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1、基于三菱FX2N_PLC的空压站计算机监控系统设计基于三菱FX2N_PLC的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；
2、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
3、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
4、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.
5、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
6、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
7、了空压机的下位控制系统。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
8、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28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
9、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61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707.2Web技术应用717.2.1 网络设置717.2.3 Web Sever发布设置737.2
10、.4 基于Web的远程监控74结论77总结与体会78谢辞79参考文献80附录 PLC程序（指令表）8192第一章 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
11、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GB497685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，
12、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 2活塞 3
13、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
14、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
15、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
16、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。图1-2 单级单作用式压缩机的汽缸示意图及理论示功图1汽缸 2活塞 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
17、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
18、容积缩小，同时进气阀关闭，空气开始被压缩，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
19、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
20、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压缩过程的两种特殊过程。PV图上多变压缩过程指数n值一般取1.251.3；等温压缩n=1
21、；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，故： （kW .h）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
22、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： 压缩终了温度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：压缩终了温度 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
23、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）。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
24、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；厂家名称绍尔公司哈拉帕公司田边公司型号WP80LWP100LW80WHOVLHH64VLHH64压力(MPa)3.03.03.03.03.03.0排气量(m3/min)1.11.31.331.401.31.67转速(r/min)11701170145011509001200功率(kW)13161731621522
25、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0.6m3/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
26、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
27、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
28、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
29、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
30、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F
31、XIS/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
32、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块，以适应温度控制和位置控制的
33、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、F
34、X2N、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：DDC电源，DC输出 A1AC电源，AC（AC100120V）输入或AC输出模块 H大电流输出扩展模块 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
35、如FX2N32MTD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
36、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
37、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（ProcessFieldBus），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
38、成为德国工业标准，即DINE 192452 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EN50170。2000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（EI
39、ARS485），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
40、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
41、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
42、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。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
43、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PROFIB
44、US 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 10308.3-2001。PROFIBUS 的可靠性表现在以下几个方面：PROFIBUS 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。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。
45、PROFIBUS 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。PROFIBUS 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。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：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。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2
46、6KM；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。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。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。PROFIBUS 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。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