螺杆空压机控制系统设计 - 图文

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毕 业 论 文

题 目:螺杆空压机控制系统设计

学 生：徐可安

专 业：生产过程自动化

指导教师：朱建伟

完成日期 ： 2011-5-18

湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文

摘 要

移动式空气压缩机组中的柴油机为机组提供源动力，压缩机常采用可靠性高、噪声低、振动小的螺杆压缩机。

通过对单片机和PLC的控制方案进行了论证，得出了用PLC对空气压缩机组进行控制的结论。

文章介绍了压缩机主机和技术参数，描述了压缩机组的工作过程。整个系统工作过程分为气路系统工作过程和润滑油系统工作过程。对压缩机组控制系统要求进行了分析，在此基础上绘制出了整体系统框图和控制系统硬件原理图，并对控制系统进行了软件设计，具体给出了主流程图，梯形图及相应语句等。最后对压缩机组的操作使用方法进行了说明。

采用了三菱公司的FX2N-32MR型号的PLC来完成单螺杆空气压缩机组控制系统的设计。体现了单螺杆空气压缩机组的方便性和灵活性

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目 录

第一章 绪论....................................................... 4 1.1研究螺杆压缩机的目的和意义 .................................... 4 1.2 应用前景和发展状况............................................ 5 1.2.1 螺杆压缩机的应用前景..................................... 5 1.2.2 螺杆压缩机的发展状况..................................... 5 第二章 空气压缩机的工作原理........................................ 7 2.1 压缩机主机说明............................................... 7 2.2 压缩机组主要技术参数......................................... 9 2.3 压缩机组系统工作过程........................................ 11 2.3.1 气路系统工作过程........................................ 11 2.3.2 润滑油系统工作过程...................................... 13 第三章 总体设计方案选择............................................ 14 3.1 方案一：单片机控制.......................................... 14 3.2 方案二：PLC控制 ............................................ 14 第4章 系统控制要求............................................... 16 4.1 正常工作过程要求............................................ 16 4.2 系统安全保护和报警指示要求.................................. 16 第五章 控制系统的设计及实现........................................ 18 5.1 PLC的基本结构 ............................................... 18 5.2 PLC的工作原理 .............................................. 20 5.3 控制系统硬件设............................................... 21 5.3.3 正常工作过程............................................ 24 5.4 控制系统软件设计............................................ 26 5.4.1 机组操作流程图.......................................... 26 5.4.2 主程序梯形图............................................ 28 5.4.3 指示灯检查子程序........................................ 31 5.4.4 一般故障停机子程序...................................... 32 第6章 压缩机组的操作使用方法..................................... 35 6.1 运行前准备.................................................. 35 6.2 起动、运行.................................................. 35 6.3 停车........................................................ 36 6.4 注意事项.................................................... 36 结 论.............................................................. 37 致 谢.............................................................. 38 参考文献........................................................... 39

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第一章 绪论

1.1研究螺杆压缩机的目的和意义

本设计题目来源是自选科研。本课题主要是设计通用的螺杆空气压缩机。在深刻理解前人研究的理论基础上，在给定设计参数和设计要求的条件下，研究螺杆压缩机的几何特性、工作过程、受力分析，以进一步提高螺杆压缩机的机械性能，利用自备砂轮修正器的转子专用数控磨床，快速加工出新型线的转子，使转子的精度和表面粗糙度预计超过现有的值。设计吸气孔口的形状和合理位置，来提高压缩机效率。同时，研究型线和孔口配置等因素对噪声的影响指标，从而更有效地降低噪声。通过设计螺杆压缩机，可以了解螺杆压缩机的发展历程、研究现状和发展方向；深入理解螺杆压缩机的基本结构、特点、主要零部件设计选型、主机结构设计和机组系统设计；重点研究的是螺杆压缩机的几何特性、工作过程、受力分析、。通过设计，能了解设计的一般要求和规则，能将理论知识与生产实际联系起来。

螺杆压缩机是一种比较新颖的压缩机，因其可靠性高、操作维修方便、动力平衡性好、适应性强等优点，而广泛地应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门。统计数据表明，螺杆压缩机的销售量已占所有容积式压缩机销售总量的80%以上，在所有正在运行的容积式压缩机中，有50%是螺杆压缩机，今后螺杆压缩机的市场份额仍将不断扩大。可以看出，螺杆压缩机的设计研究在工业生产中具有十分重要的意义。通过本设计，可以充分了解螺杆压缩机的有关知识，以及如何进一步改善其性能和扩大其应用范围，使螺杆压缩机能得到更好的发展，为生产和生活服务。可以将所学理论知识与生产实际联系起来，并积累了宝贵的经验，为以后的工作打下了一个坚实的基础。

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1.2 应用前景和发展状况

1.2.1 螺杆压缩机的应用前景

(1) 喷油螺杆空气压缩机

动力用的喷油螺杆压缩机已系列化，一般都是在大气压力下吸入气体，单级排气压力有0.7 MPa、1.0MPa和1.3 MPa（表压）等不同形式。少数用于驱动大型风钻的两级压缩机，排气压力可达到2.5 MPa（表压）。此类压缩机目前的容积流量范围为0.2-100m3/min，越来越被用到对空气品质要求非常高的应用场合，如食品、医药及棉纺企业，占据了许多原属无油压缩机的市场。 （2）喷油螺杆制冷压缩机

目前，半封闭和全封闭式螺杆制冷压缩机广泛应用于住宅和商用楼房的中央空调系统，产量远远超过开启式。此外，螺杆制冷压缩机还用于工业制冷、食品冷冻、冷藏，以及各种交通运输工具的制冷装置。

在环境温度下工作时，单级螺杆制冷压缩机可达-25℃的蒸发温度，采用经济器或双级压缩，可达-40℃的蒸发温度。既能供冷又能供暖的冷热两用螺杆机组，近年发展很快。目前螺杆制冷压缩机标准工况下制冷量范围为10-2500KW。 （3）喷油螺杆工艺压缩机

喷油螺杆工艺压缩机的工作压力由工艺流程确定，单级压力比可达10，排气压力通常小于4.5MPa，但可高达9MPa，容积流量范围为1-200 m3/min。 （4） 干式螺杆压缩机

目前一般干式螺杆压缩机的单级压力比为1.5-3.5，双级压力比可达8-10，容积流量为3-500m3/min。 （5） 喷水螺杆压缩机

使喷入的水与润滑油隔开，用于一些可能发生聚合反应的气体，向压缩机入口喷入适当的溶剂，以冲掉这些化合物。 （6） 其他螺杆机械

螺杆压缩机可作为油、气、水多相流混输泵使用，也可作为真空泵使用单级真空度可达98%，能耗较其他类型真空泵低20%-50%。此外，螺杆机械还可作为膨胀机。

1.2.2 螺杆压缩机的发展状况

螺杆压缩机的螺杆齿形发展体现在以下四个阶段：第一代为Lysholm齿形，

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主要线段由点生成摆线组成，限于当年加工条件，主要用于无油螺杆压缩机；第二代为1964年的对称圆弧齿形，4+6齿，主要线段由圆弧和与之啮合的圆弧包络线组成，动力用螺杆压缩机为主要应用对象；第三代为非对称齿形SRM，4+6齿，主要线段由生成摆线和圆弧包络线组成，其效率较第二代提高10%，广泛用于喷油和无油螺杆压缩机；第四代，1982年后以SRM-D齿形为代表，5+6齿，4+5齿，5+7齿，主要线段为线生成式曲线，无尖点，凡第四代齿形均为节能型。

近年来，人们逐渐对内部进行喷油的双螺杆压缩机产生了兴趣。由于精密的专用数控转子加工铣床和磨床已经使任何型线的加工变得很方便，大量的研究工作在型线方面。其次阴、阳螺杆齿数从6：4发展到6：5。

日本的神钢与日立公司，在将近50年的时间里不断成功地开发出了节能明显的各种系列螺杆压缩机。从某种程度而言，日本的空压机节能技术的发展代表了当今世界空压机技术的发展方向。

螺杆压缩机在我国的发展历程较短，是一种比较新颖的压缩机，但其发展很快。目前，我国的喷油内冷却的动力用双螺杆压缩机比功率已达5.56KW（ /min），已超过国外产品最好的比功率5.54KW（ /min）。封闭式螺杆空压机噪声可达60-85dB(A),国外螺杆压缩机无故障运行在7* h，国内螺杆压缩机寿命可达4* h。西安交大刑子文教授开发的“SCCAD”螺杆设计计算软件，已转交给多家海内外企业应用。螺杆压缩机在国外占据80%以上移动式空压机市场，国内市场因柴油机方面的原因占份额不大，只有外资产品占有较少市场，螺杆空气压缩机占螺杆压缩机总量的85%，制冷空调方面螺杆压缩机约占12%。可以说，我国的个别企业的螺杆压缩机已经达到国际先进水平。

今后螺杆压缩机的市场份额仍将不断扩大，特别是无油螺杆空气压缩机和各类螺杆工艺压缩机，会获得更快的发展。目前，有人开始研究两螺杆啮合过程中磨损问题和润滑油在齿面上的分布，以提高转子寿命。有文献报道已可做到无磨损啮合。在制冷中，对于Co 作制冷剂的跨临界循环，用螺杆压缩机与螺杆膨胀机组成一体的机组已经被开发。未来主要是进一步提高螺杆压缩机的性能，扩大其应用范围。

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第二章 空气压缩机的工作原理

2.1 压缩机主机说明

1.基本结构

图 2-1 压缩机主机

它的基本结构如图2-1所示。在压缩机的主机中平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，通常把节圆外具有凸齿的转子（从横截面看），称为阳转子或阳螺杆；把节圆内具有凹齿的转子（从横截面看），称为阴转子或阴螺杆。一般阳转子作为主动转子，由阳转子带动阴转子转动。转子上的球轴承使转子实现轴向定位，并承受压缩机中的轴向力。转子两端的圆锥滚子推力轴承使转子实现径向定位，并承受压缩机中的径向力和轴向力。在压缩机主机两端分别开设一定形状和大小的孔口，一个供吸气用的叫吸气口；另一个供排气用的叫排气口

2.工作原理

螺杆压缩机的工作循环可分为吸气过程（包括吸气和封闭过程）、压缩过程和排气过程。随着转子旋转每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，为简单起见我们只对其中的一对齿进行研究。

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吸气过程如图2-2所示

图2-2(a) 吸气过程

随着转子的运动，齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积，这个齿间容积的扩大在其内部形成了一定的真空，而此时该齿间容积仅仅与吸气口连通，因此气体便在压差作用下流入其中。在随后的转子旋转过程中，阳转子的齿不断地从阴转子的齿槽中脱离出来，此时齿间容积也不断地扩大，并与吸气口保持连通。随着转子的旋转齿间容积达到了最大值，并在此位置齿间容积与吸气口断开，吸气过程结束。

吸气过程结束的同时阴阳转子的齿峰与机壳密封，齿槽内的气体被转子齿和机壳包围在一个封闭的空间中，即封闭过程。

压缩过程如图2-3所示

图2-3 压缩过程

随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减少，被密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致气体压力升高，从而实现气体的压缩过程。压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气口连通之前。

排气过程如图2-4所示

图2-2(b)封闭过程

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图2-4 排气过程

齿间容积与排气口连通后即开始排气过程，随着齿间容积的不断缩小，具有内压缩终了压力的气体逐渐通过排气口被排出，这一过程一直持续到齿末端的型线完全啮合为止，此时齿间容积内的气体通过排气口被完全排出，封闭的齿间容积的体积将变为零。

从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是通过一对转子在机壳内作回转

运动来改变工作容积，使气体体积缩小、密度增加，从而提高气体的压力

2.2 压缩机组主要技术参数

螺杆空气压缩机要在PLC控制系统的控制下达到一定控制要求，压缩机组，柴油机等要满足一定的标准。

依据单螺杆压缩机的结构情况和工作要求，在表2.5中列出了单螺杆压缩机的主要技术参数。

表2.5 单螺杆压缩机的主要技术参数 项目 形式 排气量(m3/min) 排气压力（MPa） 润滑油（L） 油气罐容量（m3） 润滑油冷却方式 润滑油压力(MPa) 型号 螺杆压缩机 6 0.8 25 0.056 风冷却 ≧0.12 YC4108Q 技术参数 压缩机 柴油机 形式 立式直列水冷四行程 湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文

气缸数 额定功率（KW/PS） 额定转速（r/min） 使用燃料 燃料箱容量（L） 机油容量（L） 冷却水容量（L） 起动方式 电瓶 结构形式 传动方式 安全阀开启压力(MPa) 超温自动停机温度(℃) 供气温度(℃) 供气含油量 接管口径（mm） 长（mm） 宽（mm） 高（mm） 重量（kg） 车轮尺寸（mm） 噪音 4 75/100 2800 柴油0号或-10号 120 13 20 24V电起动 SMFN70Zx2 移动式 联轴器传动 0.9 95 ≦90 3ppm 40 2850 1400 1760 1560 730 68 机组

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2.3 压缩机组系统工作过程

整个系统分为气路系统和润滑油系统二大部分。图2.6为柴油机移动式空气压缩机组的系统方框图。

图2.6 柴油机移动式空气压缩机组的系统方框图

2.3.1 气路系统工作过程

1.空气流动过程

外界空气由空气滤清器滤除尘埃后，经卸荷阀进入压缩机主机进行压缩，在压缩腔内与润滑油混合，压缩后的油气混合物经排气单向阀进入油气罐，在油气罐内旋转分离大部分的润滑油，再经过油气细分离器过滤掉残余的润滑油。接着经过最小压力阀、截止阀后送入使用系统中供顾客使用。

2.空气管路主要部件 （1）空气滤清器

空气滤清器的主要功能是滤除空气中灰尘，以避免压缩机主机啮合被过早地磨损及油过滤器和油气细分离器被阻塞。通常每500小时应取下清除表面的尘

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埃。在多灰尘的地区，则清洁时间要缩短。 （2）卸荷阀

卸荷阀主要用于控制进入压缩机主机的气量。卸荷阀有一个进气口、一个小进气孔、一个出气口和两个控制口。系统通过控制两个控制口的空气压差以及与弹簧力的比例关系，调整卸荷阀阀芯的位置，从而改变进气口的大小，控制进气量。当卸荷阀关闭即压缩机在卸荷状态时，通过小进气孔进入少量气体，以维持油气罐的基本压力，使压缩机有适量的润滑油供应。 （3）排气单向阀

排气单向阀能防止停机时，油气罐内的压缩空气倒流回主机体内造反转，损坏主机。

（4）油气罐和细分离器

油气罐有储油和油气粗分两种功能。油气罐侧装有油位计，运行时润滑油位应处在油位计H线与L线之间。罐上有加油孔，可供加油时使用。油气混合气体进入油气罐后沿罐壁流动，在旋转撞击作用下油滴聚合后落入油罐底部。内部档板维持空气和油滴不断旋转，方向和速度持续不断地改变，使愈来愈多的油滴从空气中清除出去，这种惯性作用使润滑油回到油气罐，经过这次油气分离后大部分的润滑油和少量的冷凝水被分离出来，排出的气体只含小量润滑油。油气罐下装有排水阀，潮湿季节，每天启用前应略为扭开排水阀以排出油气罐内的冷凝水。

细分离器位于油气罐的项部，用于油气再分离。油气细分离器的滤芯采用多层细密的特种纤维制成，压缩空气中所含的雾状油气经过油细分离器后几乎可被完全滤去，油气细分离器所滤过的油集中于中央的小圆凹槽内，通过回油管直接回流到卸荷阀的进气口，正常运转下，油气细分离器的滤芯可使用3000小时，但受润滑油质量和周围环境的影响可使滤芯寿命缩短。在油气罐与油气细分离器间装有一个压差开关，其设定压差值为0.1Mpa，当油气细分离器前后压差超过设定值时面板上的油气分离指示灯燃亮表示油细分离器已阻塞，应尽快更换。 （5）最小压力阀

最小压力阀开启压力设定为0.45MPa，其功能主要有两方面。一、起动时优先建立润滑油所需的循环压力，确保主机的润滑。二、在压力大于设定值时开启，可降低流过油气细分离器的空气流速，除确保油细分离效果外，还可保护油气细分离器免因压差太大而受损。 （6）截止阀

截止阀用于控制压缩机组供气口的开闭，停机时应关闭截止阀以隔离其它供气系统。

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2.3.2 润滑油系统工作过程

1.润滑油流动过程

螺杆式压缩机的润滑油主要有三种功能：润滑轴承与转子接触表面；密封啮合副间隙；冷却压缩过程。其中冷却压缩过程是最为重要的。油气罐内的润滑油在被高压气体压入油冷却器前，经过油粗过滤器过滤后，在油冷却器内被冷却再送入油细过滤器滤去污垢和杂质。过滤后的润滑油经过停油阀向主机喷入压缩室，一方面冷却压缩空气；另一方面用来润滑轴承组，然后再聚集于压缩室底部，随压缩空气排出。这些油气混合体经过排气单向阀后分别在油气罐和油气细分离器中被分离出来再开始另一次循环。

2.润滑油管路主要部件 （1）油冷却器

油冷却器与柴油机水冷却器做成一体，位于柴油机水冷却器旁边，同样采用风冷式冷却。 （2）油过滤器

油过滤器其功能是除去油中的杂质，如磨损的金属微粒、灰尘、油化合物等对轴承及主机有极大的危害。 （3）停油电磁阀

停油阀是一个常闭气控阀，其动作受停油电磁闭控制。柴油机起动时则通电开启，柴油机停机时则断电关闭。其功能是开机时保证润滑油能顺利喷入压缩机主机。停机时能迅速切断油路，避免润滑油继续喷入压缩机主机，导致润滑油由进气口喷出。停油阀的正常工作十分重要，若因故障而使停油阀不能正常开启，则可能导致压缩机主机因失油而损坏。

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第三章 总体设计方案选择

通过本专业的专业方向可以选择用单片机和PLC两种方案对压缩机组进行控制，结合设计课题的特点和要求对两种方案进行分析。

3.1 方案一：单片机控制

本设计可以通过单片机的控制达到预期的要求，但是由于单片机开发时间长、其控制系统寿命短，可靠性、抗干扰能力差、系统故障高且编程过程及程序较复杂，因此在本次设计中不予以采纳。

3.2 方案二：PLC控制

本课题的空气压缩机有可移动式、柴油机、空气式等要求和特点，用于机械、化工、冶金等行业,特别是采矿、铁路、公路修建等供电不方便的施工场合，须对温度、压力、排气量、油容量等模拟量和电机的运动进行控制。且PLC有以下优点：

1.编程方法简单易学

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

2.功能强，性能价格比高

一台小型可编程序控制器内有成百上千可供用用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3.硬件配置齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配置有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规

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模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

4.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。可编程序控制器用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10～1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户认为最可靠的工业控制设备之一。

5.系统的设计、安装、调试工作量少

可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过可编程序控制器上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6.维修工作量小，维修方便

可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。

7.体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用可编程序控制器后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型可编程序控制器的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。

可编程序控制器的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。

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第4章 系统控制要求

PLC控制系统要安全可靠，不但在一定的条件下要能正常工作，且出现异常是应有系统安全保护并报警。系统控制要求分为正常工作过程要求和系统安全保护和报警指示要求。

4.1 正常工作过程要求

1.开关接通应有相应的指示灯亮。

2.开机前，应能对所有指示灯进行灯亮检查，经过一定时间后，所有指示灯熄灭。

3.柴油机、压缩机处于低油压状态，应有相应指示灯信号。

4.启动柴油机后，应在怠速状态下运行一定时间，相应电磁阀打开，使柴油机油门气缸推动油门加速杆自动加速到全速状态。压缩机组运行时，应能通过自动调节系统自动调节气压：当系统压力过大时，应能通过相关电磁阀卸载，使柴油机减速至怠速状态；反之，使柴油机怠速至全速状态。

5.按手动“停止”按钮，压缩机组应能卸载，延时一定时间后，柴油机停车电磁阀动作，且不再给柴油机供油，柴油机自动停机。在紧急情况时，应有“紧急停机”按钮使机组立即停机。

6.关闭总电源开关，电源指示灯灭。

4.2 系统安全保护和报警指示要求

1.压力控制

（1）当压缩机油压低于一定值时，应有相应开关动作和油压低指示灯亮，机组立即卸载停机。

（2）当柴油机内油压小于一定值时，应有相应开关动作，运行指示灯闪烁，机组立即卸载停机。

（3）压缩机油气分离器两端压差大于一定值时，其开关动作，应有相应指示灯亮，此时，机组可不停机。

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（4）应设安全阀，使得机组出现故障（如可调节压力开关失灵），供气压力等于某一设定值时，安全阀开启放气，保护系统安全。当发现安全阀开启时，应紧急停机检查故障原因。

2.温度控制

（1）当机内排气温度大于设定值且超过一定时间时，应有相应开关动作，相应指示灯亮，机组立即卸载。

（2） 当柴油机冷却水温度大于设定值且超过一定时间时，应有相应开关动作，指示灯亮，机组立即卸载。

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第五章 控制系统的设计及实现

5.1 PLC的基本结构

PLC的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成[5]。

1.中央处理单元CPU

CPU是PLC的核心，其主要作用是:

（1）接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；

（2）用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据寄存器； （3）执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作；

（4）通过故障自诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。 因此，CPU的性能对PLC的整机性能有着决定性的影响。 2.存储器

PLC的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。 （1）系统程序存储器

该存储器存放系统程序(系统软件)。系统程序是PLC研制者所编的程序，它是决定PLC性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调PLC各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。 （2）用户程序存储器

该存储器存放用户程序(应用软件)。用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存放入用户存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用RAM。 （3）变量(数据)存储器

变量存储器存放PLC的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O寄存器、定时器/

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计数器中逻辑变脸的现行值等，这些现行值在CPU进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容所以，变量存储器也采用RAM。现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的CMOS-RAM及锉电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。通常PLC产品资料中所指的内存储器容量，是指用户程序存储器而言，且以字(16位/字)为单位来表示存储器的容量。

3.输入输出接口(简称I/O)

输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分，是PLC的重要组成部分。与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。

对于小型PLC，厂家通常将I/O部分就装在PLC的本体部分，而对于中、大型PLC,各厂家通常都将I/O部分做成可供选取、扩充的模块组件，用户可根据自己的需要选取不同功能、不同点数的I/O组件来组成自己的控制系统。

为便于检查，每个I/O点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指示。用户可以方便地检查各点的通断状态。 （1）输入接口

输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平，送给CPU处理。

一般的输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口的基本结构大同小异，常有直流和交流开关量输入接口电路两种。

交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是，前者要由现场提供交流电流，输入的交流信号经整流后得到直流，再去驱动光电耦合器。

在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。对这些模拟量进行采集时，必须经模数转换器(ACD)将模拟量转换成数字量，才能为PLC的CPU所接受。 （2）输出接口

为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载:双向晶闸管输出方式用于交流负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。

一些PLC 还真有模拟输出接口，用于需要摸拟信号驱动的负载。 4.编程器

编程器是PLC中一种主要的外部设备，它是开发、维护PLC控制系统的必备设备。编程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯，以及编程、监控转

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换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。

编程器有便携式和CRT智能式两大类，前者只能联机编程，而后者既可联机编程，又可脱机编程。便携式编程器体积小，重量轻，可随身携带，便于在生产现场使用。一般的小型PLC主要采用便携式编程器。

编程器是专用的，不同型号的PLC都有自己专用的编程器，不能通用。PLC正常工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的PLC可以只配一个编程器。 5.其他设备

PLC的外部设备还有盒式录音机、打印机、EPROM写入器及高分辨率屏幕彩色图。

5.2 PLC的工作原理

与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。

PLC的基本工作如下:

1.输入现场信息:在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态； 2.执行程序:顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；

3.输出控制信号:根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。

上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十毫秒。

在实际应用中，大多数机械设备的工作过程可以分为一系列不断重复的顺序操作PLC的工作方式与此相似。因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、直观，不容易出错，而且容易修改，从而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开发周期。

为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。

每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若

两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障.此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。

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阀动作“加载指示灯”亮。

4.当系统压力达到0.45Mpa时，最小压力阀打开，空气输出；运行过程中系统会根据用气量的大小而进行自动调节。

警告：机组运行过程中管路及管路均带有高温、高压，所以应关闭机门，决不允许松开管路或进行其他危险操作。

6.3 停车

1.按压“停止”按钮，压缩机卸载，柴油机减速，延时3分钟后，柴油机停车电磁阀动作，并且自动停车。

2.柴油机完全停止后，将钥匙开关扭至“OFF”处。若遇紧急情况，使用“紧急停止、复位”按钮，进行紧急停车；非紧急情况，请勿使用此操作。

3.关闭总电源开关。

警告：如冬天停机后必须将冷却器内积水排干净，否则会导致冷却器及管路冰裂及避免在下次使用时出现“冰堵”现象而导致严重事故发生！

6.4 注意事项

1.使用指定牌号的压缩机润滑油及柴油机机油，请勿将不同牌号的油混合使用。

2.压缩机润滑油，柴油机机油更换时间以及详细操作方法，将详细阅读使用说明书。

3.长期停用使用方法：如果压缩机在几周内不用，则只需每星期运转一次，约半小时即可。如果压缩机较长时间内不使用则应将所有开口封闭，以防湿气、灰尘进入。停用前运转半小时左右，两三天后排除油气罐及干燥器的冷凝水。尽可能把压缩机迁移到灰尘少，较干燥的地方存放。重新使用时应更换润滑油。

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结 论

这次毕业设计选择的课题是基于PLC技术的单螺杆空气压缩机组系统的设计，初次审视课题感觉有难度，随着课题的渐渐深入，对空气压缩机的工作特点和工作过程有了一定的了解，联系教材中三菱公司系列的PLC，对系统进行了设计。

对压缩机组的控制，传统的方法是采用纯继电器控制电路，其工作性能、寿命、可靠性及自动化程度受到一定的影响。本文根据空气压缩机的工作原理，设计了一种基于可编程程序逻辑控制器（PLC）的控制系统，不但能完成对开关量和一般故障的处理，还能对模拟量进行控制。满足了机组操作简便、工作稳定可靠、无人看守、自动控制及安全性和控制较高的要求。

在硬件系统基础上设计出软件系统，在实验室通过调试，证明其可行性。 该控制系统具有操作简便、安全可靠、自动化程度高等特点，在柴油机移动式空气压缩机组上运行效果良好。

通过这次设计，使我熟悉了PLC控制系统的设计，提高了对画图软件的应用能力，思考问题更能从整体上来入手了。

通过这次毕业设计深刻的认识到我很多方面还存在毛病，如设计上对硬件系统和软件系统的设计和整体的把握上还有很多不足，在经验和问题的解决上还有很大的提升空间。

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致 谢

首先感谢我的指导老师老师。在校外实习期间是黄老师首先联系我且给我了整体的方案和资料支持。在设计中黄老师细心的纠正了电子文档中格式的问题，纠正了图纸上的错误。从黄老师身上学习到了一种严谨的治学精神，积极的影响了我今后的学习和工作。

其次要感谢大学里给我支持和帮助的同学们，有了他们的帮助才能够让我清醒的认识到了自己在其他的方面和他们的不足和欠缺。

感谢在互联网上提供和查阅资料的朋友们，通过他们我知道了分享的快乐，能够非常便捷从他们那里得到大量，全面的资料。

感谢学校的图书馆，那些不同类型的书籍是我设计中不可失去的朋友。

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参考文献

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2003，11：94-95.

[2] 刑子文. 螺杆压缩机——理论、设计及应用[ M ] .北京: 机械工业出版社，

2000.

[3] 徐明, 等. 压缩空气站设计手册[M] .北京: 机械工业出版社,1993. [4] UGENO M,KANG G T.Structure identification of Fuzzy model[J].Fuzzy

sets and systems, 1998,Vol 28：35-36.

[5] 赵曙光,郭万有,杨颂华编著. 可编程逻辑器件原理、开发与应用[M] .西

安：西安电子科技大学出版社,2000.

[6] 方承远主编. 工厂电气控制技术[M] .北京：机械工业出版社,2000. [7] 郑瑜平编. 可编程控制器[M] .北京：北京航空航天大学出版社,2001. [8] 三菱微型可编程控制器（FX2N系列）使用手册.

[9] 谢克明,夏路易主编. 可编程控制器原理与程序设计[M] .北京：电子工业

出版社,2002.

[10] 廖常初主编. PLC编程及应用[M] .北京：机械工业出版社,2002.

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诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。

处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制

信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。 PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停

电、出现故障等才停止工作。

设计一个PLC控制系统，如同设计一种电气控制系统一样，其目的都是通过控制被控对象（生产设备或生产过程）来实现工艺要求，提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则[7]。

1.PLC控制系统控制被控对象最大限度地满足工艺要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜索资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

2.在满足工艺要求的前提下，力求使PLC控制系统简单、经济、使用及方便。3.保证控制系统的安全、可靠。

4.考虑到生产的发展和工艺的改进，在配置PLC硬件设备应适当的留有一定的裕量。

5.3 控制系统硬件设

5.3.1 确定I/O点数

PLC输入输出设备及其对应的I/O点数见表5.1所示。

表5.1 PLC输入输出设备及其对应的I/O点数

输入设备 工作方式选择开关S2 按钮SB 启动开关KC 压力开关SP 温度开关SW 总计 I/O点数 2 2 1 4 2 11 输出设备 充电检查电磁阀KC4 电磁阀KC（1-3） 断油电磁阀YV3 指示灯HL 总计 I/O点数 1 3 1 6 11 湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文

根据螺杆压缩机组的控制要求，S2的两个输入I/O点不进入PLC控制程序，且指示灯HL2和加载电磁阀KC2共用一个输出I/O点，可以确定控制系统的输入点数为9点，输出点数为10点。

参照PLC的I/O点数，以及与教材的紧密联系，在这里的PLC选择日本三菱公司生产的可编程控制器FX2N—32MR，FX2N系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块

系列名称I/O总点数基本单元输出形式：R继电器输出S晶闸管输出T晶体管输出FX2N32MR图5.2 PLC基本单元的型号名称体系图

及特殊功能单元组成。其基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。它的型号名称体系如图 5.2所示。

可编程控制器FX2N—32MR的I/O总点数为32点，其中输入、输出点数各为16点，而单螺杆空气压缩机PLC控制系统的输入、输出点数分别为9点、10点，完全符合要求。

5.3.2 选择PLC

考虑I/O点数各留10%～30%的裕量用于功能扩展，因此选用三菱公司FX2N-32MR型号的PLC，其输入16点，输出16点，能满足要求。其I/O分配表见图5.3。再由I/O分配表得出电气控制原理图，电气控制原理图如图5.3。

I/O分配表

输 入 部 指示灯检查 停止按钮 可调压力开关 排气温度开关 SBS SBP SP1 SW1 X1 X2 X3 X4 名称 起动信号 元件代号 KC1 PLC数据 X0 湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文

分 压缩机油压开关 油气分离器压差开关 柴油机水温开关 柴油机油压开关 SP2 SP3 SW2 SP0 HL1 KC5 HL2 KC2 KC3 HL4 HL5 HL6 HL7 KC4 YV3 图5.3 I/O分配表

X5 X6 X7 X10 Y0 Y1 Y2 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 输 出 部 分 运行指示灯 卸载放气电磁阀 加载指示灯 加载电磁阀 故障停车继电器 排气温度指示灯 压缩机油压低指示灯 油气分离器压差指示灯 柴油机水温指示灯 充电指示灯检查 断油电磁阀 湖州职业技术学院自动化类专业毕业论文

DC24VKC4VCS1MDFU1SBHS2起动132KC2运行KC3KC5pGDMD`HL0HL3电源指示充电指示发电机电动机运行指示灯卸载放气电磁阀加载指示灯加载电磁阀故障停车继电器排气温度指示灯压缩机油压低指示灯卸载放气阀柴油机油压表柴油机水温指示灯压缩机润滑油压力表充电指示灯检查柴油机转速表断油电磁阀运行时间表油气分离器压差指示灯HL4HL5HL6HL7KC4YV3FU3HL1KC5HL2KC2KC3FX2N—32MRCOM24+Y024-KC1起动信号SBS指示灯检查SBP停止pSP1可调压力开关θSW1排气温度开关pSP2压缩机油压开关pSP3油气分离器压差开关θSW2柴油机水温开关pSP0柴油机油压开关FU2KC1MDYV1YV2YV4SP0起动继电器电动机继电器油门继电器停车电磁阀Y1COMY2Y3Y4Y5Y6Y7Y10Y11X0X1X2X3X4X5X6X7X10pSP2nZBt 5.4 电气控制原理图

5.3.3 正常工作过程

1.接通总电源开关S1，电源指示灯亮。

2.打开钥匙开关SB至“运行”档，此时，运行指示灯不断闪烁，压缩机润滑油油压指示灯亮，表示柴油机、压缩机处于低油压状态，控制电路电源已接通。

3.起动柴油机

（1） 将钥匙开关扭至“起动”位置，柴油机起动成功后，将钥匙开关回位至“运行”位置，此时柴油机在怠速状态下运行。待柴油机、压缩机润滑油油压力建立，即“运行指示灯”由闪烁变为亮，“压缩机润滑油压指示灯”熄灭。 （2）检查压缩机排气压力表、润滑油压力表、柴油机机油压力表、柴油机转速和运行时间表是否正常。

4.运行

（1） 柴油机在怠速状态下运行5分钟后，油门电磁阀得电打开，油门气缸推动油门加速杆自动加速到全速状态。同时放气电磁阀关闭，系统内压力会迅速上升。

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压缩机在运行过程中，自动调节系统会依用气量的大小而进行自动气量调节，即当系统压力达到可调压力开关上限值时，加载电磁阀断电，关闭卸荷阀，同时油门气缸推动油门杆减速到怠速状态；反之，当系统压力达到可调压力开关下限时，加载电磁阀得电，打开卸荷阀和推动油门气缸，使柴油机加速到全速状态。

（2）停止。

①按压“停止”按钮，压缩机卸载，放气阀打开，油门气缸放气减速，延时3分钟后，柴油机停车电磁阀动作，柴油机自动停车。

②若有紧急情况，将按压“紧急停车、复位”处机组会立即停车，非紧急情况，请勿使用紧急停车功能。

③关闭总电源开关。

5.3.4 系统安全保护和报警指示

1.压缩机排气温度开关(X7),其设定值为95℃，当机内排气温度大于设定值超过1秒，压缩机组立即卸载停车，同时，排气温度指示灯亮。

2.压缩机润滑油压力开关(X4),在运行过程中，压缩机油压低于0.1Mpa时，油压开关动作，指示灯亮，同时压缩机组立即卸载停车。

3.柴油机冷却水温开关(X10)，其设定值为98℃，当柴油机冷却水温大于设定值超过1秒时，其开关动作，指示灯亮，压缩机组立即卸载停车。

4.柴油机机油压力开关(X5),其设定值为0.1Mpa，当柴油机内机油压力小于设定值时，其开关动作，运行指示灯闪烁，同时，机组立即卸载停车。

注：以上故障停车与紧急停车效果相同，当机组完全停机后，必须将“紧急停止、复位”按钮扭向“复位”处，排除故障后，机组才能正常起动。

5.压缩机油气细分离器压差开关(X6)，其功能是判断油分离器是否阻塞，当压差大于0.1Mpa时，其开关动作，相应指示灯亮，但机组不停机，仍继续运行。

6.可调压力开关(X3)压力开关上限出厂已经调好，用户不许再调整，压力开关下限用户可以根据用气情况设定。

7.安全阀起高压保护作用，其开启压力为0.9Mpa,即高于压缩机额定供气压力0.1Mpa。在正常工作情况下供气压力不应达到该值，当机组出现故障(如可调压力开关失灵等)致使供气压力达到设定值时，安全阀开启放气，使压力下降，保护系统安全。当发现安全阀开启时应紧急停机检查故障原因。安全阀上装有手柄，没三个月或1000小时要用力拉拨一次(开机下进行)和进行清洗，检查阀开启和关闭情况，以确保安全阀能正常工作。每年或没3000小时应测试一次它的开启压力，发现开启压力不正确时可通过旋转其上的六角螺母重新设定。

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5.4 控制系统软件设计

根据单螺杆空气压缩机组的工作过程和硬件系统要求，对系统图进行分析，

绘制出机组操作流程图，再分析出主程序梯形图，从中解析出指示灯检查子梯形图，一般故障停机子梯形图，写出对应的程序。

PLC在工业生产上的应用和设计的具体做法就是选择合适的PLC机型，在了解设备的控制要求，确定了被控对象和元件之间的逻辑控制关系后，把PLC的各种指令进行组合嵌套，利用各种控制结果和逻辑关系，完成信号相互传递、联锁、转换等逻辑控制，设计出PLC控制系统梯形图。

5.4.1 机组操作流程图

系统接通电源后检查灯检查指示灯，正常启动后判断是否紧急停机，紧急停机进入故障程式，在故障程式中如果排除了故障，系统将复位，没有将循环检查故障。正常启动后判断仍正常工作，柴油机进入怠速运行，5分钟到机组全部正常运行。正常运行后判断是否紧急停机，紧急停机调用一般故障停机主程序再判断，最后正常停机。

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开 始 灯检查开机紧急停机？NY柴油机怠速运行５min到？Y机组运行N停机？YN是紧急停机？NY调用一般故障停机子程序Y排故障是紧急停机？N故障排除吗？正常停机Y复位NＥＮＤ

图 5.5 机组操作流程图

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5.4.2 主程序梯形图

通过机组操作流程图绘制主程序梯形图，主程序中包括指示灯检查和一般故障停机的流程。在低速状态下起动柴油机后怠速状态下运行,最后安全停止.当温度或者压力等值超过或低于一定的标准值时,系统应用安全保护和报警子程序。主程序梯形图如图5.6所示：

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图5.6 主程序梯形图

主程序指令表

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5.4.3 指示灯检查子程序

接通总电源开关S1，电源指示灯亮。X0接通，M0得电，运行指示灯不断闪烁，压缩机润滑油油压指示灯亮，表示柴油机、压缩机处于低油压状态，控制电路电源已接通。按压指示灯检查按钮，对所有指示灯进行燃亮检查，手离开按钮5秒后所有指示灯熄灭。指示灯检查应在开机前进行，压缩机运行过程中，按压灯检查按钮不会有任何反应。指示灯检查子程序如图5.7所示。

P1X0M1T0X0M0M0T0 K50Y0Y1Y2Y3Y5Y10SRET

图5.7指示灯检查子程序

指示灯检查子程序相应指令表

LD X0 ANI M1 ANI T0 MPS OUT M0 ANI X0 OUT T0 SP K50 LD M0

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MPS OUT Y0 MRD

OUT Y1 MRD

OUT Y2 MRD

OUT Y3 MPD

OUT Y5 MPS

OUT Y10 SRET

5.4.4 一般故障停机子程序

S2打到2机组处于正常工作状态。T1得电使得柴油机机油压指示灯开关X5通,其开关动作，运行指示灯HL5闪烁，同时，机组立即卸载停车。压缩机润滑油压力开关X4通,M3得电,M4得电自锁,同时M5得电. 柴油机机油压力开关X5得电,M6得电,1秒后开关动作,运行指示灯闪烁，同时，机组立即卸载停车。T3通使得M9得电自锁,Y1通,卸载放气电磁阀。柴油机冷却水温开关X10通，1秒后M10得电自锁，Y3通，故障停车继电器Y3通，系统停机。一般故障停机子程序如图5.8所示。

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T1X4M3M4M3M3X5M6M6M7M6X6X7T3M9M9X10T4M10M10SRETY3Y1T4 K10M10T1M8Y4T3 K10M9T5M8T1M5Y2M6T5 K10M7M5 M2X3M4M7M9M10Y7 Y5M3M4

图5.8 一般故障停机子程序

一般故障停机子程序相应指令表

LD T1 ANI M2 ANI X3 ANI M4 ANI M7 ANI M9

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ANI M10 ANI Y7 OUT Y5 LD M4 OUT M3 LD M3 OR M4 ANI M5 OUT M4 LD M3 ANI T1 OUT M5 LDI M3 OUT Y2 LD X5 OUT M6 LDI M6 ANI T5

OUT T5

SP K10 LDI M6 OR M7 ANI M8 OUT M7 LDI M6 ANI T1 OUT M8 LD X6

OUT Y4

LD X7 OUT T3 SP K10 LD T3 OR M9

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LD M9 OUT Y1 LD X10

OUT T4 SP K10

LD T4 OR M10 OUT M10

OUT Y3

SRET

第6章 压缩机组的操作使用方法

6.1 运行前准备

1.检查柴油机机油的油位，冷却水的水量及压缩机润滑油的油位。 2.请将油气罐的排油阀打开，排除冷凝水。 3.检查冷却风扇的紧固性及风扇皮带的松紧度。

4.打开总电源开关，检查“紧急停止、复位”按钮应在复位处，此时“电源指示灯”亮。

5.将控制面板的钥匙开关扭至“运行”位置，此时“压缩机润滑油低压指示灯”亮“运行指示灯”闪烁。

6.指示灯的燃亮情况，若在运行过程中按压“灯检查”不会有任何反应。

6.2 起动、运行

1.将钥匙开关扭向“起动”位置，起动柴油机，待柴油机起动成功后，观察柴油机及压缩机油压建立情况，即“运行指示灯”有闪烁变为亮，“压缩机润滑油低油压指示灯”熄灭。若此次未起动成功，须将按压“紧急停止、复位”进行复位清除后，才能再次起动。

2.查压缩机排气压力表、压缩机润滑油压力表、柴油机转速表运行时间表、柴油机机油压力表是否正常。

3.柴油机在怠速状态下运行5分钟后，自动加速至全速状态，同时加载电磁

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