【正文】 ，全面提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系極大?；钊娇諌簷C(jī)是一種技術(shù)含量高，關(guān)鍵件加工困難的新型機(jī)器，廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、石油化工、電力等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。 為填補(bǔ)這一空白，提高我國(guó)塑料等工業(yè)整體質(zhì)量水平，我們?cè)O(shè)計(jì)一種性能好、可靠性高的活塞式空 壓機(jī)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要?；钊跉飧變?nèi)一次往復(fù)的全過(guò)程分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程，合稱為一個(gè)工作過(guò)程。 盡管空壓機(jī)能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率， 可 一直需要配備大 量的操作工來(lái)維持其正常運(yùn)行。 這樣對(duì)空壓機(jī)的定時(shí)檢查、記錄等很難做到及時(shí)、準(zhǔn)確，設(shè)備故障的前期隱患難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理，給安全生產(chǎn)帶來(lái)一定影響。 本論文主要設(shè)計(jì)了動(dòng)力廠房空壓機(jī)的計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)。用組態(tài)王組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)了空壓機(jī)的上位監(jiān)控系統(tǒng)，用三菱 FX2N 系列 PLC 開(kāi)發(fā)了空 壓機(jī)的下位控制系統(tǒng)。 謝辭 ........................................... 78 參考文獻(xiàn) ......................................... 78 附錄 PLC 程序（指令表） ........................................... 79 基于三菱 FX2N_PLC的空壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 第一章 概述 空壓機(jī)概述 空氣壓縮機(jī) 簡(jiǎn)介 及其工作原理 空氣具有可壓縮性、不燃燒、不凝結(jié)、一般無(wú)毒、無(wú)害等特點(diǎn)。使用壓縮空氣的機(jī)械，雖然利用率較低， 噪聲也較大，但它不產(chǎn)生火花、不怕超負(fù)荷，無(wú)觸電危險(xiǎn)，特別能適應(yīng)溫度大、粉塵多、高溫、易燃、易爆等特殊、惡劣環(huán)境及沖擊性和負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，具有使用其他動(dòng)力（電力、熱力等）的機(jī)械所不能具有的許多優(yōu)點(diǎn)。 空氣壓縮機(jī)既是為滿足動(dòng)力或工藝上不同要求而生產(chǎn)壓縮空氣的機(jī)械，同時(shí)又是要由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而大量消耗動(dòng)力的機(jī)械。 按照 GB4976—— 85 標(biāo)準(zhǔn)，空氣壓縮機(jī)可以分為以下幾類： 圖 10 壓縮機(jī)分類 活塞式空壓機(jī)是一種技術(shù)含量高，關(guān)鍵件加工困難的新型機(jī)器，廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、石油化工、電力等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。為填補(bǔ)這一空白，提高我國(guó)塑料等工業(yè)整體質(zhì)量水平， 我們?cè)O(shè)計(jì)一種性能好、可靠性高的活塞式空壓機(jī)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。活塞在汽缸內(nèi)一次往復(fù)的全過(guò)程分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程，和稱為一個(gè)工作過(guò)程。即曲軸旋轉(zhuǎn)一周只完成一個(gè)工作過(guò)程。即曲軸旋轉(zhuǎn)一周能完成兩個(gè)工作過(guò)程。該端點(diǎn)稱為內(nèi)止點(diǎn)，根據(jù)汽缸排列形式的不同，又可稱為后止點(diǎn)或下止點(diǎn)。由于進(jìn)氣閥的止逆作 用，是缸內(nèi)空氣不能倒流回進(jìn)氣管中。當(dāng)活塞繼續(xù)向左移動(dòng)，缸內(nèi)容積縮小 ，空氣體積也隨之縮小，壓力不斷提高。當(dāng)壓力稍高于排氣管中空氣壓力時(shí)，缸內(nèi)空氣便頂開(kāi)排氣閥而排入排氣管中，并繼續(xù)排出到活塞移至左邊末端（該端點(diǎn)稱為外止點(diǎn)，又可以稱為前止點(diǎn)或上止點(diǎn)）為止。 (2)．雙作用空壓機(jī)的工作過(guò)程 當(dāng)活塞 2（圖 B）向右邊移動(dòng)時(shí)，空氣頂開(kāi)左邊進(jìn)氣閥 3 被吸入汽缸內(nèi)，同時(shí)，在缸內(nèi)右腔中的空氣被壓縮；待排氣閥 4 打開(kāi)后，便把壓縮空氣由汽缸的右腔內(nèi)排到排氣管中。由此可見(jiàn)，雙作用式空壓機(jī)的活塞在缸內(nèi)往復(fù)一次（曲軸正好旋轉(zhuǎn)了一周），便完成兩次吸氣、壓縮和排氣過(guò)程?；钊拿恳淮瓮鶑?fù)稱為一個(gè)工作循環(huán)，即一個(gè)工作過(guò)程，活塞每往復(fù)一次所經(jīng)過(guò)的距離稱為行程。 二．理論示功圖 空壓機(jī)是通過(guò)消耗機(jī)械功來(lái)達(dá)到壓縮與輸送空氣的目的。因此，在所述空壓機(jī)的工作原理時(shí)，是離不開(kāi)示功圖的。 基于三菱 FX2N_PLC的空壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 圖 12 單級(jí)單作用式壓縮機(jī)的汽缸示意圖及理論示功圖 1—— 汽缸 2—— 活塞 3—— 近氣閥 4—— 排氣閥 在分析這種活塞式壓縮機(jī)的理論工作過(guò)程前，必須做如下假設(shè)：汽缸中沒(méi)有余隙容積，被壓縮氣體能全部排出 汽缸；進(jìn)、排氣管中氣體狀態(tài)相同（即無(wú)阻力、無(wú)氣流脈動(dòng)、無(wú)熱交換）；氣閥啟閉及時(shí)，氣體無(wú)阻力損失；壓縮容積絕對(duì)密封、無(wú)任何泄露；氣體壓縮過(guò)程中，不論有無(wú)熱交換，其過(guò)程指數(shù)為定值。 當(dāng)活塞 2 按 a 方向向右移動(dòng)時(shí)，汽缸 I 內(nèi)的容積增大，壓力稍低于進(jìn)氣管中空氣壓力為 P1，則活塞由外止點(diǎn)移至內(nèi)止點(diǎn)時(shí)所進(jìn)行的吸氣過(guò)程，在示功圖中，可用一段平行于 V軸、并相距為 P1的直線 AB來(lái)表示。 當(dāng)活塞按 b 方向向左移動(dòng)時(shí)，缸內(nèi) I 的容積縮小，同時(shí)進(jìn)氣閥關(guān)閉，空氣開(kāi)始基于三菱 FX2N_PLC的空壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 被壓縮，并隨著活塞的左移，壓力逐漸升高。 當(dāng)缸內(nèi)空氣的壓力升高到稍大于排氣管中空氣的壓力 P2時(shí)。在示功圖中用一段平行于 V 周，并相距為 P2 的直線段 CD（稱為排氣線）表示。當(dāng)活塞移動(dòng)大汽缸外止 點(diǎn)時(shí)，排氣過(guò)程便結(jié)束，此時(shí)，壓縮機(jī)的曲軸正好旋轉(zhuǎn)一周而完成一個(gè)工作循環(huán)。 在理論示功圖中，以 AB、 BC、 CD、和 DA 線為界的 ABCDA 圖形的面積，表示完成一個(gè)工作過(guò)程所消耗的功，也就是推動(dòng)活塞所必需的理論是、壓縮功；其面積愈小，則將空氣壓縮到所需壓力時(shí)消耗的理論功就愈少。功的符 號(hào)為 W，單位為 J或 Kw。 h）。還有一部分傳給汽缸，使其溫度升高；尚有少部分熱量則通過(guò)汽缸壁傳到大氣中。通常規(guī)定，活塞對(duì)空氣所做的功（即空氣吸收熱量）為正值；空氣對(duì)活塞所做的功（即空氣放出熱量）為負(fù) 值。消耗的大小，則與除去壓縮過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量（即冷卻）密切相關(guān)。多變壓縮過(guò)程界于等溫和絕熱壓縮過(guò)程之間，等溫和絕熱壓縮過(guò)程是多變基于三菱 FX2N_PLC的空壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 壓縮過(guò)程的兩種特殊過(guò)程。 圖 3 為壓縮氣體時(shí)三種過(guò)程的示功圖。 圖 13 壓縮其他時(shí)的三種過(guò)程示功圖 1．等溫壓縮過(guò)程 它能將與壓縮功相當(dāng)?shù)臒崃坑衫鋮s截止帶走，使缸內(nèi)空氣溫度保持不變（不因壓力增加而升高），故稱等溫壓縮過(guò)程。 2．絕熱壓縮過(guò)程 在壓縮過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量全部留在汽缸內(nèi)的空氣中，所消耗機(jī)械功全部用來(lái)增加空氣的內(nèi)能，結(jié)果使空氣的溫度升得很高。它也是一種理想過(guò)程，實(shí)際上很難做到無(wú)絲毫的熱交換。實(shí)際生產(chǎn)中的壓縮機(jī)的工作過(guò)程大都屬于這種過(guò)程。絕熱壓縮圖形 ABCDA 的面積最大，所消耗壓縮功最多，壓縮終了的溫度也最高。由此可見(jiàn)，當(dāng)多變壓縮線偏近等溫壓縮線時(shí)，不僅省功，溫度也能降低；若偏近絕熱壓縮線，則不但費(fèi)功，溫度也會(huì)升高。冷卻的效果愈好，散除熱量愈多，耗功就愈少、愈經(jīng)濟(jì)。 基于三菱 FX2N_PLC的空壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 國(guó)內(nèi)外空壓機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r （ 1）國(guó)外概況 國(guó)外空壓機(jī)廠家對(duì)空壓機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了多次脫胎換骨的技術(shù)創(chuàng)新，它們已經(jīng)生產(chǎn)出了 具有高效率、高技術(shù)含量的滑片式、螺桿式以及離心式的空壓機(jī)。具體機(jī)器的型號(hào)、規(guī)格如表 11所示； 廠家名稱 紹爾公司 哈拉帕公司 田邊公司 型號(hào) WP80L WP100L W80 WHO VLHH64 VLHH64 壓力(MPa) 排氣量(m3/min) 轉(zhuǎn)速(r/min) 1170 1170 1450 1150 900 1200 功率 (kW) 13 16 173 162 15 22 近 10年來(lái)，空壓機(jī)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展動(dòng)向?yàn)?:提高氣閥等易損件的使用壽命，向全自動(dòng)控制方向發(fā)展，設(shè)有啟動(dòng)、停車、運(yùn)行的自控裝置和參數(shù)失常的保護(hù)措施，降低噪聲，配置壓縮空氣干燥凈化裝置，以提高壓縮空氣品質(zhì)。國(guó)內(nèi)對(duì)陸用空壓機(jī)的研究較晚，目前生產(chǎn)的空壓機(jī)也較少，且品種單一，主要為排氣量 ，排氣壓力為 下的微型機(jī)它們主要是在排氣壓力為 ，一般為兩級(jí)壓縮、可靠性差，每年產(chǎn)量?jī)H為 1000臺(tái)左右。隨著塑料制品行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)空壓機(jī)要求具有更高壓力，更大氣量才能使生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量好，成本低。 ．電氣控制技術(shù)發(fā)展概況 電氣控制技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而迅速發(fā)展的，從最早的手動(dòng)控制到自動(dòng)控制，從簡(jiǎn)單的控制設(shè)備到復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從有觸點(diǎn)的硬接線控制系統(tǒng)到以計(jì)算機(jī)為中心的存儲(chǔ)控制系統(tǒng)。作為生產(chǎn)機(jī)械動(dòng)力的電機(jī)拖動(dòng)，已由最早的采用成組拖動(dòng)方式至單獨(dú)拖動(dòng)方式，至生產(chǎn)機(jī)械的不同運(yùn)動(dòng)部件分別由不 同的電機(jī)拖動(dòng)的多電機(jī)拖動(dòng)方式，發(fā)展到今天無(wú)論是自動(dòng)化功能還是生產(chǎn)安全性方面都相當(dāng)完善的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維護(hù)容易、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是機(jī)床和其他機(jī)械設(shè)備廣泛采用的基本電氣控制形式，也是學(xué)習(xí)先進(jìn)電氣控制的基礎(chǔ)。 從 20 世紀(jì) 30 年代開(kāi)始，生產(chǎn)企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，采用機(jī)械化流水作業(yè)的生產(chǎn)方 式，對(duì)不同類型的產(chǎn)品分別組成生產(chǎn)線。大型生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)使用的繼電器數(shù)量很多，這種有觸點(diǎn)的電器工作頻率很低，在頻繁動(dòng)作的情況下壽命較短，從而造成系統(tǒng)故障，使生產(chǎn)線的允許可靠性降低。對(duì)復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)則采用計(jì)算機(jī)控制，由于這些 控制裝置本身存在某些不足，因此均未能獲得廣泛應(yīng)用。根據(jù)這一設(shè)想，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）于 1969 年率先研制出第一臺(tái)可編程控制器（簡(jiǎn)稱 PLC），并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用成功。 PLC 另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是可靠性很高，平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間可達(dá) 10 萬(wàn)個(gè)小時(shí)以上，可以大大減少設(shè)備維修費(fèi)用和停產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)隨時(shí)。 自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，電氣控制相繼出現(xiàn)了直接數(shù)字控制系統(tǒng)（ DDS）、柔性制造系統(tǒng)（ FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ CIMS）、智能機(jī)器人、集散控制系統(tǒng)（ DCS）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制 系統(tǒng)等多項(xiàng)高技術(shù)，形成了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn)管理的智能化生產(chǎn)的完整體系，將自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)推進(jìn)到更高的水平。它兼容了 FXIS/IN系列的全部功能。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （ 2） FX2N系列采用了基本單元加擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)形式，基本單元本身具有固定 I/O點(diǎn)，可以作為獨(dú)立的 PLC使用。與 FXIN相比，在輸入 /輸出擴(kuò)展功能上， FX2N系列主要增加了模擬量輸入 /輸出模塊，而開(kāi)關(guān)量的輸入 /輸出擴(kuò)展模塊與 FXIN系列基本相同。 PLC的編程元及用戶程序存儲(chǔ)器容量也比 FXIN大大增加。 （ 4） FX2N系列 PLC可以使用較多的特殊功能模塊，如溫度傳感器輸入模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊、脈沖輸出模塊、軸定位模塊、高速計(jì)數(shù)模塊和轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊等外部?；谌?FX2N_PLC的空壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 塊，以適應(yīng)溫度控制和位置控制的應(yīng)用場(chǎng)合。 FX2N系列 PLC基本單元有 6種規(guī)格，分別為 1 3 4 6 80、 128。 FX系列 PLC型號(hào)的說(shuō)明 FX 系列 PLC 是由三菱公司近年來(lái)推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原 F、 F F2 系列 PLC 產(chǎn)品。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。 例如 FX2N－ 32MT－ D 表示 FX2N 系列， 32 個(gè) I/O 點(diǎn)基本單位，晶體管輸出，使用直流電源， 24V直流輸出型。 輸入處理階段 對(duì)個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸入掃 描，并將各掃描結(jié)果分別寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的映像寄存器中。執(zhí)行指令時(shí)從映像寄存器中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，每條指令的執(zhí)行是對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果送到輸出映像寄存器中。即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。在 RUN模式下，還檢測(cè)用戶程序存儲(chǔ)器。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 與計(jì)算機(jī)的循環(huán)取指令和執(zhí)行指令的工作方式不同，循環(huán)掃描的工作方式執(zhí)行用戶程序只是其中的一步，而且指令的執(zhí)行結(jié)果并不立即傳送到輸出點(diǎn)，只是用它改變內(nèi)部的映像寄存器狀態(tài)，當(dāng)所有指令執(zhí)行完成后，同時(shí)對(duì)各輸出點(diǎn)刷新。 它是用于支持現(xiàn)場(chǎng)裝置，實(shí)現(xiàn)傳感、變送、調(diào)節(jié)、控制、監(jiān)督以及各種裝置之間透明通信等功能的通信網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間相互透明有序地傳遞信息是它的主要集成任務(wù)。由這個(gè)聯(lián)合體開(kāi)發(fā) 的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)成為德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即DIN E 19245[2] PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)。 20xx 年 3 月， PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)被批準(zhǔn)為國(guó)際 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) IEC61158 的組成部分（ TYPEIII）。 PROFIBUS 主要由 PROFIBUSFMS、 PROFIBUSPA 和 PROFIBUSDP 等三部分組成 ， PROFIBUS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化等。PROFIBUSDP 的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)高于其他局域網(wǎng)，因而特別適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 S7200PLC只能作為 PROFIBUSDP 從站，但是 S7200PLC 是可以獨(dú)立編程和完成控制的，又把PROFIBUSDP 技術(shù) 的應(yīng)用更擴(kuò)展一步。 現(xiàn)場(chǎng)控制層 現(xiàn)場(chǎng)控制層由現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、遠(yuǎn)程 I/O 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。 PROFIBUSDP 是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到 12M 。 PROFIBUSDP 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹(shù)型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時(shí)，不加中繼器最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá) 公里，最多可以采用 9 個(gè)中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá) 9 公里。 PROFIBUSPA 是低速現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，通訊速率為 ，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、總線型、混合型、樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？梢圆捎闷帘坞p絞線電纜，也可采用非屏