矿用自动风门设计

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矿用自动风门设计 第1章 绪论

1.1 国内外矿井用风门的发展现状 1.1.1 国内矿井风门的发展现状

风门是最主要的通风装置之一，风门安设在挡风墙上，为了能保持该巷道的通行与运输。为了防止风流短路使矿井一部分的即定通风系统遭到破坏，风门的数目不应少于两个；各风门间的距离应大于列车的最大长度。如果巷道放设有铁轨，则必须设法防止经过门坎漏风。连接入风井与排风井的巷道，应设置两个混凝土挡风墙或砖挡风墙，每道挡风墙上应设两风门。 风门有木制的和铁制的。铁风门在重要的地方采用，例如，在入风井排风井间的联络巷道里，该处空气压力很大，且有发生短路的危险。门板一般是用厚不小于3mm的钢板覆盖作门面。为了坚固门板上还要装置角铁。门框处了严密，在门框边缘钉有毛毡或密封条。 目前我国矿井使用的木制风门的地点比较多。这种风门的优点是： 1. 结构坚固、不易损坏、使用年限为1.5——2年。 2. 漏风少。

3. 规格统一，可以在地面上做成成品在井下安装，并可反复使用。 4. 经济，其制造与维修费的总和较一般形式的风门低。

井中，目前也常使用木材和铁板混合制成的风门。这种风门的使用年限更长，其构造更加严密。

由于矿井通风管理，向自动化方向发展，要求风门能自动关闭。尤其是在井下运输频繁的地方，风门的自动化更显得重要。 下面介绍几种典型的自动风门：

1. 矿车撞杆式自动风门。 种自动风门一面是靠拉杆连动装置打开风门的，另一面，则靠矿车撞击缓冲器而打开风门。此风门多用于轨道上山和轨道下山中。

2. 气阀式自动风门。 这种风门是靠压缩空气（或压力水）推动汽缸活塞，活塞带动连杆；活塞的往复运动使风门开关，压缩空气（或压力水）是靠矿车触动开关控制的。 3. 电动自动风门。 这种自动风门的关闭是靠电动机传动件速装置来完成的。电动机的启动和停止由设在轨道下面或巷道两侧的接触点来控制。某些矿井利用光电继电器自动控制电动机开闭风门。当矿车（或电机车）到达时，由于光电的作用，打开风门使矿车通过。矿车过后风门自动关闭。 1.1.2 国外矿井风门的发展现状

国外的风门系统较我国起步早，发展成熟。早在八十年代，国外就开始尝试了矿井风门的自动化研制。到九十年代，新型风门理论已相当完备，其相应的风门产品已广泛的投入到了市场中。

下面介绍几种典型的自动风门：

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1. 矿车撞杆式自动风门。 种自动风门一面是靠拉杆连动装置打开风门的，另一面，则靠矿车撞击缓冲器而打开风门。此风门多用于轨道上山和轨道下山中。

2. 气阀式自动风门。这种风门是靠压缩空气（或压力水）推动汽缸活塞，活塞带动连杆；活塞的往复运动使风门开关，压缩空气（或压力水）是靠矿车触动开关控制的。 3. 电动自动风门。 这种自动风门的关闭是靠电动机传动件速装置来完成的。电动机的启动和停止由设在轨道下面或巷道两侧的接触点来控制。某些矿井利用光电继电器自动控制电动机开闭风门。当矿车（或电机车）到达时，由于光电的作用，打开风门使矿车通过。矿车过后风门自动关闭。

4. 新兴的“PLC风门” 。 进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展。与此同时，矿用风门系统也成此东风，展开了长足的发展。直至目前而言，由于其出色的性假比及稳定的工作性能，“PLC风门”仍引领着国外矿用风门的潮流。 1.1.3 通风系统概述

而根据矿井安全规程，可知矿井通风是必要的。地面的大气进入矿井以后，在成分上会发生一系列的变化。这是因为煤和其它物质的氧化、人的呼吸会使氧气减少和二洋化碳增加；井下煤和岩层中不断放出沼气（CH4）、二氧化碳等有害气体在生产过程中也要生成岩尘，煤尘和炮烟等。其中瓦斯（沼气）和煤尘达到一定浓度遇火时就会引起爆炸。此外，井下空气由于地热作用、人体和机械的散热，水分的蒸发等原因，温度和湿度都会显著增加，造成不良的气候条件。因此，对矿井必须进行通风。 矿井通风的任务：

1. 供给井下人员足够的新鲜空气。

2. 把有害的气体和矿尘稀释到安全浓度以下，并排出矿外。 3. 保证井下有适宜的气候条件，以利于工人劳动和机器运转。

矿井通风工作，对于保证矿井安全生产，创造良好的气候条件，提高劳动生产率，具有十分重要的意义。

此外，危及矿井安全的重要一项就是瓦斯爆炸。因此，必须采取必要的措施来防止矿井中的 瓦斯爆炸。而瓦斯爆炸必须具备两个条件。瓦斯浓度为5~~6%的混和气体和温度为摄氏650~~750°的火源来引爆。为此，预防瓦斯爆炸必须从两个方面考虑。其中防止瓦斯积聚的措施之一有加强通风。用足够的风量把瓦斯稀释到无害的程度。例如： 1. 采用机械通风（在瓦斯矿井应采用抽出式通风）。

2. 正确合理地计算与分配风量，使各采掘工作面，各巷道，各峒室都供给足够的风量，既不使瓦斯超限又能创造良好的气候条件。

3. 加强风扇管理和风筒的维护，防止漏风，避免循环风流。保证掘进工作面有足够的新鲜风流，严禁用扩散通风。

4. 正确的选择通风构筑物的位置，加强其维护与管理，防止矿内大量漏风 5. 在瓦斯矿井中，回采工作面，回风巷道都要采用上行通风。

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为此，矿井中必须建立比较完善的通风系统。其中矿井用风门就是矿井通风系统中的一个重要组成部分。它属于通风构筑物（通风构筑物包括风门、密封闭墙、主风井巷口的密闭装置及其它的通风构筑物）。由于风门有以上的作用和意义，实现矿用风门的自动化也就显得势在必行。

1.2 本次毕业设计的主要内容

本次毕业设计的对象就是矿用自动风门系统。主要的设计内容包括： 1. 自动控制风门系统总体方案的设计 2. PLC程序框图设计

3. 风门结构及机械传动系统设计

= 1 \\* GB2 ⑴门体系统（包括门体、上下轨道、导向轮及张紧装置等） = 2 \\* GB2 ⑵传动系统（电机选型、减速器选型、摩擦传动及手摇机构） 4. 电器控制箱设计 5. 自动风门系统电气设计

设计的重点是第三部分的内容。以下是设计对象的有关描述： 主要技术参数及技术要求

1. 风门有效断面5600mm X 3200mm； 2. 风门承受压差1200mm水柱；

3. 风门采用钢丝绳牵引，摩擦驱动水平对拉式开关门方式； 4. 来车检测信号采用灯光脉冲照射检测装置； 5. 风门要实现自动控制、手动控制且要相互自锁； 6. A B两道门实现相互闭锁；

7. 电器要满足防爆、隔爆等安全要求。 1.3 矿用自动风门系统的组成及工作原理 1.3.1 系统组成

如图1-1所示，该系统主要由两道门，来车识别装置，状态检测装置，电控，PLC控制箱等部分组成

图1-1 自动控制风门系统组成图

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图1-2 自动控制风门结构图

而每道门又如图1-2所示，由两扇门体、道轨组合、滑轮组合、驱动装置、牵引钢丝绳、张紧装置等组成。 1.3.2 工作原理

风门系统为两道门，每道门采用水平对拉式开闭，风门的开闭由驱动装置通过钢丝绳牵引两扇门体实现。门扇通过滚轮吊装在上轨道中，上轨道固定在巷道顶板上。门扇的下端处在下轨道槽内。门体的开闭状态采用行程开关检测，两道风门相互闭锁。风门可实现自动控制，手动按钮开闭及人工通过手摇机构开闭。每道门在其中的一扇门体上装有人行便门，以便单人行走通过。风门开闭驱动是由防爆电动机、蜗轮蜗杆减速器、摩擦轮来实现。驱动钢丝绳牵引门扇运动。通过电动机正反转实现风门的开闭。如图1-3所示：

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1– 驱动电机 2–减速器 3–摩擦轮4–导向轮 5–门体一 6-门体二 7–张紧重锤 图1-3 风门驱动装置原理图

控制系统由PLC控制器，各种传感器，检测装置等组成。风门的开启操作申请信号来自光敏传感装置，每道门设有两套光敏传感装置。一套供头灯照射申请开门，传感装置安装在巷道侧壁上；另一套供车灯脉冲照射申请开门，传感装置安装在门体上。采用脉冲照射是为了避免其它非开门光源造成系统误动作，并且通过PLC控制器编程实现。风门的关闭靠PLC定时控制，即风门开启后延时一段时间自动关闭。两道风门相互闭锁，也就是说同一时刻只允许一道风门处于打开状态，而另一道风门无论是否有开门申请信号都处于关闭状态。风门的开闭状态采用接近开关检测，信号传输给PLC控制器。

在一些特殊情况下，如自动控制系统出现故障；风门安装调试过程中；检修维护时等，也可以通过手动按钮操作风门的开闭，或用人工开闭风门。

每道风门的两侧还设有光电开关，其作用是在风门关闭过程中有人、车辆或其它物体时，由于产生了有障碍物信号，通过PLC控制使风门再次打开。这样可防止风门夹住处于中间的行人、车辆或其它物体。

具体的风门系统的工作过程如下：

1. 当上行或下行车辆通过车灯脉冲照射申请开门时，系统均产生申请信号，A、B门申请开门信号以先得到者有效，后得到者保持。

2. A门（或B门）申请开门信号有效时，执行开门操作，同时有灯光指示，门开后延时15–30秒，此期间若还有申请信号，再延时15秒，在检测无障碍情况下，执行关门操作。A（或B）门关闭后，延时2秒，B门（或A门）执行开门操作，同时有灯光显示，开门后延时30秒，在检测无障碍情况下执行关门操作。

3. 当下行车辆通过B门（或上行车辆通过A门）期间，若有上行车辆申请B门开门信号（或下行车辆申请A门开门信号）则B门（或A门）继续延时30秒，上行（或下行）车辆可进入B门（或A门），然后再执行后续程序。 第2章 矿用自动风门的门体及传动系统设计 2.1 门体设计

风门门体及上下导轨的组成如图2–1所示。

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两扇风门通过滚轮组件吊装在上导轨组合中，上导轨对门体起导向和承重作用，门体通过槽轮与下导轨结合，下导轨通过槽轮承受风压作用在门体上的侧向力。

2-1风门门体及导轨简图

风门门体要求整体刚度好，不易变形，适合井下环境和条件。风门门体采用轻型槽钢焊接成骨架。其结构为：先将槽钢互相焊接如图2-2所示的门架，用3mm厚的钢板覆盖作门面，骨架及门面板在制造时做防锈处理。在其中的一扇门上设有行人便门，因此其中一扇门在焊接过程中应当注意留有小门。在门体上、下及侧面应安装有密封压板与密封条，门扇周边采用橡胶带密封，以防发生漏风现象。

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图2-2

在左门门体上装有光电开关固定板，用来固定光电开关。其左门结构形式如图2-3所示。在右门门体上留有一小门，便于人行。其右门结构形式如图2-4。

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1-门体 2－上密封条 3－侧密封条 4－光电开关 5－下密封条 图2-3 左门体结构示意图 图？？？？？？

1－小门 2－门体 3－门架 图2-4 右门体结构示意图 2.2 上下导轨设计

风门的上下轨道由工字钢与连接板及端板焊接而成。工字钢的材料使用Q235-A，其硬度、强度、钢度均能满足使用要求。

上轨道采用20号槽钢，并通过工字钢固定在巷道顶板上。下道轨采用18公斤道轨。门扇的下端处在下轨道槽内，通过滑轮与轨道槽钢接触限位，防止门体与轨道接触而增加阻力，且滑轮又能起到导向的作用。风门的这种结构形式可以使门体在受风压时，通过侧轮在上、下轨道侧壁滚动接触，因而减少了运行阻力，使风门开闭自如，不易卡死。

图2－5工字钢的简图 2.3 传动系统的设计 2.3.1 驱动系统的设计计算

风门开闭驱动装置是由防爆电动机、蜗轮蜗杆减速器、摩擦轮组成，驱动钢丝绳牵引门扇作往复运动。 1. 驱动方式

采用摩擦驱动方式控制风门的动作。其主要的技术参数： 功率：4KW 拉力：8KN 速度：210mm/s 2. 电动机的选型

电动机选择时应综合考虑的问题。

= 1 \\* GB2 ⑴根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的起动、制动、反转、调速等要求来选择。

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= 2 \\* GB2 ⑵根据负载转矩、速度变化范围和起动频繁程度等要求，考虑根据负载转矩、速度变化范围和起动的温升限制、过载能力和起动转矩选择电动机的容量。

= 3 \\* GB2 ⑶根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。

= 4 \\* GB2 ⑷根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定的电压等级和类型。 = 5 \\* GB2 ⑸根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过滤过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度选择电机的额定转速。

此外，选择电动机还必须符合节能的要求。考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易程度，以及产品价格、建设费用及生产过程中前后期电动机容量变化等因素。

由于是在矿井下工作的电机，故除了能达到传动的功率要求之外，还应该作到符合矿山安全规则中的防爆要求。为此，选用YBK系列隔爆型三相异步电动机。该系列电动机是轴向全封闭自扇冷鼠笼型隔爆型三相异步电动机，具有效率高，起动转矩大，噪声低，振动小，温升幅度大，性能优良，隔爆结构先进合理，使用安全可靠，体积小，重量轻，外形美观等特点。一般制成隔爆型“Di”，适用于有甲烷或煤尘爆炸性混和气物的矿井中。（其中各符号的含义为：K——矿用；d——隔爆型电气设备；I——煤矿井下用。）表2-1、表2-2为所选电机的基本尺寸及基本技术参数。 表2-1 YBK132M-6的外形尺寸 机座号 级数 A A/2 B C D E F G H K M N 132M 2 216 108 178 89 38 80 10 33 132 12 265 230

表2-2 YBK系列隔爆型三相异步电动机技术数据 型号 YBK132M-6 型号 功率 电流 转速 (KW) (A) 4 噪声 Db(A) 9.4 效率 功率因数 转动惯量 (Cosφ) 0.77 (Kg·m) 0.203 2(r/min) (%) 960 84 外形尺寸 长x宽x高 重量 (Kg) 。

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(mm) YBK132M-6 +

3. 减速机的选择 考虑到速度比较大（

，减速器使用单级轴向剖面圆弧齿圆柱蜗杆减速器。这种减速

71 550x380x470 90 器适用于矿山、冶金、起重、化工及建筑等机械的各种减速装置。输入轴转速一般不大于1500rpm，工作环境温度为−40~45℃，高速轴可正反转。

根据《机械传动设计手册》，这种减速器的装配型式有四种：通用型、蜗杆下置型、蜗杆上置型、蜗杆侧置型。为便于与电机的安装和考虑到减速器的输出轴又要与附带着的摩擦轮相连接，选用了蜗杆下置型（代号为WHX）又因为是不经常工作或间歇性工作，可选用不带风扇型式。

最后选用了型号为−160−9−Ⅰ中心距为160mm，公称传动比为50。如图2-5所示为减速器的外形及安装图。

图2-5

表2-3减速器的外形基本尺寸 4. 手摇机构的设计

= 1 \\* GB2 ⑴手摇机构的基本结构

手摇机构主要由绳轮、轴套、外铜套、内铜套、油杯、挡圈通过销、与螺纹联接。在设计结构时应考虑到部件需要油润滑，便于安装、使用与维护等因素。如图2-6所示。

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图2-6 摩擦轮简图

= 2 \\* GB2 ⑵结构设计计算 钢丝绳的速度：

电动机的转速：

经过一系列的试选，确定减速机的转速比为： 由

式中 得

式中

——摩擦轮的直径 m; ——减速机的输出转速

;

所以选摩擦轮的直径为：200mm 5.联轴器的选用

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在本设计的传动系统中，电动机与减速器需要用联轴器实现连接

在某一特定条件下的传动，如何选择比较恰当的联轴器，不仅影响联轴器本身的性能和寿命，也关系到整个机械的工作性能、使用寿命、维护和经济性能等。当选择联轴器类型时应考虑以下因素：

= 1 \\* GB2 ⑴联轴器传递的载荷和性质 不同结构和材料的联轴器的承载能力差别很大。通常弹性联轴器都具有缓和冲击的作用并且金属弹性元件的联轴器的承载能力要高于非金属弹性元件的联轴器

= 2 \\* GB2 ⑵联轴器的工作转速 不同类型的联轴器适应的转速范围也不一样。尤其是在变速下工作是，应选用能适应速度突变引起的惯性冲击和振动的联轴器。

= 3 \\* GB2 ⑶联轴器联结两轴的相对位移 这是由于种种原因，联轴器所联结的两轴是难免要发生相对位移的。

= 4 \\* GB2 ⑷联轴器工作环境 在选择类型时，必须考虑工作环境的影响。例如温度、湿度、油、溶剂、阳光等对含有橡胶弹性元件的联轴器的影响较大，易引起橡胶老化而改变其物理性能和机械性能。

有上述因素并考虑到联轴器需承受一定的冲击，及井下安装条件的复杂。故而选用弹性联轴器。弹性联轴器除了能够补偿两轴的相对位移，降低对联轴器安装的精确对中要求外，更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自振频率，避免发生严重的危险性振动。此外，这种联轴器还具有结构紧凑，装配方便，减振吸振等的特点。

由于比较常用的联轴器已经系列化和标准化。因此，在选用标准的联轴器类型后要确定联轴器的基本尺寸（型号）

在选用联轴器型号时，一般都是以联轴器所传递的计算转矩Tc小于或等于所选联轴器的额定转矩Tn为准则。联轴器实际需要传递的转矩常用计算转矩Tc表示，它等于联轴器的理论转矩乘以大于1的工作情况系数K，即 Tc=KT≤Tn

式中 T——理论转矩 N•m；

Tn——额定转矩 N•m，在手册中可查得；

K——工作情况系数，其值与动力机和工作机的类型、工作条件、传动轴系的转动惯量有关。

表2-2列出了几种常用情况下的K值 表2-2常用情况下的K值 2.3.2 传动系统的设计计算

在风门的开闭过程之中，风门的受力情况如图2-6所示

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图2-6

式中

——上导轨摩擦力 N;

——门体质量

——钢与铸铁间的摩擦系数

式中 P——门体所受的压差(由120mm水柱换算而来)S——门体的面积

;

式中

式中

——门体所受的总的摩擦力 N;

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Pa; 精品文档

式中 ——拖动门所需的最小功率 w;

——门体运动的速度

;

参见带传动中张紧力的计算方法来计算钢丝绳的张紧力

式中

——名义传动功率

;

——工作情况系数(交流异步电动机,工作平稳,根据<<机械设计>>表11.5选得)

式中

——钢丝绳受的张紧力 N;

——钢丝绳根数; ——包角系数;

——单位长度钢丝绳的质量

;

2.4 张紧装置的设计

张紧装置用来绷紧钢丝绳，避免钢丝绳与绳轮之间打滑。钢丝绳的张紧是通过在钢丝绳的一端悬挂水泥重锤利用重力的作用来实现。在设计结构时考虑到需用一个重锤来张紧两端的钢丝绳，故需通过一个张紧组件来实现，这一张紧组件结构如图2-7所示：

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1-支架组件 2-张紧轮框架 3-轴、卡板 4-滑轮 图2-7 张紧组件结构图

第3章 矿用自动风门控制柜的设计 3.1 控制柜的主要功能和技术参数 3.1.1 性能要求

1. 具有正反控制的两个660V输出回路； 2. 要求正反控制具有机械联锁；

3. 具有漏电闭锁、过载、短路、缺相跳闸保护功能；

可编程控制器输入输出信号采用九芯接线柱引入接线腔，交流110V与660V采用接线柱引入接线腔；

4. 保护装置除控制跳闸外，再为可编程控制器提供一对触点； 5. 具有观察可编程控制器显示状态的观察窗； 6. 门体结构为快速开门机构；

7. 控制柜的设计要满足煤矿安全规程的要求，尤其是要隔爆。 3.1.2 主要技术参数 1. 额定电压：660V 2. 额定频率：50HZ 3. 控制总功率： 4KW 4. 工作制：交替运行。 3.2 矿井隔爆概述

在有瓦斯矿井中的动力设备，如电动机、开关等，由于火花或其他事故会引起瓦斯的爆炸，为了克服这种危险，就将设备作成有隔爆结构参数的特制外壳，使其具有耐爆性和不传爆性，我们称这样的外壳叫隔爆外壳。

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隔爆外壳是由具有一定强度的钢板或铸钢、铸铁制成的机械结构，并具有一定的抗爆能力。

隔爆外壳具有两个作用。一是 要有耐爆性，即内部瓦斯爆炸的压力、温度不使外壳损坏，也不变形，它是由材质的强度和外壳本身机械结构强度来保证的。二是要有不传爆性，即内部爆炸后，传出的火焰不使外部瓦斯发生爆炸，它是由隔爆面的间隙和宽度来达到的。根据试验，隔爆面加工光洁度对于隔爆性能并不要求很高。世界各国也不统一，有的达到▽4的光洁度已足够了，但间隙和宽度是极其重要的，隔爆面加工不平度一定要严格控制。 3.2.1 耐爆性

隔爆型电气设备的要求之一，是设备外壳必须具有耐爆性，实际就是外壳的强度问题。 当隔爆外壳内部发生爆炸时，应使其不发生变形和损坏，不致使爆炸火焰直接点燃矿井中的瓦斯混合物，从而达到耐爆要求，它是由外壳的强度和机械结构来保证的。因此，外壳应有足够的坚固性，以及外壳在热源的作用下，经烧灼及过热不会受到损伤。要保证外壳的耐爆性，必须对不同条件下，作用于外壳上的压力进行研究，并从外壳的材质强度以及其它方面来保证，分述如下。

= 1 \\* Arabic 1.外壳内部爆炸压力和温度。由前所述，瓦斯爆炸时理论计算最大压力为8.3～8.5大气压，而实际为7.4大气压。由于隔爆外壳并不是完全密闭的，它由两个或几个外壳零件所组成，其结合面之间存在间隙，所测得的爆炸压力将随其间隙、外壳形状及容积等因素的变化而改变，可从图3-2看出，压力随间隙的增加而降低。在间隙相同的情况下，容积增大则爆炸压力也有增大的趋势。爆炸压力同前所述为2200℃。所以，一般矿井防爆电气设备均按8大气压和2200℃加一安全系数来设计的，根据材料力学及试验结果，对于钢板外壳，理论上最小厚度为3～4毫米，铸铁的应为6毫米。

图3-1爆炸压力与间隙的关系

= 2 \\* Arabic 2.外壳内绝缘油及有机绝缘物分解产生的压力。外壳内之油类或有机绝缘物，在电弧作用下，要引起分解，而产生氢、一氧化碳和其它气体，使壳内气体压力增加，这种气体所产生的爆炸压力由式3.1算出。

P=(CAgtg/Vc)+Po (3.1) 式中 P——外壳的终压力，大气压；

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C——常数，它是单位弧光能量，单位时间内所分解生成气体的容积（升/千瓦*秒）；它与材质有关。如：油类C=0.06，有机塑料C≈0.05； Ag——弧光短路容量，千瓦； Tg——弧光持续时间，秒； Vc——外壳净容积，升；

Po——外壳内混合物之初压力，大气压。

有机绝缘物分解可能发生在高压开关油箱内，也有可能发生在切断配电电缆的短路电流时，或外壳内导体间弧光短路时，它的爆炸压力要比甲烷的爆炸压力大。如塑料K-21-22上发生短路弧光，持续时间为1秒，则压力可达11大气压，能将外壳炸坏或变形。若高压开关油箱内发生短路而产生电弧，短路容量为1兆伏安，则油箱要产生20大气压。为此，油箱应坚固可靠，并要承受20大气压的水压试验。至于油中分解出的氢、乙炔与空气混和物，所产生的爆炸压力比甲烷爆炸压力略高一些。

3.多空腔的过压现象。当瓦斯起始压力为1大气压时，如果发生爆炸，产生8大气压；若起始压力为2大气压，则爆炸压力将是原来爆炸压力的2倍，为16大气压，所以爆炸压力与起始压力成正比。

防爆电气设备，往往有两个或两个以上的空腔所组成，如磁力起动器及其接线盒、电动机定子与端盖间两端空腔等，其中用连通孔贯通。当某一空腔里的瓦斯发生爆炸时，会使另一空腔的气体压缩，而使压力增高，如果此空腔再发生爆炸时，由于压力的叠加关系而出现过压现象。对于较多空腔组成的防爆电气设备，则在其最后一个空腔内，由于过压现象而产生较大的破坏性，造成空腔的损坏，失去其隔爆性能。

如果空腔A内瓦斯发生爆炸，压力波以声速通过连通孔涌向B空腔，使其中瓦斯气体压缩，压力可能增高至3～4大气压，而甲烷爆炸的火焰速度一般为34厘米/秒，远比声速小，所以当B空腔再次发生爆炸时，则爆炸压力为本身初压时爆炸压力的3～4倍，甚至可达40大气压，这是极其危险的。在细而长的管道中过压现象更为严重。

根据试验，其过压的大小与两空腔的净容积之比和连通孔的断面积大小有关，一般两空腔净容积相差很大。为了克服过压现象，我们设计隔爆外壳时，其空腔间净容积之差别尽量缩小，一般应小于4：1。另外连通孔截面积应大于750平方毫米，一般要求越大越好。连通孔是指隔爆外壳内放置电气设备的空腔之间通道或接线空腔之间通道，而不是指外壳与接线盒之间的通道，因为接线盒要作成独立的隔爆空腔，不允许有不隔爆的连通孔，且其净容积与外壳净容积之差也应尽量缩小。 3.2.2 隔爆性

外壳的隔爆性，又称不传爆性。它是隔爆型电气设备的另一个重要因素。所谓隔爆型就是要求外壳各个部件的连接要符合一定的隔爆构造参数，而使其在下列情况下不能点燃周围爆炸性介质：

当电气过载或短路，引起壳内的油或有机绝缘物分解生成的可燃性气体爆炸，其火焰传出外壳时。由于隔爆构造参数对弧光短路目前还无法达到隔爆要求，因此只能在电气方

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面加强绝缘，保证质量，或采用迷宫式结构。如电缆用电子管式的保护方法来达到防爆目的或严格控制瓦斯的浓度。

这些都是外壳内可能出现的最危险情况，如果把它限制在外壳内部，不让它波及到壳外，或者虽然冲出了火焰和灼热的金属颗粒，但已被冷却，就能有效地防止周围的瓦斯爆炸。

隔爆外壳的隔爆性，一般只能用试验得出，理论上是比较复杂的。

所谓不传爆性，就是甲烷空气混合物在外壳内部爆炸时，向外喷出的火焰，不会引起壳外可燃性气体的爆炸。它是由外壳的结构，即通过外壳装配结合面的宽度、间隙和表面加工光洁度来实现的。这种结合面可以是法兰盘对口式，也可以是圆筒式，或活动式的装配。 隔爆电气设备不仅要有耐爆性和防爆性，而且还要有与其他矿用设备不同的特殊基本要求。如对外壳材质﹑强度的要求以及进行水压试验都是为了达到耐爆性，而它的特殊结构及其参数乃是为了保证隔爆的可靠性。如电缆接线盒必须作成独立的隔爆空腔，因为它是一个薄弱环节，与主空腔有所不同，在设计制造和修理时应加以考虑。更主要的是为了消除和减少外壳内部不必要的电气火花产生，对空气间隙和漏电路以及电气和机械闭锁都有与其它矿用电气设备不同的技术要求。从而达到隔爆安全的目的。

隔爆型电气设备主要是由隔爆外壳和法兰面所组成，在瓦斯爆炸的情况下，外壳内部和法兰面要受到危险的压力和温度的冲击作用，为了安全，它应有足够的机械强度来保证外壳的耐爆性和法兰面的隔爆性，一般情况下，它是用钢板铸钢或抗拉强度和韧性较高的铸铁制成。 3.2.3 外壳的强度

1. 钢板焊接的外壳：对于净容积大于2升、易移动的、且有可能受外力冲击的隔爆外壳均应采用A3的低碳钢板焊接而成，它的极限厚度是根据外壳的形状及净容积的大小，通过力学分析和试验来确定的，一般不得低于3~4毫米。焊条也应采用低碳钢的，焊后要进行回火处理，以消除焊接产生的内应力。

2. 铸钢外壳：在容易受到外力冲击的采掘机械设备上，如截煤机、联合采煤机、装岩机等设备上的隔爆型电气设备的外壳一般采用铸钢制成，其材质也是选用低碳钢的，因为铸钢强度比钢板低，所以外壳的厚度要比钢板制成的大的多，其极限厚度不应小于6毫米才有足够的机械强度，但它还是要由外壳的机械形状及净容积的大小来决定的。

3. 铸铁外壳：对于净容积小于2升且不易受到外力冲击的隔爆外壳，可用高强度的孕育铸铁制成，其抗拉强度应大于28千克/平方毫米的HT28-48的孕育铸铁。对于特别不易受到外力冲击的设备，其外壳可采用抗拉强度不小于15千克/平方毫米的铸铁制成，如固定安装在井底车场、中央变电所、中央水泵房等类似场所使用的电气设备外壳。外壳的厚度最低不小于6毫米。

4. 4.铝合金外壳：手持式或支架式电钻及附属插销、携带式仪器的外壳，必须用非磁性材料制成的电气设备的外壳，可用抗拉强度不小于12千克/平方毫米的铝合金制成，但它不应含有镁的成分。 3.2.4 法兰面强度

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外壳的类型是由法兰面的结构加以区分的，它的强度也直接关系到外壳的隔爆性，因为外壳内部瓦斯爆炸的高压高温火焰要迅速的通过法兰结合间隙喷向壳外，同时受到高压和高温的作用，使外壳和法兰要变形，从而改变了法兰结合面的间隙，这对外壳的隔爆性是极其危险的，为了克服间隙可能增大的现象，一定要增加法兰面的强度，一般它是由机械结构和材料强度来保证的，尤其是法兰面的厚度应选大些，以免爆炸后的变形。但法兰的厚度不是一个孤立的数，而是与外壳空腔的净容积﹑外壳形状﹑尤其是法兰的形状，以及结合方式有关。如电力装岩机操作箱是长方的隔爆法兰结合面，就应厚些，它是用螺钉连接结合面的，因此要考虑螺钉的大小﹑螺距尺寸﹑以及螺钉锥入深度，同时法兰面材质也是一个因素。这些不仅要通过力学分析，选择一个适当的安全系数（通常为2.5倍左右），这要经过多次试验和反复实践，才能获得一个适用于一定外壳结构的法兰面厚度。 3.2.5 表面温度

矿用电气设备表面可能堆积尘粉，其允许最高表面温度为150℃；采取措施防止堆积时，则为450℃。

限制电气设备的表面温度是为了保证设备运行中不致出现能够点燃周围可燃性混合物的危险温度，防爆电气设备的表面温度允许值取决于周围环境中的爆炸性混合物的自燃温度。井下的爆炸性气体主要是甲烷，它的温度组别为T1，允许电气设备表面的最高温度为450℃，但井下电气设备的表面易堆积煤粉﹑岩粒等物。当煤粉堆积到一定厚度，设备表面温度超过200℃时很易发生自燃。所以，对表面可能堆积粉尘的电气设备，在留有20%的裕量后，规定起最高表面温度为150℃。 3.2.6 耐湿热性能

绝大多数矿井井下环境的温度在20～30℃之间，最高温度可达32.8℃；相对湿度在92%～98%之间，最高相对湿度可达凝露点。矿用电气设备使用的场所大体上等于或劣于湿热环境。为了保证防爆电气设备在井下环境中长期使用，它们必须具有耐湿热性能。 3.3 隔爆设备的隔爆原理

所谓隔爆，就是当电气设备外壳内部发生爆炸时，火焰经各接合面喷出，而不使外面的爆炸性混合物爆炸。隔爆的间隙隔爆机理与金属网对火焰的熄灭作用相仿。法兰间隙能起隔爆作用的机理现仍有两种观点：一种观点认为隔爆是由于法兰间隙的熄火作用；另一种观点认为隔爆是由于法兰间隙的熄火作用和法兰间隙对爆炸产物的冷却共同作用的结果。从一些试验来看，后一种观点的理由更充分些。 3.3.1 间隙的熄火作用

爆炸性气体混合物火焰在狭小间隙中熄灭的理论是建立在管道中火焰传播界限的实验研究基础上的。对于不同的爆炸性气体混合物，都有一个对应的临界熄火直径值dk。当管子的直径超过临界值时，这种爆炸性气体混合物的火焰即可沿着这个管道传播，否则火焰熄灭。 3.3.2 间隙的冷却作用

当接合面间隙小于临界间隙时，壳内的爆炸火焰经过间隙即被熄灭，但是如果传出间隙的爆炸产物的温度达到引燃爆炸性气体混合物所需要的高温时，仍然能够引起外壳周围的爆炸性气体混合物爆炸。例如一氧化氮的临界熄火直径是15mm，试验容器的间隙为0.8m

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m，当容器内的一氧化氮爆炸时，其火焰不可能穿过0.8mm的间隙，但它却使容器外的沼气-空气混合物引爆。这说明，间隙对爆炸产物的冷却作用与外壳的隔爆性能有直接的关系。 关于隔爆间隙的理论目前还不完善，从理论上得到的数据与实际试验得到的还有些差异。因此目前生产的隔爆型电气设备所采用的结构参数仍然是以试验得到的数据为依据。 最大试验安全间隙是制定隔爆外壳中隔爆结合面安全间隙的基础，明了其影响因素对隔爆外壳的安全使用尤为重要。

影响最大试验安全间隙的主要因素有：隔爆法兰的长度和爆炸性气体混合物的浓度等。此外爆炸性气体混合物的初始压力、初始温度和试验外壳的容积对最大试验安全间隙也有影响。需要说明的是，隔爆接合面加工的粗糙度，对于隔爆性能的影响不大。 3.4 隔爆设备的参数选择依据 3.4.1 隔爆的结构类型

隔爆外壳是由外壳和结合面组成，并由后者来区分隔爆外壳的结构类型。

1.静止结合面：它是用螺钉或其他方法将外壳的隔爆接合面固定住或在隔爆型电气设备运行状态下不动的接合面称为静止结合面。它又可分为以下几种：

= 1 \\* GB2 ⑴平面对口结合面：主要是螺钉固定的法兰盘式结构。如电力装岩机隔爆操纵箱与箱盖；低压防爆开关的接线箱与箱盖；防爆电动机的接线盒和中间隔板以及机座平面的装配等都属于平面对口接合面。

= 2 \\* GB2 ⑵转盖式或插盖式接合面：此种结构是采用转盖止口式配合。结构简单、装卸方便、不同于其它结构类型、并有它的特殊要求，如低压防爆开关的外壳法兰面与壳盖的配合就是属于此类。

= 3 \\* GB2 ⑶圆柱式接合面：适用于一切设备不动部分的圆柱形接合面。如防爆电动机的端盖与机座外壳止口接合部分，防爆控制器的基座与圆筒形外壳的配合等都属于此类。 2.活动接合面：设备在运行状态下接合面是可以转动或移动的称为活动接合面。它可分为： = 1 \\* GB2 ⑴电动机轴与轴孔的隔爆接合面。 = 2 \\* GB2 ⑵操纵杆与杆孔的隔爆接合面。 = 3 \\* GB2 ⑶插销与插销套的隔爆接合面。 以上三种统称为活动接合面。

3.螺纹式接合面：为了增加隔爆接合面长度，在检修时不经常拆卸的部分才允许用此结构（但紧固螺钉不允许作成隔爆结构），如图3-1所示。

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图3-1螺纹隔爆结构

采用螺纹隔爆结构时，必须保证同种零件间的互换性，还必须符合下列规定： = 1 \\* GB2 ⑴螺纹精度须不低于3级，螺距须不小于0.7毫米；

= 2 \\* GB2 ⑵螺纹的最小啮合扣数、最小拧入深度，须符合表3-3的规定； = 3 \\* GB2 ⑶螺纹结构须有防止自行脱落的措施。

4.迷宫式接合面：这种结构是为了增加隔爆接合面长度，使外壳内部瓦斯爆炸的高温生成物，通过迷宫式通道向外喷出时温度降低到安全点，如图3-2所示。

图3-2迷宫式隔爆

5.叠片隔爆结构：叠片应用耐腐蚀材料制成的通气部件组成并须有防止偶然机械损伤的措施。叠片小箱阻止火焰传播的作用和法兰隔爆作用大体上是一样的，可以使火焰在狭窄的缝隙处熄灭并得到冷却，从而消除点燃周围可燃性混合物的危险。这种隔爆结构多用在隔爆蓄电池箱上。它不仅能对沼气-空气混合物的爆炸起隔爆作用，对于箱内的氢起爆炸也能起到预防作用。这是因为氢气的爆炸下限是4.0%。在叠片箱中，蓄电池正常运行中产生的氢气可以通过叠片间间隙逸出，氢气要积聚到这个浓度是很困难的。另一方面氢气的最大实验安全间隙与氢气浓度的关系为U型曲线，4.0%氢气-空气混和物的最大实验安全间隙大于0.5毫米。所以，在氢气下限浓度发生爆炸时仍能保证实现隔爆。 第4章 自动风门的控制系统设计 4.1 控制系统设计思路

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4.1.1 控制系统的组成

控制系统由PLC控制器，各种传感器，检测装置等组成。 4.1.2 国外PC及其发展概况 1. 国外PC产业发展概况

PC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、德国、日本等工业发达国家已形成为重要产业。据不完全统计，世界PC的总销售额，1987年为25亿美圆，1988年为31亿美美圆，比前意念增大24%。1989年为35亿美圆，比上一年增长16%。在一些工业发达国家，新的PC生产厂家不断涌现，品种几年翻一番，产量产值大幅度增长，价格普遍下降。

以美国为例，1988年有70多个PC生产厂，共有300多个品种，与1983年的37个生产厂和100多个品种相比，六年厂家增加了一倍，品种增加了两倍。PC的销售额，1987年为10.2亿美圆，1988年为13.9亿美圆，增长了36.2%。美国在1982~1986年间，小型PC（I/O点≤128）每年降价30%左右，1989~1990两年，每年降低10%；中型PC（I/O点128~896）每年降低10%~13%；大型PC（I/O点896以上）每年降价10%。据美国《控制工程》杂志统计，1984年美国注册生产PC的厂家48家，其中著名的有AB(Allen Bradly)公司、 GM（General Electric）公司、西屋（Weaten House）电气公司等。据日本《自动化》杂志统计，1982年日本有40家工厂生产PC，其中著名的有三菱、日立、立石、夏普、安川、东芝、富士等公司。据德国《工业电气电子》杂志统计，1984年欧洲有60家厂家生产PC，其中著名的有德国西门子公司、BBC公司，AEG公司、法国TE公司等。当前，PC在国际时常上已经成为倍受欢迎的畅销产品。今后仍将维持增长势头，用PC设计自动控制系统已成为世界潮流。

2．国外PC应用概况

在PC应用初期，即1970~1974年间，只有较大型的工厂有选择地使用PC，以代替继电器式顺控器，规模很小。进入实用化阶段，即1975~1980年，开始用于大型冶金，化工设备和组合机床生产线。PC的需求量急剧增加。特别是1977~1980年出现的小型低成本的通用PC可用于控制普通机械，如机床，搬运装备等，使用范围进一步扩大。到了80年代前期，PC迅速普及，除用于加工和装备线的控制外，还可控制高功能自动机械，如塑料成型机、食品包装机械、清扫机、游戏机等。1985年以后，随着FMS、FA和CIMS的发展，带有网络通信功能的PC，作为进一步的只能控制器，正式投入使用。从时常需求看，小型PC的需求量最多。例如日本1987年程序容量为1K字以下的小型PC为40万台，占总销售量的68.24%当前PC以广泛用于机械、汽车、电力、冶金、石油、化工、交通、运输、轻工、纺织、建材、采矿以及家用电器等领域，其的了明显的技术经济效益。 3. PC技术发展动向

= 1 \\* GB2 ⑴产品规模向大、小两个方面发展 出现了I/O点数达14336点的超大型PC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，使PC的扫描速度高速化。如日本三菱公司的A3H的顺序指令执行速度达0.2~0.4µs。不少PC每毫秒可扫描1024点，比许多DCS（分散型控制系统）快10~20倍，为PC增加刀具精确定位、机床速度控制、阀门位置控制以及PID过程控制等功能创造了条件。小型PC由整体结构向小型模块化结构发展，

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增加了配置的灵活性。最小配置的I/O点为8~16点，可以用来代替最小的继电器系统，例如日本三菱公司FX系列PC。

= 2 \\* GB2 ⑵PC向或成控制渗透与发展 微电子技术迅速发展，大大加强了PC的数学运算、数据处理、图形显示、联网通信等功能，使PC得以向过程控制渗透和发展。美国一家炼金公司用一台双机热备用的PC，控制由矿石到炼金的全部过程。该系统有20个PID模拟调节回路，450个模拟量，1000个开关量。所有的报警功能、PID调节功能和顺序控制功能都有PC完成。该公司一反常规不采用功能强的分散控制系统（DCS），而采用PC，是因为整个系统有许多电控功能（如电机的连锁）。如果采用，只能解决PID调节功能，而电控还要用PC，不如选用PC系统解决所需的全部功能。结果，选用PC系统方案使投资降为DCS加PCD1/2左右，其控制质量不但不逊于DCS加PC的方案，而且由于使用一种控制装置便于解决顺序控制、PID调节、连锁保护的调节配合，使金的回收率有原设计的92%提高到96%。 = 3 \\* GB2 ⑶ PC加强了通信功能 为了满足柔性制造单元（FMS）、柔性制造系统（FMS）和工厂自动化（FA）的要求，今年来开发的PC都加强了通信功能。系列中最小的PC也具备了与上位PC及其它计算机通信联网的功能。如著名的日本FANUC公司的PC—J型，用于FANUC系统中作FMC控制器，它可以顺序控制和调节CNC机床、装料系统、机器人的动作以及与主计算机通信。

= 4 \\* GB2 ⑷新器件和模块不断推出 为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来一些工业发达国家，利用微电子学、LSI等新新技术成果，先后开发了不少新器件和模块。高档的PC一般都采用多CPU以提高处理速度，用32位微处理器为CPU，使每条指令处理速度达0.5µs的PC产品已不是少数，如日立公司HITAC—H系列、富士公司的MICREX—F200型等。西门子公司的磁泡存储器，存储数据大256K字节。一些带处理器、EPROM或者RAM智能I/O模块，既扩展了功能又灵活方便。功能模块不断推出，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机借口模块等。这些模块的开发和应用，不仅提高了功能，减少了体积，而且大大地扩大了PC应用范围。

= 5 \\* GB2 ⑸编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 近年来用IBM—PC个人计算机配置相应软件，作为编程器。1984年西屋公司首先推出以IBM便携式计算机改装成的NLPL—150型程序输入器，用来为该公司的Nema—Logic系列PC编程。1985年6月英国首届PC会议上，展出了世界上第一台光笔编程器。它可以在屏幕上画出标准的继电器电路图，从屏下部的菜单中选出元件，再把它移到屏的适当部位，画好后程序就编成了，并可转存到可编程控制器中。此外，不少厂家近几年来先后开发了各种特色的只能编程器，可进行在线或者离线编程。采用梯形图、功能块、语句表等常用的编程语言编程，因其简单易懂，故仍然在广泛地使用。尽管一些高档的PC指令系统十分丰富，如歌德公司984型PC，其标准指令就有：继电器逻辑、算术运算、数据传送、位指令、矩阵运算等，但因其兼容性差，给用户带来诸多不便，因而国外各大厂商十分注意向MAP（制造自动化协议）靠拢。 = 6 \\* GB2 ⑹发展容错技术 一些国外公司为了推出高度或者绝对可靠的系统，发展容错技术，采用双重二重和双/双重冗余结构，以及采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。

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= 7 \\* GB2 ⑺追求软硬件的标准化 IEC和TC65技术委员会已完成了PC标准草案，即将通过成为正式标准。 4.1.3 国内PC及其发展概况 1．国内PC发展概况

我国PC产品的研制、生产、大体上经历了：顺序控制器—1位处理机为主体的工业控制器—8位微处理机为主体的可编程控制器三个发展阶段。自1973年开始，国内一些高校、科研单位开始研制并少量生产顺序控制器。当时，大多使用TTL及分立元件、磁芯存储器。I/O电枢一般在256点左右。由于元件使用量大（约2000~3000片芯片），功能板多，连线多，产品体积大，可靠性差，加之价格高，因而发展受到限制。从1979年开始，我国进入带微处理器的PC的研制工作。使用单片1位微MC—14500B及程序存储器、计数器、输入酸则和输出锁存器等芯片，再配以相应的接口组成。有16条基本指令，主要用来完成开关量的逻辑运算与控制。具有计时、计数、程序转移、分支程序、变址及数值运算等功能。当时，由于1位机具有结构简单、易于编程、工作可靠、抗干扰性能强、通用性好、便于掌握等优点，PC在我国的生产应用很快开展起来。到1985年，全国研制生产1位处理器PC单位有30多个，累计生产近3000台。I/O点数从32点至512点。在机械、化工、煤炭、冶金、轻工、建材、交通等部门得到了应用，其主要用于开关量程序控制。

在对外开放政策的推动下，国外PC大量进入我国市场。有一部分随成套设备进口，主要是大中型PC，累计1000多套。如宝钢一、二期工程就引进了500多套。还有咸阳显象管厂，淄县铝制品厂，平朔煤矿，秦皇岛煤码头二、三期工程等等。此外，1984~1987年间直接从国外引进中小型PC产品，大多为美国歌德和GE公司、西门子公司，日本的三菱、立石、东芝、富士等公司产品，总价值约3000万美圆。1位微处理器的PC逐渐被以8位微处理器为核心的PC所取代。通过技术引进、消化吸收、仿制和国产化工作，近年来，我国的PC产品有了一定的发展。通过1990年PC生产厂家调查，我国有PC生产厂家30多个，产品品种20多个，其中年产量超过1000台的只有1~2家。产品大多为I/O点128以下的小型PC，中档PC只有少数单位在研制，大型PC在国内还是空白。

为了促进国产化PC的发展、提高产品质量，机械电子工业部（简称机电部）受原国务院电子振兴领导小组的委托，于1988年组织了包括PC产品在内的工业控制计算机机型优选工作。机电部北京机械自动化研究所承担了PC产品的评优测试，他们参照IEC有关标准要求，经过严格测试实验，评出6个产品荣获首届优选PC机型的称号。这6个产品是：天津中环自动化仪表公司生产的DJK—S—84PC，无锡市电器厂生产的KCK—1型PC，伤害起重电器厂生产的CF—40MRPC，北京椿树电子仪表厂生产的BCM—PICPC，杭州机床电器厂生产的DKK02PC和上海自力电子设备厂生产的KK1—ICPC。国产化PC的发展前景是另人鼓舞的，但目前是远不能满足国内市场需要。 2.国内PC应用概况

国内PC已经在机电、冶金、轻工、纺织、建材、化工、煤炭、铁道、交通等行业得到了应用，并取得了明显的效益。在应用方面的特点是：

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= 1 \\* GB2 ⑴低档小型PC用得较多，中、高档大型PC用得较少。其主要原因是低档小型PC使用方便，且应用面广。

= 2 \\* GB2 ⑵用国内进口的PC多，用国产PC的少。这主要是因为国产PC发展时间短，产品质量不稳定，产量不高之缘故。

= 3 \\* GB2 ⑶用于现有设备技术改造（大部分是机械加工设备）或单个设备和生产线试点应用的多，用于大批量产品配套（如无锡机床厂生产的磨床年配套超过1000台以上）的少。主要因为大批量产品配套要求货源有充分可靠的保证，并且性能/价格比要高，这一点目前国内外PC都难于满足要求。

= 4 \\* GB2 ⑷大的厂矿、企业和工业发达地区应用PC的多，小的工厂企业和不发达或边远地区应用PC的少。

总之，在PC应用方面取得了很大成绩，但尚未达到大面积的应用和普及。为了加速PC的开发和应用，必须加快PC国产化步伐，进一步宣传推广PC应用技术，努力培养PC专业技术人材。

可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机与自动化技术而开发的新一代工业控制装置，按照IEC可编程序控制器国际标准的定义是可编程序控制器又称PC或PLC，它是微型计算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字电子系统。这种系统用可编程序存储面向用户指的内部寄存器，完成规定的功能，如逻辑、顺序、定时、记数、数字计算、数据处理等，通过数字量或模拟量的输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其外围设备的设计，使它能够非常方便地集成到工业系统中，并很容易达到人的期望的目标。

4.1.4 PLC采用典型的计算机结构

由中央处理单元、存储器输入输出接口电路、总线单元和电源单元等组成。

PLC是以微处理器为核心的数字式电子自动控制装置，是一种专用微机。和计算机一样，PLC也具有相应的操作系统，也是由硬件和软件两大部分组成的。PLC的软件部分分为系统软件和应用软件类。系统软件一般由生产厂根据产品情况，为了充分发挥PLC的硬件功能，方便用户使用而编制的。系统软件一般用来管理、协调PLC各部分工作，翻译用户程序、进行故障诊断等等。应用软件是为了解决某个具体任务而编写的用户程序、它是针对具体任务而编制的，同一台PLC，配上不同的应用软件，可以完成各种不同的控制任务。顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解释控制逻辑，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。PLC是一种实时工业控制计算机系统。 PCL的基本结构如下图：

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外部设备 （编程器等）

PCL的基本结构框图 1.中央处理单元CPU

CPU是PLC的核心，其主要作用是：

= 1 \\* GB2 ⑴接受从编程器输入的用户程序，并村如程序存储器中；

= 2 \\* GB2 ⑵用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据存储器中； = 3 \\* GB2 ⑶执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序结实后逐条执行，完成程序的逻辑和算术运算，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 \\* GB2 ⑷通过鼓掌自诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。 因此，CPU的性能对CPU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 \\* GB2 ⑴系统程序存储器（区）

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、结解释程序、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POM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 \\* GB2 ⑵用户程序存储器（区）

该存储器存放用户程序（应用程序）。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存放入用户程序存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善、该存储器使用RAM。

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= 3 \\* GB2 ⑶变量（数据）存储器（区）

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/计数器中逻辑变量的现行值等，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及锂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件，使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，其输出借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部分做可恭选取、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（1点相当于微机I/O接口的1位）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。输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其装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，常有支流和交流开关量输入接口电路两种。 电路中光电耦合器件的作用有

三：

= 1 \\* GB2 ⑴实现现场与PLC主机的电气隔离，以提高抗干扰性，因为该器件的发光二极管Vo与光电三极管VTo之间是靠光线耦合传递信息的，在电气上彼此绝缘，一些干扰电信号不易串入；

= 2 \\* GB2 ⑵避免外电路出故障时，外部强电侵入主机而损坏主机；

= 3 \\* GB2 ⑶电平变换，现场开关信号可能有各种电平，光电耦合器将它们变换成PLC主机要求的标准逻辑电平。

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源，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（ADC）将模拟量转换成数字量，才能为PLC的CPU所接受。

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。 4．编程器

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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、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符或命令语言助记键符，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。CRT智能式编程器的主要缺点是体积大，价格贵，不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。

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形监控设备等。

4.2 控制系统的工作过程及流程图 4.2.1 控制系统的工作过程 具体的风门系统的工作过程如下：

= 1 \\* Arabic 1.上行或下行车辆通过车灯脉冲照射申请开门时，系统均产生申请信号，A、B门申请开门信号以先得到者有效，后得到者保持。

2.A门（或B门）申请开门信号有效时，执行开门操作，同时有灯光指示，门开后延时15–30秒，此期间若还有申请信号，再延时15秒，在检测无障碍情况下，执行关门操作。A（或B）门关闭后，延时2秒，B门（或A门）执行开门操作，同时有灯光显示，开门后延时30秒，在检测无障碍情况下执行关门操作。

3.当下行车辆通过B门（或上行车辆通过A门）期间，若有上行车辆申请B门开门信号（或下行车辆申请A门开门信号）则B门（或A门）继续延时30秒，上行（或下行）车辆可进入B门（或A门），然后再执行后续程序。

4.2.2 检测及控制系统框图

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4.2.3 控制系统工作流程图

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