空气压缩机,(螺杆空气压缩机又分为双螺杆空气压缩机和单螺杆空气压缩机),离心式压缩机以及滑片式空气压缩机,涡旋式空气压缩机。 图2-1 空气压缩机分类 5 2.2 活塞式空气压缩机与螺杆式空气压缩机的比较 电子科技大学学士学位论文 2.2.1 活塞式空气压缩机 工作原理: 在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力 低于大气压力 p a ，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。 当缸内压力高于输出空气管道内压力 p 后，排气阀打开。压缩空气送至输气管内， 这个过程称为排气过程。活塞的往复运动是由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。 曲柄的旋转运动转换为滑动——活塞的往复运动.下图为立式活塞式空气压缩机 的原理图,它利用曲柄连杆机构,将原动机的回转运动转变为活塞往复直线运动,当活塞1向 图2-2 活塞式空压机结构图 下运动时,气缸2内的容积逐渐增大,压力逐渐降低而产生真空,进气阀7打开,外界空气在大气压作用下,通过空气滤清器5和进气管6被吸入气缸内,此过程称为吸气过程。当活塞向上运动时,气缸的容积逐渐减小,空气受到压缩,压力逐渐升高而使进气阀关闭,压缩空气就会打开排气阀3经排气管4输入储气罐中,此过程为[1]排气过程。 弊端: 这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。在下一次吸气时， 剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了 压缩功。且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。 可采取措施: 采取分级压缩,分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容 6 第2章 空气压缩机的比较和空气压缩机的选择 积效率，增加压缩气体排气量。 1、惯性力大，转速不能太高，故而机器较笨重，大排量时尤甚。 2、结构复杂，易损件多，维修工作量大、维护费用相对较高。 3、排气不连续，气流压力脉动，易产生气柱振动。 4、运行时振动和噪声较大，设备安装基础要求高。 好处: 1、适用压力范围广。因依靠容积变化的原理工作，因而不论其流量大小，都 能达到很高的工作压力。目前已制成低、中、高、超高压各种压缩机，其 中工业上超高压压缩机的工作压力可达350MPa（3500kgf/cm2）。 2、设备价格低、初投资少、操作方便、使用寿命长。 3、因压缩过程属封闭过程，所以热效率较高。 4、适应性强，排气量范围广，且受排气压力变化的影响较小，当介质重度改 变时，其容积排量和排气压力的变化也较小。 2.2.2 螺杆式空气压缩机 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。 双螺杆空气压缩机具有优良的可靠性能，机组重量轻、震动小、噪声低、操作方 便、易损件少、运行效率高是其最大的优点。 工作原理： 1、吸气过程：螺杆式的进气侧吸气口，必须设计得使压缩室可以充分吸气，而螺 杆式压缩机并无进气与排气阀组，进气只靠一调节阀的开启、关闭调节，当转子 转动时，主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子的 齿沟空间与进气口之自由空气相通，因在排气时齿沟之空气被全数排出，排气结 束时，齿沟乃处于真空状态，当转到进气口时，外界空气即被吸入，沿轴向流入 7 主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时，转子之进气侧端面转离了机壳之进 电子科技大学学士学位论文 气口，在齿沟间的空气即被封闭。 2、封闭及输送过程： 主副两转子在吸气结束时，其主副转子齿峰会与机壳闭封， 此时空气在齿沟内闭封不再外流，即[封闭过程]。两转子 继续转动，其齿峰与齿沟在吸气端吻合，吻合面逐渐向排 气端移动。 图2-3螺杆空压机螺杆 3、压缩及喷油过程： 在输送过程中，啮合面逐渐向排气端移动，亦即啮合面与排气口间的齿沟间 渐渐减小，齿沟内之气体逐渐被压缩，压力提高，此即[压缩过程]。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与室气混合。 4、排气过程： 当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时，（此时压缩气体之压力最高）被压 缩之气体开始排出，直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面，此时两转子啮合面 与机壳排气口这齿沟空间为零，即完成（排气过程），在此同时转子啮合面与机壳 进气口之间的齿沟长度又达到最长，其吸气过程又在进行。 1. 凭借自身所产生的压力差，不断向压缩室及轴承注入润滑油，简化了 复杂的机械结构。 2. 注入的润滑油可在转子之间形成油膜，主转子可直接带动副转子转动， 而无需借助高精密度的同步齿轮。 3. 喷入的润滑油可以增加气密性。 4. 润滑油吸收大量的压缩热，因此，即使压缩比达16，机头仍然可以控 制在一般润滑油的结碳及劣化温度下，转子与机外之间也不会因膨胀系数不同 而产生摩擦。 5. 润滑油减低因高频压缩所产生的噪声。 6. 微量的油分进入压缩空气中，对气动工具具有一定的润滑作用。 8 ： 第2章 空气压缩机的比较和空气压缩机的选择 1、由于其具有较强的平衡性，能高速运转，因此功耗相对稍高。 2、长期运转后螺杆间隙会变大，定期修复或更换费用较大。 2.2.3 空气压缩机的选择 选择空气压缩机主要依据气压系统的工作压力和流量以及电机功率三个参 数。 (1)输出压力的选择:若整个气压系统中各执行机构对空压机的工作压力有不 同要求,可按其中最大压力来考虑。若气压系统中某些气压装置的工作压力要求较 低,则可采用减压阀进行减压的方式供气。气源压力应考虑供气系统管道的沿程压 力损失和局部压力损失。气源压力应高于设备中最高工作压力的20%左右,并以此来选择空压机。目前,一般气压系统的工作压力为0.5-0.8MPa的低压空压机.特殊需要也可选用中压,高压甚至超高压的空压机。 按排气压力来分类: 鼓风机 p?0.2 MPa 低压空压机 0.2 MPa< p?1 MPa 中压空压机 1 MPa< p?10MPa 高压空压机 10 MPa< p?100MPa (2)空压机供气量的选择 可按 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 公式计算 （1.1） 式中：---空压机供气量 ---气压设备利用系数 ----漏损系数 ----备用系数 [2] -----单台设备的平均自由空气耗量 的值和气压装置总数有关，漏损系数是考虑到各管道，接头和远见等处的 9 泄漏会使供气量增加15%-50%。一般取1.15-1.5。备用系数是考虑各工作时间用 电子科技大学学士学位论文 气量不等以及考虑今后增加气压装置还能满足供气的需要，通常取1.3-1.6。 由于每台气压设备工作压力不同，式（1.1）是将不同压力下的压缩空气的流 量都转换成未经压缩的自由状态下的空气，即自由空气流量来计算的。压缩空气 流量与自由空气流量之间的换算关系为： = （1.2） ---自由空气流量 --压缩空气流量 ----压缩空气的绝对压力 ---自由空气的绝对压力 ---自由空气热力学温度 ---压缩空气热力学温度 排气量是指在所要求的排气压力下，空压机单位时间内排出的气体容积， 折算到进气状态的量。 排气量单位：m3/min（立方/分钟）或 L/ min（升/分钟），1m3= 1000L（升）； 一般来说，常用的流量单位为： m3/min（立方/分钟）； 排气量在我国又被称为容积流量或铭牌流量。 (3)电机功率: 一般来说，空压机的功率是指所匹配的驱动电机或柴油机的铭牌功率； 功率的单位为：KW（千瓦）或HP（匹/马力），1KW ? 1.333HP (4)本实验中电机参数的选择 排气压力:实验中用到的最大压力为0.6MPa,所以选择排气压力为1MPa的空 压机 电机功率:选用22KW的电机 综合上述指标最后选用华冠牌HLM22型螺杆式空气压缩机 10 第2章 空气压缩机的比较和空气压缩机的选择 排气量:3.2/min 排气压力:1.0MPa 电机功率:22KW/30HP 排气接口:G1 重量:650kg 外形尺寸:1200?880?1550 本款空气压缩机的大概介绍: HL型喷油螺杆空气压缩机,使一种双轴容积式回转型压缩机.进气口开于机壳上方端,排气口开于下部,两只高精密度主副转子,水平而且平行装于机壳内部。主 转子有五个形齿,而副转子有六个形齿;主转子直径较大,副转子直径较小。齿形成螺旋状,环绕于转子外缘,两者齿形相互啮合。主,副转子均由轴承支撑。机体传动 方式为皮带传动式或连轴器直联传动。 电动机经传动机构带动主转子旋转。冷却润滑油由压缩机机壳下部经由喷嘴 直接喷入转子间啮合部分,并与空气混合,带走因压缩产生的热量,同时形成油膜,一方面防止转子间金属与金属直接接触,另一方面,封闭转子之间,转子与机壳之间的缝隙。喷入的润滑油亦可减少高速压缩所产生的噪声。由于排气压力的不同,喷油重量约为空气重量的5-10倍。 2.3 空压机的安装 2.3.1 空气压缩机场所的选择 适宜的安装场所是正确使用空压机系统的先决条件。安装场所的选定应保证 空压机的维修方便,避免因环境的不理想导致空压机的非正常运转。 1. 安装场所要求采光良好,具有足够的照明,以利操作及维修。 2. 相对湿度小,无腐蚀,无金属屑,灰尘少,空气清净且通风良好。 3. 如果工厂环境较差,灰尘多,应加装一通风导管,将进气端引向空气比 较洁净的地方.导管的安装必须便于拆装,以利维修,安装尺寸参考空压机外部 11 尺寸。 电子科技大学学士学位论文 4. 空压机周围须保留足以让另部件进出的空间,空压机四周离墙至少1.5 米以上;空压机离顶端空间距离2米以上。 5. 如空压机安装在密闭的空压机房内,必须设置抽风机,尽量使热交换后 的气体排出室外。 6. 如环境温度过高(大于40度)建议采取降温措施(如避免阳光直射,打 开门窗等)以避免不必要的高温停机;如环境温度较低(小于0度)开机时须防止 润滑油凝结。 2.3.2 配管基础及冷却注意事项 1.配管 (1)配管时,不得使后冷却器承受附加力.严禁焊接火花掉进空压即,避免损坏空压机内部件。 (2)主管路必须有1-2度向下倾斜度,以利管路中的冷凝水排出(管路应安排污螺堵,定期排污)。 (3)管路的口径应大于或等于压缩机排气口的管径.管路中尽量减少使用弯管及各 类阀门,以减少压力损失。 (4)主管路不要任意缩小或放大,如果必须缩小或放大时须使用渐缩管,否则在接头处会有紊流情况发生,导致大的压力损失,同时由于气体的冲击压力,管路的寿命会大大缩减。 (5)支线管路必须从主管路的顶端引出,避免主管路中的冷凝水沿管路流至机器 中。 (6)在机组之后加装储气罐,这可减少空压机加载,卸载转换次数,延长机件和电气的寿命。 (7)如空压机后有储气罐,干燥机等净化缓冲设施,理想的配管应是空压机+储气罐+干燥机.储气罐可降低派出气体的温度,去除大部分的水分,较低温度且含水较少的空气再进入干燥机,可减轻干燥机的负荷。 (8)低于1.5MPa的压缩空气,其流速须在15m/s以下,以避免管路中过大的压力降。 (9)理想的配管是主管线环绕整个工作空间,且在环状主干线上配置适当阀门。如12 第2章 空气压缩机的比较和空气压缩机的选择 此,在厂房任何位置的支线管路,均可获得两个方向的压缩空气,倘若某支线用气量突然增大,也不至于造成明显的压力降;另外维修时,阀门可用于切断管路。 2.基础 (1)基础应建立在硬质土壤或水泥地面上,且保证平面平整,避免因倾斜造成额外的振动。 (2)空压机如装在楼上,须做好防振处理(如垫一层10mm厚的橡胶),以防振动的传递和共振的产生。 2.3.3 电机的安全规范 1.根据空压机功率的大小,正确选用电源线经及空气开关.不得选用太小的线径, 否则电源线容易因高温烧毁并导致危险。 2.空压机最好单独使用一套电力系统,尤其要避免与其他不同电力消耗并联使用。 如并联使用时,可能会因过大的电压将获三项电流不平衡形成空压机的过载而使 保护装置跳机,大功率的空压机更需特别注意。 3.空压即配电时,须确认电源电压与电机的额定电压相吻合。 4.必须架设电动机或系统的接地线,防止因漏电而造成危险,而且接地线不可直接接在空气输送管上。 电机运行期间电源电压与额定值的偏差不大于正负5%;频率与额定值的偏差不大于正负1%;电机三相电流中任何一相于三项平均值的偏差不大于三项平均值正负 10%。 13 电子科技大学学士学位论文 第3章 机械系统构造及各部件功能 3.1 系统流程图 图3-1螺杆式空压机机械原理图 外界空气由空气滤清器滤去尘埃后,经进气卸荷阀进入主机压缩室,与润滑油混合进行压缩.压缩后的油气混和物排至油气桶,在油气桶内旋转分离出 大部分的润滑油,并经油细分离器滤除残余的润滑油,干净的压缩空气经最小压力 阀,后冷却器输入使用系统中。 油气桶内之压力,将油气桶内的润滑油压出,经温控阀,油冷却器,冷却后再经油过滤器除去杂质颗粒。然后分成两路,一路从机体下端喷入压缩室,冷却压缩空气;另一路通到机体两端,润滑轴承组.而后各部分的润滑油再聚集于 压缩室底部,由排气口排出.与油混合的压缩空气排入油气桶后,绝大部分的油沉 14 淀于油气桶底部,其余的含油雾空气再经过油细分离器,进一步滤下剩余的油,并 第3章 机械系统构造及各部件功能 参与下一个循环。 空压机所喷入的油除起润滑作用外,主要用于带走空气在压缩中所产生的热 量,喷油量的多少直接影响空压机的性能。喷油量在出厂前已经设定好了。 3.2 气路主要部件说明和选型 1.空气滤清器 空气滤清器为一干式纸质过滤器,过滤纸细孔度约为10um左右。其主要功能是滤除空气中的尘埃,避免螺杆转子过早磨损,油过滤器和油细分离器过早阻塞。 2.进气卸荷阀 进气卸荷阀是一关键的部件,它通过控制进入压缩机主机的进气量的方式,达到控制排气量的目的。卸荷阀由进气口,进气节流小孔,出气口和阀门等组成。系 统压力通过电磁阀作用于气缸,控制阀门的开启,微闭直至关闭,从而改变进气口的大小,控制进气量。使空压机在一定范围内实现无级气量调节,减少电能消耗。 3.最小压力阀 与油细分离器出口相连,其开启压力设定为0.4-0.5MPa,最小压力阀主要有以 下功能: a. 启动时优先建立起润滑油所需的循环压力,确保机器的润滑。 b. 油气桶内空气压力超过0.4MPa之后才开启,可降低流过油细分离器的 空气流速,确保油气分离效果,并可保护油细分离器免因压力差太大而受损。 c. 止回功能:当停机后油气桶内压力下降时,防止管路压缩空气回流。 4.后冷却器 由最小压力阀流出的压缩空气,通至后冷却器。后冷却器与油冷却器制成一体,其结构相同,皆为板翘式。冷却风扇将冷空气抽入,吹过后冷却器翅片.冷却后的压缩空气温度一般在环境温度+15度以下。 5.温度传感器 温度传感器测量机头排气口处的排气温度,并显示在仪表上。它采用PT100铂 15 电阻为敏感元件,线性好,精度高。在失油,油量不足,冷却不良等情况下,均有可能 电子科技大学学士学位论文 导致主机排气温度过高。当测得的排气温度达到PLC控制器所设定的温度值时,则 空压机自动停机。 6放空阀 当卸载运行或停机时,此阀即打开,释放油气桶内的压力,使压缩机低负荷运转,或保证在无负载的情况下重新启动。 7加载电磁阀 为两位两通常闭电磁阀。通过电磁阀的得电和失电,控制气路的通断状态。实现加载,卸载功能。 选型: 空气滤清器 德国曼牌Mann+Hummmul 进气卸荷阀 德国HoerBiger 最小压力阀 德国HoerBiger 后冷却器 德国曼牌Mann+Hummmul 温度传感器 台湾 放空阀 德国HoerBiger 加载电磁阀 瑞士Lucifer 3.3 油路器件功能及其选型 1.温控阀 温控阀的主要功能是通过控制喷入机头的润滑油温度来控制压缩机的排气温 度,以避免空气中的水汽在油气桶内凝结而乳化润滑油。刚开机时,润滑油温度低, 温控阀关闭,冷油不经过油冷却器而直接喷入机体内。若油温升高到70度以上,则 温控阀逐渐打开至油冷却器的通路,至76度时全开,此时油会全部经过油冷却器冷却后再喷入机体内。 2.油冷却器 油冷却器与后冷却器做成一体.安装时确保油冷却器距离障碍物2米以上,使16 第3章 机械系统构造及各部件功能 冷却气流畅通无阻。翅片易受灰尘覆盖而影响冷却效果,可能导致排气温度过高而 停机。因此每隔一段时间即应对其进行清洗以确保其冷却效果。 3油过滤器 油过滤器是一种纸质的过滤器,过滤精度在10μ-15μ之间.其功能是除去油中的杂质,如金属微粒,灰尘,油之劣化物等,保护轴承及转子的正常运行。若油过 滤器阻塞,则可能导致喷油量不足影响主机轴承使用寿命,机头排气温度升高(甚至停机)。 4油细分离器 油细分离器滤芯采用多层细密的特种纤维制成,压缩空气中所含雾状润滑油 经过油细分离器后几乎可被完全滤去.油颗粒大小可控制在0.1um以下,含油量则可小于3PPm。 5.回油单向阀 油细分离器滤下的残油,集中于滤芯中央的小圆凹槽内,经回油管引至主机,避免已被分离的润滑油再随压缩空气排出。为防止主机压缩室内的油反流(卸载时存在压差),在回油管后设置一个单向阀.如果机器运行中油耗突然增大,应检查单向阀的节流小孔是否堵塞。 选型: 温控阀 德国HoerBiger 油冷却器 德国曼牌Mann+Hummmul 油过滤器 德国曼牌Mann+Hummmul 油系分离器 德国曼牌Mann+Hummmul 回油单向阀 德国HoerBiger 油 壳牌46号螺杆专用油 17 电子科技大学本科学士论文 第4章 空气压缩机微电脑显示控制器 4.1 按键介绍 图4-1液晶显示屏面板图 ON---启动键,按此键可启动电机运行 OFF--停机键,按此键可停止电机运行 M ---设定键,修改完数据后,按此键确认数据存储输入 ?---上移键,数据修改时,按此键上翻修改该数位,在菜单选择时 作 为选择键 ?---下移键,数据修改时,按此键下翻修改该数位,在菜单选择时 作为选择键 ?---移位键/确认键,修改数据时,此键作为移位键,在菜单选择时 作为确定键. RT---返回键/复位键,在菜单操作时作为返回键返回上一级菜单,故障停机时,按此键复位 18 第4章 空气压缩机微电脑显示控制器 4.2 状态显示与操作 显示器启动后会有5秒的自检时间。之后进入初始页面,相关页面图片见附录。 用户可以对运行参数,日历,用户参数进行修改.但厂家参数是出厂前厂家设定的,用户无法修改。 4.2.1 用户参数 用户可对 压力,温度预置 启停延时预置 操作方式预置 联动参数预置 维护参数复位 最大使用时间预置 压力温度预置又分为 压力上限,压力下限,风机启动温度,风机停机温度。 启停延时预置包括主机启动时间,风机启动时间,星角延时时间,加载延时时间,空载延时时间,停机延时时间,启动延时时间,备用延时时间,排水开延时时间,排水关延时时间。 操作方式预置分为启停方式,加载方式,通讯方式,通讯编码。 联动参数预置包括联动状态,联动启停,轮换时间,联动机数,联动压力下限,联动压力上限,联动延时时间。 维护参数复位分为油过滤复位,油精分器复位,气过滤器复位,润滑油复位,润滑脂复位。 最大使用时间预置包括油过滤器,油精分器,气过滤器,润滑油,润滑脂。 4.2.2 厂家参数 厂家参数与用户参数的差别在于厂家参数不能查看,修改时只能凭厂家密码 修改,修改操作方法与用户修改方法一样了。 19 电子科技大学本科学士论文 4.2.3 功能及技术参数 1.开关量:9路开关量输入,10路继电器输出: 2.模拟量:二路Pt100温度输入,二路4-20mA变送输入,两组三相电流输入(配 套CT) 3.相序输入电压:380V 4.控制器工作电源:220V,50HZ,20VA 5.显示量程: a)油温:-20-150度 精度:正负1度 b)气温:-20-150度 精度:正负1度 c)运行时间:0-999999小时 d)电流显示量程:0-999.9A e)压力:0-1.6Mp 精度:0.01Mpa 6.相序保护:当保护器检测到错相时,动作时间?2S 7.电机保护:本控制器对主电机和风扇电机均具有以下5种基本保护功能 a)堵转保护:启动结束,工作电流达到设定电流的四至八倍时动作时间?2s b)短路保护:只要检测电流到达设定电流的八倍以上时,动作时间?0.2s c)缺相保护:当任何一相电源缺相时,动作时间?2s d)不平衡保护:任何两相间电流相差60-75%时,动作时间?5s e)过载反时限保护特性,见下表.倍数=/ 当电机运行电流大于或等于设定电流的1.2倍至3.0倍时按下表的过载倍数 及动作时间延时动作 时实际??????间电流与设1.2 1.3 1.5 1.6 2.0 3.0 参定电流的 数 比值 20 第4章 空气压缩机微电脑显示控制器 动作时间 60 48 24 8 5 1 8.温度保护:当检测到的实际温度大于设定温度时,动作时间?2s 9.输出继电器触点容量:250V5A;触电寿命500000次 10.电流显示误差小于1.0% 11.RS-485 21 电子科技大学本科学士论文 第5章 系统的电气控制 5.1 气路框架介绍 图5.1 电气控制原理图 M1是电动机可接成星形或三角形,M2是空压机机体,一共有5个继电器,KM2,KM3用于控制电机的星三角启动。KM1控制主接触器,KM4控制电磁阀,KM5控制风机。PLC的输入端主要接有两个液晶显示屏,压力传感器,温度传感器和手动加载按钮。由 于压力传感器感应到的是模拟量,PLC可处理数字量所以给PLC加装了一个数模转换模块。 5.2 元器件选型 电流互感器 CHNT(正泰) 接触器 CHNT(正泰) 压力传感器 CHNT(正泰) 22 第5章 系统的电气控制 温度传感器 CHNT(正泰) PLC 台达 液晶显示 台达 5.3 电气控制原理 图5.2 空压机电气控制元件内部布局 5.3.1 近地自动控制(启停方式:机旁;加载方式:自动) 按ON键启动: 控制器上电后有3秒时间自检,按ON键不能启动。自检结束后按ON键主机开始起动。主机启动过程为:KM3得电,KM1得点?星形启动状态?延时时间到(星三角形转换时间),KM3失电(KM2,KM3互锁),KM2得电?电机进入自动控制状态。 自动运行控制: 电机启动到三角状态后,延时一段时间后加载电磁阀得电,空压机开始加载,油气罐压力开始提高。当气压升高超过设定高限压力时(卸载压力值),加载电磁阀失电,放空阀开始动作,空压机进入空车运行状态。如果在规定的时间内(空车时间内),气压又降低于设定的低限压力(加载压力值),加载电磁阀又得电,卸放阀失电,压缩机正常压缩空气,提高气罐压力.如果在空车时间内,气罐压力没有降到低限 压力,控制器将自动停止电机工作,实现空车过久自动停机。 只有当压力降低到低限压力,电机自动按启动过程起动运行,如此往复循环。 在自动状态下手动加载/卸载 在自动状态下,设备处于卸载状态,按一下“M”加载,如果压力高于卸载压力,加载电磁阀点动一下后回到卸载状态;如果压力低于卸载压力,加载电磁阀得电直到供气压力大于卸载压力后重新回到卸载状态。设备处于加载状态,按一下“M”卸载,如果压力高于加载压力,加载电磁阀失电直到供气压力小于加载压力后重新 回到加载状态;如果压力低于加载压力,此时卸载不起作用。 正常停机: 23 按“OFF”键,加载电磁阀失电和卸放电磁阀得电,延时一段时间(停机延时)后,电 电子科技大学本科学士论文 机接触器失电,主机和风扇电机停止运转,重起延时结束后卸放电磁阀失电.只有按“ON”键才能重新启动。 防频繁起动控制 按“OFF”停机,空车过久停机,故障停机使电机停转时不能马上起动电机,需有一定延迟,本控制器在各种停机状态下时间显示窗口倒计时显示剩余延时时间( 如90秒),只有延时时间为零时才能起动电机。 5.3.2 远程自动控制(启停方式:远程;加载方式:自动) 远程自动控制与近地自动控制基本一样,不同的是设备启停可由远程开关控 制完成.(本实验大都采用近地控制)。 5.3.3 近地手动控制(启停方式:机旁;加载方式:手动) 启停控制与自动控制一样,只是设备启动结束后,处于卸载运行。按“M”键加载,当供气压力大于卸载压力时,设备自动卸载,如果不按键“M”加载,设备一直卸载运行直到空车停机。在卸载过程中,按“M”键加载;在加载过程中，按“M”键卸载。 5.3.4 远程手动控制（启停方式:远程；加载方式：手动） 远程手动控制与近地手动控制一样，只是设备启停可由远程开关控制。 5.3.5 其他控制 联网控制：（1）当控制器联网通讯设置为“计算机”时可实现计算机联网控制。 (2) 当控制器通讯设置为”联动”可实现控制器与控制器之间联网 控制。 风机温度控制：当排气温度大于风机起动温度时，风扇电机运行;当排气温度小于 风机停机温度时，风扇电机停止运行。 自动排水:对配备排水器的机型，本控制器设有定时排水功能，按设定的排水持续 时间和间隔时间定时排水。 故障停机与紧急停机:当机组在运行过程中出现电气故障或排气高温等故障时控24 制器立即停止电机运行，需排除故障，解除故障状态后才 第5章 系统的电气控制 能重新启动电机。如遇到紧急情况按下紧急停机按钮就可 以切断控制器和主接触器的电源，确保安全。 5.3.6 预警和提示 1．文本显示器提示 空滤器预警提示 用开关信号检测预警：控制器通过检测空滤器压差开关动作在文本显示器上提示 操作者“空滤器阻塞”。 设定空滤器使用时间预警：控制器通过检测油滤器压差开关动作在文本显示器上 提示操作者“空滤器阻塞”。 油滤器预警提示 用开关信号检测预警：控制器通过检测油滤器压差开关动作在文本显示器上提示 操作者“空滤器阻塞”。 设定油滤器使用时间预警:空滤器使用时间到，文本显示器上提示操作者“油滤器 使用时间到”。 油分器预警提示 用开关信号检测预警:控制器通过检测油分器压差开关动作在文本显示器上提示 操作者“油分器阻塞”。 设定油分器使用时间预警:空滤器使用时间到，文本显示器上提示操作者“油分器 使用时间到”。 2.主控器提示 指示项目 意义及功能 信号灯灯状态 电源 控制器通电 PWR灯亮 运行 控制器运行 RUN灯亮 故障 检测到故障并停机 ERR灯闪烁 25 电子科技大学本科学士论文 输入开关量 端子号12-20输入开关IN00-IN09相应指示灯亮 量动作 输出开关量 端子号27-31，35-39输OUT00-09相应指示灯亮 出开关量动作 数据存储 设定数据和存储时间 PWR闪烁一下 5.4 可编程控制器的选用和基本程序编译 本次测测试项目采用的台达的PLC实现对螺杆式空压机的气路进行电气控制。 PLC(ProgrammableLogic Controller)，是一种电子装置，早期称为顺序控制器 “Sequence Controller”，1978 NEMA(National Electrical Manufacture Association)美国国家电气协会正式命名为Programmable Logic Controller，PLC，其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后， 依据这些输入信号的状态或数值并根据内部储存预先编写的程序，以微处理机执 行逻辑、顺序、定时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如： 继电器(Relay)的开关、电磁阀及马达驱动器，控制机械或程序的操作，达到机械 控制自动化或加工程序的目的。并由其外围的装置(个人计算机/程序书写器)轻易地编辑/修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。普遍使用于 PLC程序设计的语言，即是梯形图(Ladder Diagram)程序语言。 5.4.1 可编程控制器的工作方式 1）PLC的扫描过程 PLC的扫描工作方式可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工 作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递 增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后从头开始 扫描，并周而复始地重复进行。可编程控制器工作时的扫描过程如图3-1所示，包括五个阶断：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。程序执行、输出处理PLC完成，一次扫描过程的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。 26 内部处理阶段，CPU检查内部各硬件是否正常。在RUN模式下，还要检查用户程序 第5章 系统的电气控制 存储器是否正常，如果发现异常，则停机并显示报警信息。通信处理阶段CPU自 动检测各通信接口的状态，处理通信请求，如与编程器交换信息，与微机通信等。 在PLC中配置 网络通信模块时，PLC与网络进行数据交换。 当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于RUN 状态时，除完成内部处理和通信服务的操作外，完成用户程序的整个执行—输入 扫描、程序执行和输出处理。 开始 。 内部处理 通信处理 RUN方式 输入扫描 程序执行 输出处理 图5-3 过程 PLC的扫描 （2）PLC的程序执行过程 PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶 段，如图5-4所示。 1．输入采样阶段：输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的信 号状态（“0”或“1”，表现在接线端上是否承受外加电压）读入输入映像寄存器 区，如图所示。这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新。 2．程序执行阶段：PLC对程序顺序进行扫描，如果程序是梯形图，则总是按27 电子科技大学本科学士论文 先上后下，先左后右的顺序对由接点构成的控制器线路进行逻辑运算，然后根据 逻辑运算的结果，刷新输出映像寄存器区或系统RAM区的对应位的状态。 3．输出刷新阶段 PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中，再通 过一定的方式去驱动用户设备的过程。PLC的执行过程如图3-2所示。 以上为PLC的程序执行的过程，一般PLC在一个工作周期中，输入扫描和输 [3]出刷新的时间为4ms左右，而程序执行时间可因程序的长度不同而不同。 程序执行阶输入采样阶段 输出刷新阶段 段 输 元入输 件输映输出映像入出读 像寄锁端寄端 存子 存存器 器 器 图5.4 PLC的程序执行过程 5.4.2 可编程控制器的编程语言 PLC的编程语言有梯形图语言、助词符语言、顺序功能图语言等。其中前两 种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。本试验项目中用到的编 程语言是梯形图语言，这里介绍梯形图语言编程要素。 1．梯形图从上到下编写，每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行与梯形图的编写顺序一致。 2．图左，右边垂直线 称为起始母线，终止母线。每一逻辑行必须从起始母线 开始画起，终止母线可以省略。 3．梯形图中的触头有两种，即常开触头和常闭触头。这些触头可以是PLC的 输入触头或 继电器触头，也可以是内部继电器、定时器/计数器的状态。 与传统的继电器控制图一样，每一触头都有自己的特殊标记，以示区别。 因每一触头的状态有存入PLC的存储单元中，可以读写，所以同一标记的 28 触头可以反复使用，次数不限。 第5章 系统的电气控制 4． 梯形图的最右侧必须连接输出元素。 5．梯形图中的触头可以任意的串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。 5.4.3 可编程控制器的选用 在众多的台达可编程控制器中，如何根据实际情况选用合适的可编程控制器 是能否实现工作要求的关键。选型依据：高运算速率及高输出反应。 本实验选用DVP-64EH00T2，它是一种小型PLC（点数只有64点，交流输入，晶体管输出）。台达DVP系列可程式PLC具有精巧的体积，兼容各类性能，高容量 的程式规则空间，可搭载多样化的特殊扩充模组，所有的主机均内建强大的通讯 功能与便利的通讯指令，无须附加其余的通讯模组即可与全系列台达工业自动化 产品架构完整的控制网络。主机的性能符合各式各样的需求，从基础的顺序控制 主机，内建类比功能或运动控制功能的特殊主题，到强大的运算性能要求的高阶 主题，台达DVP系列可程式控制器提供小型PLC最具经济效益的解决方案。DVP-EH2系列有优越的运算效能，可搭配多样化的调整特殊扩充模组与功能卡，可满足各 [4]式各样的高速运算场合。它的指令执行速度为0.24μS（基本指令）。 5.4.4 台达PLC编程语句简介 （1）逻辑指令 包括各种进行逻辑运算的指令 AND（And）：“与”指令用于单个常开触点串联，完成逻辑“与”的运算 OR（Or）：“或”运算 SET（Set）：，“置位”输出 ZRET区间置位 RST（Reset）：“复位”输出 ZRST区间复位指令 （2）定时器，计数器指令 定时器：TMR指令所指定的定时器，若计时到达，则此同编号T的接点将会ON。 计数器：DCNT (32位计数器) CNT (16位计数器) （3）比较器指令CMP 29 CMP S1 S2 D 电子科技大学本科学士论文 指令说明：S1为比较值1，S2 为比较值 2，D 为比较结果。将操作数S1和S2的内容作大小比较，其比较结果在D中作表示。大小比较是以代数来进行，全 部的数据是以有号数二进制数值来做比较。因此16位指令，b15为1时，表示为负数，32位指令，则b31为1时，表示为负数。 操作数使用注意：S1、S2操作数若使用F装置仅可使用16位指令 D操作数会占用连续3点，各装置使用范围请参考各系列机种功能规格表。16位指令 (7 STEP)；CMP是连续执行型，CMPP是脉冲执行型；32位指令(13 STEP)，DCMP是连续执行型，DCMPP是脉冲执行型； （4）算术运算指令 ADD：加 DEC：减 MUV：乘 DIV：除 （5）与扩展模块的通信指令 FROM和TO 1．FROM指令 FORM m1 m2 d n 指令说明：m1：特殊模块所在之编号。即特殊模块的排列号码，PLC主机所连接特殊模块编号。特殊模块追还的编号算法是以最靠近主机的模块编号为0，依序排列，最多可挂8台特殊模块，且不占用I/O点数。（由于本试验中只接了一个A/D转换模块，所以M1为k0。） m2：欲读取特殊模块的控制寄存器CR(Controlled Register) 编号。d：存放读取数据的位置。n：一次读取之数据笔数。DVP系列PLC利用此指令读取特殊模块之CR数据。 2．TO指令 To m1 m2 d n 指令说明：m1：特殊模块的排列号码，PLC主机所连接特殊模块的编号。 m2：CR的号码，特殊模块的内部内建36组16位长度的内存，称之为CR (Controlled Register)。CR的编号以10进制编码#0～#35，特殊模块的各种运行情况及设定值30 均被包含在里面。 第5章 系统的电气控制 5.4.5 PLC程序编译 1.近地自动控制运行 程序设计思路介绍: 控制器上电后有3秒 时间自检,按ON键不能启动。自检结束后 按ON键主机开始起动。主机启动过程为: KM3得电,KM1得点?星形启动状态?延 时时间到(星三角形转换时间),KM3失电 (KM2,KM3互锁),KM2得电?电机进入自 动控制状态,星三角启动电机完成。 图5.5 近地自动控制运行图 2.自动运行控制 程序设计思路介绍: 电机启动到三角状态后,延时一段时间后加载电磁阀得电,空压机开始加载,油气罐压力开始提高.当气压升高超过设定高限压力时(卸载压力值),加载电磁阀失电,放空阀开始动作,空压机进入空车运行状态。如果在规定的 时间内(空车时间内),气压又降低于设定的低限压力(加载压力值),加载电磁阀又得电,卸放阀失电,压缩机正常压缩空气,提高气罐压力.如果在空车时间内,气 罐压力没有降到低限压力,控制器将自动停止电机工作,实现空车过久自动停机。 只有当压力降低到低限压力,电机自动按启动过程起动运行,如此往复循环。在程序执行前将M0-M11中的数设定为3200 一个16位数,将M12-M23中的数设定为2400.本次实验中用到的压力传感器感应的电信号是1V-5V的电压信号。PLC内部设定1V-10V对应曲线图5.7 PLC电压特性从-10V-+10V对应数字 -8000-+8000,压力传感器对应的数字 31 电子科技大学本科学士论文 [5]量程是+800-+4000,试验中的高限压力 值(卸载压力值)为0.8MPa.低限压力值 (加载值)为0.6MPa,经计算分别对应数 字2400和3200所以程序中预先给D10 和D11设定两初始值.K14---压力传感 器通道。 图5.6 自动运行控制图 32 第5章 系统的电气控制 图5.7 PLC电压特性曲线 3.手动加载状态 程序设计思路介绍: 在自动状态下,设备处于卸载状态,按一下“M”加载,如果压力高于卸载压力,加载电磁阀点动一下后回到卸载状态;如果压力低于卸载压力,加载电磁阀得电直到供气压力大于卸载压力后重新回到卸载状态。 图5-8 手动加载 4.手动卸载 程序设计思路介绍: 设备处于加载状态,按一下”M”卸载,如果压力高于加载压力,加载电磁阀失电直到供气压力小于加载压力后重新回到加载状态;如果压力低33 电子科技大学本科学士论文 于加载压力,此时卸载不起作用. 图5.9 手动卸载 5.正常停机: 程序设计思路介绍: 按“OFF”键,加载电磁阀失电和卸放电磁阀得电,延时一段时间(停机延时)后,电机接触器失电,主机和风扇电机停止运转,重起延时结束后卸放电磁阀失电。只有按“ON”键才能重新启动。 按“OFF”停机,空车过久停机,故障停机使电机停转时不能马上起动电机,需有一定延迟,本控制器在各种停机状态下时间显示窗口倒计时显示剩余延时时间( 如90秒),只有延时时间为零时才能 [6] 起动电机 34 第5章 系统的电气控制 图5.10 正常停机 7. 预警与提示:即通过三个输入点空滤开关,油滤开关,油分开关进行预警和提示. 不同的输入点动作在液晶显示屏上会显示不同的字样。 35 第6章 结束语 第6章 结束语 通过此次学习,了解到了空压机的相关发展情况,理解了螺杆式空压机的工作 原理和工作过程,了解了系统原理图和电气原理图的绘制方法。掌握了基本的PLC编程方法和思想,理解了电气元件对机械系统的控制方法。掌握了一些绘图编程软 件.认识到了螺杆式空压机在整个实现系统中的作用,基本了解了SMC气缸伸缩性试验的试验原理。通过与其他同学的沟通,了解到了其他试验部件的作用和大致工 作情况和原理,如传感器,冷干机等。 用到的主要软件: AUTOCAD 2007 用于绘制电气原理图和机械系 统原理图 TPEDITOR 1.09 用于对显示界面进行设计 WPLSoft2.09正式版开发软件 进行PLC的编程 36 参考文献 参考文献 [1]王新兰.液压与气动.北京.电子工业出版社.2003 [2]姜继海,宋锦春,高常识.液压与气压传动.北京.高等教育出版社.2002 [3]求是科技.PLC应用开发技术与工程实践.北京.人民邮电出版社.2004 [4]中达电通有限公司.DVP可编程程序控制器使用手册.上海.2004 [5]Jorgen Engstrom.Design of a Soltless PM-Motor For a Screw Compressor Driver.Sweden.Royal institute of technology.2005.199-197 [6]Xin wu,Yaoyu Li.Computationally efficient Data driven surge map modeling for centrifugal Air compressor.New York.Proceedings of the 2007 America Control Conference.2007.811-812 37 致谢 致 谢 本论文是在王丛岭老师的悉心指导下完成的，在此，向老师表示衷心的感谢。 同时也向所有在我完成论文过程中指导过我的老师们表示感谢，也对课题组的同 学们表示感谢。 38 附录 附录 附录一：用TPEditor制作的显示屏画面 39 附录 40 附录 41 电子科技大学学士学位论文 外文资料原文 OPTIMAL INTEGRATION CONDITION BETWEEN THE GAS TURBINE AIR COMPRESSOR AND THE AIR SEPARATION UNIT OF IGCC POWER PLANT Chan Lee,Hyung Taek Kim and Yongseung Yun ABSTRACT Parametric studies are conducted for optimizing the integration design between gas turbine compressor and air separation unit(ASU) of integrated gasification combined cycle(IGCC) power plant. 'The ASU is assumed as low pressure double-distillation column process which is integrated at the interstage location of the compressor, and integration design criteria of air extraction and reversing heat exchanger are defined and mathematically formulated. With the performance prediction of compressor by through-flow analysis, the effects of pinch-point temperature difference(PTD) in the reversing heat exchanger，the amount and the pressure of extracted air are quantitatively examined. As the extraction air amount or the PTD is increased the power consumption is increased. The compressor efficiency deteriorates as the increase of the flow rate of air extracted at higher pressure while improving at lower pressure air extraction.Furthermore, optimal integration condition for compressor efficiency maximization is found by generating the compressor characteristic curve。 1.INTRODUCTION IGCC emerging as a next-generation fossil power plant type is composed of various subsystems such as coal gasification, particle removal, gas clean-up systems, combined cycle and ASU, so its overall thermal efficiency depends on how to combine and integrate these subsystems effectively.According to the preliminary study on IGCC 42 外文资料原文 integration design, the overall thermal efficiency of IGCC power plant varies from 46 to 50 percentage [1]. The basic principle in the integration between gas turbine and ASU of IGCC power plant is to extract air from gas turbine compressor and then to separate the air into oxygen and nitrogen through cryogenic process of ASU.The oxygen is used as oxidizing agent for coal gasification, and the nitrogen re-enters the gas turbine system. Reversing heat exchanger at mid-way between gas turbine and ASU warms the returned nitrogen while the extracted air is being cooled. It is an easy way to extract air from compressor discharge region, and this air extraction is made at 15 or 16 bar because the most of industrial gas turbine compressors have total pressure ratio- of 15 to 16 for large- scale power plant application. However, since commercially available ASU is the double distillation column type operated at low pressure of 4 to 5 bar, the air extraction at the compressor discharge pressure needs new development and construction of high pressure ASU operated around 15 to 16 bar. For this reason, it is more economical to extract airfrom the interstage location than from the discharge region of gas turbine compressor. But, this integration scheme results in air flow reduction and interstage cooling of compressor stage that lead to the off-design operation with performance variation. Therefore, in the present study, key ASU integration design variables are defined and mathematically formulated, and then their effects on compressor performances (efficiency and power consumption) are quantitatively examined using the reliable performance prediction technique of compressor. Furthermore, optimal integration condition for efficiency maximization is found througl the generation of compressor efficiency characteristic curve. 2. INTEGRATION DESIGN SCHEME As shown in Fig.l, air is extracted from the interstage of compressor, and is separated into oxygen and nitrogen in ASU. Nitrogen returns to the compressor after passing through reversing heat exchanger. Fig.2 depicts the typical process flow of double 43 电子科技大学学士学位论文 distillation column where lower and upper columns are thermally connected at the center through a heat exchanger serving as a condenser for lower column and a reboiler for the upper.Because nitrogen is more volatile than oxygen, it will ascend each column and oxygen will descend. Thus, on the reboiler side of the upper column, there is a pool of high-purity boiling, liquid oxygen, while on the condenser side of the lower column, nearly pure nitrogen being condensed. This fact implies that the pressure in the lower column must be high enough to raise the condensing temperature of nitrogen sufficienctly to provide a positive temperature-driving force in the main condenser. Because the normal boiling point of pure oxygen is一1830C under atmospheric. Condition at which the vapor pressure of pure nitrogen is 3.6 bar, the operating pressure of lower column must be set at 4-5 bar higher than that of upper column considering heat transport velocity between two columns[2].This means the extraction pressure of air is set at the range from 4 to 5 bar if the upper column is operated under atmospheric condition. The required amount of extracted air is dependent on the coal/oxygen ratio of coal gasifier. Many research results[3,4] on coal gasification show that optimal coal/oxygen ratio is chosen as 0.8-1.2 for dry entrained-bed coal gasification and 0. 9 for the slurry one. It is known from these findings that the air extraction is made at the range less than the 30 percentage of total intake flow rate of compressor. In addition to the above air extraction pressure and flow rate, the PTD is a key design parameter for ASU integration.Generally, nitrogen is heated up to 100 K through nitrogen superheter of ASU before coming into the reversing heat exchanger, so the PTD determines the inlet temperature of the nitrogen re-entering to compressor. Based on the above three integration design parameters and the schematic diagram of Fig.l, the mass and the energy conservations of air at the (n+1) th stage inlet of compressor are mathmatically formulated as:mass conservation: where mair and m5 reprcaent air flow rates at 1 st and (n+1)th stage inlets, and f stands 44 for air extraction ratio basc;d on total intake air flow rate. Note s is assumed 外文资料原文 0.7547 for complete air separation. energy concervation: . Since specific heats of air(Cair) and nitrogen(Cn2) havee nearly the same values, the equation (2) becomes 3. PARAMETRIC STUDIES ON THE ASU INTEGRATION WITH COMPRESSOR Before the investigation on the effects of integration design parameters on compressor performance,the compressor performance technique proposed by the present author[5] is verified by comparing its prediction results with test ones.As shown in Table 1, the prediction results are favorably compared with the six test cases[6] within maximum 2 percentage of relative ewor. Table 1 Compressor Efficiency Compresions Unit No Prediction Test 6 Error% 23B-20 0.9055 0.9210 1.68 24A-20 0.9044 0.9210 1.80 25A-20B 0.9290 0.9350 0.64 26B-21 0.9190 0.9130 0.66 27A-21 0.9089 0.9130 0.45 28B-22 0.8937 0.9010 0.81 With the present compressor performance prediction technique,parametric studies are conducted to examine how the performance parameters of compressor are varied when the integration design conditions(air extraction pressure and amount, PTD of reversing heat exchanger)are changed. In the present study,the air extraction pressure is changed from 4 to5 bar, and the extraction amount up to the maximum 30 percentage of total intake flow rate of compressor. The PTD is set to 100, 135 or 170 K respectively. 45 电子科技大学学士学位论文 Since the blading design details of the compressor used in commercial gas turbine unit are not available in open literature, for the convenience of analysis, the present study consider an arbitrary compressor stage with NASA 23B-20 blading design[6) and operated at 3600 rpm as the (n+l)th stage of the multi- stage compressor integrated with ASU. Figs.3(a)一(c) show the performacnce variations of the compressor stage with the changes of air extraction ratio and PTD when air extraction is made at 5 bar. All the predicted performance variables are presented as non-dimensionalized indices by using the on-design point performance values with no ASU integration. With the increase of air extraction, the inlet temperature and the efficiency of the compressor stage are decreased while the pressure ratio and the power consumption are being increased. In general, the reduction in the inlet temperature accompanying with intercooling effect tends to result in the decrease of power consumption.However, when compressor is integrated with ASU of IGCC power plant, the reduction in mass flow rate is found along with that in inlet temperature and it also induces the efficiency- deterioration that leads to power increase overwhelming the power decrease due to the intercooling. This effect of power increase is more remarkable with the increase of the PTD as shown in Figs.3(a)一(c).The parametric study results of the 4 bar extraction are depicted in Figs.4(a)一(c). Similar tendencies are observed for the power consumption as in the Figs.3(a)一(c) of the lower pressure extraction case, but the efficiency of compressor is improved with the increase of air extraction. The efficiency results at 4 bar extraction which are seemingly opposite to those at the S bar can be explained by introducing efficiency characterisitic curve of compressor as shown in Fig.S. Inlet conditions of compressor stage such as flow rate(m5), temperature(T5) and pressure(P5 are normalized as one variable of m5(T5)1/2/P5 Fig5 illustrate efficiency has an optimum point on the characterisitic curve of compressor, and the compressor is operated at the left range of the optimum when air is extracted at 5 bar while at the right one when extracted at 4 bar. Furthermore, it is found that the compressor with 4.5 bar air extraction is operated between two ranges. From the characteristic relationship between efficiecny and normalized inlet 46 condition of compressor, optimal integration design with ASU can be made from the 外文资料原文 following design criteria: Once the oxygen requirement for coal gasification is determined from IGCC prcess simularion, the amount of extraction air, or the inlet flow rate(ms) from eqn.(1), is computed.As next step, after extraction pressure(P5) is selected, the inlet temperature(T5) of integrated compressor stage can be deduced from the optimal noramlized inlet condition on efficiency characterstic curve and then the PTD of reversing heat exchanger is calculated.Reversely, optimum extraction pressure can be obtained for given PTD from the efficiency characterstic curve. The corresponding power consumption at optimal integration condition is derived from the Fig.6. Since the most of IGCC process design methods are not capable of prdicting the off- design operation effects of compressor, thepresent stu勿results will provide analysis module to optimize the ASU integration design through linking with commercial power plant simulation code such as GATE/CYCLE. 4. CONCLUSIONS The integration design scheme between gas turbine compressor and low pressure ASU of IGCC power plant is conceptually presented,and its key design parameters are defined and mathmatically formulated. Based on the ASU integration design concept, performance variations of the compressor of IGCC power plant are investigated with the changes of the air extraction pressure,flow rate from the compressor and the pinch point temperature difference of reversing heat exchanger as major integration design.pararneters. The increases of air extraction amount and pinch point temperature difference result in the power consumption of compressor at all the extraction pressure levels. However, the efficiency of compressor is deteriorated with air extraction flow rate at higher extraction pressure while is being improved at lower extraction pressure. Through the generation of compressor efficiency characteristic map, optimal ASU integration design criterion is presented for achieving the maxium efficiency compressor operation. Furthermore, the present analysis method will be coupled into commercial IGCC power plant simulation code. 47 ACKNOWLEDGEMENT 电子科技大学学士学位论文 This work was performed as a part of the project(#96-036) under the supervision of the Electric Engineering and Science Research Institute and by the financial support of the Korean Electric Power Corporation 48 翻译文稿 翻译文稿 摘要 本次研究主要针对于如何使气体涡轮压缩机和气体分离最优化,设计完整的气化综合优化模块。这一模块是建立在低压双通道位于压缩机级间,以及综合设计有关气体分离和热量转换循环的定义和数学公式。 伴随压缩机最大值化的气体直流分析,压力点温度表现不同在转换热量和传 送热量的过程中。萃取出的空气压力的测量是定量检测。伴随空气消耗量和PTD的增加能量的消耗量也在增加。压缩机有效的增加被萃取空气流速在很高压力的 时候同时改善低压空气的抽取。再有,理想综合条件下压缩机效率最大化被总结出 来,通过压缩机的特性曲线。 1.导言 IGCC作用下一代的原始的能量设备形式存在于各种的子系统中,例如煤的气化,粒子移动,气体整理系统,结合ASU,所以它的总体的热效率依靠于怎样有效的 综合和结合这些子系统。 通过初步的对IGCC综合设计的研究。IGCC能量装置总体的热效率从46%-50%不等。 气体涡轮和ASU,IGCC能量装置基本的综合原理是为了从气体涡轮压缩机中萃 取空气,然后分离这些空气,通过ASU的低温处理分成氧气,和氮气.这氧气是用于氧化气化的煤,氮重新送入气体涡轮系统中.回动的热交换在气体涡轮和ASU中途加热回送的氮气,这一过程是在萃取空气被冷却的同一时间。 从空气压缩机的作用部分萃取空气是一种简单的方法,这些空气提取物被做成15到16部分因为大部分工业气体涡轮压缩机有整体的压力比大型的能量应用装置需 要15到16的比例。 因此商业上可获得的ASU双通道的操作模式运作在低压条件。这些空气提取 物在空气压缩机释放的压力需要进一步的发展和对高压ASU操作的进一步认识。因此,更节约的方法是从级间位置萃取空气而不是从空气压缩机释放压力。但是这 些提取物计算结果在空气流动减少和压缩机的级间冷却导致比想象的结果糟糕的 情况下进行试验,这需要改变运行方法。 因此,目前的研究核心问题是ASU被定义的综合设计变量和算术方程,然后就是这些作用于空气压缩机上后表现出的效果是可量化检验的,通过使用空压机可信赖的技术预测。再有,最有效地最大化理想的提取条件被发现了,通过压缩机的有效地特性曲线。 2.综合设计 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 正如所描述的一样,空气从压缩机中被提取出来。然后在ASU中被分离成氧气49 电子科技大学学士学位论文 和氮气。氮气在热循环后返回到空压机。需要的提取出的空气的量取决于煤气体 发生器的煤/氧气比率.很多针对于煤气化的研究结果表明最理想的比率是 0.8-1.2.通过这些发现得知空气提取物只是总进气量的百分之三十。 如上的空气提取物压力和流动速率,PTD是关键设计参量对于ASU在热交换之前,所以PTD决定氮气重新进入压缩机的入口温度。 依靠上述的三种综合设计参量和附带的示意图表,大量的能量守恒在在进入压缩机后。 关于气体涡轮压缩机和气体分离的最佳综合条件的摘要 本次研究主要针对于如何使气体涡轮压缩机和气体分离最优化,设计完整的气化综合优化模块.这一模块是建立在低压双通道位于压缩机级间,以及综合设计有关气体分离和热量转换循环的定义和数学公式。 伴随压缩机最大值化的气体直流分析,压力点温度表现不同在转换热量和传 送热量的过程中。萃取出的空气压力的测量是定量检测。伴随空气消耗量和PTD的增加能量的消耗量也在增加。压缩机有效的增加被萃取空气流速在很高压力的 时候同时改善低压空气的抽取。再有,理想综合条件下压缩机效率最大化被总结出 来,通过压缩机的特性曲线。 1.导言 IGCC作用下一代的原始的能量设备形式存在于各种的子系统中,例如煤的气化,粒子移动,气体整理系统,结合ASU,所以它的总体的热效率依靠于怎样有效的 综合和结合这些子系统。 通过初步的对IGCC综合设计的研究.IGCC能量装置总体的热效率从46%-50%不等。 气体涡轮和ASU,IGCC能量装置基本的综合原理是为了从气体涡轮压缩机中萃 取空气,然后分离这些空气,通过ASU的低温处理分成氧气,和氮气。这氧气是用于氧化气化的煤,氮重新送入气体涡轮系统中。回动的热交换在气体涡轮和ASU中途加热回送的氮气,这一过程是在萃取空气被冷却的同一时间。 从空气压缩机的作用部分萃取空气是一种简单的方法,这些空气提取物被做成15到16部分因为大部分工业气体涡轮压缩机有整体的压力比大型的能量应用装置需 要15到16的比例。 因此商业上可获得的ASU双通道的操作模式运作在低压条件。这些空气提取 物在空气压缩机释放的压力需要进一步的发展和对高压ASU操作的进一步认识。因此,更节约的方法是从级间位置萃取空气而不是从空气压缩机释放压力。但是这 些提取物计算结果在空气流动减少和压缩机的级间冷却导致比想象的结果糟糕的 情况下进行试验,这需要改变运行方法。 因此,目前的研究核心问题是ASU被定义的综合设计变量和算术方程,然后就是这些作用于空气压缩机上后表现出的效果是可量化检验的,通过使用空压机可信赖的技术预测.再有,最有效地最大化理想的提取条件被发现了,通过压缩机的有效地特性曲线。 2.综合设计计划 正如所描述的一样,空气从压缩机中被提取出来.然后在ASU中被分离成氧气50 和氮气.氮气在热循环后返回到空压机.需要的提取出的空气的量取决于煤气体发 翻译文稿 生器的煤/氧气比率。很多针对于煤气化的研究结果表明最理想的比率是0.8-1.2.通过这些发现得知空气提取物只是总进气量的百分之三十。 如上的空气提取物压力和流动速率,PTD是关键设计参量对于ASU在热交换之前,所以PTD决定氮气重新进入压缩机的入口温度。 依靠上述的三种综合设计参量和附带的示意图表,大量的能量守恒在在进入压缩机后。 51