空压站计算机监控系统设计 摘要本设计主要分析介绍了用上位机和PLC来完成动力厂房空压机的计算机集中监控的原因以及具体实施方案。通过对空气压缩机相关知识和工艺的介绍，确定了空气压缩机的有关参数和控制要求。用组态王软件开发空气压缩机计算机监控系统上位软件，用三菱FX2N系列PLC作为下位机对空压机进行控制。最终实现了由工业计算机、可编程控制器以及现场检测执行元件组成的基于Profibus-DP协议的现场总线分布式控制系统。通过本设计结合空压机的学习，可以更好地学习和掌握三菱FX2N系列PLC和组态王组态软件。 关键词：空压机；计算机监控系统； 组态王；三菱FX2N系列；现场总线前言20世纪是人类科学技术迅猛发展的一个世纪，电气控制技术也由继电器控制过度到计算机控制系统。各种工业用计算机控制产品的出现，对提高机械设备自动控制性能起到了关键的作用。进入21世纪，各种自动控制产品正在向着控制可靠，操作简单，通用性强，价格低廉的方向发展，使自动控制的实现越来越容易。PLC是在继电控制和计算机技术的基础上，逐步发展起来的以微处理为核心，集微电子技术，自动化技术，计算机技术，通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。这不仅由于压缩空气的使用方便和安全，而且能减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率。目前，在机械、矿山、建筑等工业中广泛应用压缩空气来驱动各种风动工具，或用于制动和控制。它在冶金、电力和石油等工业中也得到了普遍运用。总之，随着国民经济的发展，各行各业对空压机的需求日益增多。但它所消耗的能量也相当可观，耗电量极大。因此，正确地使用和维护空压机，不断提高其可靠性和经济性意义甚大。空压站是企业中向各个用气点输送一定压力空气的部门。在空压站内，压缩机将空气压缩成具有一定压力的气体贮存到贮气罐中，这时贮气罐就成了一个具有爆1
炸危险的容器。在压力容器爆炸事故中，压缩空气罐发生事故的为数不少。空气压缩机是一种压缩气体、提高气体压力或输送气体的机械。但其由于结构复杂、传动部件以及附属设备较多，又是在高温、高压的情况下运转，所以运行过程中发生故障或造成事故的可能性很大。因此，工业生产中空压机的运转操作必须以经济、安全为原则，加强对空压机的管理，保持设备的最佳状态，做到合理经济地运行。这对节约能源、减少物资的消耗，降低生产成本，延长设备使用寿命，全面提高经济效益的关系极大。可是我们如何才能搞好工业部门中多台空压机设备的安全、经济运行，这将有待于我们对各种途径的尝试。活塞式空压机是一种技术含量高，关键件加工困难的新型机器，广泛应用于塑料工业、石油化工、电力等国民经济各部门。特别是近年来，随着我国塑料工业的快速发展以及应用领域扩大，要求活塞式空压机具有更高的压力、更大的容积流量，迫切需要压力为3.OMPa-4.OMPa，排气量为0.8-1.5 m3/min的空压机，而日前国内尚无合适机型，该产品在国内属空档。为填补这一空白，提高我国塑料等工业整体质量水平，我们设计一种性能好、可靠性高的活塞式空压机的计算机监控系统，以满足工业生产的需要。活塞式空气压缩机压缩空气的过程，主要是通过活塞在气缸内不断地往复运动来完成的。活塞在气缸内一次往复的全过程分为吸气、压缩和排气三个过程，合称为一个工作过程。单作用式的空压机活塞在气缸内往复一次,只有一次吸气\压缩和排气过程.既曲轴旋转一周只完成一个工作过程.双作用式由于气两端都装有进、排气阀,因此,在相同时间里,不论活塞向右或向左运动,都能在其前方压缩和排气过程,在其后方完成吸气过程.既曲轴旋转一周能完成两个工作过程。尽管空压机能提高劳动生产率，可一直需要配备大量的操作工来维持其正常运行。操作工还负责对空压机的运行状况进行定时的检查、记录。这样对空压机的定时检查、记录等很难做到及时、准确，设备故障的前期隐患难以及时发现、处理，给安全生产带来一定影响。因此，有必要建立一个集中监控系统，对各台空压机的操作、运行状况进行远程控制和在线监测，实现空压机的经济、安全和可靠运行。本论文主要设计了动力厂房空压机的计算机集中监控系统。通过对空压机的原理等相关知识的介绍，确定了空压机的有关参数和控制要求。用组态王组态软件开发了空压机的上位监控系统，用三菱FX2N系列PLC开发了空压机的下位控制系统。2
目录第一章
概述 ...................................... 11.1空压机概述 ........................................................ 11.1.1空气压缩机简介及其工作原理 .................................... 11.1.2活塞式空气压缩机的工作原理 .................................... 21.1.3国内外空压机的发展状况 ........................................ 81.2．电气控制技术发展概况 ............................................. 91.3三菱FX2N系列PLC概述 ............................................ 101.3.2 FX系列PLC型号的说明 ........................................ 111.3.3 FX2N系列的工作原理 .......................................... 121.4
PROFIBUS-DP现场总线概述 ........................................ 121.4.1 现场总线的概念 ............................................... 121.4.2 PROFIBUS简介 ................................................ 131.4.3 PROFIBUS现场总线结构 ........................................ 131.4.4 PROFIBUS 现场总线系统的优点 .................................. 15第二章空压机工作过程 .................................... 172.1 启动过程 ......................................................... 182.2 运行过程 ......................................................... 212.3 停机过程 ......................................................... 22第三章
空压机控制系统技术原理 ............................ 253.1技术原理 ......................................................... 273.2 实现功能 ......................................................... 273.3
操作方式 ........................................................ 273.4
技术特点 ........................................................ 283
第四章 空压机控制系统硬件配置 .............................. 294.1 上位机硬件配置 ................................................... 294.2 下位PLC硬件配置 ................................................. 294.3 检测、执行元件 ................................................... 294.2.1温度变送器 ................................................... 294.2.2 压力变送器 ................................................... 304.2.3 电流变送器 ................................................... 314.2.4执行器 ....................................................... 32第五章
空压站监控系统下位机程序设计 ........................ 335.1 程序设计环境 ..................................................... 335.1.1 STEP7-Micro/WIN32与PC硬件连接 .............................. 335.1.2 SWOPC-FXGP/WIN-C功能介绍 .................................... 345.2
PLC接线原理图 .................................................. 355.2
PLC程序输入/输出（I/O）定义 .................................... 365.3
PLC梯形图 ...................................................... 365.3.1 启动过程 ..................................................... 365.3.2
停机过程 .................................................... 45第六章
空压机控制系统的上位机监控软件设计 ................... 486.1 开发环境 ......................................................... 486.2 开发步骤 ......................................................... 496.2.1建立工程 ..................................................... 496.1.2 在工程浏览器中设计画面 ....................................... 516.1.3定义外部设备和数据变量 ....................................... 526.3监控软件开发 ..................................................... 566.3.1动画连接 ..................................................... 566.3.2命令语言 ..................................................... 576.3.3运行结果 ..................................................... 614
第七章 （专题）组态王中数据库和WEB技术应用 ...................... 677.1数据库技术应用 .................................................... 677.1.1 SQL访问管理器 ............................................... 677.1.2建立Ms Acess 数据库 .......................................... 687.1.3对数据库的操作 ............................................... 707.2 WEB技术应用 ..................................................... 717.2.1 网络设置 ..................................................... 717.2.3 Web Sever发布设置 ........................................... 737.2.4 基于Web的远程监控 ........................................... 74 结论 ................................................ 77 总结与体会 ............................ 错误！未定义书签。 谢辞 ................................................ 78 参考文献 ............................................. 78 附录
PLC程序（指令表） ........................................... 79 5
概述1.1空压机概述1.1.1空气压缩机简介及其工作原理空气具有可压缩性、不燃烧、不凝结、一般无毒、无害等特点。将它压缩到一定压力后，作为一种动力源，它不仅输送、使用方便、安全，也不存在资源不足和污染环境的问题。使用压缩空气的机械，虽然利用率较低，噪声也较大，但它不产生火花、不怕超负荷，无触电危险，特别能适应温度大、粉尘多、高温、易燃、易爆等特殊、恶劣环境及冲击性和负荷变化大的场合，具有使用其他动力（电力、热力等）的机械所不能具有的许多优点。因此，被国内、外各种工业、矿山、科研等部门所采用。空气压缩机既是为满足动力或工艺上不同要求而生产压缩空气的机械，同时又是要由原动机驱动而大量消耗动力的机械。具有合理使用、精心维护、及时调试、正确修理，才能保证空气压缩机持续、安全地运转。按照GB4976——85标准，空气压缩机可以分为以下几类： 图 1-0 压缩机分类活塞式空压机是一种技术含量高，关键件加工困难的新型机器，广泛应用于塑料工业、石油化工、电力等国民经济各部门。特别是近年来，随着我国塑料工业的1
快速发展以及应用领域的扩大，要求活塞式空压机具有更高的压力、更大的容积流量，迫切需要压力为3.OMPa-4.OMPa，排气量为0.8-1.5 m3/min的空压机，而日前国内尚无合适机型，该产品在国内属空档。为填补这一空白，提高我国塑料等工业整体质量水平，我们设计一种性能好、可靠性高的活塞式空压机的计算机监控系统，以满足工业生产的需要。本设计中所选空气压缩机均为活塞式,故就活塞式空气压缩机工作原理进行一序列介绍:1.1.2活塞式空气压缩机的工作原理一．工作过程活塞式空气压缩机（以下简称空压机）压缩空气的过程，主要是通过活塞在汽缸内不断地往复运动来完成的。活塞在汽缸内一次往复的全过程分为吸气、压缩和排气三个过程，和称为一个工作过程。为了叙述方便，现将单级单作用和双作用式空压机的一个汽缸分别简化，如图所示： 图1-1
单级压缩机的汽缸简图a）单作用式
b）双作用式 1——汽缸
3——进气阀
4——排气阀
5——活塞杆它们的工作过程都是一样的，所不同的是：单作用式当活塞在汽缸内往复运动一次，只有一次吸气、压缩和排气过程。即曲轴旋转一周只完成一个工作过程。双作用式由于汽缸两端都装有进、排气阀，因此，在相同时间里，不论活塞想右或向左运动，都能在其前方完成压缩和排气过程，在其后方完成吸气过程。即曲轴旋转一周能完成两个工作过程。(1).单作用式空压机的工作过程2
1．吸气过程
当活塞2向右边移动时，汽缸左边的容积增大，压力下降；当压力降到稍低于进气管中空气压力（即大气压力）时，管内空气便顶开进气阀3进入汽缸，并随着活塞的向右移动继续进入汽缸，直到活塞移至右边的末端为止。该端点称为内止点，根据汽缸排列形式的不同，又可称为后止点或下止点。2．压缩过程
当活塞向左移动时，汽缸左边容积开始缩小，空气被压缩，压力随之上升。由于进气阀的止逆作用，是缸内空气不能倒流回进气管中。同时，因排气管内空气压力又高于汽缸内空气压力，空气无法从排气阀4流出缸外，排气管中空气也因排气阀的止逆作用而不能流回汽缸内，所以，这时汽缸内形成一个封闭容积。当活塞继续向左移动，缸内容积缩小，空气体积也随之缩小，压力不断提高。3．排气过程
随着活塞的不断左移压缩缸内空气，使压力继续升高。当压力稍高于排气管中空气压力时，缸内空气便顶开排气阀而排入排气管中，并继续排出到活塞移至左边末端（该端点称为外止点，又可以称为前止点或上止点）为止。然后，活塞又向右移动，重复上述的吸气、压缩、排气这三个连续的工作过程。(2)．双作用空压机的工作过程当活塞2（图B）向右边移动时，空气顶开左边进气阀3被吸入汽缸内，同时，在缸内右腔中的空气被压缩；待排气阀4打开后，便把压缩空气由汽缸的右腔内排到排气管中。当活塞从右向左移动时，空气经右边进气阀3被吸入汽缸内，而左腔中的压缩空气便经过排气阀4排出。由此可见，双作用式空压机的活塞在缸内往复一次（曲轴正好旋转了一周），便完成两次吸气、压缩和排气过程。由于活塞在汽缸内的不断地往复运动，汽缸便循环地吸气、压缩和排气。活塞的每一次往复称为一个工作循环，即一个工作过程，活塞每往复一次所经过的距离称为行程。活塞面积与活塞行程相乘即为汽缸工作容积；活塞在曲轴旋转一周所扫过的容积称为汽缸全容积。二．理论示功图空压机是通过消耗机械功来达到压缩与输送空气的目的。空气在汽缸内压力P与体积V的变化情况，可以从示功仪描绘的示功图，即以P为纵坐标，V为横坐标的函数关系的P-V图上看出；还可以根据示功图的面积计算出压缩机所消耗的指示功率。因此，在所述空压机的工作原理时，是离不开示功图的。下图即为一单级作用式压缩机的汽缸示意图及理论示功图。3
单级单作用式压缩机的汽缸示意图及理论示功图 1——汽缸
3——近气阀
4——排气阀 在分析这种活塞式压缩机的理论工作过程前，必须做如下假设：汽缸中没有余隙容积，被压缩气体能全部排出汽缸；进、排气管中气体状态相同（即无阻力、无气流脉动、无热交换）；气阀启闭及时，气体无阻力损失；压缩容积绝对密封、无任何泄露；气体压缩过程中，不论有无热交换，其过程指数为定值。上述假设，实际上是不可能存在，但它对掌握压缩机原理和其工作特点是十分重要的。当活塞2按a方向向右移动时，汽缸I内的容积增大，压力稍低于进气管中空气压力为P1，则活塞由外止点移至内止点时所进行的吸气过程，在示功图中，可用一段平行于V轴、并相距为P1的直线AB来表示。线段AB称为吸气线，它说明：在整个吸气过程中，缸内空气的压力P1保持不变，体积V1却在不断地增加；V2为吸气终了时空气的体积。当活塞按 b方向向左移动时，缸内I的容积缩小，同时进气阀关闭，空气开始4
被压缩，并随着活塞的左移，压力逐渐升高。此过程为压缩过程，在示功图中用曲线BC表示，称为压缩曲线，在压缩过程中，随着空气压力的不断升高，其体积是逐渐缩小的。当缸内空气的压力升高到稍大于排气管中空气的压力P2时。排气阀4被顶开，排气过程开始。在示功图中用一段平行于V周，并相距为P2的直线段CD（称为排气线）表示。在排气过程中，缸内压力一直保持不变，容积逐渐缩小。当活塞移动大汽缸外止点时，排气过程便结束，此时，压缩机的曲轴正好旋转一周而完成一个工作循环。当活塞在外止点改向右移时，缸内压力下降，吸气过程又重新开始；缸内空气压力从P2降到P1的过程，在示功图中以垂直于V轴的直线段DA（纵坐标）来表示。在理论示功图中，以AB、BC、CD、和DA线为界的ABCDA图形的面积，表示完成一个工作过程所消耗的功，也就是推动活塞所必需的理论是、压缩功；其面积愈小，则将空气压缩到所需压力时消耗的理论功就愈少。三．压缩气体的三种过程空气在汽缸内被压缩时会产生大量的热，这是因为活塞对它作了功。功的符号为W，单位为J或Kw。H（压缩机常用kW。h）。空气受压缩时所产生的热量，大部分将留在空气中，使本身温度升高，并增加了空气的内能（空气分子运动的动能与分子相互作用的位能的总和，它只与空气的温度有关）。还有一部分传给汽缸，使其温度升高；尚有少部分热量则通过汽缸壁传到大气中。空压机在一个工作循环内所消耗的全功，是吸气过程功、压缩过程功、排气过程功的总和，称为循环压缩功，简称压缩功（它分为理论压缩功和实际压缩功）。通常规定，活塞对空气所做的功（即空气吸收热量）为正值；空气对活塞所做的功（即空气放出热量）为负值。工作过程中所需的压缩功以及温度变化，均与空气的受压程度成正比，即取决于气体状态的改变过程。消耗的大小，则与除去压缩过程中所产生的热量（即冷却）密切相关。由于压缩机的冷却情况不同，通常可分为等温、绝热、多变三种压缩过程。多变压缩过程界于等温和绝热压缩过程之间，等温和绝热压缩过程是多变5
压缩过程的两种特殊过程。P—V图上多变压缩过程指数n值一般取1.25~1.3；等温压缩n=1；绝热压缩n=k，空气的绝热指数k值为1.40。图3为压缩气体时三种过程的示功图。图中曲线BC2表示等温过程，称为等温压缩线；曲线BC表示绝热过程，称为绝热压缩线；曲线BC1表示多变过程，称为多变压缩线。 图1-3
压缩其他时的三种过程示功图 1．等温压缩过程
它能将与压缩功相当的热量由冷却截止带走，使缸内空气温度保持不变（不因压力增加而升高），故称等温压缩过程。其一个工作循环的总功等于理论压缩功，由于1kgf.m?2.72?10?6kW.h，故：W等?2.72?10?6p1V1ln压缩终了温度T2=吸入温度式中
p1、p2——吸气、排气压力（绝对压力Pa）V1——压缩开始时气体体积（m3）等温压缩是实际生产中难以办到的一种理想过程，但可用冷却来尽量接近它。2．绝热压缩过程
在压缩过程中所产生的热量全部留在汽缸内的空气中，所消耗机械功全部用来增加空气的内能，结果使空气的温度升得很高。这种既不向外界p2
（kW .h） p16
传热、也不从外界吸热的过程，称为绝热压缩过程。它也是一种理想过程，实际上很难做到无丝毫的热交换。其一个工作循环的理论压缩功为：W绝?2.72?10?6k?1??k??pk2?(kW?h)?p1V1???1???k?1p1??????? ?P2?压缩终了温度T2?T1??P???1?k?1k(K) 3．多变压缩过程
它是不全等温，也绝不全绝热，即介于等温和绝热压缩之间的过程，故称多变压缩过程。实际生产中的压缩机的工作过程大都属于这种过程。其一个工作循环的理论压缩功为：W多?2.72?10?6n?1??n??pn2??kW?h??p1V1???1???n?1p1??????? ?p2?T2?T1??p??1??压缩终了温度
n?1n(K)从图1-3不难看出：等温压缩图形ABC2DA的面积最小，所消耗压缩功也最少，且压缩前后的温度不变。绝热压缩图形ABCDA的面积最大，所消耗压缩功最多，压缩终了的温度也最高。多变压缩则介于二者之间。由此可见，当多变压缩线偏近等温压缩线时，不仅省功，温度也能降低；若偏近绝热压缩线，则不但费功，温度也会升高。因此，在实际工作中为了节省压缩功和降低温度，应使多变压缩过程接近于等温压缩过程，就必须加强对空压机的冷却。冷却的效果愈好，散除热量愈多，耗功就愈少、愈经济。在大、中型空压机中，大多采用水冷却的方式来冷却汽缸和压缩后的高温空气（通过中间冷却器和后冷却器）。 7
1.1.3国内外空压机的发展状况
（1）国外概况国外空压机厂家对空压机产品进行了多次脱胎换骨的技术创新，它们已经生产出了具有高效率、高技术含量的滑片式、螺杆式以及离心式的空压机。国外对船用活塞式空气压缩机的研究较早，始于60年代，但真正发展较快的是在80年代以后，到目前为止，中压往复活塞式空压机在工业中的应用还很少，以船用空压机为主，代表公司有英国Hamworthy工程公司，德国绍尔公司、哈拉帕有限公司，日本田边空气机械制作所等。具体机器的型号、规格如表1-1所示； 厂家名称 型号 压力(MPa) 排气量(m3/min) 转速(r/min) 功率(kW)131617316215221.1 11701.3 11701.33 14501.40 11501.3 9001.67 1200绍尔公司 WP80L 3.0WP100L 3.0哈拉帕公司 W80 3.0WHO 3.0田边公司 VLHH64 3.0VLHH64 3.0近10年来，空压机产品技术发展动向为:提高气阀等易损件的使用寿命，向全自动控制方向发展，设有启动、停车、运行的自控装置和参数失常的保护措施，降低噪声，配置压缩空气干燥净化装置，以提高压缩空气品质。 （2）国内概况中国空压机厂几十年都在生产同一种产品 ，导致了中国空压机只是在低层次上的发展，而没有取得根本技术上的突破。国内对陆用空压机的研究较晚，目前生产的空压机也较少，且品种单一，主要为排气量0.6m/min以下，排气压力为2.5MPa以下的微型机它们主要是在排气压力为1.25MPa的微型机基础上改进而获得的，一般为两级压缩、可靠性差，每年产量仅为1000台左右。中国现在仍在大规模生产的活塞式空压机在发达国家已经早已淘汰。随着塑料制品行业的迅猛发展，对空压机要求具有更高压力，更大气量才能使生产出来的产品质量好，成本低。同时，对空压机的可靠性与运行的经济性也提出了更高的要求，就国内现有生产企业的产品技术水38
平无论在品种上，还是在可靠性方面都难以满足。1.2．电气控制技术发展概况电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求而迅速发展的，从最早的手动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等许多先进的科学技术成果。作为生产机械动力的电机拖动，已由最早的采用成组拖动方式至单独拖动方式，至生产机械的不同运动部件分别由不同的电机拖动的多电机拖动方式，发展到今天无论是自动化功能还是生产安全性方面都相当完善的电气自动化系统。继电接触式控制系统主要由继电器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。由于这种系统具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，至今仍是机床和其他机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也是学习先进电气控制的基础。这种控制系统的缺点是采用规定的接线方式，灵活性差，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。从20世纪30年代开始，生产企业为了提高生产效率，采用机械化流水作业的生产方式，对不同类型的产品分别组成生产线。随着产品类型的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，使生产线的设备按新的工艺过程允许，而继电接触器控制系统采取规定接线方式，很难适应这个要求。大型生产线的控制系统使用的继电器数量很多，这种有触点的电器工作频率很低，在频繁动作的情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产线的允许可靠性降低。为了解决这个问题，20世纪60年代初期利用电子技术研制出矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统来代替继电接触式控制系统。对复杂的自动控制系统则采用计算机控制，由于这些控制装置本身存在某些不足，因此均未能获得广泛应用。1968年美国最大的汽车制造商通用汽车（GM）公司，为适应汽车型号不断更新，提出把计算机的完备功能以及灵活性、通用性等优点和继电接触器控器系统的简单易懂、操作方便、价格底等优点结合起来，做成一种能适应工业环境的通用控制装置，并把编程方法及程序输入方法简化，使不熟悉计算机的人员也能很快掌握其使用技术。根据这一设想，美国数字设备公司（DEC）于1969年率先研制出第一台可编程控制器（简称PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功。从此以9
后，许多国家的著名厂家竞相研制，各自成为系列，而且品种更新很快，功能不断增加，从最初的逻辑控制为主发展到能进行模拟量控制，具有数字运算、数字处理和通信联网等许多功能。PLC另一个突出的优点是可靠性很高，平均无故障运行时间可达10万个小时以上，可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济随时。当前PLC已经成为电气自动化控制系统中应用最为广泛的核心控制装置。自20世纪70年代以来，电气控制相继出现了直接数字控制系统（DDS）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、智能机器人、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统等多项高技术，形成了从产品设计及制造生产管理的智能化生产的完整体系，将自动化生产技术推进到更高的水平。1.3三菱FX2N系列PLC概述1.3.1 FX2N系列的特点FX2N系列PLC可以应用在大多数单机控制或简单的网络控制中，是FX系列中规格最大、性能最高、功能最强的一个系列。它兼容了FXIS/IN系列的全部功能。该系列使用了比FXIS/IN系列性能更高的CPU，CPU运算速度与运算性能得到了提高，I/O点增加了，扩展功能模块也更多，编程功能与通信功能更强。主要体现在以下几个方面。(1) FX2N系列基本逻辑控制指令的执行时间由FXIS/IN系列的每条0.55-0.7us提高到了每条0.8us,速度提高了近10倍；应用指令的执行时间由FXIS/IN系列的每条3.7us到几百微秒提高了每条1.5us到几百微秒，速度也提高了两倍以上。（2）FX2N系列采用了基本单元加扩展的结构形式，基本单元本身具有固定I/O点，可以作为独立的PLC使用。FX2N系列也有扩展I/O模块，最大I/O点数可以达到256点。与FXIN相比，在输入/输出扩展功能上，FX2N系列主要增加了模拟量输入/输出模块，而开关量的输入/输出扩展模块与FXIN系列基本相同。（3）FX2N系列的应用指令大为增加，达到132种、309条，主要增加的是传送、移位、求补和代码转换等应用指令。PLC的编程元及用户程序存储器容量也比FXIN大大增加。可以实用的内部继电器、定时器、技数器数据存储器、用户程序存储器的容量等为FXIN系列的2-3倍。（4）FX2N系列PLC可以使用较多的特殊功能模块，如温度传感器输入模块、温度调节模块、脉冲输出模块、轴定位模块、高速计数模块和转角检测模块等外部模10
块，以适应温度控制和位置控制的应用场合。（5）在通信功能方面，FX2N在FXIN的基础上增加了M-NET网络链接的通信模块，以适应网络链接的需要。FX2N系列PLC基本单元有6种规格，分别为16、32、48、64、80、128。基本单元根据电源可以分为AC和DC两种；根据输出可以分为继电器、晶体管和双向晶闸管3种。1.3.2 FX系列PLC型号的说明FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。FX系列PLC型号的含义如下： 其中系列名称：如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等单元类型：M──基本单元E──输入输出混合扩展单元Ex──扩展输入模块EY──扩展输出模块输出方式：R──继电器输出S──晶闸管输出T──晶体管输出特殊品种：D──DC电源，DC输出A1──AC电源，AC（AC100~120V）输入或AC输出模块H──大电流输出扩展模块11
V──立式端子排的扩展模块C──接插口输入输出方式F──输入滤波时间常数为1ms的扩展模块如果特殊品种一项无符号，为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。 例如FX2N－32MT－D表示FX2N系列，32个I/O点基本单位，晶体管输出，使用直流电源，24V直流输出型。1.3.3 FX2N系列的工作原理FX2N系列的采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。在CPU扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。在RUN模式下，还检测用户程序存储器。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。与计算机的循环取指令和执行指令的工作方式不同，循环扫描的工作方式执行用户程序只是其中的一步，而且指令的执行结果并不立即传送到输出点，只是用它改变内部的映像寄存器状态，当所有指令执行完成后，同时对各输出点刷新。1.4
PROFIBUS-DP现场总线概述1.4.1 现场总线的概念所谓现场总线，是指将现场设备与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络12
向现场发展的产物。它是用于支持现场装置，实现传感、变送、调节、控制、监督以及各种装置之间透明通信等功能的通信网络，保证网内设备间相互透明有序地传递信息是它的主要集成任务。1.4.2 PROFIBUS简介PROFIBUS（Process Field Bus），1987年德国工业界开始启动了PROFIBUS联合开发项目。由这个联合体开发的规则和标准成为德国工业标准，即DIN E
PROFIBUS标准。于1996年，德国的国家现场总线标准成为国际性标准，即欧洲标准EN 5年3月，PROFIBUS标准被批准为国际
现场总线标准IEC61158的组成部分（TYPEIII）。PROFIBUS现场总线是一种国际化、开放式异步通讯标准，于1996年被批准为国际标准。 PROFIBUS主要由PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP等三部分组成，PROFIBUS已经广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化等。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通讯，主要应用于现场设备级传输介质为屏蔽双绞线（EIA RS485），使用PROFIBUS技术的核心公司有SIEMENS、E+H和SOFTING等。PROFIBUS-DP的实时性远高于其他局域网，因而特别适用于工业现场。它的缺陷是，若向网中增删站点，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序。S7-200PLC只能作为PROFIBUS-DP从站，但是S7-200PLC是可以独立编程和完成控制的，又把PROFIBUS-DP技术的应用更扩展一步。1.4.3 PROFIBUS现场总线结构 图1-4 现场总线结构图13
从图中可以看出，采用PROFIBUS 现场总线的控制系统可以分成现场控制层、监控层和企业管理层三层。现场控制层现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O 和网络设备构成。现场控制涉及PROFIBUS 协议PROFIBUS-DP 和PROFIBUS-PA 两个部分。PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达到12M 。PROFIBUS-DP 可以连接远程I/O 、执行机构、智能马达控制器、人机界面HMI 、阀门定位器、变频器等智能设备，一条PROFIBUS-DP 总线可以最多连接123 个从站设备。PROFIBUS-DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2 公里，最多可以采用9 个中继器，最远通讯距离可达9 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100 公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达3 公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达3 公里。PROFIBUS-PA 是低速现场级网络，通讯速率为31.25kb/s，支持点对点连接、总线型、混合型、树型拓扑结构。PROFIBUS-PA 主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。可以采用屏蔽双绞线电缆，也可采用非屏蔽双绞线电缆，可通过总线供电。监控层监控层由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站、工程师站、PLC/DCS 控制器组成。随着网络技术的不断发展，工业以太网的通讯速率也在不断提高，目前工业级的千兆以太网已经在工业自动化领域大量应用。企业管理层企业管理层由各种服务器和客户机组成，主要由SIS、MIS 和ERP 系统构成。其主要目的是在分布式网络环境下，将电厂各工艺段（例如DCS 系统、辅机程控系统等）的数据和信息（如过程数据、报警信息和设备状态等）进行汇总，从而集成企业的各种信息，实现与Internet 的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。通过管理层，公司和集团领导可以实时监控现场设备，并通过授权还可以对各系统进行组态。14
1.4.4 PROFIBUS 现场总线系统的优点(1)开放性PROFIBUS 是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有超过250 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的系统和设备。PROFIBUS 的开放性保证了不同制造厂商的产品的互连，例如西门子公司的DCS 或PLC 可以通过PROFIBUS 连接第三方的远程I/O、智能设备和仪表，这些连接只需要产品制造商提供相应的GSD 文件或EDD 文件，然后进行简单组态即可实现。目前国际知名的自动化系统制造商如：SIEMENS 、ABB、EMERSON 等和知名的仪表制造商如：SIEMENS 、EMERSON 等都可以提供丰富的支持PROFIBUS 的产品。在电力行业知名的DCS 制造商如：SIEMENS 、ABB 、EMERSON 、FOXBORO 等都支持PROFIBUS 现场总线，知名的PLC 品牌如：SIEMENS 、MODICON 、AB 也都可以支持PROFIBUS 总线。(2)可靠性PROFIBUS 现场总线已安装运行节点数超过1000 万个，大大高于其它现场总线系统。PROFIBUS 是IEC61158 的重要组成部分，并于2001 年成为中国的行业标准JB/T 1。PROFIBUS 的可靠性表现在以下几个方面：oPROFIBUS 总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力。o采用PROFIBUS 总线直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障。oPROFIBUS 连接智能设备，减少了A/D 转换的环节，提高了自动化系统的采集精度，为精确控制提供保障。oPROFIBUS 上各设备的连接非常简单，并可以通过专用剥线工具和PROFIBUS 接头，减少接线风险；同时PROFIBUS 接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯。o 支持冗余总线系统，提高系统可靠性。(3)灵活扩展采用PROFIBUS 总线结构的控制系统，扩展非常方便灵活，主要表现在以下几个方面：15
o 拓扑结构灵活，可以支持总线型、星型、树型、冗余环型等多种拓扑结构。 o支持光纤和双绞线作为通讯介质，采用多模光纤时，两个光电模块间的距离可达3KM，采用单模光纤时，两个光电模块间的距离可达26KM；采用双绞线不加中继的最远通讯距离可达1KM，采用中继时最远可达9KM。o一条PROFIBUS-DP 总线最多可以连接123 个DP 从站，所有满足PROFIBUS-DP 通讯规约的设备都可以连接到系统中。目前全球有超过1200 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的产品，因此具有很强的开放性和可扩展性。o提供多种接口设备，用于将冗余DP 总线转换成单DP 总线和将冗余DP 总线转换成PA 总线，可以将DP 总线转换成Asi 总线等，非常便于扩展。oPROFIBUS 同时可以支持PROFIsafe 协议，一条总线上既可以传输标准数字信号，也可以同时传输故障安全的信号。o 提供可用于危险领域的接口模块，可以支持在危险区域的应用。(4)实时性采用PROFIBUS 总线的系统具有很高的实时性，这是由PROFIBUS 总线系统的数据传输速率高所决定的。PROFIBUS-DP 总线的传输速率可达12M ，是目前通讯速率最高的现场总线。计算PROFIBUS-DP 总线的响应时间可以按下面的计算公式进行计算：t Cycle_DP = (317 x (nSlaves) + 11 x (nBytes) ) x Tbit317 是一个常数，表示一个DP 从站建立通讯连接所需的数据位；第一个N 表示整个PROFIBUS-DP 总线上的从站数量；第二个N 表示整个PROFIBUS-DP 总线上传输的数据总数，单位为字节。如果总线系统中还有PA 总线，则PA 总线的响应时间为：t Cycle_PA-channel
= (317 x (nSlaves) + 8 x (nBytes) ) x Tbit整个PROFIBUS-DP 系统的响应时间为：t Cycle = t Cycle_PA-channel +
t Cycle_DP +
t Acylic从上面的公式可以看到，一个典型的通过PA 总线连接的智能仪表的响应时间为10ms， 一个典型的通过PA 总线连接的执行机构的响应时间为15ms 。一个PROFIBUS-DP 从站的响应时间&0.3ms。16
因此可以确定PROFIBUS 总线系统是一个实时的系统。第二章空压机工作过程 空压机的工艺操作包括：启动过程、运行检测、停机过程。单台空压机的控制回路简图如下： 图2-1
单台空压机控制回路原理图拿单台空压机控制回路简图来说，前置PLC控制柜既可以控制空压机的现场信号，也可以对原电控柜加以控制，同时它又将空压机的现场信号和原电控柜的信号传输给PLC总控柜，最后监控计算机与PLC总控柜进行通信来显示现场检测信号。从单台空气压缩机控制原理图我们可以得出以下结论:17
1.从控制角度而言,弄清楚控制对象是很重要的。只有知道控制什么，才可能去控制需要控制的对象。2．从监控角度而言，弄清楚监视对象也是至关重要的。3．从设计而言，设计一个完善的控制系统，弄清楚以上两个对象是开始设计时最重要的事。从上分析可得本次设计的控制对象，即模拟量输入个模拟量输出。2.1 启动过程启动过程包括：启动前阀门检查、打开冷却水、检查水压、开启主电机、空负荷延时后关闭放空阀、打开进气阀、进入负荷进行、达到供气压力后打开排气阀等过程 ，见启动过程流程图：如图2-2所示：18
1、启动准备目的是为了保证机器处于空载启动的良好状态。启动前检查准备工作的内容包括：一．接通总电源注油器如系电机单独驱动的应先于空压机启动，其关闭应在空压机停转之后。二．启动电动机操纵高压电器必须遵守穿绝缘靴，戴绝缘手套和站在绝缘台上的规定。各种电动机的启动程序如下。1．绕线式电动机
有的有滑环短路装置。1）合上隔离开关；2）将起动电阻器（亦称变阻器）的控制手柄推到电阻最大值的位置上，合上油开关；3）慢慢地切除起动电阻，使电机达到全速；4）把滑环短路手柄推到短路位置上，达到正常运转；5）将起动电阻器的控制手柄拉回到“起动”位置上，以防再起动时发生错误，若无滑环短路装置的则不能拉回；6）如为频率变阻器的起动就简单，只需按下启动按钮，待最后一个变流接触器合上（即“运转”指示灯亮），就可投入正常运转。2．笼鼠型电动机
常见的低压电动机用油浸或空气开关启动。1）将起动手柄放在“断开”位置；2）合上隔离开关；3）合上油开关（如为井下低压电器则合上防爆起动开关）；4）把起动手柄推到“起动”位置，待电动机接近运转速度时，将手柄拉回到“运转”位置（一般应在一分钟内），进入正常运转。3．同步电动机（1）自带直流发电机励磁，并直接起动合上隔离开关；合上起动油开关；调整励磁电阻，使励磁电流达到需要值。（2）可控硅整流装置励磁，直接起动合上隔离开关；合上整流装置低压电源，并把整流盘上的旋钮转到“调试”一边，直流输出若不正常则调节可调电位器，然后转向“允许”一边；合上起动油开关。20
（3）电抗器降压起动
合上起动油开关；待电机接近同步转速时，将励磁线圈与放电电阻断开，同时接入直流电源；调整励磁电压至略高于需要值；当电机进入同步转速后，合上运转油开关；调整励磁电流到需要址。（4）起动补偿器起动
合上起动油开关；合上自耦变压器零位油开关；当电机接近同步转速时，将励磁线圈送入直流电；调整励磁电流至略高于需要值；当电机达到同步转速后，断开自耦变压器零位油开关；合上运转油开关；调整励磁电流到需要值。以上为常见电动机一般的启动程序。近年来，随着各种新型、高效、节能并带联锁控制装置电动机的不断问世，其启动也更简化和安全。这时，就应按各电机的具体规定来进行启动。三．启动及运转后的检查与注意事项1）电机启动时和开始运转后应注意电机炭刷是否有火花，它和空压机转动时的声响是否正常。察听无异常后打开油压表开关，让机器空载运转2~6min（冬季的空转时间宜长一些）。2）观察润滑系统的工作情况，调整注油器的供油量，打开汽缸止逆阀上的溢流开关，检查注油情况。循环润滑油的初始压力一般较高，经不断的运转发热后就会降到规定值，其时间的长短取决于环境温度的高低等因素。当油压过高或偏低超过规定值时，应及时调整。3）观察冷却系统的工作情况，调整水流量，水流应无气泡和断续供、排水的情况。4）空载运转时的响声应轻巧平稳、振动小。然后关闭放空阀门和排油水阀。5）逐步打开减荷阀或进气阀，使空压机进入负荷运转；并按表压0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.7或0.8MPa等压力级别逐步升高，待每步稳定后再升下一步直到所需压力值。6）观察各种监控仪表的灵敏度和工作情况。待一切正常后，空压机即可投入正式运行。2.2 运行过程运行中，必须做到一下几方面：1．应定期和经常巡回检查、监控空压机各部位的工作情况。21
1）有无不正常的碰撞、敲击、摩擦等杂音或气味；监控仪表如油压、水压、气压、电压和电流等的指示值是否在规定范围内；电机及各传动、运转部位的工作情况和温度。2）进气、排气、冷却系统的声响，压力、温度、流量等工作状况；应经常用手触同级的各进气阀盖温度是否各异或高，以确定其工作是否正常。3）随时观察润滑系统的工作情况，及时调整注油量（过大或过小都是不利的）。4）密切注意各级安全阀在压力超过其规定的开启、关闭压力值时的灵敏度及可靠性。如有手动装置，应手动或定期检验其可靠性和气密性。5）随时注意观察和及时调整调节装置的工作情况，以确保规定的供气压力和流量。6）随时注意机组各处是否有跑、冒、滴、漏现象。2．运行中如发现不正常应及时调整、排除。必须停机检修或紧急停机后迅速查明原因并及时处理。3．定时排放冷凝的油、水。如中间冷却器、后冷却器每2~4h至少排放一次，储气罐每8h应排放一次；当空气湿度较大或设备状况较差时应增加排放次数。若安装有自动排油水器时，则应经常检查其工作情况。4．严禁运行中各运转部件的检修、擦拭以及带压检修（停机后也应作到无压），以防意外事故发生；必须打扫机房场地，以免尘土飞扬被吸入机内。5．严禁超负荷情况下长期、连续的工作和带病运行。 2.3 停机过程停机过程包括：关闭进气阀、关闭排气阀、打开放空阀、关闭主电机和冷却水、关闭放空阀。空气压缩机的停机分为正常停机和紧急停机，停机时应该尽快地关闭进气阀和排气阀，然后慢慢的开启放空阀进行卸压，使空压机进入无负荷的空转状况。随后关闭主电机以及断开电源，待空压机停转后，尽快放开中间冷却器、油水分离器以及储气缸内冷凝的油和水，等到温度降低后关闭冷却水的进水阀门，停止水泵等的工作，最后关闭放空阀完成整个停机过程。停机过程流程图为：22
空压机停机过程流程图空压机的停机有正常停机和紧急停机之分。一．正常停机凡用气点工作结束、换机、设备发生一般故障检修停机，或因外来的一般故障需检修的停机，或因外来的一般事故、工作需要等须停机者，都属正常停机。步骤如下：1）联系用气点，通知其准备停机；2）减负荷直至不吸气，如关闭减荷阀，压开进气阀，打开余隙阀等，慢慢开启放空阀进行卸压，使空压机进入无负荷的空转状况；3）断开电源，待空压机停机转后（随后停止单独传动注油器的工作），尽快放出中间冷却器、后冷却器、油水分离器、储气罐内等冷凝的油、水；将有关操作手柄搬到启动位置；23
4）待排水温度降低后（尤其是温度较高的空气机），关闭冷却水进水阀门，停止水泵工作；5）当环境温度在50C以下或长期停用时，须将冷却系统内的水全部排出，以免温度下降时存水冻结而损坏设备。如为短期停机或温度较高时可不必排水；6）做好设备的日常维护、搽拭、打扫场地卫生等交班工作，并对当班的设备运行、维修等按规定作好记录。应注意在卸压时，不论压力高低，都不能把放空阀门开得过大、过快，尤其是大中型、中压以上空压机和高压部件的阀门，以防气流速度过快（超过25m/s）而引起管道激烈振动或剧烈摩擦的静电起火，甚至爆炸。二．紧急停机所谓紧急停机，指的是运行中带负荷的人工或自动停机。一般有下列情况之一者应紧急停机。1） 空压机重要部件发生严重损坏，如十字头、连杆、活塞杆、曲轴等的振裂或断裂时；2） 附属容器发生破裂或各连接部位如管道、法兰、密封结合面等处发生大量泄漏时；3）4）5） 本机着火或外来紧急事故； 主轴瓦、连杆轴瓦或十字头瓦烧毁； 机身各处，尤其是运转部位或阀片、阀簧断裂掉入缸内，突然发生极大的响声或振动；6） 正常运行中来自机组不明原因的突然声响、冷却水突然发生不明原因的高温超过规定值时；7） 当轴承、填料、电动机等处或润滑油、冷却水突然发生不明原因的高温超过规定值时；8） 突然停水、断油或油压突然降至0.05MPa以下，而有关的自动原因的高温超过规定值时；9） 任何一级排气压力超过规定值，安全阀虽已动作排气，但调节器失控，压力降不下来时；24
10）11） 电压值突然降到规定的最低值以下，如由380V降至340V以下时； 电流表读数突然增大，超过额定电流25%以上，延续时间超过15S（说明电动机严重超负荷，一般应在电流表和电压表上用红色标出警戒线）时；12） 当电动机（包括开关柜）发生：某相断或部分断电，不同步，温度过高，异常声音、气味、冒烟，火花等情况之一时；13） 原动机的转速突然超过额定转速（俗称“飞车”，此时会听到极大的“嗡嗡”声并随着设备强烈的振荡和响声）时。原动机的自动跳闸、联销、安全等装置动作导致自动停机也属紧急停机之外。 须紧急停机时，应视操作人员当时所处位置，迅速采取各种方式，如：将离合器脱开，关闭汽油机点火开关，柴油机迅速卸荷并停止供油，立即按下停机按钮，或就近利用水流继电器、停水断路器、油压继电器等来紧急停机；电动机若仍停不下来，应迅速拉下电源总开关或通知配电部门切断电源。空压机不论是自动或人工的紧急停机，如因生产需要不允许中断供气撕，应先将备用机启动切换后，尽快打开故障机的放油阀门和切断与输气管网的联系，并慢慢卸压，为无压检修或下次开机做准备；再按正常停机的步骤进行。然后尽快查明原因，及时予以排除。总之，停机后一定要按规定准确、迅速的作好各种善后工作。如系临时紧急停机，开机前应待机温降低后才可进水，以防汽缸炸裂。第三章
空压机控制系统技术原理该系统由上位工业计算机（IPC）、PLC可编程控制器和现场检测、操作和执行组成分布式控制系统。其结构如图所示： 25
分布式控制系统结构图本系统采用基于PROFIBUS—DP协议的现场总线结构。PROFIBUS规定一种串行总线系统的技术特性和功能，用这种系统可将分布于现场中的自动化设备在低、中等性能范围内（分别为传感器、执行器和单元层）相互连接成网络。其中，PROFIBUS—DP（DISTRIBUTED PERIPHERAL）协议是专为高数据传输率而优化，其传输速率最大可达12M位/S，主要使用使用于有分布式I/O和现场设备的自动化之间的通讯。通过EM 277 PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将FX2N-32ER-D连接到PROFIBUS-DP网络。EM 277经过串行I/O总线连接到FX2N-32ER-D。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM 277 PROFIBUS-DP模块。作为DP从站，EM 277模块接受从主站来的多种不同的I/O配置，向主站发送和接收不同数量的数据。这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。与许多DP站不同的是，EM 277模块不仅仅是传输I/O数据，EM 277还能读写FX2N CPU中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到FX2N CPU中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。同样，从主站来的数据存储在FX2N CPU中的变量存储器内，并可移到其它数据区。EM 277 PROFIBUS-DP模块的DP端口可连接到网络上的一个DP主站上，但仍能作为一个MPI从站与同一网络上如SIMATIC编程器或FX2N-32ER-D CPU等其它主站进行通信。下图为EM 277 PROFIBUS-DP模块前视图 ： 图3-2
EM227 PROFIBUS—DP模块前视图PLC和上位机通过RS485方式传输，传输率为19000b/s，具有响应时间短、抗干扰性能高等特点。本空压机监控系统由PLC完成现场控制和数据采集任务，通过现场总线将各空压机的状态实时信息传送至上位计算机。上位机完成控制参数、工26
艺流程的动态显示、各种参数的在线监测和报警、趋势图显示、对下位机进行编程和监控、实现上下位机的通信。下位机则用于采集现场数据，实现回路控制。3.1技术原理根据空压机的技术规范和运行要求，将来自现场的检测信号（模拟量信号和开关量信号）加以控制和显示。其中模拟量信号为：一级排气压力二级排气压力 一级排气温度 二级排气温度 冷却水压力 冷却水温度 润滑油压力 电机运行电流 开关量（PLC控制柜上）信号为：控制方式：（手动/自动 ）自动/启动（按钮） 自动/停止（按钮） 启停机状态信号自动控制过程：前置PLC控制柜处于自动时，既能由上位计算机又能在前置PLC控制柜上（通过按钮）实现自动启动/停机的动作。由前置PLC控制柜直接控制进气阀、排气阀、放空阀、冷却水电磁阀的动作以及各模拟量信号参数的控制技术要求。通过程序按空压机启动过程流程图完成空压机的启动过程，各台空压机的供气压力可单独由上位计算机调整设定。3.2 实现功能(1)实现控制的两种控制方式①在空压机上由可编程控制器实现全自动控制。②现场人工手动独立操场控制系统。(2)测控功能①实现空压机各模拟量的采集及显示。②实现空压机某一个或几个被控量超限延时停机功能。(3)多媒体功能①各测控参数实时动态显示及报警。②主要工艺参数趋势曲线显示及打印。③主要工艺参数的设定。3.3
操作方式控制技术己经在压缩机设计中得到了普遍的应用，甚至是衡量产品是否先进的27
一个重要的方面。在以往低压微小型压缩机的设计中，均采用比较简单的控制方式，即电磁阀与气压开关串联使用，以超压保护为主，当排气压力达到额定值时，气压开关动作，电磁阀关闭，电机停止。当排气压力降到设定值时，电机启动。这种方式所带来的问题就是电机频繁起动，缩短了电机的使用寿命。我在活塞式空压机的设计中改变了这一控制方式，在使用电磁阀与气压开关的基础上加入了气动阀，进入卸荷，电机可以不停机连续运行，即节能运行，又保护了电机，克服了过去控制方式所存在的缺陷。现在我们的计算机监控系统更是达到了这一要求。（1）手动控制主要是由现场控制柜上的控制按钮、闸阀、接触器等组成。在该控制方式下，操作人员可脱开PLC和上位机单独操作。（2）全自动控制由上位机、PLC和检测单元组成。上位工控机和PLC之间数据交换通过通信进行。在该控制方式下，上位机将自动判断空压机的运行状况，根据程序设定的值进行比较，采取报警、延时、自动停机等一系列措施对空压机进行安全控制。操作人员亦可进行适当的人为干预。该系统具有界面友好、操作简便、能实时反映系统的进行状态等优点，操作人员在远离机房（1500米）以外的总控制室就可以对空压机进行监控。该系统还能采集和存取相关工艺参数及报警等。3.4
技术特点（1）采用二级集中、分布式控制工艺，保证了系统安全、稳定、可靠地运行。（2）系统以集中方式显示，实时反映空压机现场情况，操作人员从上位机屏幕上就可以了解空压机各工艺参数的情况，亦可打印相关参数。（3）系统采用Windows 2000作操作系统，北京亚控公司的组态王工控组态软件作上位机监控软件。（4）PLC采用模块化结构，同时考虑了程序的优化和扩展性。（5）具有多媒体功能，能提供声、光报警，可对历史数据进行检索。（6）系统操作简单，功能丰富，显示直观，维护方便。（7）系统硬件配置和软件设计合理，具有较高的功能性价比。 28
第四章 空压机控制系统硬件配置4.1 上位机硬件配置采用台湾研华工业计算机为控制系统的上位机，并配以其它外围设备，其组成如下：（1） 研华IPC618—PIII工业计算机一台。（2） 三星19″液晶显示器一台。（3） EPSON打印机一台。4.2 下位PLC硬件配置本控制选用三菱FX系列PLC可编程逻辑器件，FX系列PLC的系统配置灵活，价格便宜，用户除了可以选用不同型号的FX系列PLC外，还可以选用各种扩展单元和扩展模块，组成不同I/O点和不同功能的控制。三菱FX2N 可编程控制器是三菱公司研制的一种新型可编程控制器。它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，输出端可直接用2A的继电器或接触器，抗干扰能力强。因此，能满足空压机电气控制系统的要求。4.3 检测、执行元件空压机监测系统的底层为检测、执行元件。其中检测元件直接对空压机各元件进行检测，并将检测结果送至PLC运算处理。检测元件对各物理量的检测是否及时和准确，直接影响整个系统的稳定性，所以，对各检测元件要求准确，及时，稳定。本设计中各空压机被测参数要求如表4-1:4.2.1温度变送器对空压机各温度的检测和变送，采用GW系列一体化温度变送器。其检测元件为PT100，用以判断一二级排气温度和冷却水温度。压缩机的排气温度，是指每一级排出气体的温度，通常在各级排气接管处或阀室内测量。冷却水的温度直接关系到空压机通道结垢的速度，严重时还可能导致空压机的过热爆炸事故，所以对其温度应29
该严格控制。对暂时硬度超过10℃的冷却水必须进行水处理。本设计采用的温度变送器的具体参数如表4-2所示：其接线示意图为： 图4-2
温度变送器 4.2.2 压力变送器对空压机压力的检测与变送,采用MSP—300一体化不锈钢压力变送器，用以判断一二级排气压力和润滑油压力以及冷却水压力。此变送器压力腔由一块单件17—4PH或是316L不锈钢加工而成,提供防泄漏,全金属的封闭系统。利用高温玻璃将微加工硅压敏电阻应变片固化在不锈钢隔膜上,玻璃粘接避免了温度,机械疲劳介质对胶水和材质的影响。 该变送器具体参数如表4-3所示: 30
接线示意图 图4-3
压力变送器空压机的排气压力通常是指最终排出空压机的气体压力，排气压力一般在气体最终排出处，即最终贮气筒处测量。多级空压机末级以前各级的排气压力称为级间压力。级间压力的测量位置应该在下一级的进口处。对该系统来说，一级排气压力的检测压力应该在二级排气压力的进口处。该压力变送器主要变送一二级排气压力和冷却水、润滑油压力。4.2.3 电流变送器电机电流的检测采用西南自动化研究所WBI414aS—Jx—5A系列电量隔离传感器输出4～20MA电流信号。接线示意图如下: 图4-4
电流变送器31
4.2.4执行器PLC输出信号电机和电磁阀,电机启动或电磁阀打开送高电平,电机停止或电磁阀关闭送低电平。我们选用DF常闭型不锈钢型先导膜片式电磁阀,是利用交流或直流电源控制的二位二通自动阀门。该系列电磁阀采用膜片式密封结构,具有结构紧凑、通径大、动作灵敏可靠、密封性能优良等特点,广泛用于对管道中的液体、气体、轻质油等介质的自动启闭及远程控制,是自动控制领域中不可缺少的优良执行元件。（1）主要技术参数（2）使用压力范围:0.03～0.8Mpa(限在无水锤作用下)（3）环境温度范围:-10℃～+50℃（4）介质温度范围:5℃～60℃（5）额定电压:AC6V 12V 24V
380VDC6V 12V 24V
220V（6）绝缘等级:B级（7）防爆等级:B3d（8）线圈温升:≤80℃（9）电机允许波动:-15%～+10%（10）适用介质种类;纯净的液体及气体、轻质油(≤4 E)（11）线圈功率:DN15～DN20 AC15VA
DC9WDN25～DN50
DC18W（12）动作反应时间:开阀≤1.5秒,关阀≤3秒 （13）阀体材质:DF型,DF-K型:全铜体DF-B全不锈钢（14）工作原理当电磁阀接通电源时,线圈激磁回路形成磁场并产生磁力。活动铁芯受电磁力的吸引,克服弹簧阻力和自重而上升,通过导阀泄压,膜片上方的作用力减小并低于膜片下方所受的力,膜片在差动力的作用下克服了自重和阀芯弹簧而开启,使主阀形成通路,电磁阀处于开启状态。32
当断开电磁阀电源时,动铁芯在弹簧力的作用下关闭辅阀,膜片受向下的压力差而关闭主阀口,这时电磁阀处于关闭状态(常开型电磁阀工作原理与此相反)。 第五章
空压站监控系统下位机程序设计下位机PLC S7—200可编程控制器采用模块结构，能方便地实现开关量和模拟量的控制。数据采集原理如下所示：两者一体化
EM231图5-1
数据采集系统原理图 5.1 程序设计环境本设计下位PLC程序设计采用与西门子PLC S7-200相配套的程序开发软件——STEP7-Micro/WIN32 V4.0。5.1.1 STEP7-Micro/WIN32与PC硬件连接利用一根PC/PPI（个人计算机/点对点接口）电缆可建立个人计算机与PLC之间的通信。这是一种单主站通信方式，不需要其他硬件，如调制解调器和编程设备等。典型的单主站连接如图4-1所示。把PC/PPI电缆的PC端与计算机的RS-232通信口（COM1或COM2）连接，把PC/PPI电缆的PPI端与PLC的RS-485通信口连接即可。33
PLC与计算机间的连接5.1.2 SWOPC-FXGP/WIN-C功能介绍SWOPC-FXGP/WIN-C是三菱公司专为FX系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。SWOPC-FXGP/WIN- C编程软件的主要功能有：1.基本功能SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序、编辑过程中编辑器具有的简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理等。此外，还可直接用软件设备可编程控制器的工作方式、参数和运行监控等。程序编辑过程中语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。（1）联机方式：有编程软件的计算机与PLC连接，此时允许两者之间直接通信。（2）离线方式：有编程软件的计算机与PLC断开连接，此时能完成部分基本功能。如：编程、编译等。两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上传和下载用户程序和组态数据等。而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都暂时存放在计算机的磁盘上，等联机后再下载到PLC中。根据空压机自动启动/停机过程流程图设计的电控及梯形图编写的部分程序摘要如下（具体程序见附录）： 34
PLC接线原理图 图5-3
三菱PLC 接线原理图 35
PLC程序输入/输出（I/O）定义5.3
PLC梯形图 5.3.1 启动过程Network1的作用是当启动按钮或组态启动按钮（软启动）被按下时，如果空压机处于自动启动状态，那么启动过程指示灯就会变为绿灯自动显示启动状态并自锁。当启动过程指示灯显示启动状态时，如果急停按钮被按下则启动过程指示停止输出，空压机立即被停止。36
Network2的作用则是用来打开放空阀并自锁，它可以通过自动和手动两种方式来打开，可以用电控柜的启动按钮或组态启动来实现自动打开放空阀，也可以通过手动来直接打开，自动打开时空压机必须处于自动启动状态。 Network3是通过打开放空阀后，空压机自动启动状态下，如果启动过程指示灯从0变化到1时，启动打开放空阀延时定时器开始计时延时，并输出M40为1为1个周期并自锁。当急停按钮被按下或程序开始复位时，立即停止计时、停止输出。37
Network4的作用是用来打开冷却水阀。当空压机处于自动启动时，只要Network3中的启动打开放空阀后延时定时器延时到预设值时将自动打开一号空压机的冷却水阀，也可以直接在空压机上进行手动方式打开。 Network5是通过打开放空阀后，空压机的电机为自动Y启动状态下时，如果冷却水阀从0变化到1时，启动打开冷却水阀后延时定时器开始计时延时，并输出M41为1为1个周期并自锁。当急停按钮被按下或程序开始复位时，立即停止计时、停止输出。38
Network6的作用是电机启动前水压低指示允许。自动启动下打开冷却水阀延时后输出M52并自锁。如果冷却水压低则报警停机，正常则准备启动主电机。 Network7的作用是空压机自动启动下输出空压机电机的Y型启动并自锁。 Network8用来开启空压机的电机电源KM2并自锁。39
Network9空压机自动启动时，如果电机Y型启动为1时，电机启动延时定时器开始计时，并输出M42为1为1个周期且自锁。 Network10的作用是输出空压机电机的△运行并自锁。电机启动延时后，在空压机自动启动下输出空压机电机的△运行并自锁。 Network11是在电机启动延时后空压机自动启动状态下输出进气阀打开允许M53并自锁。40
Network12的作用是打开进气阀。在空压机自动状态时，如果进气阀打开允许（M53为1）则可以自动打开进气阀。不过也可以直接在空压机上手动方式打开进气阀。 Network13在打开进气阀后，打开进气阀后延时定时器开始计时，并输出M43且自锁。41
Network14用来打开排气阀并自锁。在打开进气阀延时后，二排压力达到供气压力输出时，在空压机自动启动状态下打开排气阀并自锁。而且它也都可以进行手动操作方式来打开。 Network15为停机指示，当空压机在自动操作方式下，处于Y、△运行时显示停机指示。 Network16为运转指示，当空压机在△运行时显示运转指示。42
Network17为过载热继动作延时。定时器的预置值为K0的内容。 Network18为一号空压机自动操作方式下，电机△运行时的过载停机并自锁。 Network19的作用是电机过载时显示过载指示。 Network20为二级排气温度高指示。当空压机在自动控制方式时，若二级排气温度高时自动显示二级排气温度高指示。43
Network21的作用是显示油压低指示并自锁。当空压机在自动控制方式下△运行时，油压低则显示油压低指示。 Network22的作用是在Network19输出油压低指示后做一个油压低的延时，预置值为VW6的内容，同时输出M51并自锁。 Network 23为水压低指示并自锁。当水压低指示允许M52开通时，空压机自动操作下水压低时显示水压低指示。44
Network24为报警显示。当二级排气温度高、水压低、油压低和过载中任意条件达到时，自动显示报警。 Network25的作用是自动实现水压低停机和油压低停机。当出现水压低指示时输出水压低停机，当油压低指示时延时后输出油压低停机。 5.3.2
停机过程本设计把空压机的停机分为了正常停机和紧急停机，在梯形图中分别用停机按钮和急停按钮来控制。该系统停机过程的部分梯形图如下所示：45
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